Surface transformation hardening of carbon steel with high power fiber laser

This study investigated the surface hardening of steels via experimental tests using a multi-kilowatt fiber laser as the laser source. The influence of laser power and laser power density on the hardening effect was investigated. The microhardness analysis of various laser hardened steels was done. A thermodynamic model was developed to evaluate the thermal process of the surface treatment of a wide thin steel plate with a Gaussian laser beam. The effect of laser linear oscillation hardening (LLOS) of steel was examined. An as-rolled ferritic-pearlitic steel and a tempered martensitic steel with 0.37 wt% C content were hardened under various laser power levels and laser power densities. The optimum power density that produced the maximum hardness was found to be dependent on the laser power. The effect of laser power density on the produced hardness was revealed. The surface hardness, hardened depth and required laser power density were compared between the samples. Fiber laser was briefly compared with high power diode laser in hardening medium-carbon steel. Microhardness (HV0.01) test was done on seven different laser hardened steels, including rolled steel, quenched and tempered steel, soft annealed alloyed steel and conventionally through-hardened steel consisting of different carbon and alloy contents. The surface hardness and hardened depth were compared among the samples. The effect of grain size on surface hardness of ferritic-pearlitic steel and pearlitic-cementite steel was evaluated. In-grain indentation was done to measure the hardness of pearlitic and cementite structures. The macrohardness of the base material was found to be related to the microhardness of the softer phase structure. The measured microhardness values were compared with the conventional macrohardness (HV5) results. A thermodynamic model was developed to calculate the temperature cycle, Ac1 and Ac3 boundaries, homogenization time and cooling rate. The equations were numerically solved with an error of less than 10-8. The temperature distributions for various thicknesses were compared under different laser traverse speed. The lag of the was verified by experiments done on six different steels. The calculated thermal cycle and hardened depth were compared with measured data. Correction coefficients were applied to the model for AISI 4340 steel. AISI 4340 steel was hardened by laser linear oscillation hardening (LLOS). Equations were derived to calculate the overlapped width of adjacent tracks and the number of overlapped scans in the center of the scanned track. The effect of oscillation frequency on the hardened depth was investigated by microscopic evaluation and hardness measurement. The homogeneity of hardness and hardened depth with different processing parameters were investigated. The hardness profiles were compared with the results obtained with conventional single-track hardening. LLOS was proved to be well suitable for surface hardening in a relatively large rectangular area with considerable depth of hardening. Compared with conventional single-track scanning, LLOS produced notably smaller hardened depths while at 40 and 100 Hz LLOS resulted in higher hardness within a depth of about 0.6 mm.

Carbon Nanotubes as Material for Supercapacitor Electrodes

Electrochemical double-layer supercapacitors have an intermediate position between rechargeable batteries, which can store high amounts of energy, and dielectric capacitors, which have high output power. Supercapacitors are widely suggested to be used in automobiles (recuperation during braking, facilitate engine starting, electric stabilization of the system), industry (forklifts, elevators), hybrid off-road machinery and also in consumer electronics. Supercapacitor electrodes require highly porous material. Typically, activated carbon is used. Specific surface area of activated carbon is approximately 1000 m2 per gram. Carbon nanotubes represent one of prospective materials. According to numerous studies this material allows to improve the properties of supercapacitors. The task of this Master‘s Thesis was to test multiwalled carbon nanotubes and become confident with the testing methods.

