Kappale 6: Teräslanka ohenee, ja materiaalin ominaisuudet muuttuvat
Kylmämuotoilutilanteessa on yksi hyvin yleinen ilmiö:
Materiaalin merkki on sama, terästehdas on sama, ja lopullinen vedetty mitoituskin on sama. Kuitenkin kylmämuotoilukoneeseen syötettäessä toiset erät tuotetaan sujuvasti, kun taas toisissa esiintyy epävakautta muotoilussa, päiden täyttymättömyyttä tai jopa satunnaisia halkeamia.
Mistä ongelma johtuu?
Monet ajattelevat, että vedossa vain ohennetaan paksua teräslankaa, ja riittää, kun mitat ovat kohdallaan.
Tosiasiassa asia ei ole näin yksinkertainen.
Vedolla ei muutu pelkästään halkaisija, vaan myös se, kuinka hyvin materiaali sitten muokkautuu kylmämuotoilussa.
1. Samasta päästä kohti samaa tavoitetta, mutta eri polkuja
Vedettäessä molemmat saavuttavat 10 millimetrin halkaisijan, yksi erä on ehkä lähtenyt 11 millimetrin langasta, toinen taas 13 millimetrin langasta.
Vaikka lopullinen halkaisija on sama, jälkimmäinen erä on kokenut huomattavasti enemmän muodonmuutosta.
Mitä enemmän teräslankaa vedetään, sitä kovemmaksi ja lujuudeksi se yleensä muuttuu, ja myöhemmin kylmämuotoilussa tarvittava muotoiluvoima voi vaihdella.
Siksi materiaalin kylmämuotoilukelpoisuutta ei voida arvioida pelkästään lopullisen mitan perusteella, vaan on otettava huomioon myös:
Kuinka paksu lanka oli alun perin, ja kuinka paljon sitä on yhteensä vedetty.
Tämä on kuin kaksi ihmistä saapuisi samanaikaisesti vuoren laelle: toinen olisi noussut hissillä, toinen kävellen. Vaikka seisovat samalla paikalla, heidän fyysinen kuntonsa on täysin erilainen.
2. Yksi pitkä veto vs. useita lyhyempiä vetoja – tulokset eroavat
Teräslangan ohentaminen paksusta pienempään mitaan voidaan toteuttaa yhdellä kerralla suurella pudotuksella, tai jakaa vaiheittain useampaan osaan.
Yhdellä kertaa liian suuri vedon määrä kasvattaa painetta, kitkaa ja lämpötilaa langan ja muottien välillä, mikä saattaa aiheuttaa epätasaisia muutoksia materiaalin pintakerroksessa ja sisäosissa.
Toisaalta myöskään mahdollisimman monta vedonjakoa ei kannata tehdä.
Liian useat vedot voivat vastaavasti kumulatiivisesti lisätä kitkaa ja muodonmuutosvaikutuksia.
Aivan keskeistä on, miten jokainen vaihe on suunniteltu, etenkin se, onko viimeinen vedonotto sopiva.
On tärkeää, kuinka paljon lanka yhteensä on vedetty, mutta yhtä tärkeää on myös se, miten viimeinen vetovaihe suoritetaan.
Tämä on myös syy siihen, että eri jalostamot käyttävät samaa kelalankaa, mutta lopulta valmistuneiden materiaalien kylmämuotoilusuorituskyky saattaa edelleen vaihdella.
3. Teräslanka myös "muistaa" voiman suunnan
Valssauksen aikana teräslankaa pääasiassa venytetään eteenpäin.
Kylmämuovauksessa materiaali taas puristuu ja virtaa päähän sekä sivusuunnille.
Toisin sanoen materiaali on juuri käynyt läpi "venytyksen" ja kohtaa pian sen jälkeen "puristuksen."
Kun metalli muotoutuu yhdessä suunnassa ja sille kohdistetaan voima vastakkaiseen suuntaan, sen muovautumisen alkuolosuhteet saattavat muuttua. Tekniikan kielessä tätä ilmiötä kutsutaan nimellä Bauschinger-efekti.
Yksinkertaisesti ajateltuna:
Teräslanka muistaa, miten se on aiemmin venytetty.
Valssauksen jälkeen materiaalin vetolujuus toki kasvaa, mutta se ei välttämättä tarkoita, että sen muodonmuutosvastus kylmämuovauksen puristussuunnassa kasvaisi samassa suhteessa.
Siksi valssatun materiaalin arvioinnissa ei riitä pelkkä vetolujuuden ja kovuuden tarkastelu, vaan on otettava huomioon myös se, mihin suuntaan materiaalia aiotaan jatkossa muokata.
4. Valssauksen jälkeinen "kovettuminen" ja "suunnan muisti" vaikuttavat yhtäaikaisesti
Valssauksen jälkeen materiaali yleensä kovenee; tätä kutsutaan työntihentymiseksi.
Mutta kun materiaali siirtyy venyttelystä puristukseen, siihen alkaa vaikuttaa Bauschinger-efekti.
Nämä kaksi vaikutusta esiintyvät samaan aikaan:
- Mitä enemmän materiaali on valssattu, sitä suurempi on yleensä sen vastus edelleen tapahtuvalle muovautumiselle;
- Voimasuunnan vaihtuessa materiaali voi myös alkaa puristua ja muovautua helpommin.
Aloittelevassa vaiheessa kumpi näistä vaikutuksista korostuu, ja mikä niistä lopulta hallitsee tilannetta muovautumisen edetessä, riippuu materiaalin laadusta, alkutilanteesta sekä valssauksen määrästä.
