Inzicht in één laag van de korrelstructuur die het mechanische gedrag van roestvrij staal bepaalt, kan voordelen opleveren. (Getty Images)
Bij de keuze voor roestvrij staal en aluminiumlegeringen wordt doorgaans gekeken naar sterkte, ductiliteit, rek en hardheid. Deze eigenschappen geven aan hoe de bouwstenen van het metaal reageren op toegepaste belastingen. Ze zijn een effectieve indicator voor het beheersen van de beperkingen van het basismateriaal; dat wil zeggen, hoeveel het kan buigen voordat het breekt. Het basismateriaal moet bestand zijn tegen het vormproces zonder te breken.
Destructieve trek- en hardheidstesten zijn een betrouwbare en kosteneffectieve methode om mechanische eigenschappen te bepalen. Deze testen zijn echter niet altijd even betrouwbaar wanneer de dikte van het basismateriaal de omvang van het testmonster beperkt. Trekproeven op vlakke metalen producten blijven uiteraard nuttig, maar er kunnen voordelen worden behaald door dieper in te gaan op één laag van de korrelstructuur die het mechanische gedrag bepaalt.
Metalen zijn opgebouwd uit een reeks microscopische kristallen, korrels genaamd. Deze zijn willekeurig verdeeld over het metaal. Atomen van legeringselementen, zoals ijzer, chroom, nikkel, mangaan, silicium, koolstof, stikstof, fosfor en zwavel in austenitisch roestvrij staal, maken deel uit van een enkele korrel. Deze atomen vormen een vaste oplossing van metaalionen, die door hun gedeelde elektronen aan het kristalrooster zijn gebonden.
De chemische samenstelling van de legering bepaalt de thermodynamisch meest gunstige rangschikking van atomen in de korrels, ook wel de kristalstructuur genoemd. Homogene gedeelten van een metaal met een herhalende kristalstructuur vormen een of meer korrels, fasen genaamd. De mechanische eigenschappen van een legering zijn afhankelijk van de kristalstructuur in de legering. Hetzelfde geldt voor de grootte en de rangschikking van de korrels van elke fase.
De meeste mensen kennen de fasen van water. Wanneer vloeibaar water bevriest, wordt het vast ijs. Bij metalen is er echter niet slechts één vaste fase. Bepaalde legeringsfamilies zijn vernoemd naar hun fasen. Bij roestvrij staal bestaan ​​austenitische legeringen uit de 300-serie voornamelijk uit austeniet na gloeien. Legeringen uit de 400-serie bestaan ​​daarentegen uit ferriet in roestvrij staal 430 of martensiet in roestvrij staal 410 en 420.
Hetzelfde geldt voor titaniumlegeringen. De naam van elke legeringsgroep geeft de overheersende fase bij kamertemperatuur aan: alfa, bèta of een mengsel van beide. Er zijn alfa-, bijna-alfa-, alfa-bèta-, bèta- en bijna-bèta-legeringen.
Wanneer het vloeibare metaal stolt, zullen de vaste deeltjes van de thermodynamisch meest gunstige fase neerslaan waar druk, temperatuur en chemische samenstelling dit toelaten. Dit gebeurt meestal aan grensvlakken, zoals ijskristallen op het oppervlak van een warme vijver op een koude dag. Wanneer korrels zich vormen, groeit de kristalstructuur in één richting totdat een andere korrel wordt tegengekomen. Korrelgrenzen ontstaan ​​op de snijpunten van niet-overeenkomende roosters als gevolg van de verschillende oriëntaties van de kristalstructuren. Stel je voor dat je een aantal Rubik's kubussen van verschillende groottes in een doos stopt. Elke kubus heeft een vierkant raster, maar ze zullen allemaal in verschillende willekeurige richtingen gerangschikt zijn. Een volledig gestold metalen werkstuk bestaat uit een reeks ogenschijnlijk willekeurig georiënteerde korrels.
Telkens wanneer een korrel wordt gevormd, bestaat de mogelijkheid van lijndefecten. Deze defecten zijn ontbrekende delen van de kristalstructuur, dislocaties genaamd. Deze dislocaties en hun daaropvolgende beweging door de korrel en over korrelgrenzen heen zijn essentieel voor de ductiliteit van metalen.
Een dwarsdoorsnede van het werkstuk wordt gemonteerd, geslepen, gepolijst en geëtst om de korrelstructuur te bekijken. Wanneer de microstructuren uniform en gelijkassig zijn, lijken ze onder een optische microscoop op een puzzel. In werkelijkheid zijn de korrels driedimensionaal en varieert de dwarsdoorsnede van elke korrel afhankelijk van de oriëntatie van de dwarsdoorsnede van het werkstuk.
Wanneer een kristalstructuur volledig gevuld is met atomen, is er geen ruimte voor beweging anders dan het uitrekken van de atoomverbindingen.