Hiiliteräspalkin kuitulaserhitsaus

Hitsaavassa teollisuudessa kilpailukyvyn säilyttäminen ja mahdollinen parantaminen edellyttää hitsauksen tehokkuuden nostoa. Laserhitsauksen nopeus, tarkkuus, tasainen laatu ja aikaansaatava syvä tunkeuma ovatkin vakiinnuttaneet menetelmän vankan aseman tehokkaana valmistusmenetelmänä. Sähkön ja heliumin hinnan nousu ovat pakottaneet teollisuuden miettimään entistä tehokkaampien ja ympäristöystävällisempien laserlähteiden hankkimista. Kuitulaserin korkea hyötysuhde, hyvä säteenlaatu, suuri teho ja matalat käyttökustannukset ovat herättäneet kiinnostusta laserhitsaavassa teollisuudessa. Diplomityössä keskityttiin kuitulaserhitsauksen soveltamiseen. Työn tavoitteena oli parantaa kuitulaserhitsausmenetelmän ymmärrystä ja saada käsitys siitä, miten valitaan hitsausparametrien arvot, ja soveltuuko kuitulaser teolliseen tuotantoon. Tutkimuksessa pyrittiin löytämään peruskokeilla optimaaliset hitsausparametrit, joilla syntyy hyvin tunkeutunut, vähän huokosia sisältävä, ja ulkoisesti laadukas hitsi, sekä optimaalinen hitsin tunkeumaprofiili. Lopuksi hitsausparametreja testattiin tuotteen hitsauksessa. Kuitulaser soveltuu erinomaisesti hiiliteräksen hitsaukseen ja hyvin erikoislujien terästen hitsaukseen, kun teräksen hiili- ja rikkipitoisuudet ovat matalia. Sillä on laaja parametrialue. Yleisimmät hitsausvirheet ovat vajaa hitsautumissyvyys ja huokoset. Tässä diplomityössä keskityttiin etsimään yhdelle valmistettavalle tuotteelle optimaaliset kuitulaserhitsausparametrit. Kuitulaserin laser- ja prosessiparametrien vaikutusta hitsiin ei ole juurikaan tutkittu. Diplomityön kokeiden perusteella olisi hyvä tehdä eri materiaalien jatkotutkimusta railonvalmistuksen, kuten liitoksen oksidikerroksen ja ilmaraon sekä suojakaasun, vaikutuksesta hitsiin. Kuitulaserin hyvä säteenlaatu ja muut laser-parametrit ovat tuoneet mukanaan prosessiin uusia ilmiöitä, joita on syytä tutkia lisää.

Vesi-metanolitislauskolonnin ikääntyminen ja siihen vaikuttavat tekijät

Tässä työssä tutkittiin Fortum Oyj:n MTBE -yksikön vesi metanolitislauskolonnin käyttö- ja tarkastushistoriaa sekä yleisestä syöpymisestä aiheutunutta seinämän ohenemaa. Oheneminen oli kiihtynyt viimeisten käyttövuosien aikana. Kolonni poistettiin käytöstä vuonna 2002. Kirjallisuusosassa käsitellään MTBE -prosessia, metallien korroosiota eri olosuhteissa sekä korroosiotutkimusmenetelmiä. Eri korroosiotutkimusmenetelmistä käsitellään sähkökemiallinen kohina -menetelmää, vastuslankamittausta sekä upotuskokeita. Kokeellisessa osassa käsitellään tuloksia käyttö- ja tarkastushistoriaselvityksistä ja korroosiokokeista, jotka tehtiin kirjallisuusosassa esitettyjen menetelmien mukaisesti. Koekappaleet olivat hiiliterästä, joka oli vastaavaa materiaalia kuin metanolin tislauskolonni. Korroosiokokeiden tuloksista havaittiin, että hiiliteräs syöpyy nopeammin vesimetanoliliuoksessa, jossa on 60 - 80 metanolia. Syöpymisnopeus kasvoi liuoksen pH:n laskiessa ja oli suurinta kun pH oli alle 4,0.

