Wanneer op de kouddeformatieplaats scheuren worden vastgesteld aan het kopgedeelte, de rand van de flens of de r-afschuining, is de eerste reactie van velen om het materiaal of de kouddeformatietemper te controleren.
Maar de plaats waar een defect op het eindproduct zichtbaar is, is vaak slechts de plek waar het defect uiteindelijk aan het licht komt en niet noodzakelijkerwijs de plaats waar het oorspronkelijk is ontstaan.
Sommige defecten ontstaan tijdens het continugieten en het walsen, andere treden op bij transport en overslag, en weer andere komen pas tijdens het beitsen, het trekken, het doorvoeren, het toevoeren en het snijden aan het licht.
Oppervlaktefouten kunnen zowel van hogerop in de keten worden geërfd als tijdens tussenliggende bewerkingsstappen opnieuw ontstaan. Kouddeformeren verandert alleen de vorm van de defecten en kan de reeds aangetaste materiaalintegriteit niet herstellen.
De loop van de defecten: continu-gietblok → gewalste draad → transport en overslag → beitsen en ombewerking → trekken en doorvoeren → kouddeformatievorming
I. Continu-gietrap: Defecten kunnen onder het oppervlak van de staaf beginnen
De staaf vormt het uitgangspunt voor de draadstaaf. Abnormale trillingsstrepen, onderhuidse gasholten, slakinsluitsels, littekens en kuiltjes kunnen allemaal de oorsprong zijn van latere oppervlaktefouten.
Figuur 1: Abnormale trillingsstrepen in een continu-gegoten staaf. Normale, ondiepe trillingsstrepen betekenen nog geen defect; pas wanneer de strepen abnormaal diep worden of wanneer er aan de basis scheuren of slakinsluitsels voorkomen, neemt het latere risico merkbaar toe.
Figuur 2: Na afschuren zichtbaar geworden onderhuidse gasholten. Tijdens het walsen kunnen deze holten samengedrukt worden, maar ze kunnen zich ook langs de walsrichting uitrekken; de mate van oxidatie aan de binnenwand bepaalt of ze later betrouwbaar kunnen worden versmolten.
Figuur 3: Slakinsluitsels op of vlak onder het oppervlak van de staaf. De slakfase kan niet harmonieus vervormen samen met het stalen matrixmateriaal; tijdens het walsen kan dit leiden tot verbrijzeling, uitrekking en uiteindelijk tot littekens, plooien of lijnvormige fouten.
Figuur 4: Littekens op het oppervlak van de staaf. Plaatvormige metaalaanhechtingen kunnen tijdens het latere walsproces dunner worden gemaakt en in de matrix verstrikt raken; hoewel het oppervlak er glad uit kan zien na het walsen, is de interne verbinding tussen lagen mogelijk niet echt gegarandeerd.
Figuur 5: Kuiltjes op het oppervlak van de staaf. Met ‘kuiltje’ wordt hier de visuele vorm aangeduid; de precieze oorzaak dient echter te worden beoordeeld aan de hand van oxiderende afzettingen op de bodem, omgekrulde randen en aangrenzende scheuren.
Oppervlaktefouten in de staaf kunnen tijdens het walsproces worden samengedrukt, uitgerekt of in hun richting veranderd. Dat het oppervlak er daarna vlak uitziet, betekent niet dat de oorspronkelijke materiaaldiscontinuïteit verdwenen is.
II. Walsfase: fouten kunnen worden uitgerekt of opnieuw ontstaan
Kieren in de staaf kunnen overgaan in langse kieren in de draad; huidvlekken en slakinsluitsels kunnen worden uitgesmeerd en uitgerekt, en onderhuidse gasholten kunnen ook leiden tot onregelmatige, afgebroken lijnvormige afwijkingen.
Tijdens het walsproces zelf kunnen eveneens fouten ontstaan. Onjuiste vulling van de walsgroef, defecten aan geleidingsinrichtingen of onregelmatigheden in de rollenspleet kunnen oorklompen veroorzaken; wanneer deze oorklompen in een volgende walsgroef weer in het materiaaloppervlak worden gedrukt, kunnen zich plooien vormen. Oxidehuid of vreemde deeltjes die in de matrix worden ingedrukt, laten eveneens plaatselijke discontinuïteiten achter.
Figuur 6 Dwarsdoorsnede van een plooi-fout. Het oppervlaktmetaal is tongvormig naar binnen gerold, zonder dat er een betrouwbare verbinding is ontstaan. Hoewel het oppervlak tijdelijk gesloten lijkt, betekent dit niet dat de interne fout is verdwenen.
Figuur 7 Huidvlekken op het oppervlak van de draad. In vergelijking met gewone krassen vertonen huidvlekken vaak schilferachtige aanslag, lokale omkrulling of loskomende delen.
Figuur 8 Dwarsdoorsnede van een scheur op het oppervlak van de draad. De weergegeven scheur loopt van het oppervlak naar het binnenste van de matrix; of er sprake is van oxidatie, decarburatie of abnormale microstructuur, dient verder te worden onderzocht.