Wanneer je de helft van een rij atomen verwijdert, creëer je een mogelijkheid voor een andere rij atomen om in die positie te schuiven, waardoor de dislocatie effectief verplaatst wordt. Wanneer er een kracht op het werkstuk wordt uitgeoefend, zorgt de gecombineerde beweging van dislocaties in de microstructuur ervoor dat het kan buigen, uitrekken of samendrukken zonder te breken.
Wanneer een kracht inwerkt op een metaallegering, neemt de energie van het systeem toe. Als er voldoende energie wordt toegevoegd om plastische vervorming te veroorzaken, vervormt het kristalrooster en ontstaan ​​er nieuwe dislocaties. Het lijkt logisch dat dit de ductiliteit zou moeten verhogen, omdat er meer ruimte vrijkomt en daardoor de mogelijkheid ontstaat voor meer dislocatiebeweging. Echter, wanneer dislocaties botsen, kunnen ze elkaar vastzetten.
Naarmate het aantal en de concentratie van dislocaties toenemen, worden steeds meer dislocaties aan elkaar vastgepind, waardoor de ductiliteit afneemt. Uiteindelijk ontstaan ​​er zoveel dislocaties dat koudvervormen niet meer mogelijk is. Omdat de vastgepinde dislocaties niet meer kunnen bewegen, rekken de atoomverbindingen in het rooster uit totdat ze breken. Dit is de reden waarom metaallegeringen koudvervormen en waarom er een limiet is aan de hoeveelheid plastische vervorming die een metaal kan weerstaan ​​voordat het breekt.
Korrels spelen ook een belangrijke rol bij het gloeien. Door het gloeien van een koudvervormd materiaal wordt de microstructuur in feite gereset en daarmee de ductiliteit hersteld. Tijdens het gloeiproces worden de korrels in drie stappen getransformeerd:
Stel je voor dat iemand door een overvolle treinwagon loopt. Mensenmassa's kunnen alleen worden samengeperst door openingen tussen de rijen te laten, als verschuivingen in een raster. Naarmate ze verder lopen, vullen de mensen achter hen de lege ruimte op die ze achterlaten, terwijl ze zelf nieuwe ruimte voor zich creëren. Zodra ze het andere uiteinde van de wagon bereiken, verandert de opstelling van de passagiers. Als te veel mensen tegelijkertijd proberen te passeren, zullen passagiers die ruimte proberen te maken tegen elkaar botsen en tegen de wanden van de wagon aanlopen, waardoor iedereen vast komt te zitten. Hoe meer verschuivingen er ontstaan, hoe moeilijker het is voor hen om tegelijkertijd te bewegen.
Het is belangrijk om te begrijpen wat de minimale vervorming is die nodig is om herkristallisatie op gang te brengen. Als het metaal echter niet voldoende vervormingsenergie heeft voordat het wordt verhit, zal er geen herkristallisatie plaatsvinden en zullen de korrels gewoon verder groeien dan hun oorspronkelijke grootte.
Mechanische eigenschappen kunnen worden aangepast door de korrelgroei te beheersen. Een korrelgrens is in wezen een wand van dislocaties. Deze belemmeren de beweging.
Als de korrelgroei wordt beperkt, worden er meer kleine korrels geproduceerd. Deze kleinere korrels worden als fijner beschouwd qua korrelstructuur. Meer korrelgrenzen betekent minder dislocatiebeweging en een hogere sterkte.
Als de korrelgroei niet wordt beperkt, wordt de korrelstructuur grover, worden de korrels groter, zijn er minder grenzen en neemt de sterkte af.
Korrelgrootte wordt vaak aangeduid met een eenheidsloos getal, ergens tussen de 5 en 15. Dit is een relatieve verhouding en is gerelateerd aan de gemiddelde korreldiameter. Hoe hoger het getal, hoe fijner de korrelgrootte.
ASTM E112 beschrijft methoden voor het meten en evalueren van korrelgrootte. Het omvat het tellen van de hoeveelheid korrels in een bepaald gebied. Dit wordt meestal gedaan door een dwarsdoorsnede van het ruwe materiaal te snijden, deze te slijpen en te polijsten, en vervolgens te etsen met zuur om de deeltjes bloot te leggen. Het tellen gebeurt onder een microscoop, waarbij de vergroting een adequate steekproef van de korrels mogelijk maakt. Het toekennen van ASTM-korrelgroottenummers duidt op een redelijke mate van uniformiteit in korrelvorm en -diameter. Het kan zelfs voordelig zijn om de variatie in korrelgrootte te beperken tot twee of drie punten om consistente prestaties over het gehele werkstuk te garanderen.
