Hoofdstuk 7: Een geschikte oppervlaktebehandeling betekent niet dat de smering na vervorming nog effectief blijft
Op de kouddeformatievloer komen vaak dergelijke afwijkingen voor:
De staaldraad heeft een gelijkmatige oppervlaktekleur en het fosfaat-saponificatielaagje voldoet ook aan de gestelde eisen, maar zodra de draad in de kouddeformatiemachine terechtkomt, kunnen er toch problemen ontstaan zoals uitpoederen of loskomen van het laagje, onvoldoende smeermiddelreserves, zwart worden van het werkstuk, oppervlakteruwheid, hechten aan de matrijs, versnelde slijtage van de matrijs; in ernstige gevallen kan dit zelfs scheurvorming veroorzaken.
Ter plaatse wordt dit gemakkelijk toegeschreven aan “een slechte fosfaat-saponificatie”, maar de werkelijke oorzaak is meestal veel genuanceerder.
Veldgeval 1: Het zwart kleuren van de staafdelen van het werkstuk is slechts één verschijningsvorm van falende oppervlaktebescherming. Aan de hand van de kleur alleen kan de oorzaak niet direct worden vastgesteld; er moet ook gekeken worden naar het laagje, de smeerolie in de matrijsholte en lokale temperatuurstijgingen.
Uiterlijk en laaggewicht geven de statische toestand weer vóór de kouddeformatie; wat op de werkvloer echt op de proef wordt gesteld, is hoeveel laag er na het trekken nog over is en of het onder hoge druk, wrijvingsspanning en sterke vervorming nog steeds kan hechten, zich kan uitrekken en voldoende smering biedt.
I. Fosfaat-saponificatie mag niet alleen beoordeeld worden op basis van het totale laaggewicht
De Creation Group-groep heeft de controle van de drie restlaagjes na het trekken als maandelijkse standaardprocedure opgenomen in haar kwaliteitsbewaking. Dit rapport bestrijkt twintig gangbare staalkwaliteiten en -afmetingen; per type zijn er drie monsters genomen na het trekken om het gewicht van de drie resterende laagjes nauwkeurig te volgen.
In technische termen kunnen deze als volgt worden beschreven:
Zinkfosfaat: vormt het dragende skelet en zorgt voor een hechtbasis voor de smerende media;
Zinkstearaat: de gecombineerde smerende laag die bij de saponificatiewerkzaamheden ontstaat;
Natriumstearaat: levert de benodigde smeermiddelreserves voor het verdere trekken en kouddeformeren.
Buiten het laaggewicht om worden tijdens de dagelijkse bewaking ook elektronenmicroscopische observaties verricht van de kristalstructuur, de dekkingsgraad en de verdelingsverschillen op het laagoppervlak. Het laaggewicht geeft antwoord op de vraag “hoeveel is er nog over?”, terwijl de elektronenmicroscopie meer ingaat op de vraag “hoe ziet het oppervlak eruit?”; pas in combinatie met beide methoden krijgt men een beter beeld dan wanneer men alleen de kleur van de staaldraad zou bekijken.
Elektronenmicroscopische foto’s van het fosfaatlaagje tijdens de maandelijkse routinecontrole: gebruikt om de kristalstructuur, de dekkingsgraad en de verdelingsverschillen op het laagoppervlak te observeren. Eén enkele foto kan echter geen vervanging zijn voor monstername op verschillende plaatsen en praktische validatie tijdens de kouddeformatie.
De fosfaatlaagtest in dit rapport is gebaseerd op GB/T 11376-2020. In vergelijking met het enkel meten van het totale laaggewicht vóór de behandeling, biedt het gescheiden onderzoek van de drie restlaagjes na het trekken een realistischer beeld van de situatie waarin het materiaal de kouddeformatiemachine binnenkomt.
Oorspronkelijke grafiek uit het maandelijks rapport van de Creation Group-groep: gemeten waarden voor zinkfosfaat, zinkstearaat en natriumstearaat na het trekken van twintig gangbare materialen.
De cijfers van deze maand liggen allemaal binnen het normale controlebereik, wat wijst op een over het algemeen stabiele toestand van de drie restlaagjes na fosfaat-saponificatie en het trekken. Deze presentatie dient niet om aan te tonen dat er problemen zijn met de materialen, maar om te illustreren dat de staat van het laagje niet alleen aan de hand van de kleur kan worden beoordeeld; door voortdurende controles moet bovendien worden vastgesteld of het proces stabiel verloopt.