Siksi ei voida yksinkertaisesti sanoa, että "mitä vähemmän valssataan, sitä parempi", eikä myöskään, että "hyödyntämällä Bauschinger-efektiä, mitä enemmän valssataan, sitä parempi."
Todella tarvittaisiin sopiva tasapaino.
Mutta tämä optimaalinen tasapaino ei ole sama kaikille teräslaaduille, kaikille mitoille eikä kaikille tuotteille.
5. Miksi bainiittiset, terästämättömät teräkset ansaitsevat entistä enemmän huomiota?
Osa bainiittiteräksistä ja erityisen korkealujuisista, terästämättömistä teräksistä osoittavat valssauksen jälkeen, kun siirrytään "venyttelystä" kylmämuovauksen "puristukseen," erittäin selvää Bauschinger-vaikutusta.
Nämä materiaalit ovat jo itsessään melko korkealujuisia. Valssauksen jälkeen niiden vetolujuus kasvaa edelleen, mutta puristusvastus kylmämuovauksessa ei välttämättä nouse samassa suhteessa.
Tämä onkin yksi merkittävä ominaisuus, jonka vuoksi bainiittisia, terästämättömiä teräksiä kannattaa erityisesti huomioida kylmävahvistamisen ja kylmämuovauksen yhteydessä.
Siksi tällaisten materiaalien arvioinnissa ei riitä pelkästään valssauksen jälkeisen vetolujuuden ja kovuuden tarkastelu, vaan on otettava huomioon myös valssauksen määrä, tuotantoaika sekä materiaalin todellinen käyttäytyminen kylmämuovauksessa.
6. Miksi materiaalin käyttäytyminen muuttuu, kun sitä on säilytetty jonkin aikaa?
Jotkut materiaalit ovat ongelmattomia tuotannossa heti venytysprosessin jälkeen, mutta niiden käyttäytyminen muuttuu, kun ne ovat olleet varastoituna tietyn aikaa.
Syy siihen on se, että teräslangan sisäinen rakenne ei välttämättä vakaudu välittömästi venyttämisen jälkeen.
Säilytysajan ja lämpötilan vaihteluiden myötä materiaalin lujuus ja sen muodonmuutoskäyttäytyminen voivat edelleen säädellä itseään.
Siksi kahta eri erää vertaillessa on tärkeää tarkistaa paitsi materiaalin merkki ja testausraportti, myös:
- Milloin molemmat erät on venytetty;
- Kuinka kauan ne ovat olleet varastoituna;
- Ovatko säilytysolosuhteet olleet merkittävästi erilaiset.
Nämä ilmeisen yksinkertaiset tiedot saattavat joskus olla ratkaisevia vihjeitä ongelman alkulähteestä.
7. Mitä pitää verrata, kun ongelmia ilmenee?
Jos saman merkin ja saman mitan materiaalien kuuma naskalauskäyttäytyminen poikkeaa toisistaan, suositellaan ensimmäiseksi vertailemaan seuraavia tietoja:
- Venyttämisen ennen ollutta halkaisijaa;
- Venyttämisen jälkeistä halkaisijaa;
- Venyttämiskertojen määrää prosessin aikana;
- Viimeisen venytysasteen yhdenmukaisuutta;
- Molempien erien valmistuslaitteiston ja jalostusaikoja;
- Venyttämisen jälkeisten säilytysaikoja;
- Onko naskalauspoikkeamat muuttuneet vastaavasti uuden jalostuserän myötä.
Jos poikkeamat muuttuvat uuden jalostuserän myötä, vaikka naskalauslaitteisto, muotit ja tuotteet ovat pysyneet samoina, on keskityttävä molempien erien venytysprosessin tarkasteluun.
Vain parametrien erojen havaitseminen ei kuitenkaan riitä lopullisen päätöksen tekemiseen.
Todellinen arviointi perustuu siihen, voidaanko venytysprosessin muutokset yhdistää materiaalin ominaisuuksiin ja naskalauspoikkeamiin.
Insinöörin näkökulma
Venyttäminen ei ole pelkkää teräslangan ohentamista paksusta pienempään halkaisijaan.
Venyttäminen muuttaa myös materiaalin lujuutta, sen muodonmuutoskykyä sekä materiaalin reagointia siirryttäessä “venymästä” “puristukseen”.
Raaka-aine määrittää perustason, mutta venytysprosessi kertoo, missä tilassa materiaali lopulta päätyy naskalauskoneeseen.
Siksi saman merkin ja saman mitan materiaaleista osa naskaloituu hyvin, osa taas huonosti – ongelma ei välttämättä löydy materiaalipätevyystodistuksesta, vaan se voi piileskellä juuri venytysprosessissa.
Jos sinulla on myös kokemus samanmerkkisten ja -mitaisten materiaalien epätasaisesta naskalauskäyttäytymisestä, lähetä minulle materiaalin merkki, venytysprosessin ennen- ja jälkimitat, venytyskerrat, tuotantoajankohdat sekä valokuvat poikkeavista tuotteista.
Teen alustavan arvion siitä, mistä kannattaa aloittaa selvittely: raaka-aineesta, venytysjalostuksesta vai naskalaustyömenetelmästä.
Tulevan osan esittely
Luku 7: «Miksi naskalausongelmia silti ilmenee, vaikka materiaalin pinnalla on fosfaattisepelöinti?»
Tulevassa luvussa keskitytään siihen, miksi se, että materiaalin pinta «näyttää olevan pinnoitettu», ei välttämättä takaa riittävää voitelusuojaa naskalausmuodonmuutoksen aikana.