Šarže materiálu může splnit požadavky na chemické složení, mechanické vlastnosti i rozměry uvedené v atestu a vyhovět všem zkouškám nezávislé laboratoře. Přesto se při výrobě mohou objevit trhliny, přeložky, nedostatečné vyplnění zaoblení zápustky, neobvyklé opotřebení nástroje nebo větší rozptyl rozměrů součástí.
Je tedy vadný materiál? Samotné příznaky k takovému závěru nestačí. Výrobková norma odpovídá na otázku, zda šarže vyhovuje předepsaným požadavkům. Při pěchování za studena potřebujeme vědět, zda se s ní dá dlouhodobě a opakovatelně vyrábět na konkrétním stroji, s danými nástroji, mazáním a sledem operací.
1. Co stanovuje norma pro materiál?
Normy SAE, JIS, EN, ASTM a ISO vymezují základní technické požadavky. U materiálů pro pěchování a protlačování za studena mohou zahrnovat:
- chemické složení;
- rozměry a dovolené úchylky;
- mechanické vlastnosti;
- jakost povrchu;
- dodací stav;
- zkušební metody;
- oduhličení, nekovové vměstky, mikrostrukturu a další požadavky, pokud jsou předepsány.
SAE J403 upravuje chemické složení uhlíkových ocelí SAE. JIS G 3507 se týká válcovaného a taženého drátu z uhlíkové oceli pro pěchování za studena. Soubor EN 10263 se vztahuje na oceli pro pěchování a protlačování za studena. ISO 4967 řeší hodnocení nekovových vměstků a ISO 3887 stanovení hloubky oduhličení.
Normy dávají dodavateli i odběrateli společný základ pro hodnocení jakosti. Shoda potvrzuje splnění požadavků příslušné normy nebo technické dohody. Sama o sobě nepotvrzuje, že lze danou součást vyrobit v libovolném nástroji a na libovolném stroji.
2. Stabilitu pěchování určuje celý výrobní proces
Pěchování za studena je objemové tváření při teplotě okolí nebo blízké teplotě. V nástroji se materiál stlačuje, teče radiálním směrem a místně je namáhán tahem, smykem a třením. Výsledek ovlivňují zejména:
- geometrie součásti a konstrukce nástroje;
- poloměry zaoblení a sled operací;
- deformace v jednotlivých operacích a celková deformace;
- souosost nástrojů a tuhost stroje;
- rychlost tváření a teplota nástroje;
- stav mazání, výchozí průřez a dodací stav materiálu před pěchováním.
Tentýž svitek drátu se může chovat odlišně u různých odběratelů, na různých strojích i v různých nástrojích. Vedle shody s normou je třeba ověřit souhru materiálu, povrchové úpravy, mazání, nástrojů, stroje a výrobního postupu.
3. Označení jakosti samo nestačí k odhadu chování při tváření
Je třeba potvrdit jakost, například SCM435 nebo SWRCH22A, a shodu chemického složení. Označení jakosti však vystihuje pouze část vlastností, které rozhodují o chování materiálu ve výrobě.
Chemické složení a segregace
Pro danou jakost se připouštějí rozsahy chemického složení. I u dvou vyhovujících šarží mohou rozdíly v obsahu C, Mn, Cr, Mo nebo B ovlivnit deformační odpor, odezvu na sferoidizační žíhání i chování při následném tepelném zpracování. U větších průměrů, vysokého stupně deformace a vysokopevnostních spojovacích součástí je třeba věnovat zvláštní pozornost osové segregaci, řádkovitosti a nerovnoměrnému složení. Důležitá je také stálost složení mezi šaržemi.
Čistota oceli a nekovové vměstky
Nekovové vměstky nelze zcela odstranit. I ocel vyhovující pro běžné použití může místně obsahovat velké, protáhlé nebo nahromaděné vměstky. U silně tvářených dílů, bezpečnostních součástí automobilů a dílů citlivých na únavu se mohou stát místem vzniku trhlin. Metody ISO 4967 a GB/T 10561 pomáhají vedle klasifikace čistoty posoudit možné zdroje poruch při velké plastické deformaci.
