Ett materialintyg kan visa att kemisk sammansättning, mekaniska egenskaper och dimensioner uppfyller kraven. Även när en oberoende provning ger godkänt resultat kan kallstukningen ändå ge sprickor, veck, ofullständig fyllning i radier, avvikande verktygslivslängd eller variationer i detaljernas mått.
Det går inte att förklara alla sådana fel med materialkvaliteten. En materialstandard hjälper oss att avgöra om ett parti uppfyller kraven. Vid kallstukning behöver vi också veta om partiet går att forma stabilt, med liten variation över tid, med den aktuella maskinen, verktygen, smörjningen och processen.
1. Vilka egenskaper reglerar en materialstandard?
Standarder från SAE, JIS, EN, ASTM och ISO anger grundläggande tekniska krav. För material avsedda för kallstukning och kallsträngpressning omfattar de ofta:
- kemisk sammansättning;
- dimensioner och tillåtna avvikelser;
- mekaniska egenskaper;
- ytkvalitet och leveranstillstånd;
- provningsmetoder;
- vid behov särskilda krav på avkolning, inneslutningar, mikrostruktur eller andra egenskaper.
SAE J403 behandlar den kemiska sammansättningen hos SAE-kolstål. JIS G 3507 gäller valstråd och dragen tråd av kolstål för kallstukning. EN 10263 gäller stål för kallstukning och kallsträngpressning. ISO 4967 och ISO 3887 används för bedömning av icke-metalliska inneslutningar respektive avkolningsdjup.
Standarderna ger ett gemensamt språk för materialkvalitet. Ett parti som uppfyller standarden eller den tekniska överenskommelsen har klarat kraven som anges där. Det är ingen garanti för att en viss detalj går att kallstuka med ett visst verktyg och en viss maskin.
2. Kallstukning är ett samspel mellan material, verktyg och process
Kallstukning är en volymformningsprocess där metallen genomgår stor plastisk deformation vid eller nära rumstemperatur. I verktyget utsätts den samtidigt för tryck, radiellt materialflöde, lokal dragning, skjuvning och friktion. Stabil formning beror på hela tillverkningssystemet:
- detaljens geometri, verktygets utformning och radier;
- formningsstegen, deformationen per steg och den totala deformationen;
- verktygens koaxialitet och maskinens styvhet;
- formningshastighet och verktygstemperatur;
- smörjningen, materialets ursprungliga tvärsnitt och leveranstillstånd före kallstukningen.
Samma trådrulle kan därför ge olika resultat hos olika tillverkare, i olika maskiner eller med olika verktyg. Kontrollera även hur material, ytbehandling, verktyg, maskin, smörjning och process fungerar tillsammans.
3. Materialets egenskaper omfattar mer än stålsortsbeteckningen
Det är viktigt att verifiera om stålet är SCM435 eller SWRCH22A och om sammansättningen ligger inom gränserna. För stabil kallstukning behöver vi även granska följande.
Sammansättningens jämnhet och segring
En stålsort tillåter en viss variation i sammansättningen. Två godkända partier kan ha olika halter av C, Mn, Cr, Mo och B inom gränserna. Det kan påverka deformationsmotståndet, hur materialet reagerar vid sfäroidiseringsglödgning och resultatet av senare värmebehandling. Centrumsegring, bandstruktur och lokal variation i sammansättningen behöver särskild uppmärksamhet vid stora, kraftigt deformerade eller höghållfasta fästelement.
Stålets renhet och icke-metalliska inneslutningar
Inneslutningar kan inte helt undvikas vid ståltillverkning. En nivå som accepteras för allmän användning kan ändå omfatta grova, långsträckta eller samlade inneslutningar. De kan initiera sprickor i kraftigt formade detaljer, säkerhetskomponenter för fordon och utmattningskänsliga komponenter. Bedömning enligt ISO 4967 och GB/T 10561 hjälper till att hitta inre defektkällor som kan vara kritiska vid stor plastisk deformation.
