Kapitel 6: De staaldraad is dunner getrokken, en de materiaalstatus is ook veranderd
Op de koudstootwerkplaats komt een situatie vaak voor:
Het materiaal heeft dezelfde soortnaam, komt van dezelfde staalfabriek en wordt uiteindelijk tot dezelfde afmetingen getrokken. Toch loopt de productie bij de ene partij vlot, terwijl bij de andere partij het vormen onstabiel is, de kop niet volledig gevuld raakt en er soms zelfs scheuren optreden.
Waar zit het probleem?
Velen denken dat het trekken alleen maar inhoudt dat de dikke staaldraad dunner wordt en dat de afmetingen maar kloppen.
Eigenlijk is het niet zo eenvoudig.
Trekken verandert niet alleen de diameter, het beïnvloedt ook of het materiaal later goed te stoten is.
I. Dezelfde eindbestemming betekent niet dat dezelfde weg is afgelegd
Als beide partijen tot 10 millimeter worden getrokken, begint de ene mogelijk vanaf 11 millimeter, terwijl de andere start vanaf 13 millimeter.
Hoe sterker de staaldraad wordt getrokken, des te harder en sterker wordt hij meestal. Bij het latere koudstoten zal dan ook de vereiste vormkracht veranderen.
Dus om te beoordelen of een materiaal zich goed laat stoten, mag men zich niet alleen op de eindafmetingen richten, maar moet men ook kijken naar:
Hoe dik was het oorspronkelijk en hoeveel is er in totaal getrokken?
Het is alsof twee mensen tegelijkertijd de bergtop bereiken: de één komt met de kabelbaan, de ander klimt te voet. Hoewel ze op dezelfde plek staan, is hun lichamelijke conditie heel verschillend.
II. Te veel in één keer trekken levert andere resultaten op dan meerdere malen trekken
Een staaldraad kan van een dikke naar een fijne dikte worden getrokken, óf in één keer flink verminderd, óf stapsgewijs in meerdere etappes uitgedund.
Als er in één keer te veel wordt getrokken, nemen de druk, wrijving en temperatuur tussen de draad en de matrijs toe, waardoor de veranderingen aan het oppervlak en in het binnenste van het materiaal kunnen afwijken.
Maar ook hier geldt: te veel trekbeurten zijn niet per se beter.
Ook bij te veel trekbeurten hopen de wrijvings- en vervormingseffecten zich steeds verder op.
Wat echt belangrijk is, is hoe elke stap wordt ingedeeld, vooral of de laatste trekbeurt geschikt is.
Hoeveel er in totaal wordt getrokken, is even belangrijk als hoe het uiteindelijk wordt afgetrokken.
Dit is ook de reden waarom verschillende bewerkingsfabrieken, hoewel ze dezelfde rollen staaldraad gebruiken, uiteindelijk materialen krijgen die toch verschillend presteren bij het koudstoten.
III. Staaldraad “onthoudt” ook de belastingsrichting
Tijdens het trekken wordt de staaldraad voornamelijk in voorwaartse richting gerekt.
Tijdens het koude stansen wordt het materiaal opnieuw gecomprimeerd en vloeit het zowel naar de kop als naar de zijden toe.
Dit betekent dat het materiaal eerst wordt uitgerekt en direct daarna onder druk komt te staan.
Eenvoudig gezegd:
De staaldraad onthoudt hoe hij eerder is getrokken.
Na het trekken neemt de treksterkte van het materiaal weliswaar toe, maar dit houdt niet automatisch in dat ook de weerstand tegen vervorming in de compressierichting bij het koude stansen evenredig toeneemt.
Daarom mag men bij het beoordelen van getrokken materiaal niet alleen rekening houden met treksterkte en hardheid, maar moet men ook nagaan in welke richting het materiaal vervolgens zal worden vervormd.
IV. De ‘verharding’ en het ‘richtingsgeheugen’ na het trekken bestaan tegelijkertijd
Na het trekken verhardt het materiaal meestal; dit heet werkverharding.
Maar wanneer het materiaal van rek naar druk overgaat, wordt het bovendien beïnvloed door het Bauschinger-effect.
Beide effecten treden tegelijkertijd op:
- Hoe meer het materiaal tijdens het trekken vervormd wordt, des te groter is doorgaans de weerstand tegen verdere vervorming;
- Bij een verandering van de belastingsrichting kan het materiaal echter sneller beginnen te comprimeren.
Welk effect in het begin overheerst en welk later de doorslag geeft, hangt af van het soort materiaal, de oorspronkelijke toestand en de mate van trekken.
Het is daarom niet eenvoudigweg zo dat ‘hoe minder getrokken, hoe beter’, noch dat ‘door het Bauschinger-effect geldt: hoe meer getrokken, hoe beter’. Wat echt nodig is, is een passend bereik.
Dit passende bereik is echter niet voor alle staalsoorten, alle afmetingen en alle producten gelijk.
