Op het materiaalcertificaat voldoet een partij aan de eisen voor chemische samenstelling, mechanische eigenschappen en afmetingen. Ook onafhankelijke beproevingen kunnen volledig aan de eisen voldoen. Toch kunnen bij het koudstuiken scheuren, plooien, onvolledig gevulde afrondingen, een afwijkende standtijd of grotere maatschommelingen optreden.
Een materiaalnorm geeft antwoord op de vraag of een partij aan de gestelde eisen voldoet. Voor de productie is een tweede vraag van belang: kan de partij op deze machine, met dit gereedschap, deze smering en dit vormproces langdurig stabiel en met weinig spreiding worden verwerkt?
1. Wat regelt een materiaalnorm?
De productnormen van SAE, JIS, EN, ASTM en ISO leggen de technische basiseisen aan het materiaal vast. Voor staal voor koudstuiken en koude extrusie gaat het doorgaans om:
- chemische samenstelling;
- afmetingen en toegestane afwijkingen;
- mechanische eigenschappen;
- oppervlaktekwaliteit;
- leveringstoestand;
- beproevingsmethoden;
- waar voorgeschreven: ontkoling, insluitsels, microstructuur en andere aanvullende eisen.
SAE J403 beschrijft de chemische samenstelling van SAE-koolstofstaalsoorten. JIS G 3507 betreft koolstofstalen walsdraad en staaldraad voor koudstuiken; de EN 10263-reeks geldt voor staal voor koudstuiken en koude extrusie. ISO 4967 en ISO 3887 geven methoden voor respectievelijk het beoordelen van niet-metallische insluitsels en het bepalen van de ontkolingsdiepte.
De normen bieden een gemeenschappelijke basis voor de beoordeling van materiaalkwaliteit. Normconformiteit betekent dat de partij voldoet aan de toepasselijke norm of technische overeenkomst. Zij biedt op zichzelf geen garantie dat een bepaald onderdeel met een specifiek gereedschap en op een specifieke machine goed kan worden gevormd.
2. Stabiel koudstuiken vraagt om afstemming van het hele proces
Koudstuiken is een massiefvormproces waarbij het metaal bij of nabij kamertemperatuur sterk plastisch vervormt. In het gereedschap treden tegelijk druk, radiale materiaalstroming, plaatselijke trek, afschuiving en wrijving op. De stabiliteit hangt onder meer af van:
- de geometrie van het onderdeel, het gereedschapsontwerp en de afrondingsstralen;
- de opeenvolgende vormstappen, de vervorming per stap en de totale vervorming;
- de coaxialiteit van de gereedschappen en de stijfheid van de machine;
- de vormsnelheid en de gereedschapstemperatuur;
- de smering, de begindoorsnede en de leveringstoestand vóór het koudstuiken.
Dezelfde rol draad kan bij verschillende bedrijven, op verschillende machines of met ander gereedschap anders presteren. Controleer daarom ook of materiaal, oppervlaktebehandeling, smering, gereedschap, machine en procesroute op elkaar zijn afgestemd.
3. De staalkwaliteit vertelt maar een deel van het verhaal
De aanduiding SCM435 of SWRCH22A en de chemische grenswaarden moeten worden gecontroleerd. Het gedrag bij koudstuiken hangt daarnaast af van de volgende factoren.
Gelijkmatigheid van de samenstelling en segregatie
Binnen dezelfde staalkwaliteit is enige variatie in de samenstelling toegestaan. Verschillen in het werkelijke gehalte aan C, Mn, Cr, Mo en B kunnen de vervormingsweerstand, de reactie op sferoïdiserend gloeien en het resultaat van de latere warmtebehandeling beïnvloeden. Vooral bij grote, sterk vervormde of hoogbelaste bevestigingsmiddelen vragen centrumsegregatie, bandstructuur en plaatselijke verschillen in de samenstelling om aandacht.
Staalzuiverheid en niet-metallische insluitsels
Bij de staalproductie zijn insluitsels niet geheel te voorkomen. Een voor algemeen gebruik aanvaardbaar insluitselniveau kan toch grote, langgerekte of gegroepeerde insluitsels bevatten. Bij sterk vervormde delen, veiligheidsonderdelen voor auto's of vermoeiingsgevoelige onderdelen kunnen daar scheuren ontstaan. Beoordeling volgens ISO 4967 en GB/T 10561 helpt interne defectbronnen te vinden die bij sterke plastische vervorming een risico vormen.