Suojakaasuseoksen koostumuksen vaikutus CO2-laser-MAG-hybridihitsauksessa

Hitsaavassa teollisuudessa kilpailukyvyn säilyttäminen edellyttää hitsauksen tehokkuuden nostoa. Niinpä metalliteollisuus etsii kuumeisesti uusia yhä tehokkaampia hitsausmenetelmiä. CO2-laserin ja MAG:in yhdistelmän muodostamalla hybridihitsauksella saadaan aikaan syvä tunkeuma kuten laserhitsauksessa, mutta sallitaan laserhitsausta väljemmät railotoleranssit. Samalla muodonmuutokset vähenevät huomattavasti verrattuna perinteiseen kaarihitsaukseen. Kaariavusteisessa laserhitsauksessa yhdistetään laserhitsaukseen perinteinen kaarihitsaus eli MIG/MAG-, TIG- tai plasmahitsaus. Menetelmää voidaan kutsua myös hybridihitsaukseksi ja sillä hyödynnetään molempien prosessien edut välttyen yksittäisten prosessien haitoilta. Prosessin haittapuolena on parametrien suuri määrä, joka on rajoittanut menetelmän käyttöönottoa. Diplomityössä tutkittiin suojakaasuseoksen koostumuksen vaikutusta rakenneteräksen CO2-laser-MAG-hybridihitsauksessa. Laserhitsauksen ja MAG-hitsauksen suojakaasuvirtaukset yhdistettiin siten, että heliumseosteinen suojakaasu tuotiin MAG-polttimen kaasukuvun kautta. Suojakaasun heliumpitoisuus nostettiin niin korkeaksi, että estettiin laserhitsauksen muodostaman plasman syntyminen. Samalla hitsauskokeissa opittiin paremmin ymmärtämään prosessia ja sen parametrien riippuvuutta toisiinsa. Tutkitut suojakaasuseokset koostuivat heliumista, argonista ja hiilidioksidista. Hitsauskokeiden perusteella havaittiin, että suojakaasuseoksen optimaalinen heliumpitoisuus on 40-50 %. Tällöin laserin tunkeumaa häiritsevää plasmapilveä ei synny ja prosessi on stabiili. Päittäisliitosten hitsauksessa suojakaasuseoksen 2 %:n CO2-pitoisuudella saadaan aikaan hyvin vähän huokosia sisältävä hitsi, jonka tunkeumaprofiilin muoto ja liittymä perusaineeseen on juoheva. Pienaliitoksilla 7 %:n CO2-pitoisuudella prosessi pysyy stabiilina ja vähäroiskeisena. Tunkeuma hieman levenee hitsin keskeltä ja hitsin liittyminen perusaineeseen on juoheva.CO2-laser-MAG-hybridihitsauksella aikaansaadaan laadukkaita hitsejä taloudellisesti, mikäli käytetyt parametrit ovat oikein valittuja. Parametrit on sovitettava jokaiseen hitsaustapaukseen erikseen, eikä niitä välttämättä voida suoraan käyttää toisessa tapauksessa.

Voimalaitoksen palamisilman esilämmittimen sisäpuolisen korroosion hallinta pinta-aktiivisten amiinien avulla

