Mange virksomheder i koldstukningsindustrien kender situationen: Et materialeparti opfylder kravene til kemisk sammensætning og mekaniske egenskaber i materialecertifikatet. Dimensionerne er korrekte, og selv prøvning hos en tredjepart giver godkendte resultater. Alligevel opstår der revner, folder, utilstrækkelig fyldning af radier, unormal værktøjslevetid eller variation i produktdimensionerne, når materialet sættes i koldstukningsproduktionen.
Den første reaktion er ofte: Er der noget galt med materialet? Spørgsmålet kan imidlertid ikke uden videre reduceres til materialekvalitet. Det handler mere præcist om forskellen mellem en produktstandard og en teknisk anvendelse.
Standarden besvarer primært spørgsmålet: Opfylder dette materialeparti kravene? Ved koldstukning er spørgsmålet derimod: Kan materialet give stabil produktion over lang tid med små variationer på vores udstyr, i vores værktøjer og under vores smøre- og formningsbetingelser? De to spørgsmål er forskellige.
1. Hvad regulerer en materialestandard?
Uanset om det drejer sig om SAE, JIS, EN, ASTM eller ISO, fastlægger en materialestandard grundlæggende tekniske krav til materialet. For materialer til koldstukning og koldflydepresning omfatter de typisk:
- Kemisk sammensætning.
- Dimensioner og tilladte afvigelser.
- Mekaniske egenskaber.
- Overfladekvalitet.
- Leveringstilstand.
- Kontrol- og prøvningsmetoder.
- I bestemte tilfælde afkulning, indeslutninger, mikrostruktur eller andre supplerende tekniske krav.
SAE J403 fastlægger eksempelvis sammensætningssystemet for SAE-kulstofstål. JIS G 3507 vedrører valsetråd og tråd af kulstofstål til koldstukning. EN 10263-serien gælder stål til koldstukning og koldflydepresning. ISO 4967 og ISO 3887 bruges til henholdsvis vurdering af ikke-metalliske indeslutninger og bestemmelse af afkulningsdybde.
Standarderne er afgørende, fordi de skaber et fælles sprog for materialekvalitet. Men en materialestandard fastlægger materialets tekniske leveringsbetingelser. Den garanterer ikke, at et bestemt emne altid kan koldstukkes i et bestemt værktøj på en bestemt maskine.
Standardoverensstemmelse betyder derfor, at materialet opfylder kravene i den relevante standard eller tekniske aftale. Det betyder ikke automatisk, at materialet passer til alle koldstukningsprocesser.
2. Koldstukning er et samlet teknisk system
Koldstukning er en volumenformningsproces, hvor metallet gennemgår stor plastisk deformation ved eller nær stuetemperatur. Inde i værktøjet udsættes materialet samtidig for tryk, radial strømning, lokal trækbelastning, forskydning og friktion.
Stabil formning afhænger derfor af mere end materialet. Produktionssystemet omfatter mindst:
- Emnets geometri.
- Værktøjskonstruktion og værktøjsradier.
- Formningstrin, deformation pr. trin og samlet deformation.
- Værktøjernes koaksialitet og maskinens stivhed.
- Formningshastighed og værktøjstemperatur.
- Smøretilstand.
- Materialets oprindelige tværsnit.
- Leveringstilstand før koldstukning.
Den samme coil kan derfor have forskellig processtabilitet hos forskellige virksomheder, på forskellige maskiner eller endda i forskellige værktøjer. Det er ikke tilstrækkeligt at spørge, om materialet opfylder standarden. Man må også undersøge, om materiale, overfladebehandling, værktøjer, udstyr, smøring og proces passer sammen.
3. Materialets bidrag til stabiliteten rækker langt ud over stålkvaliteten
Indkøbere og teknikere spørger ofte først: Er det SCM435? Er det SWRCH22A? Ligger sammensætningen inden for grænserne? Det er vigtige spørgsmål, men stålkvaliteten beskriver kun en del af materialets identitet. Flere forhold er afgørende for den faktiske koldstukning.
Kemisk stabilitet og segring
En stålkvalitet tillader et vist sammensætningsinterval. To partier kan begge opfylde standarden, men have forskellige faktiske indhold af C, Mn, Cr, Mo, B og andre grundstoffer. Det kan give forskelle i deformationsmodstand, respons på sfæroidiserende glødning og efterfølgende varmebehandling.