Plooien en scheuren zien er soms erg gelijkend uit, maar hun ontstaansmechanisme verschilt. Plooien ontstaan doordat een deel van het metaal naar binnen wordt gerold zonder dat er een betrouwbare verbinding tot stand komt; bij scheuren daarentegen is de continuïteit van de matrix reeds verbroken. Daarom mogen deze twee soorten fouten niet zomaar door elkaar worden gehaald bij het traceren van de oorsprong.
III. Transport en overslag: stoot- en schaafwonden kunnen ook uitlooppunten voor scheurvorming zijn
Tijdens hijs-, afrol-, stapel- en transportprocessen kunnen spoelen botsen, worden voortgesleept of langs elkaar schuren, waardoor schaafwonden, indrukken en omgekrulde metalen randen ontstaan. Dergelijke beschadigingen zijn meestal plaatselijk en willekeurig, en concentreren zich vaak rond de buitenkant van de spoel of op plekken waar contact heeft plaatsgevonden tijdens het hijsen.
Figuur 9 Schraaf- of stootschade veroorzaakt door transport of overslag. De richting en locatie ervan zijn meestal niet vastomlijnd en verschillen daarmee van de langgerekte, longitudinale littekens die door trekmallen ontstaan.
Bij producten met een gemiddelde vervorming leiden lichte beschadigingen niet altijd direct tot afwijkingen; wanneer echter materialen met hoge vervorming, complexe kopvormen of dunne flenzen worden verwerkt, kunnen deze beschadigde plekken spanningsconcentraties veroorzaken die tijdens het koudstempelen nog versterkt worden.
IV. Het zuurwasproces: onthult fouten, maar kan ook verborgen risico’s achterlaten
Na het verwijderen van de oxidelaag door zuurwassen komen eerder bedekte scheuren, plooien, knobbels en putjes geleidelijk aan zichtbaar. Daarom betekent het ontdekken van fouten na het zuurwasproces niet noodzakelijk dat deze tijdens deze bewerking zijn ontstaan.
Als de oxidelaag niet grondig is verwijderd, kunnen achtergebleven oxiden de uniforme vorming van de fosfaatlaag belemmeren en tijdens het trekken breken, afbrokkelen of in het staaldraadoppervlak worden gedrukt.
Figuur 10: Restanten van oxidelaag na zuurwas. De donkere, langwerpige strepen dienen te worden onderscheiden van resterende oxiden in plooien of scheuren; men mag zich niet alleen op de kleur baseren om tot een conclusie te komen.
Ook bij onjuiste controle van het zuurwasproces kunnen puntvormige corrosie en oppervlakteruwheid ontstaan. Om vast te stellen of het hier gaat om reeds bestaande fouten die pas werden blootgelegd, of om nieuwe defecten die tijdens dit proces zijn ontstaan, moeten monsters van voor en na het zuurwasproces worden bewaard ter vergelijking.
V. Herformeren en trekken: langsgerichte schade – een vaak onderschat nieuw defect
Het herformeren verandert niet alleen de afmetingen van het materiaal, maar kan ook direct het oppervlak van het staaldraad beschadigen.
Slijtage van de trekmatrijs, het binnendringen van roest of metaalschilfers in de matrijsgaten, tijdelijke uitval van de smeringsfilm, evenals bramen of abnormale contactpunten bij geleiderollen en geleideonderdelen, kunnen allemaal leiden tot aaneengesloten of onderbroken langsgerichte schade.
Figuur 11: Lokaal ontstane trekbeschadiging tijdens het herformeren. Het defect loopt over de lengte van de draad en gaat gepaard met groeven, omgekrulde metalen randen of plaatselijke afscheuringen.
Bij korte, incidentele trekbeschadigingen dient men te letten op harde vreemde deeltjes, tijdelijke hechting van materiaal en lokale contactpunten; wanneer echter een continue schade over een lange afstand optreedt en de positie rond de draaddiameter relatief constant blijft, moet vooral de trekmatrijs, de geleiderol en de doorvoerpunten worden gecontroleerd.
Een langsgerichte markering hoeft echter niet per se door het trekken te zijn veroorzaakt. Ook walsscheuren, plooien en achtergebleven oxidelaag kunnen na het trekken een vergelijkbaar uiterlijk vertonen. Wat echt moet worden vastgesteld, is of het defect al aanwezig was voordat het materiaal het trekproces inging, of dat het pas vanaf een bepaalde matrijs of doorvoerpunt is verschenen.
In dit hoofdstuk bespreken we uitsluitend oppervlaktebeschadigingen die door het trekken zijn ontstaan. Het effect van het vervormingspercentage, het aantal trekgangen en de werkverharding op de koudverstevigingsprestaties wordt in hoofdstuk VI afzonderlijk behandeld.