Useat voimalaitokset käyttävät hiiliteräksistä valmistettuja palamisilman esilämmittimiä, joissa höyrykattilan palamisilmaa lämmitetään matalapainehöyryllä. Joissakin tapauksissa esilämmittimet ovat kärsineet sisäpuolisen korroosion aiheuttamista putkirikoista. Tämän työn tavoitteena oli selvittää korroosiovaurioiden aiheuttajat ja tarkastella eri keinoja uusien korroosiovaurioiden ehkäisemiseksi. Keskeisimpänä uusien vaurioiden ehkäisykeinona tarkastellaan pinta-aktiivisia amiineja sisältäviä höyrykattilan jälkiannostelukemikaaliseoksia, joista tarkemman tarkastelun kohteena on kaupallinen Helamin 90 H Turb- kemikaaliseos. Pääasialliseksi korroosion aiheuttajaksi on usein epäilty höyryn sisältämää hiilidioksidia. Uusimpien näkemysten mukaan orgaaniset hapot, pääasiassa etikka- ja muurahaishappo ovat kuitenkin hiilidioksidia voimakkaampia korroosion aiheuttajia ilmanesilämmittimissä. Orgaaniset hapot väkevöityvät höyryn lauhtumisen alkaessa muodostuviin lauhdepisaroihin ja alentavat pH-tasoa radikaalisti. pH-tason aleneminen nopeuttaa metallipintoja suojaavan magnetiitin liukenemista ja vaikeuttaa myös sen uusiutumista. Orgaanisia happoja ja hiilidioksidia muodostuu orgaanisten aineiden osittaisessa hajoamisessa höyrykattilan vesi-höyrypiirissä. Pääasialliset orgaanisten aineiden lähteet ovat lisäveden mukana kattilaan kulkeutuva luonnon orgaaninen aines ja käytetyt orgaaniset jälkiannostelukemikaalit. Orgaanisten aineiden kuormaa voidaan pienentää parantamalla lisäveden valmistusprosessin orgaanisten aineiden erotustehokkuutta esimerkiksi käänteisosmoosilla. Mikäli lisäveden laadun parantaminen ei ole järkevästi toteutettavissa, voidaan orgaanisten jälkiannostelukemikaalien oikeanlaisella käytöllä neutraloida orgaanisten happojen vaikutus ilmanesilämmittimissä. Tehokkaimmaksi korroosion hillitsijäksi suoritettujen mittausten perusteella osoittautuivat kemikaaliseokset, jotka sisältävät alkaloivien amiinien lisäksi kalvoa muodostavaa pinta-aktiivista amiinia.

Alkylointiyksikön neutralointi- ja puhdistusprosessin kehittäminen

Tämä diplomityö käsittelee Neste Oilin Porvoon jalostamon HF-alkylointiyksikön alasajon ja huoltopysäytyksen rajapintaa. Työssä tarkastellaan erilaisia vaihtoehtoja alasajon aikaisen neutralointi- ja puhdistusprosessin kehittämiseen huomioiden materiaalitekninen näkökulma. Työn alkuosassa esitellään alkyloinnin perusperiaate, huoltopysäytysprosessi sekä eri neutralointi- ja puhdistusprosessit, joista tarkemmin nykyisin jalostamolla käytettävä EnvTech:n prosessi. Työssä on myös kerrottu alkyloinnin erityisvaatimukset materiaaleille, joista tarkemmin on esitelty perusmateriaaleina käytettävät hiiliteräs A106 sekä Monel® 400. Näiden perusmateriaalien kohdalla on myös esitelty kirjallisuuden pohjalta niiden käyttäytyminen fluorivety-ympäristössä. Työn loppuosassa on esitelty eri vaihtoehtoja, jotta käyttövarmuutta voitaisiin kehittää yhdessä mahdollisesti kasvavien tuotantomäärien kanssa. Putkistojen kohdalla työssä on käsitelty kehityskohteeksi valittua erästä pääkolonni-osaan kuuluvaa linjastoa. Eri vaihtoehtoja on vertailtu teknistaloudelliselta näkökulma ja putkiston kohdalla on työssä päädytty geometrian muuttamiseen sekä koon kasvattamiseen. Työssä on myös esitetty kuumatypetysvaiheen uudelleen aikataulutusta alasajovaiheen nopeuttamiseksi sekä jatkotutkimusehdotuksia putkiston passivoimisesta, rautafluoridikalvon paikalleen jättämiseksi ja huoltopysäytyssyklin kehittämiseksi.

Electro-Oxidation Treatment of Pulp and Paper Mill Circulating Waters and Wastewaters

