The vision of this thesis is to study how it is possible to obtain optimised workpieces during metal cutting processes in industry. Specifically, the work is aimed to increase the understanding between the steel characteristics and their link to the chip breaking and tool wear during metal cutting. The emphasis is on the influence of the cleanliness and the characteristics of non-metallic inclusions in the workpiece on the machinability of carburising steel grades. The machinability of a case hardening steel is improved by a M-treatment (additions of Ca). Also, the improved machinability of the M-steels offers an attractive potential to save money which makes it possible to reduce the tooling costs with up to 50%. The improved machinability of Ca-treated steels is correlated to the formation of lubricating slag layers consisting of Ca-enriched sulfide inclusions and oxy-sulfide inclusions, which are formed on the rake face during the machining operation. It is proposed that the formations of slag layers from the workpiece constituents are essential to minimise the chemical degradation of the tool edge due to a contact with the chip. During this process, sulfur minimises the material transfer from the chip flow, whilst Ca-treated impurities have a stabilising effect on the protective deposits made of slag layers. Since there is a remaining industrial need to increase the production rate, whilst maintaining a high quality of the finished parts, the future production will continue to require extreme demands on the quality of workpieces. If the emphasis is focused on the workpiece, it should be possible to obtain a robust manufacturing process. Therefore, the challenge for future steel metallurgists is to develop high performance grades with optimised combined properties. / Syftet med denna avhandling är att studera hur det är möjligt att framställa optimala ämnen för skärande bearbetning i industriell skala. Målsättningen med arbetet är att öka förståelsen för ståls egenskaper och dess inverkan på spånbrytning och slitage av verktyg vid skärande bearbetning. Avhandlingen fokuserar på kopplingen mellan arbetsstyckets renhet och inneslutningskarakteristik och dess inverkan på skärbarhet hos sätthärdningsstål. Skärbarheten hos vanligt sätthärdningsstål kan förbättras markant genom en Ca-behandling, dvs. en så kallad M-behandling. Den förbättrade skärbarheten hos M-stål möjliggör stora kostnadsbesparingar, som uppskattas kunna reducera verktygskostnader med upp till 50%. Den förbättrade skärbarheten hos M-stål beror på bildningen utav tribologiska skikt som är anrikade med (Mn,Ca)S- och (CaO)x-Al2O3-S-slagg. Dessa tribologiska skikt bildas på skärverktygets spånsida under ingrepp vid skärande bearbetning och består utav vissa atomer som överförts från det bearbetade ämnet till skäret. Bildandet av ett skyddande skikt anses nödvändigt för att undvika att verktygets skäregg utsätts för ett kemiskt angrepp i kontaktytan med spånflödet. Svavel anses minimera att rent arbetsmaterial överförs till skärverktyget medans kalcium-berikade inneslutningar hjälper till att bilda ett stabilt och skyddande tribologiskt skikt. Det eviga behovet att öka produktionstakten, utan att för dess skull riskera slutproduktens kvalité ställer stora krav på framtidens material. Med utgångspunkt från arbetsstycken så ska det vara möjligt att uppnå en robust industriell produktion. Utmaningen är därför att utveckla högpresterande stål med en förhöjd kombinerad funktionsegenskap.