Mikrostruktur efter sfäroidiseringsglödgning
För medelkolstål, legerat stål och lagerstål påverkar tillståndet efter sfäroidiseringsglödgning kallformbarheten direkt. Utöver sfäroidiseringsgraden behöver man bedöma om karbiderna är små och jämnt fördelade, om det finns grova karbider eller tydlig bandstruktur, om ferritmatrisen är homogen och om strukturen vid ytan och i kärnan är likartad. Otillräcklig sfäroidisering kan öka deformationsmotståndet. Ojämn struktur kan ge lokala skillnader i materialflödet.
Ytkvalitet och avkolning
Trådens ytskikt kan genomgå stor plastisk deformation vid kallstukning. Ytsprickor, veck, dragrepor, intryckningar, överbetning och lokal avkolning kan bli mer uttalade när tråden formas. Sprickor och veck som knappt syns vid materialkontrollen kan växa snabbt vid stor deformation. För detaljer med höga krav räcker det därför inte att kontrollera draghållfasthet och hårdhet.
Tillstånd efter tråddragning
Kallstukningstråd dras vanligtvis i ett eller flera steg. Utöver måtten påverkar dragningen deformationshärdning, restspänningar, hårdhetsskillnaden mellan yta och kärna, strukturens orientering och yttillståndet. Även från samma valstråd kan man få tråd med olika kallstukningsegenskaper om tvärsnittsreduktion, dragföljd, dragverktygets vinkel eller smörjning skiljer sig.
4. Fosfat- och tvålbeläggning, smörjning, maskin och verktyg
Vid kallstukning uppstår högt kontakttryck, stor plastisk deformation och ihållande friktion mellan tråd och verktyg. Ytans smörjsystem och maskinens och verktygens funktion påverkar hur jämnt materialet kan flyta.
Fosfatering och tvålbeläggning
Ståltråd för kallstukning fosfateras ofta och förses därefter med en tvålbeläggning. Bedöm skiktets smörjförmåga, formbarhet, täthet, jämnhet och vidhäftning samt hur väl det håller kvar olja eller tvål.
- Smörjningen minskar friktionen och skjuvmotståndet. Bristande smörjning kan öka formningskraften, yttemperaturen och slitaget, hindra materialflödet och leda till repor, kärvning och sprickor.
- Beläggningen ska kunna följa basmaterialets deformation. Om den spricker, pulveriseras eller flagnar när formningen börjar kan det uppstå lokal torrfriktion i senare steg.
- För tunna, grova, ojämnt kristalliserade eller obelagda ytor gör att smörjmedlet fördelas ojämnt. Kontrollera utöver beläggningens genomsnittliga ytvikt om den täcker hela ytan, om kristallerna är jämnt fördelade, om ytråheten passar för efterföljande tvålbeläggning och om början, mitten och slutet av rullen har likartade egenskaper.
- Pulver, flagor, avlagringar i matrisen, dragmärken, kärvning och onormalt slitage kan tyda på dålig vidhäftning. Skikten måste sitta kvar även vid högt kontakttryck.
- Fosfatskiktets struktur bär smörjmedlet och hjälper till att hålla kvar det efter det första formningssteget. Den sammanlagda effekten beror på trådytan, fosfatskiktet, tvålbeläggningen och verktygssmörjningen.
Tillförsel av smörjmedel
Även med en väl fungerande beläggning behöver verktyget en jämn smörjmedelstillförsel vid kontinuerlig kallstukning i hög hastighet. Kontrollera att smörjmedlet når de kraftigt deformerade zonerna, att mängden är jämn, att smörjningen räcker mellan stationerna och att temperaturförändringar inte ger stora variationer i viskositet. Leta efter zoner i verktyget som smörjmedlet inte når och kontrollera att tillförseln hinner med vid hög hastighet. För höghållfast material, stor deformation eller flera stationer kan smörjbrist först märkas som avvikande formningskrafter, ytskador, stigande verktygstemperatur eller snabbt minskad verktygslivslängd. Därefter kan detaljen spricka under formningen.
Verktygstemperatur och termisk jämvikt
Kallstukning innebär inte att verktyget håller rumstemperatur under hela produktionen. Mycket av arbetet vid plastisk deformation och friktion omvandlas till värme. Utan tillräcklig värmeavledning stiger temperaturen lokalt. Det påverkar smörjmedlets viskositet, friktionskoefficienten, verktygets mått, hållfasthet och livslängd samt spridningen i detaljernas mått.