Ved store dimensioner, stor deformation eller højstyrkebefæstelseselementer fortjener centersegring, båndstruktur og kemisk uensartethed særlig opmærksomhed. Målet er derfor ikke blot en godkendt sammensætning, men en stabil sammensætning.
Stålets renhed og ikke-metalliske indeslutninger
Ikke-metalliske indeslutninger kan ikke helt undgås ved stålfremstilling. Et indeslutningsniveau kan være fuldt acceptabelt til almindelig anvendelse. Ved kraftigt deformerede emner, sikkerhedsdele til biler eller udmattelsesfølsomme komponenter kan lokale grove, langstrakte eller samlede indeslutninger imidlertid være steder, hvor revner starter.
Metoder som ISO 4967 og GB/T 10561 har derfor værdi ud over selve klassificeringsrapporten. De hjælper med at vurdere, om materialet indeholder fejlsteder, der kan være skadelige under den efterfølgende store plastiske deformation.
Sfæroidiseret mikrostruktur
For mellemkulstofstål, legeret stål og lejestål påvirker tilstanden efter sfæroidiserende glødning direkte koldformningsegenskaberne. Vurderingen må række ud over et enkelt tal for sfæroidiseringsgraden:
- Er karbiderne fine og jævnt fordelt?
- Forekommer grove karbider?
- Er der tydelig båndstruktur?
- Er ferritmatricen ensartet?
- Er mikrostrukturen ens i tværsnittets centrum og nær overfladen?
Utilstrækkelig sfæroidisering øger deformationsmodstanden. Uensartet sfæroidisering kan give forskellig materialestrømning fra sted til sted. Sfæroidiseringsgraden er således ét resultat; mikrostrukturens ensartethed er et centralt hensyn ved koldstukning.
Overfladekvalitet og afkulning
Materialer til koldstukning er meget følsomme over for overfladefejl, fordi overfladelagene ofte gennemgår betydelig plastisk strømning. Revner, folder, trækkeridser, indtryk, overbejdsning og lokal afkulning i udgangsmaterialet kan forstærkes under den efterfølgende deformation.
Overfladerevner og folder er særligt kritiske: De kan være svære at se under materialekontrollen, men vokse hurtigt ved stor deformation. Derfor er trækstyrke og hårdhed alene utilstrækkelige ved krævende koldstukningsopgaver.
Tilstanden efter trækning
Præcisionstråd til koldstukning gennemgår normalt en eller flere trækninger. Trækningen ændrer både dimensionen og materialets tilstand gennem deformationshærdning, restspændinger, hårdhedsforskelle mellem overflade og kerne, strukturorientering og overfladeændringer.
Selv med identisk oprindelig valsetråd kan forskellige reduktionsgrader, trækforløb, værktøjsvinkler og smørebetingelser derfor give forskelle i færdigtrådens koldstukningsegenskaber. Det forklarer, hvorfor tråd fra forskellige videreforarbejdere kan opføre sig forskelligt, selv om udgangsmaterialet kommer fra det samme stålværk.
4. Undervurderede procesforhold: Fosfat- og sæbebelægning samt udstyr og værktøjer
En forklaring, der kun omfatter materialets mikrostruktur, er ufuldstændig. Ved koldstukning er der høje kontakttryk, stor plastisk deformation og vedvarende friktion mellem materiale og værktøj. Overfladens smøresystem og maskinens og værktøjets funktion påvirker direkte, om materialet kan flyde hensigtsmæssigt.
Fosfat- og sæbebelægningen er mere end en synlig film
Ståltråd til koldstukning har ofte et kombineret smøresystem med fosfatering og sæbebehandling. Et velfungerende system skal forene smøreevne, deformationsevne, tæthed, ensartethed, vedhæftning og evne til at fastholde smøremiddel og sæbe.
Smøreevnen reducerer friktion og forskydningsmodstand mellem materiale og værktøj. Ved utilstrækkelig smøring stiger den lokale friktion. Det kan øge stukningskraften og overfladetemperaturen, accelerere værktøjsslid og hæmme materialestrømningen med risiko for rivning, adhæsivt slid og revner. Ved stor deformation er smøring en integreret del af formningssystemet.