Echter, een bevredigend laaggewicht geeft alleen antwoord op de vraag “hoeveel is er op het moment van monstername nog over?” en kan niet op zichzelf aangeven of het laagje tijdens de snelle kouddeformatie uitpoedert of loskomt, of het lokale temperatuurstijgingen kan weerstaan en of het goed samengaat met de smeerolie in de matrijsholte. Dat is precies waarover dit artikel gaat.
II. Waarom kan een “goed uitgevoerde” fosfaatlaag na het trekken toch anders zijn?
De laagdikte op het moment dat de fosfatering en verzeepting voltooid zijn, geeft slechts aan dat de fosfaatlaag is gevormd.
Een fosfaatlaag kan zich niet net als de staalgrondstructuur blijvend uitrekken. Na het trekproces worden de fosfaatlagen onderworpen aan samendrukking, afschuiving en oppervlakte-uitrekking: een deel van de smeerlaag wordt afgevoerd of opnieuw verdeeld; wanneer de rekbaarheid van de laag onvoldoende is of de hechting met de staalgrond te zwak, kunnen er microscheurtjes ontstaan, kan de laag schilferen of zelfs gedeeltelijk loslaten.
Het ontstaan van fijne scheurtjes in de fosfaatlaag betekent nog niet dat deze volledig is versleten. Van groter belang is of na breuk grote delen van de metalen grondstructuur bloot komen te liggen, of de verzeepte smeersubstantie de oppervlakte nog kan blijven bedekken en of de resterende fosfaatlaag de latere koudverstevigingsprocessen aankan. Wanneer lokale delen zonder bescherming zijn, zal bij het binnengaan van de matrijs de wrijving sneller toenemen, het oppervlak ruwer worden of het materiaal aan de matrijs kleven.
Het is dus mogelijk dat twee rollen materiaal na voltooiing van fosfatering en verzeepting een vergelijkbare laagdikte vertonen, maar na verschillende reductiegraden en trektallen uiteindelijk verschillen in de mate van scheurvorming, de dekkingsgraad en de effectieve resterende laagdikte vertonen.
Dit is ook de reden waarom de maandelijkse tests van de Creation Group zich richten op de vraag “hoeveel laag blijft er na het trekken over?”, in plaats van alleen te streven naar een hogere laagdikte vóór de behandeling.
III. Brandsporen zijn slechts één verschijningsvorm van falende fosfaatbescherming
Strikt genomen verbranden veel zogenaamde “fosfaatlaag-brandsporen” niet zoals organische stoffen; de fosfaatkristallen gaan niet letterlijk in vlammen op.
Tijdens het koudverstevigingsproces ontstaan tegelijk vervormingswarmte en wrijvingswarmte. Als de verzeepte smeersubstantie of de smeerolie die de matrijsholte binnenkomt onvoldoende hittebestendig is, kunnen zachtwording, thermische achteruitgang, afbraak of koolstofvorming in de residuen optreden.
Ook kan het fosfaatgeraïsde worden ingedrukt, uitgetrokken tot een dunne laag of zelfs loskomen. Zodra de smeringsbescherming tekortschiet, raken werkstukken en matrijs plaatselijk direct met elkaar in contact, waardoor zich het volgende scenario kan ontwikkelen:
Smeerlaag ondergaat thermische achteruitgang → verminderde belastbaarheid van de olielaag → plaatselijk direct metaalcontact → zwartverkleuring, oppervlakteruwheid, kleven aan de matrijs en abnormale slijtage van de matrijs.
Veldvoorbeeld 2: Op het oppervlak zijn al duidelijke langsgroeven zichtbaar; dit duidt erop dat de storing zich heeft ontwikkeld vanaf het falen van de smeersubstantie tot direct metaalcontact en hechtende slijtage.
Dus wanneer het werkstuk zwartverkleurd is, wijst dit erop dat er sprake is van een storing in het smeersysteem, maar men mag niet louter op basis van de kleur direct concluderen dat het probleem voortkomt uit het fosfateringsproces.
IV. Fosfaatlaag EN olie in de matrijsholte: één aspect overslaan is nooit compleet
De fosfatering-verzeeptingslaag biedt een basisscherming voor het materiaal voordat het de matrijs binnengaat, terwijl de smeerolie in de matrijsholte tijdens het vormproces de smering moet blijven aanvullen en een deel van de warmte afvoert.
Zelfs als de resterende fosfaatlaag op de draad in goede staat is, kan bij een te snelle viscositeitsvermindering van de smeerolie in de matrijsholte, onvoldoende hittebestendigheid of ontoereikende doorstroming naar gebieden met hoge vervorming, zwartverkleuring en oppervlakteruwheid ontstaan.