Bij koudvervorming bestaat er een omgekeerde relatie tussen sterkte en ductiliteit. De relatie tussen ASTM-korrelgrootte en sterkte is doorgaans positief en sterk, en de rek is over het algemeen omgekeerd evenredig met de ASTM-korrelgrootte. Echter, overmatige korrelgroei kan ertoe leiden dat "doodzachte" materialen niet langer effectief koudvervormen.
Korrelgrootte wordt vaak aangeduid met een eenheidsloos getal, ergens tussen de 5 en 15. Dit is een relatieve verhouding en is gerelateerd aan de gemiddelde korreldiameter. Hoe hoger de ASTM-korrelgrootte, hoe meer korrels per oppervlakte-eenheid.
De korrelgrootte van het gegloeide materiaal varieert met de tijd, temperatuur en afkoelsnelheid. Gloeien wordt meestal uitgevoerd tussen de herkristallisatietemperatuur en het smeltpunt van de legering. Het aanbevolen gloeitemperatuurbereik voor austenitisch roestvast staal 301 ligt tussen 1900 en 2050 graden Fahrenheit. Het begint te smelten rond 2550 graden Fahrenheit. Daarentegen moet commercieel zuiver titanium van klasse 1 worden gegloeid bij 1292 graden Fahrenheit en smelt het rond 3000 graden Fahrenheit.
Tijdens het gloeien concurreren de herstel- en herkristallisatieprocessen met elkaar totdat de herkristalliseerde korrels alle vervormde korrels hebben verbruikt. De herkristallisatiesnelheid varieert met de temperatuur. Zodra de herkristallisatie voltooid is, neemt de korrelgroei het over. Een werkstuk van roestvrij staal 301 dat gedurende één uur op 1900 °F (980 °C) is gegloeid, heeft een fijnere korrelstructuur dan hetzelfde werkstuk dat gedurende dezelfde tijd op 2000 °F (1090 °C) is gegloeid.
Als het materiaal niet lang genoeg in het juiste gloeitraject wordt gehouden, kan de resulterende structuur een combinatie zijn van oude en nieuwe korrels. Als uniforme eigenschappen in het hele metaal gewenst zijn, moet het gloeiproces gericht zijn op het verkrijgen van een uniforme equiaxiale korrelstructuur. Uniform betekent dat alle korrels ongeveer even groot zijn, en equiaxiaal betekent dat ze ongeveer dezelfde vorm hebben.
Om een ​​uniforme en gelijkassige microstructuur te verkrijgen, moet elk werkstuk aan dezelfde hoeveelheid warmte gedurende dezelfde tijd worden blootgesteld en met dezelfde snelheid afkoelen. Dit is niet altijd gemakkelijk of mogelijk bij batchgloeien, dus is het belangrijk om in ieder geval te wachten tot het gehele werkstuk de juiste temperatuur heeft bereikt voordat de gloeitijd wordt berekend. Langere gloeitijden en hogere temperaturen resulteren in een grovere korrelstructuur/zachter materiaal en omgekeerd.
Als korrelgrootte en sterkte met elkaar verband houden en de sterkte bekend is, waarom zou je dan de korrelgrootte berekenen? Alle destructieve testen vertonen variabiliteit. Trekproeven, vooral bij kleinere diktes, zijn sterk afhankelijk van de preparatie van het monster. Treksterkteresultaten die de werkelijke materiaaleigenschappen niet weergeven, kunnen leiden tot voortijdige breuk.
Als de eigenschappen niet uniform zijn in het hele werkstuk, geeft een trekproef of een monster van één rand mogelijk geen volledig beeld. Monsterpreparatie en -testen kunnen bovendien tijdrovend zijn. Hoeveel testen zijn mogelijk voor een bepaald metaal, en in hoeveel richtingen is dat haalbaar? Het evalueren van de korrelstructuur biedt extra zekerheid tegen verrassingen.
Anisotroop, isotroop. Anisotropie verwijst naar de directionaliteit van mechanische eigenschappen. Naast sterkte kan anisotropie beter worden begrepen door de korrelstructuur te bestuderen.
Een uniforme en gelijkassige korrelstructuur moet isotroop zijn, wat betekent dat het materiaal in alle richtingen dezelfde eigenschappen heeft. Isotropie is vooral belangrijk bij dieptrekprocessen, waar concentriciteit cruciaal is. Wanneer het werkstuk in de matrijs wordt getrokken, zal het anisotrope materiaal niet gelijkmatig vloeien, wat kan leiden tot een defect dat oorvorming wordt genoemd. Oorvorming treedt op wanneer het bovenste deel van de kom een ​​golvende vorm aanneemt. Onderzoek van de korrelstructuur kan de locatie van inhomogeniteiten in het werkstuk onthullen en helpen bij het diagnosticeren van de oorzaak.