Microstructuur na sferoïdiserend gloeien
Bij middel-koolstofstaal, gelegeerd staal en lagerstaal heeft de toestand na sferoïdiserend gloeien direct invloed op de koudvervormbaarheid. Beoordeel naast de sferoïdisatiegraad of de carbiden fijn en gelijkmatig zijn verdeeld, of grove carbiden en banden voorkomen, of de ferritische matrix homogeen is en of de structuur aan het oppervlak en in de kern overeenkomt. Onvoldoende sferoïdisatie kan de vervormingsweerstand verhogen. Een ongelijkmatige structuur kan plaatselijke verschillen in de materiaalstroming veroorzaken.
Oppervlaktekwaliteit en ontkoling
De oppervlaktelaag van de draad kan bij koudstuiken sterk plastisch vervormen. Scheuren, walsplooien, trekkrassen, indrukken, overmatig beitsen en plaatselijke ontkoling kunnen tijdens de vervorming sterker tot uiting komen. Aanvankelijk weinig opvallende oppervlaktescheuren en plooien kunnen bij sterke vervorming snel doorgroeien. Bij veeleisende onderdelen volstaat controle van treksterkte en hardheid daarom niet.
Toestand na het draadtrekken
Koudstuikdraad wordt doorgaans in een of meer trekstappen op maat gebracht. Draadtrekken verandert ook de versteviging, restspanningen, hardheidsverschillen tussen oppervlak en kern, structuurrichting en oppervlaktetoestand. Uit hetzelfde walsdraad kan draad met verschillende koudstuikeigenschappen ontstaan door verschillen in doorsnedevermindering, trekschema, treksteenhoek en smering.
4. Fosfaat- en zeepcoating, smering, machine en gereedschap
Tussen draad en gereedschap werken hoge contactdruk, grote plastische vervorming en aanhoudende wrijving samen. De smering aan het oppervlak en het functioneren van machine en gereedschap bepalen mede of het materiaal gelijkmatig kan vloeien.
Fosfateren en inzepen
Stalen koudstuikdraad wordt vaak gefosfateerd en daarna van een zeepcoating voorzien. Beoordeel het systeem op smerend vermogen, vervormbaarheid, dichtheid, gelijkmatigheid, hechting en het vermogen om olie of zeep vast te houden.
- Goede smering verlaagt wrijving en afschuifweerstand. Onvoldoende smering kan leiden tot hogere vormkrachten en oppervlaktetemperaturen, meer slijtage, belemmerde materiaalstroming, oppervlaktedefecten, vreten en scheuren.
- De coating moet de vervorming van het basismateriaal kunnen volgen. Als de laag bij het begin scheurt, verpulvert of afbladdert, kan in de volgende vormstappen plaatselijk droge wrijving ontstaan.
- Een plaatselijk dunne, grove, ongelijk gekristalliseerde of onderbroken fosfaatlaag verdeelt het smeermiddel ongelijk. Controleer daarom naast het gemiddelde laaggewicht ook de dekking, kristalverdeling, onbedekte plekken, de ruwheid voor het inzepen en de gelijkmatigheid tussen begin, midden en einde van de rol.
- Verpoedering, afbladderen, ophoping van poeder in de matrijs, schuursporen, vreten en abnormale slijtage kunnen wijzen op onvoldoende hechting. De lagen moeten bij hoge contactdruk op het materiaal blijven zitten.
- De fosfaatstructuur draagt het smeermiddel en helpt het na de eerste vervorming vast te houden. Het uiteindelijke effect hangt samen met het draadoppervlak, de fosfaatlaag, de zeepcoating en de gereedschapssmering.
Smeermiddeltoevoer naar machine en gereedschap
Ook met een goede coating moet de matrijs bij continu snel koudstuiken stabiel worden gesmeerd. Controleer of het smeermiddel de sterk vervormde zones bereikt, of de toevoer gelijkmatig is, of de smering tussen stations afneemt, of de viscositeit met de temperatuur schommelt, of er onbereikbare zones zijn en of de toevoer bij hoge productiesnelheid toereikend blijft. Bij sterk materiaal, grote vervorming en meerdere stations kan gebrekkige smering eerst zichtbaar worden als afwijkende vormkracht, oppervlakkige beschadiging, opwarming en een snel teruglopende standtijd. Later kunnen vormscheuren ontstaan.