Mikrostruktura po sferoidizačním žíhání
U středně uhlíkových, legovaných a ložiskových ocelí ovlivňuje mikrostruktura po sferoidizačním žíhání tvářitelnost. Hodnotí se stupeň sferoidizace, velikost a rozložení karbidů, výskyt hrubých karbidů, řádkovitost, rovnoměrnost feritické matrice a rozdíly mezi povrchem a jádrem. Nedostatečná sferoidizace zvyšuje deformační odpor. Nerovnoměrná mikrostruktura může způsobit rozdílné tečení materiálu v jednotlivých místech průřezu.
Jakost povrchu a oduhličení
Povrchová vrstva se při pěchování silně plasticky deformuje. Trhliny, přeložky, rýhy po tažení, otlaky, následky nadměrného moření a místní oduhličení se mohou v průběhu tváření projevit nebo prohloubit. Zejména trhliny a přeložky mohou při vstupní kontrole uniknout pozornosti a při velké deformaci se rychle šířit. U náročných součástí proto samotná pevnost v tahu a tvrdost nestačí.
Stav po tažení
Tažení v jednom nebo více průchodech mění rozměry, míru deformačního zpevnění, zbytková napětí, rozdíl tvrdosti mezi povrchem a jádrem, orientaci mikrostruktury i stav povrchu. Při použití stejného válcovaného drátu mohou různé úběry průřezu, rozvržení průchodů, úhly průvlaků a podmínky mazání vést k rozdílnému chování hotového drátu na pěchovacím stroji.
4. Fosfátová vrstva s mýdlem, mazání a možnosti stroje a nástroje
Vysoké kontaktní tlaky, velká deformace a soustavné tření znamenají, že tok materiálu ovlivňuje jak mazací soustava, tak stav stroje a nástroje.
Fosfátování a nanesení mýdlové vrstvy
Pro přípravu ocelového drátu se běžně používá fosfátování s následným nanesením mýdla. Hodnotí se mazivost, schopnost vrstvy deformovat se spolu s podkladem, její celistvost, rovnoměrnost, přilnavost a schopnost zadržet olej nebo mýdlo.
- Mazání snižuje tření a smykový odpor. Při jeho nedostatku roste tvářecí síla i teplota povrchu, nástroj se rychleji opotřebovává a tok materiálu se zhoršuje. Může dojít ke vzniku rýh, zadírání nebo trhlin.
- Vrstva musí snášet deformaci podkladu. Pokud při první operaci popraská, rozpadne se na prášek nebo se odloupne, v dalších operacích může místně nastat suché tření.
- Celistvost a rovnoměrnost vrstvy omezují místní nárůst tření. Samotná průměrná plošná hmotnost vrstvy nestačí. Je třeba zkontrolovat pokrytí, rovnoměrnost krystalů, nepokrytá místa, drsnost vhodnou pro nanesení mýdla a stav na začátku, uprostřed a na konci svitku.
- Při slabé přilnavosti se vrstva může oddělit už v prvním nástroji a zhoršit mazání v dalších operacích. Varovnými příznaky jsou prašnost, rozsáhlé odlupování, nánosy v nástroji, rýhy, zadírání a neobvyklé opotřebení. Při vysokém tlaku je nutné ověřit, zda vrstva zůstává na podkladu.
- Struktura fosfátové vrstvy pomáhá udržet mazivo i po první deformaci. Účinek závisí na stavu povrchu drátu, fosfátu, mýdlové vrstvě a mazání nástroje.
Přívod maziva
I správně připravený drát vyžaduje při rychlé výrobě průběžné mazání nástrojů. Je třeba ověřit, zda mazivo dosahuje oblastí největší deformace, zda je jeho množství stálé, zda se mezi operacemi nevyčerpává, jak se jeho viskozita mění s teplotou a zda se při skutečné rychlosti výroby doplňuje i v hůře dostupných místech. U vysokopevnostních materiálů nebo při silném či vícestupňovém tváření mohou růst síly, vznik rýh, zahřívání a rychlé opotřebení nástroje předcházet vzniku trhlin.