V. Waarom verdienen bainitische non-gelegeerde staalsoorten extra aandacht?
Bij sommige bainitische en hoogsterkte non-gelegeerde staalsoorten valt het Bauschinger-effect bijzonder op wanneer het materiaal na het trekken van ‘rekken’ overschakelt naar ‘compressie’ bij koud stansen.
Deze materialen hebben van nature al een hoge sterkte. Na het trekken neemt de treksterkte nog verder toe, maar de weerstand tegen compressie tijdens het koude stansen stijgt niet noodzakelijk evenredig.
Dit is dan ook een kenmerk waardoor bainitische non-gelegeerde staalsoorten bij koude versterking en koud stansen extra aandacht verdienen.
Daarom mag men bij het beoordelen van dergelijke materialen niet alleen letten op de treksterkte en hardheid na het trekken, maar moet men ook de trekgraad, de productietijd en de werkelijke prestaties bij het koude stansen in aanmerking nemen en alles samen analyseren.
Zesde vraag: Waarom verandert de prestatie van materiaal na een tijdje opslag nog steeds?
Sommige materialen kunnen direct na het trekken probleemloos worden gebruikt; wanneer ze echter gedurende enige tijd zijn opgeslagen en vervolgens geproduceerd worden, vertonen ze andere eigenschappen.
Het komt doordat de interne toestand van de staaldraad na het trekproces niet onmiddellijk stabiel is.
Naarmate de opslagtijd en de temperatuur veranderen, kunnen de sterkte en de vervormingsgedragingen van het materiaal zich nog steeds aanpassen.
Bij het vergelijken van twee partijen materiaal moet u daarom niet alleen de staalsoort en de testrapporten controleren, maar ook het volgende vaststellen:
- Wanneer zijn beide partijen getrokken?
- Hoe lang zijn ze na het trekken opgeslagen?
- Zijn er duidelijke verschillen in de opslagomstandigheden?
Dergelijke informatie lijkt misschien banaal, maar kan soms belangrijke aanwijzingen bieden om de oorzaak van het probleem te vinden.
Zevende vraag: Wat moet u bij problemen vergelijken?
Als materialen met dezelfde staalsoort en dezelfde specificatie verschillend reageren bij koudstempelen, wordt aangeraden eerst de volgende gegevens te vergelijken:
- De specificaties vóór het trekproces;
- De specificaties na het trekproces;
- Het aantal trekstappen tussendoor;
- Of de laatste trekafname gelijk was;
- De productieapparatuur en de datum van herwerking van beide partijen;
- Hoe lang elk ervan na het trekken is opgeslagen;
- Of de afwijking bij het koudstempelen samenvalt met de herwerkingspartij.
Als de afwijking verandert wanneer de herwerkingspartij wordt gewisseld, terwijl de koudstempelapparatuur, matrijzen en producten ongewijzigd blijven, dan dient vooral het trekproces van beide partijen grondig te worden onderzocht.
Een eenvoudig vaststellen van verschil in parameters volstaat echter niet om direct tot een conclusie te komen.
Een betrouwbare beoordeling vereist dat de veranderingen in het trekproces nauw worden gekoppeld aan de materiaaleigenschappen en de afwijkingen bij het koudstempelen.
Perspectief van de ingenieur
Trekken bestaat niet slechts uit het reduceren van de diameter van de staaldraad van een grotere naar een kleinere maat.
Het verandert ook de sterkte van het materiaal, zijn vervormbaarheid en hoe het materiaal reageert wanneer het van ‘trekken’ overgaat naar ‘drukken’.
De grondstof bepaalt de basis, terwijl het trekproces bepaalt in welke toestand het materiaal uiteindelijk de koudstempelmachine binnenkomt.
Dus zelfs materialen met dezelfde staalsoort en dezelfde specificatie, waarvan sommige goed stampen en anderen niet, hoeven hun oorzaak niet noodzakelijk in het materiaalcertificaat te hebben; mogelijk ligt deze verborgen in het trekproces.
Als u ook te maken krijgt met verschillen in het koudstempelgedrag van materialen met dezelfde staalsoort en dezelfde specificatie, kunt u mij de staalsoort, de specificaties voor en na het trekken, het aantal trekstappen, de productietijd en foto’s van de defecte producten toesturen.
Ik kan u in eerste instantie helpen bepalen of u eerst de grondstoffen, het trek- en bewerkingsproces, ofwel het koudstempelprocedé moet onderzoeken.
Aankondiging voor het volgende hoofdstuk
Zevende hoofdstuk: «Hoewel het oppervlak schijnbaar fosfaat-zeepbehandeld is, waarom ontstaan er dan toch problemen tijdens het koudstempelen?»
In het volgende hoofdstuk zullen we ons richten op de vraag: waarom betekent een “schijnbaar beschermende laag” op het materiaaloppervlak niet automatisch dat er tijdens het koudstempelen altijd voldoende smering aanwezig is.