VI. Koudversteviging: het laatste nieuwe defect aan het begin van het proces wordt vaak over het hoofd gezien
Zodra het materiaal de koudverstevigingsmachine binnenkomt, maar nog voordat het daadwerkelijk wordt gevormd, kunnen er nog steeds nieuwe oppervlaktebeschadigingen ontstaan. Geleiderollen, het rechtzetten en de toevoermechanismen kunnen het staaldraad krassen; slijtage, afbrokkelingen en bramen aan de snijmes- of snijmatrijs kunnen bovendien de kop- of zijvlakken van de werkstukken beschadigen.
Als het defect steeds op dezelfde plaats en in dezelfde richting verschijnt, of als het duidelijk verandert na het wisselen van geleiderollen of snijmessen, dan volstaat het niet om alleen de materiaalcertificaten en de oorspronkelijke spoel te controleren.
Zeven: Waarom “vererven” defecten zich tot aan het eindproduct?
Trekken zorgt ervoor dat het materiaal in de lengterichting wordt uitgerekt, terwijl koudvormen leidt tot axiale verdrukking en radiale stroming van het materiaal. Bestaande defecten kunnen worden verlengd, versmald of tijdelijk gesloten; ze kunnen ook met de materiaalstroom naar de kop, de flens of de r-afschuining worden getransporteerd en op plekken met hoge vervorming weer openbarsten.
Figuur 12 Koudgevormde flensrand vertoont scheurvorming. De foto toont waar het defect uiteindelijk zichtbaar is geworden; aan de hand van het uiterlijk alleen kan niet worden afgeleid dat het defect onmiskenbaar uit het materiaal voortkomt.
Langsgerichte defecten in de draad behouden na het vormen van het eindproduct niet altijd hun oorspronkelijke rechte vorm. Ze kunnen zich manifesteren als scheuren aan de rand van de kop, gevouwen delen in de flens, barsten in de r-afschuiving of plaatselijke indrukkingen. De exacte locatie hangt af van de productstructuur, de snijrichting en de materiaalstromingsweg.
Defecten worden niet eenvoudig overgedragen naar het eindproduct; ze veranderen tijdens elke bewerking hun vorm en blijven bestaan.
Acht: Bij het bepalen van de oorsprong van defecten is het cruciaal om de ‘eerste verschijning’ te lokaliseren
Alleeen controleren van de definitief gebarsten onderdelen volstaat meestal niet om vast te stellen uit welke bewerkingsfase het defect afkomstig is. Een effectievere aanpak is het samenstellen van een monsterketen die loopt via de staalbaal, de spoelstaaf, het materiaal na het zuurbehandelen, de getrokken halffabrikaten, de koudvormgrondstoffen en het eindproduct, om zo de fase te identificeren waarin het defect voor het eerst optrad.
Verspreiden de afwijkingen zich voornamelijk over één specifieke sectie van de spoel, of komen ze doorlopend over de hele spoel voor? Is de richting en de positie rond de omtrek van het defect constant? Verandert het patroon wanneer mallen, geleidewieltjes of knipmessen worden vervangen? Zijn er oxidatie, decarbonisatie of abnormale metaalstromingen zichtbaar in de scheur? Deze aspecten kunnen richtlijnen bieden voor het onderzoek, maar mogen niet losstaan van de procesregistraties.
Inzichten van de ingenieur
Oppervlakte-defecten kunnen ontstaan tijdens continugieten, walsen, transport, zuurbehandeling en herwerkte trekprocessen, maar ook tijdens het geleiden, toevoeren en knippen bij de koudvormmachine.
Het feit dat het eindproduct op een bepaalde plek barst, betekent niet dat het defect daar ook is ontstaan.
Eindproductdefecten zijn het resultaat; pas wanneer de fase wordt gevonden waar het defect voor het eerst optrad, benader je de werkelijke oorsprong.
Het doel van defecttracering is niet om direct aansprakelijkheden toe te wijzen, maar om een complete keten van procesbewijzen op te bouwen.
Als u ook te maken krijgt met littekens op de spoelstaaf, langsgaande krassen, vouwen of sporadische scheuringen bij het koudvormen, kunt u mij de materiaalsoort, de specificaties, foto’s van de defecten, de werkstations waar ze zich voordoen en de distributiepatronen toesturen. Ik kan u dan helpen inschatten of u eerst moet beginnen met controle van de grondstoffen bij de staalfabriek, de transportbescherming, de zuurbehandeling en herwerking, of juist bij de apparatuur voor koudvormen.
Vooruitblik op de volgende aflevering
Hoofdstuk zes: Hetzelfde materiaal – waarom verschilt de koudvormprestatie nadat het is getrokken?
In het volgende hoofdstuk leggen we de nadruk op het doorsnedeverkleiningspercentage, het aantal trekgangen en de hardingsverschijnselen, en hoe deze factoren de werkelijke toestand van het materiaal beïnvloeden wanneer het de koudvormmachine binnenkomt.