Under koldstukning ændres materialets overfladeareal betydeligt. Hvis belægningen er for sprød og revner, pulveriseres eller løsner sig, så snart den plastiske deformation begynder, kan de senere trin blive præget af lokal tørfriktion. Belægningen skal derfor ikke blot smøre, men i et vist omfang kunne deformeres sammen med grundmaterialet. Den skal fungere efter deformationen, ikke blot se ensartet ud før den.
Lokalt for tynde eller grove fosfatlag, uens krystaldannelse og manglende dækning fordeler smøremidlet ujævnt. Resultatet er ofte en pludselig lokal friktionsstigning frem for samtidig fejl i hele emnet. Netop lokal ustabilitet er kritisk ved koldstukning.
Belægningen bør derfor vurderes på mere end gennemsnitlig lagmasse: Er dækningen sammenhængende og krystallerne ensartede? Er der områder uden belægning? Passer overfladeruheden til den efterfølgende sæbebehandling? Er coilens begyndelse, midte og slutning ensartede?
Hvis fosfat- og sæbelagene hæfter for dårligt til grundmaterialet og falder af allerede ved første formningstrin, forværres smøringen hurtigt i de senere stationer. Tegnene kan være pulverisering, større afskalninger, pulverophobning i værktøjet, rivning, adhæsivt slid og unormalt værktøjsslid. Det afgørende er, om belægningen bliver på overfladen under højt kontakttryk.
Fosfatlaget giver også plads og støtte til smøremidlet. En hensigtsmæssig fosfatstruktur gør sæbelaget virksomt gennem længere tid under koldstukningen, så det ikke er opbrugt efter det første trin. Fosfatering er derfor en bærer i smøresystemet, ikke det endelige smøremiddel. Friktionen styres samlet af grundmaterialets overflade, fosfatlaget, sæbelaget og værktøjssmøringen.
Maskinens og værktøjets smøreforsyning
En god fosfat- og sæbebelægning løser ikke alene alle smøreproblemer. Ved kontinuerlig højhastighedsproduktion skal værktøjet fortsat have en stabil smøreforsyning. Undersøg især:
- Om smøremidlet effektivt når områder med stor deformation.
- Om mængden er stabil.
- Om smøringen aftager mellem stationerne.
- Om temperaturændringer giver variation i smøremidlets viskositet.
- Om værktøjet har områder, som smøremidlet ikke når.
- Om smøremidlet kan tilføres hurtigt nok ved høj produktionshastighed.
Ved højstyrkematerialer, stor deformation og flertrinsformning viser utilstrækkelig smøring sig ofte først som unormale formningskræfter, rivning i produktoverfladen, stigende værktøjstemperatur og hurtigt faldende værktøjslevetid. Senere kan der opstå formningsrevner. Det er derfor nødvendigt at vurdere hele smøresystemets vedvarende funktion, ikke blot om tråden er fosfateret og sæbebehandlet.
Værktøjets temperaturstyring
Betegnelsen koldstukning betyder ikke, at værktøjet forbliver ved stuetemperatur under kontinuerlig produktion. Ved høj hastighed omdannes en stor del af arbejdet fra plastisk deformation og friktion til varme. Fjernes varmen ikke i tide, stiger den lokale værktøjstemperatur.
Temperaturstigningen påvirker smøremidlets viskositet, friktionskoefficienten, værktøjsdimensionerne, værktøjsmaterialets styrke, levetiden og emnernes dimensionsstabilitet. Ved højhastighedsproduktion er den afgørende faktor derfor en stabil varmebalance frem for temperaturen på ét enkelt tidspunkt.
Hvis værktøjets termiske tilstand er helt forskellig efter de første 1000 emner og efter 100 000 emner i kontinuerlig drift, kan produktet ændre sig, selv om materialet er identisk. Effektivt koldstukningsudstyr kræver således stabil smøring, varmeafledning og styring af varmebalancen ud over høj hastighed.
Værktøjskonstruktion, stivhed og koaksialitet
Materialestrømningen skal styres præcist. For små radier, koncentreret lokal deformation, for stor reduktion i ét trin eller for lange strømningsveje kan give kraftig lokal tøjningskoncentration.