Vid kontinuerlig tillverkning i hög hastighet är en stabil termisk jämvikt viktigare än temperaturen i ett enskilt ögonblick. Om verktygets termiska tillstånd under de första 1000 detaljerna skiljer sig från tillståndet vid en körning av 100 000 detaljer kan produkten förändras även om materialet är detsamma. Processen behöver därför jämn smörjning, tillräcklig värmeavledning och temperaturkontroll.
Verktygsgeometri, styvhet och koaxialitet
En för liten radie, koncentrerad deformation, för stor tvärsnittsreduktion i ett steg eller en för lång strömningsväg kan koncentrera töjningen. Bristande precision i sliden, verktyg som inte är koaxiella, otillräcklig maskinstyvhet eller för stort spel i styrningen kan ge excentrisk belastning. Även material som uppfyller standarden kan då få lokala spänningskoncentrationer och sprickor. Samma parti kan därför fungera stabilt i en maskin och ge avvikelser i en annan.
5. Varför passar ett godkänt material inte alltid en viss kallstukningsprocess?
Materialstandarden anger vilka krav materialet ska uppfylla. Hur detaljen faktiskt går att tillverka beror på material, ytbehandling, smörjning, verktyg, maskin, temperatur, processföljd och detaljgeometri tillsammans. Att materialet uppfyller standarden är ett av villkoren för att använda det. För stabil kallstukning måste hela tillverkningssystemet också fungera tillsammans.
6. Materialbedömningen går längre än materialintyget
När Creation Group utvecklar och levererar material för kallstukning bedömer vi, utöver halterna av C, Mn, Si, Cr och Mo, vilka krav detaljen och kundens process ställer:
- den sfäroidiserade mikrostrukturen och dess jämnhet, icke-metalliska inneslutningar, avkolning och yttillstånd;
- tvärsnittsreduktion och deformationshärdning vid dragning;
- fosfatskiktets jämnhet, täthet och vidhäftning samt tvålbeläggningens smörjförmåga och formbarhet;
- deformationen, formningsstationernas utformning och verktygssmörjningen hos kunden;
- maskinhastighet, verktygens termiska tillstånd och efterföljande värmebehandlingskrav.
För stabil produktion över tid behöver man förstå hur tråden beter sig i kundens verktyg.
Slutsats ur ett tillverkningsperspektiv
Standarden avgör om materialet uppfyller kraven. Det samordnade tillverkningssystemet avgör om produktionen kan hållas stabil. Lämpligt material för kallstukning ska gå att forma upprepade gånger med liten variation när ytbehandling, smörjning, verktyg och maskin passar uppgiften. Överensstämmelse med standarden är utgångspunkten för kvalitetsarbetet; processens lämplighet möjliggör stabil tillverkning.
Standarder och tekniska referenser
- SAE J403: kemisk sammansättning hos SAE-kolstål.
- ASTM A510/A510M: allmänna krav på valstråd och grov rund ståltråd.
- JIS G 3507: valstråd och ståltråd av kolstål för kallstukning.
- EN 10263: stål för kallstukning och kallsträngpressning.
- ISO 4967: mikroskopisk bedömning av icke-metalliska inneslutningar i stål.
- ISO 3887: bestämning av avkolningsdjup i stål.
- ASM Handbook, Volume 14A, Metalworking: Bulk Forming: teknisk referens för bland annat kallstukning, kallsträngpressning och volymformning.
Provningar och gränsvärden kan skilja sig beroende på material, produkt och den tekniska överenskommelsen med kunden. Leverans och bedömning ska följa den standard och de tekniska kundkrav som anges i beställningen.
Om Creation Group
Vi arbetar med kallstukningstråd, profiltråd och material för krävande kallformning. Genom att bedöma mikrostruktur, ytbehandling, måttnoggrannhet och mekaniska egenskaper tillsammans med kundens formningsprocess hjälper vi kunden att skapa förutsättningar för stabil kallstukning.