Kapittel 6: Når ståltråden trekkes tynnere, endres også materialtilstanden
En situasjon som ofte oppstår ved kaldstuking, er følgende:
Materialene har samme stålsort, kommer fra samme stålverk og trekkes til samme sluttdimensjon. Likevel går det ene partiet problemfritt gjennom kaldstukingen, mens det andre gir ustabil forming, mangelfull fylling av hodet eller sporadiske sprekker.
Hvor ligger problemet?
Mange tror at trekkingen bare dreier seg om å gjøre tykk ståltråd tynnere, og at så lenge dimensjonene er i orden, er alt greit.
I virkeligheten er det ikke så enkelt.
Trådtrekking endrer ikke bare diameteren, men også hvordan materialet oppfører seg ved etterfølgende kaldstuking.
I. Samme sluttpunkt betyr ikke at man har gått samme vei
Selv om to partier begge blir trukket ned til 10 mm, kan ett parti ha startet fra 11 mm, mens det andre utgangspunktet var 13 mm.
Selv om sluttdiameteren er den samme, har det sistnevnte partiet gjennomgått betydelig større deformasjon.
Jo større trekkdeformasjon ståltråden utsettes for, desto hardere og sterkere blir den vanligvis. Dermed endres også den nødvendige formingskraften ved etterfølgende kaldstuking.
Om et materiale er lett å kaldstuke, kan derfor ikke avgjøres ut fra sluttdimensjonen alene. Man må også spørre:
Hvor tykt var materialet opprinnelig, og hvor mye har det blitt trukket totalt sett?
Dette er som når to personer samtidig når toppen av fjellet – den ene tok heisen, mens den andre klatret til fots. Selv om de står på samme sted, er deres fysiske tilstand helt forskjellig.
II. Det gir ulikt resultat å trekke alt på én gang eller over flere omganger
Når en ståltråd trekkes fra en tykkere til en tynnere dimensjon, kan dette gjøres i ett enkelt trinn eller over flere trinn.
For stor reduksjon i ett trekk øker trykket, friksjonen og temperaturen mellom tråden og trekkedysen. Endringene nær overflaten og i kjernen kan dessuten bli forskjellige.
Men likevel er det ikke slik at jo flere trekkeomganger, desto bedre.
For mange omganger fører også til akkumulering av friksjon og deformasjoner.
Det avgjørende er hvordan hvert trekk planlegges, særlig om det siste trekket er hensiktsmessig.
Den samlede trekkreduksjonen er viktig, og det samme er gjennomføringen av det siste trekket.
Derfor kan ulike trådtrekkerier oppnå forskjellig oppførsel ved kaldstuking selv om de bruker samme valsetråd.
III. Ståltråden «husker» også belastningsretningen
Ved trådtrekking strekkes tråden hovedsakelig i lengderetningen.
Ved kaldstuking komprimeres materialet og flyter mot hodet og ut til sidene.
Det vil si at materialet nettopp har vært utsatt for «trekk», og like etterpå skal det tåle «trykk».
Når et metall er deformert i én retning, kan dets oppførsel endres når det deretter påføres krefter i motsatt retning. I ingeniørvitenskapen omtales dette fenomenet som Bauschinger-effekten.
I enkelhet betyr dette:
Ståltråden husker hvordan den tidligere ble strekt.
Etter trådtrekking øker materialets strekkfasthet, men det betyr ikke at deformasjonsmotstanden i trykkretningen ved kaldstuking øker i samme forhold.
Trukket materiale kan derfor ikke vurderes ut fra strekkfasthet og hardhet alene. Man må også ta hensyn til retningen på den etterfølgende deformasjonen.
IV. Fasthetsøkning og «retningsminne» etter trådtrekking virker samtidig
Etter trådtrekking blir materialet vanligvis hardere. Dette kalles deformasjonsherding.
Men når materialet går fra strekkbelastning til kompresjon, påvirkes det også av Bauschinger-effekten.
Disse to effektene virker samtidig:
- Jo større deformasjon under trådtrekkingen, desto større blir vanligvis motstanden mot videre deformasjon;
- ved endring av belastningsretningen kan materialet imidlertid begynne å komprimere seg tidligere.
Hvilken effekt som er tydeligst i starten, og hvilken som dominerer ved videre deformasjon, avhenger av materialtypen, utgangstilstanden og trekkreduksjonen.