Utilstrækkelig slædepræcision, manglende koaksialitet, utilstrækkelig maskinstivhed eller for stor føringsfrigang giver desuden excentrisk belastning. Selv et standardgodkendt materiale kan da få lokale spændingskoncentrationer og unormale revner.
At samme materialeparti fungerer stabilt på én maskine og giver problemer på en anden, er derfor ikke usædvanligt. Det beviser ikke nødvendigvis en fejl hos én part; det viser, at koldstukning er et samlet teknisk system.
5. Hvorfor passer standardgodkendt materiale ikke nødvendigvis til en bestemt proces?
Materialestandarden fastlægger krav til materialet. Den faktiske produktion omfatter derimod et samlet system af materiale, overfladebehandling, smøring, værktøjer, maskine, temperatur, procesforløb og emnegeometri.
Overensstemmelse med standarden er én af forudsætningerne for koldstukning. Stabil produktion kræver desuden, at hele produktionssystemet passer sammen. Materialegodkendelse og procesegnethed er dermed to forskellige vurderinger.
6. Creation Groups tilgang: Levering rækker ud over materialecertifikatet
En materialeleverandør bør ikke alene spørge, om materialet overholder standarden, men også hvordan coilen vil opføre sig i kundens værktøj. Ved udvikling og levering af materialer til koldstukning undersøger Creation Group derfor både kemisk sammensætning, herunder C, Mn, Si, Cr og Mo, og de konkrete emner og kundeprocesser:
- Sfæroidiseret mikrostruktur og dens ensartethed.
- Ikke-metalliske indeslutninger.
- Afkulning og overfladetilstand.
- Trækkereduktion og deformationshærdning.
- Fosfatlagets ensartethed, tæthed og vedhæftning.
- Sæbebelægningens smøring og deformationsevne.
- Kundens deformation ved koldstukning.
- Udformningen af formningsstationerne.
- Værktøjernes smørebetingelser.
- Maskinhastighed og værktøjernes termiske tilstand.
- Krav til efterfølgende varmebehandling.
En godkendt rapport er vigtig, men værdien for kunden ligger i vedvarende stabil produktion. Her ligger forskellen mellem blot at levere materiale og at arbejde teknisk med materialets anvendelse.
Ingeniørens perspektiv
Standarden afgør, om materialet opfylder kravene; det samlede tekniske system afgør, om produktionen er stabil. Materiale, fosfat- og sæbebelægning, smøring, værktøjer, udstyr og formningsproces er indbyrdes forbundne faktorer.
Standardoverensstemmelse viser, at de grundlæggende materialekrav er opfyldt. Under passende overflade-, værktøjs-, smøre- og maskinbetingelser skal materialet desuden kunne give stabil, gentagelig formning med små variationer. Standardoverensstemmelse er udgangspunktet for kvalitetsstyring; procesegnethed er målet for stabil fremstilling.
Standarder og referencegrundlag
- SAE J403: Sammensætningssystem for SAE-kulstofstål.
- ASTM A510/A510M: Generelle krav til valsetråd og grov rund ståltråd.
- JIS G 3507: Valsetråd og tråd af kulstofstål til koldstukning.
- EN 10263: Stål til koldstukning og koldflydepresning.
- ISO 4967: Mikroskopisk vurdering af ikke-metalliske indeslutninger i stål.
- ISO 3887: Bestemmelse af afkulningsdybde i stål.
- ASM Handbook, Volume 14A: Metalworking: Bulk Forming — teknisk reference for koldstukning, koldflydepresning og anden volumenformning.
Prøvningspunkter og grænser varierer med materiale, produkt og kundens tekniske aftale. Levering og godkendelse følger den standard og de tekniske kundekrav, der er angivet i ordren.
Om Creation Group
Creation Group arbejder med tråd til koldstukning, profiltråd og avancerede materialeløsninger til koldformning. Ud over at fremstille materialer, som opfylder standarderne, søger vi at understøtte stabil koldstukning gennem samordnet styring af mikrostruktur, overfladebehandling, dimensionsnøjagtighed, mekaniske egenskaber og kundens faktiske formningsproces.
En kvalificeret materialeleverandør skal både kunne levere godkendt tråd og forstå, hvad der sker med tråden, når den kommer ind i værktøjet.