Een goede gloeibehandeling is cruciaal voor het bereiken van isotropie, maar het is ook belangrijk om de mate van vervorming vóór het gloeien te begrijpen. Naarmate het materiaal plastisch vervormt, beginnen de korrels te vervormen. Bij koudwalsen, waarbij dikte wordt omgezet in lengte, zullen de korrels in de walsrichting verlengen. Naarmate de aspectverhouding van de korrels verandert, verandert ook de isotropie en de algehele mechanische eigenschappen. Bij sterk vervormde werkstukken kan zelfs na het gloeien een bepaalde oriëntatie behouden blijven. Dit resulteert in anisotropie. Bij diepgetrokken materialen is het soms nodig om de mate van vervorming vóór het uiteindelijke gloeien te beperken om slijtage te voorkomen.
Sinaasappelschil. Oppakken is niet het enige defect dat bij dieptrekken met matrijzen voorkomt. Sinaasappelschil ontstaat wanneer grondstoffen met te grove deeltjes worden getrokken. Elke korrel vervormt onafhankelijk en als functie van zijn kristaloriëntatie. Het verschil in vervorming tussen aangrenzende korrels resulteert in een textuur die lijkt op sinaasappelschil. Textuur is de korrelige structuur die zichtbaar is op het oppervlak van de komwand.
Net als de pixels op een tv-scherm, zal bij een fijnkorrelige structuur het verschil tussen de afzonderlijke korrels minder opvallen, waardoor de resolutie effectief wordt verhoogd. Het specificeren van alleen mechanische eigenschappen is mogelijk niet voldoende om een ​​voldoende fijne korrelgrootte te garanderen en het sinaasappelschileffect te voorkomen. Wanneer de dimensionale variatie van het werkstuk minder dan 10 keer de korreldiameter bedraagt, bepalen de eigenschappen van de individuele korrels het vormingsgedrag. De vervorming is niet gelijkmatig over vele korrels verdeeld, maar weerspiegelt de specifieke grootte en oriëntatie van elke korrel. Dit is te zien aan het sinaasappelschileffect op de wanden van de getrokken bekers.
Bij een ASTM-korrelgrootte van 8 is de gemiddelde korreldiameter 885 µin. Dit betekent dat elke diktevermindering van 0,00885 inch of minder kan worden beïnvloed door dit microvormingseffect.
Hoewel grove korrels problemen kunnen veroorzaken bij dieptrekken, worden ze soms aanbevolen voor het bedrukken. Stempelen is een vervormingsproces waarbij een werkstuk wordt samengedrukt om een ​​gewenste oppervlaktetopografie te creëren, zoals bijvoorbeeld een kwart van de gelaatscontouren van George Washington. In tegenstelling tot draadtrekken, is er bij stempelen meestal geen grote materiaalstroom, maar wel veel kracht nodig, wat het oppervlak van het werkstuk kan vervormen.
Om deze reden kan het minimaliseren van de oppervlaktespanning door een grovere korrelstructuur te gebruiken, de krachten verminderen die nodig zijn voor een goede matrijsvulling. Dit geldt met name voor free-die imprinting, waarbij dislocaties op de oppervlaktekorrels vrij kunnen stromen in plaats van zich op te hopen bij de korrelgrenzen.
De hier besproken trends zijn generalisaties die mogelijk niet van toepassing zijn op specifieke onderdelen. Ze benadrukken echter wel de voordelen van het meten en standaardiseren van de korrelgrootte van grondstoffen bij het ontwerpen van nieuwe onderdelen om veelvoorkomende defecten te voorkomen en de spuitgietparameters te optimaliseren.
Fabrikanten van precisie-metaalstempelmachines en dieptrekmachines voor het vormen van metalen onderdelen werken goed samen met metallurgen die beschikken over technisch gekwalificeerde precisiewalsmachines. Deze metallurgen kunnen hen helpen materialen tot op korrelniveau te optimaliseren. Wanneer metallurgische en technische experts aan beide zijden van de relatie in één team worden geïntegreerd, kan dit een transformerende impact hebben en tot positievere resultaten leiden.
STAMPING Journal is het enige vakblad dat zich richt op de behoeften van de metaalstempelmarkt. Sinds 1989 behandelt de publicatie de nieuwste technologieën, trends in de sector, beste praktijken en nieuws om professionals in de stempelindustrie te helpen hun bedrijf efficiënter te runnen.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The FABRICATOR, heeft u eenvoudig toegang tot waardevolle branchebronnen.
De digitale editie van The Tube & Pipe Journal is nu volledig toegankelijk en biedt gemakkelijke toegang tot waardevolle branchebronnen.
Geniet van volledige toegang tot de digitale editie van STAMPING Journal, met de nieuwste technologische ontwikkelingen, beste praktijken en branchenieuws voor de metaalstempelmarkt.
Nu met volledige toegang tot de digitale editie van The Fabricator en Español, eenvoudig toegang tot waardevolle branchebronnen.