Omgekeerd: wanneer na het trekken de effectief resterende fosfaatlaag onvoldoende is, kan het toevoegen van extra smeerolie in de matrijsholte niet per se de oorspronkelijke smeringsomstandigheden herstellen.
De fosfaatlaag legt de basis, de smeerolie zorgt voor permanente bescherming; wat uiteindelijk het resultaat bepaalt, is de combinatie van beide componenten in relatie tot de specifieke matrijs en het proces.
Veldvoorbeeld 3: Kleine werkstukken vertonen plaatselijke zwartverkleuring. Hoewel het getroffen oppervlak klein is, moet de oorzaak toch worden beoordeeld in samenhang met de betreffende werkpositie, de productiesnelheid en de continuïteit van de productie.
Vijf. Wat betekent een temperatuurbestendigheid van ≥900℃ in zware kouddrukvormomstandigheden?
Het huidige vloeibare coatingssysteem dat door de Creation Group-groep wordt gebruikt, bereikt een temperatuurbestendigheidsniveau van meer dan 900℃, waardoor er een ruimere reserve aan thermische stabiliteit beschikbaar is voor kouddrukprocesbewerkingen met hoge vervormingsgraden.
Hierbij dient te worden opgemerkt dat de temperatuurbestendigheidsindicatoren van de coating uitsluitend aangeven hoe stabiel het coatingsysteem onder hoge temperaturen blijft; dit betekent niet dat alle matrijskamervetten bij 900℃ nog steeds dezelfde viscositeit en smeereigenschappen behouden. In de praktijk hangt de massaproductie af van de juiste combinatie tussen de coating, het resterende coatinglaagje, de matrijskamervet en de individuele bewerkingsstappen.
Tijdens de productverificatie van SCM435 werd een sterkte-bundelverhouding van 79,8% bereikt. Onder optimale omstandigheden waarin het coatingsysteem, het na het trekken achtergebleven resterende laagje, de matrijskamersmering en de vormingsstappen goed op elkaar zijn afgestemd, is tot dusver een stabiele massaproductie gerealiseerd.
Massaproductievoorbeeld van SCM435 onder strenge kouddrukvormomstandigheden: sterkte-bundelverhouding 79,8%, na systematische procesafstemming stabiel in serieproductie.
Dit voorbeeld laat zien dat niet alleen een losse temperatuurwaarde of één enkele test van het coatinggewicht overtuigend is, maar vooral of het materiaal onder zware vervormingsomstandigheden continu en stabiel geschikte producten kan produceren.
Perspectief van ingenieurs
De werkelijke waarde van fosfaat-saponificatie bestaat niet alleen uit het creëren van een uniforme oppervlakte bij binnenkomst in het magazijn, maar vooral uit het feit dat het materiaal ook na het trekken en herhaaldelijk kouddrukken nog steeds op de vereiste plekken hecht, voldoende smeermiddelreserves behoudt en werkstukken en mallen permanent beschermt.
In hoofdstuk zeven hoeft u slechts één zin onthouden:
Een normaal ogend oppervlak voor behandeling is slechts het begin; pas wanneer na het trekken nog voldoende effectieve coatingrestanten aanwezig zijn die onder vervormings-, temperatuur- en smeringsomstandigheden in de matrijskamer niet verkruimelen, afbladderen of voortijdig hun smerende eigenschappen verliezen, is sprake van echte garantie voor massaproductie.
Als u ook te maken krijgt met problemen zoals afbrokkelen of afbladderen van de coating, zwart worden of verbranden van werkstukken, rafelen, kleven aan de mal of abnormale levensduur van de matrijs, kunt u ons het materiaaltype, de specificaties, de afmetingen voor en na het trekken, de specifieke defecte werkstations en foto’s ter plaatse toesturen. De Creation Group-groep kan u eerst helpen beoordelen of de oorzaken gezocht moeten worden in de coatingresten, de hechting van de coating, de smering in de matrijskamer of in de temperatuur- en wrijvingsomstandigheden.
Aankondiging voor het volgende deel
Hoofdstuk acht: “Het materiaal is niet veranderd, waarom gaat het stampen ineens slechter als we een ander productontwerp gebruiken?”
Het volgende hoofdstuk richt zich voornamelijk op productstructuur, afgeronde hoeken, vervormingsgraad per stap en de indeling van de bewerkingsstappen, en legt uit hoe deze factoren de stroomrichting van het materiaal in de matrijs beïnvloeden.