Teplota nástroje
I při pěchování za studena vzniká teplo deformací a třením. Při nedostatečném odvodu tepla může místní nárůst teploty měnit viskozitu maziva, součinitel tření, rozměry a pevnost nástroje, jeho životnost i opakovatelnost rozměrů dílů.
Důležitá je ustálená tepelná rovnováha. Pokud se teplotní stav nástroje při prvních 1000 kusech výrazně liší od stavu po 100 000 kusech nepřetržité výroby, mohou se měnit rozměry nebo jiné znaky součástí i při stejném materiálu. Vedle rychlosti záleží na stabilním mazání, odvodu tepla a řízení tepelných podmínek.
Geometrie nástroje, tuhost a souosost
Malé poloměry, nadměrný úběr v jedné operaci nebo příliš dlouhá dráha tečení mohou soustředit deformaci do malé oblasti. Nepřesný chod beranu, nesouosost nástrojů, nízká tuhost a nadměrná vůle ve vedení zvyšují riziko nesouměrného zatížení a trhlin i u vyhovujícího materiálu. Proto může šarže, která na jednom stroji funguje stabilně, na jiném stroji působit potíže.
5. Proč shoda s normou nezaručuje vhodnost pro daný proces?
Norma stanovuje požadavky na materiál. Výrobní výsledek určuje souhra materiálu, přípravy povrchu, mazání, nástrojů, stroje, teploty, sledu operací a geometrie součásti. Shoda s normou je jednou ze vstupních podmínek. Stabilní výrobu lze posoudit po ověření, že jednotlivé prvky výrobní soustavy fungují společně.
6. Atest je začátkem posouzení materiálu
U náročných projektů Creation Group posuzuje, jak se drát bude chovat v nástrojích zákazníka. Vedle chemického složení včetně C, Mn, Si, Cr a Mo podle projektu sledujeme:
- mikrostrukturu po sferoidizaci, její rovnoměrnost, nekovové vměstky, oduhličení a stav povrchu;
- úběr průřezu při tažení a deformační zpevnění;
- rovnoměrnost, celistvost a přilnavost fosfátové vrstvy, mazivost mýdlové vrstvy a schopnost povlaku deformovat se s podkladem;
- velikost deformace u zákazníka, uspořádání tvářecích operací a mazání nástroje;
- rychlost stroje, teplotní stav nástroje a požadavky na následné tepelné zpracování.
Vyhovující zkouška je výchozím bodem. Cílem je dlouhodobě opakovatelná výroba u zákazníka.
Závěr pro výrobní praxi
Norma umožňuje určit, zda materiál splňuje požadavky. Technické ověření ukáže, zda se z něj dá stabilně vyrábět daná součást. Materiál, povlak, mazání, nástroje, stroj a sled operací tvoří jeden celek. Požadovaným výsledkem je opakovatelné tváření s malým rozptylem ve skutečných podmínkách výroby.
Normy a referenční dokumenty
- SAE J403: chemické složení uhlíkových ocelí SAE.
- ASTM A510/A510M: obecné požadavky na válcovaný drát a hrubý kruhový ocelový drát.
- JIS G 3507: válcovaný a tažený drát z uhlíkové oceli pro pěchování za studena.
- EN 10263: oceli pro pěchování a protlačování za studena.
- ISO 4967: mikroskopické hodnocení nekovových vměstků v oceli.
- ISO 3887: stanovení hloubky oduhličení oceli.
- ASM Handbook, Volume 14A, Metalworking: Bulk Forming: technická příručka k pěchování, protlačování za studena a dalším metodám objemového tváření.
Požadované zkoušky a mezní hodnoty závisí na materiálu, výrobku a technické dohodě. Pro dodávku a přejímku platí norma uvedená v objednávce a technické požadavky zákazníka.
Creation Group
Creation Group se specializuje na drát pro pěchování za studena, profilovaný drát a materiály pro náročné tváření za studena. Při vývoji a dodávce zohledňujeme mikrostrukturu, stav povrchu, rozměrovou přesnost, mechanické vlastnosti a skutečné podmínky tváření u zákazníka. Rozhodující je porozumět tomu, jak se drát po vstupu do nástroje zachová.