<p>Syftet med examensarbetet var att undersöka manganhaltens inverkan på skärbarheten och de mekaniska egenskaperna i varmarbetsstål Dievar samt kontrollera och undersöka hypotesen<em> </em>att material med låga Ac1 temperaturer maskinbearbetas svårare än material med högre temperaturer. </p><p>Skärbarhet hos Dievar med olika Mn-halt från 0,084 till 1,59 vikts% studerades i härdat tillstånd med ett pinnfräsningstest. Skärbarheten karakteriserades genom mätning av verktygslivslängd och skärkrafter. Verktygslivslängd bestämdes av fasförslitningsutvecklingen på verktyget. Förslitningsmekanismer studerades på verktygets spån- och släppningssidor med hjälp av svepelektronmikroskop (SEM). Dragprov vid rums- och förhöjd temperatur genomfördes för att studera mangans inverkan på hållfasthetsegenskaper hos Dievar. Mikrostrukturen av stålen i härdat och anlöpt tillstånd undersöktes i SEM. Ac1 temperatur i stålen uppmättes med dilatometer.</p><p>Mangan visade sig ha en positiv inverkan på skärbarheten i Dievar. Verktygets livslängd var två gånger längre vid pinnfräsning av Dievar 1,59 vikts% Mn i jämförelse med Dievar 0,084 och 0,27 vikts% Mn. Mer påkletningsbenägna stål med lägre Mn-halt orsakade mer adhesiv nötning och urflisning av fräsens skäregg. Detta ledde till att förslitningen utvecklades hastigare under bearbetningen av Dievar med lägre Mn-halt.</p><p>De uppmätta skärkrafterna under bearbetning förklarade inte skillnaden i skärbarheten mellan Dievar med olika Mn-halt; skärkrafter var lika i alla material.</p><p>Dievar med högre Mn-halt innehöll mindre primära molybdenrika karbider än Dievar med lägre Mn-halt. Detta berodde på att manganet minskade Ac1 temperaturen i Dievar.</p><p>Mn-halten i Dievar påverkade inte hållfasthetsegenskaperna vid rumstemperatur men visade en tendens att minska stålets hållfasthet vid hög temperatur.</p><p>De genomförda undersökningarna bekräftade inte hypotesen att material med lägre Ac1 temperaturer har sämre maskinbearbetbarhet än material med högre temperaturer. Dievar 1,59 vikts% Mn hade betydligt lägre Ac1 temperatur än andra Dievar-material samt modifierat Orvar men visade sig vara lättare att bearbeta.</p> / <p>The aim of the study was to investigate influence of manganese content on the machinability and mechanical properties of a hot-work tool steel Dievar and verify a hypothesis that materials with low Ac1 temperatures are more difficult to machine than steels with higher Ac1 temperatures.</p><p>Machinability of Dievar with varying manganese content from 0,084 to 1,59 wt% was investigated in the hardened condition in the milling operation. The machinability of the steels was characterized by measuring tool life and cutting forces during machining. The tool life was estimated by measuring flank wear on the tools. Wear mechanisms were investigated on the clearance and rake faces of the tools by SEM. Tensile tests at room and elevated temperatures were carried out to examine the manganese influence on the mechanical properties of Dievar. Microstructure of the steels in hardened and tempered condition was investigated by SEM. Dilatometer tests were done to determine the Ac1 temperature for the steels.</p><p>Manganese content showed to have a positive effect on the machinability of Dievar. Two times longer tool life was reached when end milling Dievar 1,59 wt% Mn comparing to end milling Dievar 0,084 and 0,27 wt% Mn. More adhesive wear and chipping were observed on the tools after end milling the lower manganese containing steels. This resulted in more progressive wear and shorter tool life during machining of these steels.</p><p>The measured cutting forces could not be related to the difference in machinability of the steels with different manganese content. The generated cutting forces were similar for all the tested steels.</p><p>Dievar with higher manganese content contained less primary molybdenum-rich carbides in the microstructure. It was related to the lower Ac1 temperature of Dievar 1,59 wt% Mn comparing to the lower manganese containing steels.</p><p>The manganese content showed no influence on the tensile properties of Dievar at room temperature and a tendency to a slight decrease in yield and ultimate strength at the elevated temperature.</p><p>The machinability tests carried out in the present study did not confirm the hypothesis that materials with low Ac1 temperatures have poor machinability.  Dievar 1,59 wt% Mn had much lower Ac1 temperatures than the other Dievar steels and the modified Orvar steel but showed to have an improved machinability compared to the others.</p>