Interest in water treatment by electrochemical methods has grown in recent years. Electrochemical oxidation has been applied particularly successfully to degrade different organic pollutants and disinfect drinking water. This study summarizes the effectiveness of the electrochemical oxidation technique in inactivating different primary biofilm forming paper mill bacteria as well as sulphide and organic material in pulp and paper mill wastewater in laboratory scale batch experiments. Three different electrodes, borondoped diamond (BDD), mixed metal oxide (MMO) and PbO2, were employed as anodes. The impact on inactivation efficiency of parameters such as current density and initial pH or chloride concentration of synthetic paper machine water was studied. The electrochemical behaviour of the electrodes was investigated by cyclic voltammetry with MMO, BDD and PbO2 electrodes in synthetic paper mill water as also with MMO and stainless steel electrodes with biocides. Some suggestions on the formation of different oxidants and oxidation mechanisms were also presented during the treatment. Aerobic paper mill bacteria species (Deinococcus geothermalis, Pseudoxanthomonas taiwanensis and Meiothermus silvanus) were inactivated effectively (>2 log) at MMO electrodes by current density of 50 mA/cm2 and the time taken three minutes. Increasing current density and initial chloride concentration of paper mill water increased the inactivation rate of Deinococcus geothermalis. The inactivation order of different bacteria species was Meiothermus silvanus > Pseudoxanthomonas taiwanensis > Deinococcus geothermalis. It was observed that inactivation was mainly due to the electrochemically generated chlorine/hypochlorite from chloride present in the water and also residual disinfection by chlorine/hypochlorite occurred. In real paper mill effluent treatment sulphide oxidation was effective with all the different initial concentrations (almost 100% reduction, current density 42.9 mA/cm2) and also anaerobic bacteria inactivation was observed (almost 90% reduction by chloride concentration of 164 mg/L and current density of 42.9 mA/cm2 in five minutes). Organic material removal was not as effective when comparing with other tested techniques, probably due to the relatively low treatment times. Cyclic voltammograms in synthetic paper mill water with stainless steel electrode showed that H2O2 could be degraded to radicals during the cathodic runs. This emphasises strong potential of combined electrochemical treatment with this biocide in bacteria inactivation in paper mill environments.

Tandem-GMA Welding of Low Alloy Structural Steel

The Tandem-GMAW method is the latest development as the consequences of improvements in the welding methods. The twin-wire and then the Tandem-method with the separate power sources has got a remarkable place in the welding of many types of materials with different joint types. The biggest advantage of Tandem welding method is the flexibility of choosing both the electrodes of different types from each other according to the type of the parent material. This is possible because of the feasibility of setting the separate welding parameters for both the wires. In this thesis work the effect of the variation in three parameters on the weld bead in Tandem-GMA welding method is studied. Theses three parameters are the wire feed rate in the slave wire, the wire feed rate in the master wire and the voltage difference in both the wires. The results are then compared to study the behaviour of the weld bead with the change in these parameters.

Effects of pulp electrochemistry on PGE flotation in sulphide poor ores

This work gives a reader basic knowledge about mineralogy and mineral processing. Main focus of this work was on flotation process and pulp electrochemistry on flotation. Three different sulphide poor ores are examined on experimental part. Platinum and palladium were the noble metals, which were contained into studied ores. Electrochemistry of flotation of PGE minerals on sulphide poor ores has been examined only slightly. Bench scale flotation test was used in this study. Chalcopyrite, nickel-pentlandite, pyrite, platinum and pH electrodes were used to investigation of pulp electrochemistry during flotation tests. Effects of grinding media, carbon dioxide atmosphere in grinding and mixture of carbon dioxide and air as flotation gas to PGE flotation and electrochemistry of flotation were studied. Stainless steel grinding media created more oxidising pulp environment to flotation than mild steel grinding media. Concentrate quality improved also with stainless steel grinding media, but the recovery was remarkably poorer, than with mild steel grinding media. Carbon dioxide atmosphere in grinding created very reducing pulp environment, which caused very good concentrate quality. But the recovery was again poorer than with normal mild steel grinding media. Mixture of carbon dioxide and air as flotation gas improved PGE recovery with some ores, but not always. Effect of carbon dioxide to pulp electrochemistry was detected mainly via pH-value.