Gereedschapstemperatuur en thermisch evenwicht
Koudstuiken betekent niet dat de matrijs tijdens productie op kamertemperatuur blijft. Veel arbeid door plastische vervorming en wrijving wordt omgezet in warmte. Bij onvoldoende warmteafvoer loopt de plaatselijke temperatuur op. Dit beïnvloedt de viscositeit, de wrijvingscoëfficiënt, de gereedschapsmaat, de sterkte en levensduur van het gereedschap en de maatvastheid van de producten.
Het gaat om stabiel thermisch evenwicht tijdens bedrijf. Als de thermische toestand tijdens de eerste 1000 stuks afwijkt van die bij een doorlopende reeks van 100 000 stuks, kan het product ook bij gelijkblijvend materiaal veranderen. Behalve snelheid zijn dus stabiele smering, warmteafvoer en temperatuurbeheersing nodig.
Gereedschapsgeometrie, stijfheid en uitlijning
Een te kleine afrondingsstraal, sterk plaatselijke vervorming, te grote doorsnedevermindering per stap of te lange stromingsweg kan de lokale rek sterk verhogen. Slechte sledegeleiding, niet-coaxiale gereedschappen, onvoldoende stijfheid of te veel geleidingsspeling kan excentrische belasting veroorzaken. Zelfs normconform materiaal kan dan plaatselijk scheuren. Daarom kan dezelfde partij op de ene machine stabiel lopen en op de andere afwijkingen vertonen.
5. Waarom past normconform materiaal niet vanzelf bij ieder koudstuikproces?
De norm legt de eisen aan het materiaal vast. De werkelijke maakbaarheid wordt bepaald door materiaal, oppervlaktebehandeling, smering, gereedschap, machine, temperatuur, procesroute en onderdeelgeometrie samen. Voldoen aan de materiaalnorm is een voorwaarde voor verwerking. Voor stabiele productie moeten ook de overige procesfactoren op elkaar zijn afgestemd.
6. De beoordeling gaat verder dan het materiaalcertificaat
Bij de ontwikkeling en levering van koudstuikmaterialen beoordeelt Creation Group, naast de gehalten aan C, Mn, Si, Cr en Mo, ook de factoren die bij het onderdeel en het proces van de klant van belang zijn:
- de sferoïdisatiestructuur en homogeniteit, niet-metallische insluitsels, ontkoling en oppervlaktetoestand;
- de doorsnedevermindering en versteviging door trekken;
- de gelijkmatigheid, dichtheid en hechting van de fosfaatlaag en de smering en vervormbaarheid van de zeepcoating;
- de vervorming, vormstations en gereedschapssmering bij de klant;
- de machinesnelheid, thermische toestand van het gereedschap en eisen aan de latere warmtebehandeling.
Wat telt voor stabiele productie op lange termijn is hoe de draad zich in het gereedschap van de klant gedraagt.
Conclusie vanuit de praktijk
De norm bepaalt of het materiaal voldoet; het afgestemde productieproces bepaalt of het product stabiel kan worden gemaakt. Geschikt koudstuikmateriaal laat zich bij passende oppervlaktebehandeling, smering, machine en gereedschap herhaalbaar en met geringe spreiding vormen. Normconformiteit is het vertrekpunt van kwaliteitsbeheersing. Procesgeschiktheid maakt stabiele productie mogelijk.
Normen en technische bronnen
- SAE J403: chemische samenstelling van SAE-koolstofstaalsoorten.
- ASTM A510/A510M: algemene eisen voor walsdraad en grof rond staaldraad.
- JIS G 3507: koolstofstalen walsdraad en staaldraad voor koudstuiken.
- EN 10263: staal voor koudstuiken en koude extrusie.
- ISO 4967: microscopische beoordeling van niet-metallische insluitsels in staal.
- ISO 3887: bepaling van de ontkolingsdiepte van staal.
- ASM Handbook, Volume 14A, Metalworking: Bulk Forming: technische bron voor onder meer koudstuiken, koude extrusie en massiefvormen.
De beproevingen en grenswaarden kunnen verschillen naargelang het materiaal, product en de technische overeenkomst met de klant. De in de bestelling voorgeschreven norm en technische klanteisen zijn leidend bij levering en acceptatie.
Over Creation Group
Wij richten ons op koudstuikdraad, profieldraad en materialen voor veeleisende koudvervorming. Door de microstructuur, oppervlaktebehandeling, maatnauwkeurigheid en mechanische eigenschappen samen met het werkelijke vormproces te beoordelen, ondersteunen wij stabiele koudstuikproductie bij de klant.