Syftet med examensarbetet var att undersöka manganhaltens inverkan på skärbarheten och de mekaniska egenskaperna i varmarbetsstål Dievar samt kontrollera och undersöka hypotesen att material med låga Ac1 temperaturer maskinbearbetas svårare än material med högre temperaturer.  Skärbarhet hos Dievar med olika Mn-halt från 0,084 till 1,59 vikts% studerades i härdat tillstånd med ett pinnfräsningstest. Skärbarheten karakteriserades genom mätning av verktygslivslängd och skärkrafter. Verktygslivslängd bestämdes av fasförslitningsutvecklingen på verktyget. Förslitningsmekanismer studerades på verktygets spån- och släppningssidor med hjälp av svepelektronmikroskop (SEM). Dragprov vid rums- och förhöjd temperatur genomfördes för att studera mangans inverkan på hållfasthetsegenskaper hos Dievar. Mikrostrukturen av stålen i härdat och anlöpt tillstånd undersöktes i SEM. Ac1 temperatur i stålen uppmättes med dilatometer. Mangan visade sig ha en positiv inverkan på skärbarheten i Dievar. Verktygets livslängd var två gånger längre vid pinnfräsning av Dievar 1,59 vikts% Mn i jämförelse med Dievar 0,084 och 0,27 vikts% Mn. Mer påkletningsbenägna stål med lägre Mn-halt orsakade mer adhesiv nötning och urflisning av fräsens skäregg. Detta ledde till att förslitningen utvecklades hastigare under bearbetningen av Dievar med lägre Mn-halt. De uppmätta skärkrafterna under bearbetning förklarade inte skillnaden i skärbarheten mellan Dievar med olika Mn-halt; skärkrafter var lika i alla material. Dievar med högre Mn-halt innehöll mindre primära molybdenrika karbider än Dievar med lägre Mn-halt. Detta berodde på att manganet minskade Ac1 temperaturen i Dievar. Mn-halten i Dievar påverkade inte hållfasthetsegenskaperna vid rumstemperatur men visade en tendens att minska stålets hållfasthet vid hög temperatur. De genomförda undersökningarna bekräftade inte hypotesen att material med lägre Ac1 temperaturer har sämre maskinbearbetbarhet än material med högre temperaturer. Dievar 1,59 vikts% Mn hade betydligt lägre Ac1 temperatur än andra Dievar-material samt modifierat Orvar men visade sig vara lättare att bearbeta. / The aim of the study was to investigate influence of manganese content on the machinability and mechanical properties of a hot-work tool steel Dievar and verify a hypothesis that materials with low Ac1 temperatures are more difficult to machine than steels with higher Ac1 temperatures. Machinability of Dievar with varying manganese content from 0,084 to 1,59 wt% was investigated in the hardened condition in the milling operation. The machinability of the steels was characterized by measuring tool life and cutting forces during machining. The tool life was estimated by measuring flank wear on the tools. Wear mechanisms were investigated on the clearance and rake faces of the tools by SEM. Tensile tests at room and elevated temperatures were carried out to examine the manganese influence on the mechanical properties of Dievar. Microstructure of the steels in hardened and tempered condition was investigated by SEM. Dilatometer tests were done to determine the Ac1 temperature for the steels. Manganese content showed to have a positive effect on the machinability of Dievar. Two times longer tool life was reached when end milling Dievar 1,59 wt% Mn comparing to end milling Dievar 0,084 and 0,27 wt% Mn. More adhesive wear and chipping were observed on the tools after end milling the lower manganese containing steels. This resulted in more progressive wear and shorter tool life during machining of these steels. The measured cutting forces could not be related to the difference in machinability of the steels with different manganese content. The generated cutting forces were similar for all the tested steels. Dievar with higher manganese content contained less primary molybdenum-rich carbides in the microstructure. It was related to the lower Ac1 temperature of Dievar 1,59 wt% Mn comparing to the lower manganese containing steels. The manganese content showed no influence on the tensile properties of Dievar at room temperature and a tendency to a slight decrease in yield and ultimate strength at the elevated temperature. The machinability tests carried out in the present study did not confirm the hypothesis that materials with low Ac1 temperatures have poor machinability.  Dievar 1,59 wt% Mn had much lower Ac1 temperatures than the other Dievar steels and the modified Orvar steel but showed to have an improved machinability compared to the others.