Solid-state reference and ion-selective electrodes : towards portable potentiometric sensing

Potentiometric sensors are very attractive tools for chemical analysis because of their simplicity, low power consumption and low cost. They are extensively used in clinical diagnostics and in environmental monitoring. Modern applications of both fields require improvements in the conventional construction and in the performance of the potentiometric sensors, as the trends are towards portable, on-site diagnostics and autonomous sensing in remote locations. The aim of this PhD work was to improve some of the sensor properties that currently hamper the implementation of the potentiometric sensors in modern applications. The first part of the work was concentrated on the development of a solid-state reference electrode (RE) compatible with already existing solid-contact ion-selective electrodes (ISE), both of which are needed for all-solid-state potentiometric sensing systems. A poly(vinyl chloride) membrane doped with a moderately lipophilic salt, tetrabutylammonium-tetrabutylborate (TBA-TBB), was found to show a satisfactory stability of potential in sample solutions with different concentrations. Its response time was nevertheless slow, as it required several minutes to reach the equilibrium. The TBA-TBB membrane RE worked well together with solid-state ISEs in several different situations and on different substrates enabling a miniature design. Solid contacts (SC) that mediate the ion-to-electron transduction are crucial components of well-functioning potentiometric sensors. This transduction process converting the ionic conduction of an ion-selective membrane to the electronic conduction in the circuit was studied with the help of electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The solid contacts studied were (i) the conducting polymer (CP) poly(3,4-ethylienedioxythiophene) (PEDOT) and (ii) a carbon cloth having a high surface area. The PEDOT films were doped with a large immobile anion poly(styrene sulfonate) (PSS-) or with a small mobile anion Cl-. As could be expected, the studied PEDOT solid-contact mediated the ion-toelectron transduction more efficiently than the bare glassy carbon substrate, onto which they were electropolymerized, while the impedance of the PEDOT films depended on the mobility of the doping ion and on the ions in the electrolyte. The carbon cloth was found to be an even more effective ion-to-electron transducer than the PEDOT films and it also proved to work as a combined electrical conductor and solid contact when covered with an ion-selective membrane or with a TBA-TBB-based reference membrane. The last part of the work was focused on improving the reproducibility and the potential stability of the SC-ISEs, a problem that culminates to the stability of the standard potential E°. It was proven that the E° of a SC-ISE with a conducting polymer as a solid contact could be adjusted by reducing or oxidizing the CP solid contact by applying current pulses or a potential to it, as the redox state of the CP solid-contact influences the overall potential of the ISE. The slope and thus the analytical performance of the SC-ISEs were retained despite the adjustment of the E°. The shortcircuiting of the SC-ISE with a conventional large-capacitance RE was found to be a feasible instrument-free method to control the E°. With this method, the driving force for the oxidation/reduction of the CP was the potential difference between the RE and the SC-ISE, and the position of the adjusted potential could be controlled by choosing a suitable concentration for the short-circuiting electrolyte. The piece-to-piece reproducibility of the adjusted potential was promising, and the day-today reproducibility for a specific sensor was excellent. The instrumentfree approach to control the E° is very attractive considering practical applications.

Effects of Fabrication Processes on the Behavior of S960 Ultra High Strength Steel (UHSS)

Strenx® 960 MC is a direct quenched type of Ultra High Strength Steel (UHSS) with low carbon content. Although this material combines high strength and good ductility, it is highly sensitive towards fabrication processes. The presence of stress concentration due to structural discontinuity or notch will highlight the role of these fabrication effects on the deformation capacity of the material. Due to this, a series of tensile tests are done on both pure base material (BM) and when it has been subjected to Heat Input (HI) and Cold Forming (CF). The surface of the material was dressed by laser beam with a certain speed to study the effect of HI while the CF is done by bending the specimen to a certain angle prior to tensile test. The generated results illustrate the impact of these processes on the deformation capacity of the material, specially, when the material has HI experience due to welding or similar processes. In order to compare the results with those of numerical simulation, LS-DYNA explicit commercial package has been utilized. The generated results show an acceptable agreement between experimental and numerical simulation outcomes.