Man kan derfor verken si at «jo mindre trekkreduksjon, desto bedre» eller at «jo større trekkreduksjon, desto bedre på grunn av Bauschinger-effekten». Det gjelder å finne et hensiktsmessig område.
Dette området er imidlertid ikke det samme for alle stålsorter, dimensjoner og produkter.
V. Hvorfor er bainittiske stål som ikke seigherdes, særlig interessante?
For enkelte bainittiske og høyfaste stål som ikke seigherdes, er Bauschinger-effekten ofte tydeligere når materialet etter trådtrekking går fra strekk til trykk ved kaldstuking.
Disse materialene har i utgangspunktet relativt høy fasthet. Selv om strekkfastheten øker ytterligere etter trådtrekking, øker ikke nødvendigvis deformasjonsmotstanden i trykk ved kaldstuking i samme forhold.
Dette er en egenskap som gjør bainittiske stål som ikke seigherdes, interessante for fasthetsøkning ved kaldbearbeiding og forming ved kaldstuking.
Slike materialer må derfor vurderes ut fra både strekkfasthet og hardhet etter trekking, trekkreduksjon, produksjonstidspunkt og faktisk oppførsel ved kaldstuking.
6. Hvorfor endrer materialene seg etter en tid?
Noen materialer fungerer godt når de brukes rett etter trådtrekking, men oppfører seg annerledes når de brukes etter en tids lagring.
Årsaken er at materialets indre tilstand ikke nødvendigvis stabiliseres umiddelbart etter trådtrekkingen.
Avhengig av lagringstid og temperatur kan både fastheten og oppførselen ved videre deformasjon fortsette å endre seg.
Når to materialpartier sammenlignes, bør man derfor ikke bare kontrollere stålsorten og materialsertifikatene, men også avklare:
- Når de to partiene ble trukket;
- Hvor lenge de ble lagret etter trådtrekkingen;
- Finnes det tydelige forskjeller i lagringsmiljøet?
Denne informasjonen virker kanskje banal, men den kan ofte være avgjørende for å finne riktig retning i feilsøkingen.
7. Hva skal man sammenligne ved problemer?
Hvis materialer med samme stålsort og dimensjon oppfører seg forskjellig ved kaldstuking, bør man først sammenligne:
- Dimensjonen før trådtrekking;
- Dimensjonen etter trådtrekking;
- Antall trekk underveis;
- Om reduksjonen i det siste trekket var den samme;
- Produksjonsutstyret og tidspunktet for bearbeidingen av de to partiene;
- Lagringstiden etter trådtrekking for hvert parti;
- Om avvikene ved kaldstuking følger skiftet mellom bearbeidingspartiene.
Hvis avvikene endres ved skifte av bearbeidingsparti, mens kaldstukingsmaskinen, verktøyet og produktet er uendret, bør trådtrekkingen av de to partiene undersøkes nærmere.
Men bare å oppdage forskjeller i parametrene er ikke nok til å trekke konklusjoner.
En begrunnet vurdering krever at endringene i trådtrekkingen kan knyttes til materialegenskapene og avvikene ved kaldstuking.
Ingeniørens synspunkt
Trådtrekking gjør ikke bare en tykkere tråd tynnere.
Den endrer også materialets fasthet, dets evne til videre deformasjon og hvordan materialet reagerer når det går fra strekkbelastning til trykkbelastning.
Råmaterialet legger grunnlaget, mens trådtrekkingen bestemmer hvilken tilstand materialet har når det mates inn i kaldstukingsmaskinen.
Materialer med samme stålsort og dimensjon kan derfor ha ulik formbarhet ved kaldstuking. Forklaringen finnes ikke nødvendigvis i materialsertifikatet; den kan også ligge i trådtrekkingen.
Hvis du opplever ulik oppførsel ved kaldstuking av materialer med samme stålsort og dimensjon, kan du sende stålsort, dimensjoner før og etter trekking, antall trekk, produksjonstidspunkt og bilder av produktene med avvik.
Jeg kan hjelpe deg med en innledende vurdering av om feilsøkingen bør starte med råmaterialet, trådtrekkingen eller selve kaldstukingsprosessen.
Neste episode – Forhåndsvisning
Kapittel 7: «Hvorfor oppstår fortsatt problemer ved kaldstuking selv om overflaten er fosfatert og behandlet med såpe?»
Neste kapittel handler om hvorfor en overflate som «ser ut til å ha en film», ikke nødvendigvis gir tilstrekkelig smørebeskyttelse gjennom hele deformasjonen ved kaldstuking.