Ett av samhällets viktigaste industriellt framställda material är stål som oftast vidareförädlas av verkstadsindustrin genom bland annat spånskärande bearbetning. Stål kan skilja sig i dess skärbarhet vilket brukar bedömas utefter verktygsslitage och kan påverkas av faktorer som kemisk sammansättning och hur det framställs. Dessa faktorer kan variera och därmed skapa problem med standardisering av skärverktyg och skärdata. Syftet med denna studie är att få en bättre förståelse kring hur varierande materialegenskaper och olika framställningsprocesser av stål kan påverka dess skärbarhet. Detta har uppnåtts genom en fallstudie på stålsorten 100Cr6 via en sammanställning av materialcertifikat, jämförelse av två olika stålleverantörers framställningsprocesser och skärtester genomförda i EPIC - Innovation &amp; Technology Center. Resultaten som visade på variationer i materialegenskaper och skärbarhet bidrar till forskningen kring skärande bearbetning. Genom denna forskning kan slöserier av material (i form av kasserade detaljer) och skärverktyg (i form av oregelbunden förslitning) minimeras vilket följaktligen kan minska belastningen på miljön.

<p>The Swedish truck industry is forced to find new material solutions to achieve lighter engines with increased strength. Customers and new environmental regulations demand both higher specific power and more environmentally friendly trucks, and this places a rising pressure on the manufactures. This demand could be met by increasing the peak pressure in the cylinders. Consequently, a more efficient combustion is obtained and the exhaust lowered. This however exposes the engine to higher loads and material physical properties must therefore be enhanced.</p><p>Today, alloyed gray iron is the predominantly used engine material. This material cannot meet the requirements of tomorrow’s engines. Compacted Graphite Iron has good potential to be the replacement; it opens new design opportunities with its superior strength, which can lead to smaller, more efficient engines and additional power. The question is: how will manufacturing be affected?</p><p>The main goal of this thesis is to identify and investigate the main factors’ effect and their individual contributions on CGI machining.  When the relationship between the fundamental features; machinability, material microstructure, and material physical properties, are revealed, then the CGI material can be optimized, both regarding the manufacturing process and design requirements. The basic understanding is developed mainly through experimental analysis. No attempt has been made to optimize the material to be used as engine material in this thesis.</p><p>The thesis demonstrates the importance of having good casting process control. It also illustrates the microstructural properties’ effects on CGI machinability, and what new aspects of machining must be taken into account, compared to gray iron.</p> / OPTIMA CGI

The Swedish truck industry is forced to find new material solutions to achieve lighter engines with increased strength. Customers and new environmental regulations demand both higher specific power and more environmentally friendly trucks, and this places a rising pressure on the manufactures. This demand could be met by increasing the peak pressure in the cylinders. Consequently, a more efficient combustion is obtained and the exhaust lowered. This however exposes the engine to higher loads and material physical properties must therefore be enhanced. Today, alloyed gray iron is the predominantly used engine material. This material cannot meet the requirements of tomorrow’s engines. Compacted Graphite Iron has good potential to be the replacement; it opens new design opportunities with its superior strength, which can lead to smaller, more efficient engines and additional power. The question is: how will manufacturing be affected? The main goal of this thesis is to identify and investigate the main factors’ effect and their individual contributions on CGI machining.  When the relationship between the fundamental features; machinability, material microstructure, and material physical properties, are revealed, then the CGI material can be optimized, both regarding the manufacturing process and design requirements. The basic understanding is developed mainly through experimental analysis. No attempt has been made to optimize the material to be used as engine material in this thesis. The thesis demonstrates the importance of having good casting process control. It also illustrates the microstructural properties’ effects on CGI machinability, and what new aspects of machining must be taken into account, compared to gray iron. / QC 20101105 / OPTIMA CGI