Tailoring Material Properties through Novel Processing Routes for High-Performance Products

For stålprodukter i ulike bruksområder som for eksempel landbruk, transport, skogbruk, motorer og fornybar energi finnes det ganske like skademekanismer som slitasje, korrosjon og materialtretthet. Gode produkter i de nevnte bruksområder takler utfordringene gjennom overlegne materialer. I TailorPro-prosjektet samler seg industripartnerne Kverneland, Nøsted&, Bergen Engines og Dokka Fasteners, siden alle ser de samme utfordringer og søker løsninger. Alle vil introdusere nye prosessruter som kan brukes til å skreddersy materialer og komponenter. Partnere i TailorPro vil løse underliggende problemer sammen med FoU miljøet i SINTEF og NTNU. Forskningsspørsmålet som prosjektet skal ta opp er samspillet mellom materialer og varmebehandlingsprosesser og dens innvirkning på skadebestandigheten av stålprodukter. Det er viktig å bedre forstå virkning av forskjellige varmebehandlingsprosesser anvendt på kjente og nye stållegeringer og legger et solid grunnlag for optimal prosesskontroll. FoU-aktivitetene i dette prosjektet tar sikte på å få grunnleggende forståelse for og etablere forholdet mellom prosess, egenskap og ytelse av produkter. Siden det er såpass viktig å forstå grunnleggende mekanismer er det startet en PhD arbeid på en av de prosesser som behandles i prosjektet. Videre vil en teknologiplattform bestående av fysisk simulering, numerisk simulering, database og dataanalyse bli etablert og skal brukes til å definere prosessvinduer for ulike prosessruter. Gjennom en vellykket implementering av de nye prosesser legges det grunnlag for verdiskapning hos industripartnerne. Til nå er det evaluert mange materialer som kunne egner seg for de nye varmebehandlingsprosessene TailorPro skal undersøke. Det ble valgt ut stål legeringer som skal tas inn i en første testserie på lab.-skala. Materialene er valgt gjennom diskusjoner der industrien, NTNU og SINTEF evaluerte nyeste resultater fra et EU-prosjekt, og satt dette i relasjon til framtidige produktkrav. En ny nasjonal infrastruktur, en thermo-mekanisk test maskin vi kaller "Gleeble", ble tatt i bruk til å teste nye prosesser på gitte stål legeringer. Resulterende materialer (=legering etter en bestemt tilvirkning og varmebehandling) ble studert. Test metoder for lab.-skala- og full skala slitasje tester er diskutert og en metode vil bli anvendt. Utmattingstester med nødvendige tilpasninger i lab skala er rigget, der produkter skal testes som gjennomgikk forskjellige prosessruter. Et nytt kjøletårn som er tatt i bruk for å teste komponenter er brukt. Flere forskjellige mikrostruktur-analysemetoder er diskutert, og noen utprøvd. Datahåndteringen og muligheter her ble gjennomgått og en SINTEF-egnen løsning av en database ble favorisert. Industrien evaluerte mange forskjellige demonstratorer og produkter som evtl. skulle tas in i TailorPro. Konkret ble fire innovasjonsløp startet ved partnere evaluering. Noen konkrete studier skal støttes med TailorPro aktivitetene som planlagt. Nye betraktninger og krav til materialer kommer inn via Bergen Engines, som er ny partner i TailorPro. Prosjektet har funnet at komponenter i seigherdingstål som f.eks. bolter for vindmøller og bolter, veivstaker mm. i motorer har en viktig misjon for å gjøre det grønne skifte mulig. Disse komponentene har ekstremt høye krav til styrke. De holder vindmøller på plass, og at sørger for at motorer kan utnytte drivstoffet bedre, kreve mindre vedlikehold og ikke minst kan opereres på nye karbon-nøytrale drivstoff som hydrogen og ammoniakk. En utfordring fra de nye partnere går direkte i et av prosjektets fokus, materialoppførsel og hydrogensprøhet. Dette er ikke bare i fokus ved plogspisser, kjettinger, og bolter for vindmøller, men også aktuelt siden Bergen Engines er i full gang med å teste og realisere motordrift med mer enn 20% hydrogen innblanding i naturgass.

-

Damage mechanisms such as wear, corrosion and fatigue represent critical challenges for high-performance steel products in various applications, e.g., sustainable agriculture, transport, forestry, furniture seating and renewable energy. The key to tackling these challenges is to develop superior materials and novel material processing routes to tailor material properties with a better resistance against damage. The underlying idea of the TailorPro project is to introduce three novel processing routes, 1) martempering, 2) austempering and 3) surface engineering, that can be used to tailor materials and components properties for enhanced damage resistance to enable high-performance products. The primary objective of this project is to develop three material processing routes to tailor material properties with a measurable improvement of damage resistance (20-30%) and cost reduction (15-20%). The research question that the project will be addressing is the interaction between materials and heat treatment processes and its impact on the damage resistance of steel products. It is essential to better understand thermal and mechanical conditions associated with the heat treatment processes and thus lay a solid basis for optimal process control. The R&D activities in this project aim to obtain fundamental understanding of, and establish the relationship between process, property and performance (3Ps) of high-performance products. A technology platform consisting of physical simulation, numerical simulation, database and data analytics will be established and used to define operation windows for different processing routes to achieve an optimized and robust industrial production. Through a successful implementation of novel processing routes for high-performance products, a step change for tailoring material properties will evolve with the participating companies. This will open for great potential for value creation in the industrial partners.