Ohutlevyn muovattavuuden tutkimusta oppimisprojektina

Transkriptio

1 Ohutlevyn muovattavuuden tutkimusta oppimisprojektina TkL, tutkijayliopettaja Timo Kauppi, Milka Linke, Noora Piisilä, Sari Välimaa, Kemi-Tornion ammattikorkeakoulu, tekniikka, DI Vili Kesti, tuotekehitysinsinööri, Ruukki Metals Oy. Niin kuin monissa Suomen ammattikorkeakouluissa on myös Kemi-Torniossa panostettu uusien työelämälähtöisten pedagogisten ratkaisujen käyttöön etenkin syventävien ammattiaineiden opetuksessa. Tuotantotekniikan materiaalit on Kemi-Tornion ammattikorkeakoulussa kolmannen vuoden keväällä toteutettava kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelman tuotantotekniikan syventävä opintojakso. Se toteutetaan ongelmalähtöiseen oppimiseen (PBL) perustuvana projektina. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että opiskelijat oppivat ongelmanratkaisua ja kehitysprojektissa toimimiseen vaadittavat perustaidot. Oppimisprojektin ensimmäinen jakso alkoi ja päättyi huhtikuun lopussa. Työskentely toteutettiin siten, että opiskelijat tekivät projektityötä yhtenä päivänä viikossa (8 15:30) neljäntoista (14) viikon ajan. Työn etenemistä valvoi vastuuopettaja ja lisäksi opiskelijat toimivat projektipäällikkönä kukin vuorollaan. Työmääränä 9 opintopistettä vastaa 240h opiskelijan työtä, josta n. puolet tehdään kontaktituntien aikana. Tämä tarkoittaa neljän hengen ryhmän kohdalla yli 500h työpanosta annetun ongelman ratkaisuun. Kontaktituntien aikana työtä ohjasi vastuuopettaja ja materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmän asiantuntijat. Tässä artikkelissa esitetään Ruukki Metals Oy:lle tehdyn toimeksiannon tutkimustuloksia. Tutkimustyötä teki opiskelijaryhmä, jossa toimivat kone- ja tuotantotekniikan insinöörioppilaat Milka Linke, Noora Piisilä ja Sari Välimaa. Projekti-insinööri, ins. (AMK) Raimo Vierelä materiaalien käytettävyyden tutkimusryhmästä opasti opiskelijaryhmää tutkimuslaitteiden käytössä. Vastuuopettajana toimi tutkijayliopettaja TkL Timo Kauppi. Työtä valvoi ja ohjeisti tilaajan puolelta tuotekehitysinsinööri DI Vili Kesti. Tutkittavat teräkset Mielenkiinto kuumavalssattujen, suurilujuuksisten terästen muovattavuuteen on herännyt pitkälti sen vuoksi, että autoteollisuus pyrkii yhä enenevissä määrin keveämpiin rakenteisiin. Valtaosa alustassa käytettävistä teräksistä on lujuudeltaan välillä MPa. Alustassa on paljon turvallisuuden kannalta kriittisiä osia, joilta vaaditaan mm. hyvää lävistettävyyttä, muovaavaa särmättävyyttä ja väsymislujuutta. /1/ Oppimisprojektissa tutkittiin kuumavalssattujen Laser 250C (EN , verrokkimateriaali), 355MC (EN ) ja 420MC (EN ) muovattavuutta. Laser on Ruukin kauppanimi kuumavalssattujen, konepajaystävällisten rakenneterästen valikoimalle, joka on termomekaanisesti valssattua (M), kylmämuovattavaa (C) ja joka ylittää ENstandardien vaatimukset (SFS-EN ISO ja ). Ruukki Metals Oy toimitti koeteräkset, joiden standardin mukaiset koostumukset on annettu taulukossa 1. Taulukko 1. Tutkittujen terästen ohjeelliset koostumukset, /2, 3/ Teräs %C %Si %Mn %P %S %Al enint. enint. enint. enint. enint. vähint. 250C MC MC Mekaaniset ominaisuudet ovat taulukon 2 mukaiset. Taulukko 2. Tutkittujen terästen standardin mukaiset mekaaniset ominaisuudet. /2, 3/ Teräs R eh R m A5 MPa MPa % 250C MC MC Laser teräkset on suunniteltu erityisesti automaattisten tuotantolinjojen materiaaleiksi, sillä niiden erinomainen tasalaatuisuus ja pinnanlaatu takaavat erittäin hyvät leikkausominaisuudet ja häiriöttömän tuotannon. Laser teräkset soveltuvat laserleikkauksen lisäksi jatkokäsittelyihin, kuten hitsaukseen ja särmäykseen. Alhainen hiiliekvivalentti (C ekv < 0,3) takaa hyvän hitsattavuuden ja alhainen piipitoisuus (< 0.03%) mahdollistaa myös sinkityksen, sinkkikerroksen paksuuden ollessa tyypillisesti n µm. Mikrorakenteeltaan Laser teräkset ovat polygonaalista ferriittiä ja pieniä määriä perliittiä voi myös esiintyä. Tyypillinen raekoko on n µm. Hieno raekoko ja hyvä sulkeumapuhtaus takaavat hyvän iskusitkeyden ja mahdollistavat vaativankin muovauksen. Tutkittavien terästen välillä lujuuserot johtuvat sekä koostumus-, että raekokoeroista. Kuvassa 1 on esitetty Laser 350MC:n tyypillistä mikrorakennetta. 32 OHUTLEVY 2/2013

2 Kuva 1. Laser 355MC:n tyypillistä mikrorakennetta. Koemenetelmät Oppimisprojektissa toteutettiin laaja testiohjelma, jossa tehtiin: Vetokoe (SFS-EN ISO ) Erichsen (IE 40 ) luvun määritys (SFS-EN ISO mukaisesti) Reiänlaajennustesti (ISO mukaisesti) Rajavetosuhteen LDR määritys (Swiftin kuppikoe) FLC käyrän määritys (SFS-EN ISO :2008) Vetokokeella määritettiin koeterästen mekaaniset ominaisuudet (myötö- ja murtolujuudet, murtovenymä), muokkauslujittumiseksponentti n sekä plastista venymäsuhdetta kuvaavat r- ja Dr arvot. Ruukki Metals Oy toimitti 3 mm:n paksuiset Laser 250 C, 355MC ja 420MC levynäyteaihiot, joista leikattiin testinäytteet Lp5e kombilevytyökeskuksen laserilla Torniossa JaloteräsStudiolla. Sen jälkeen näytteet toimitettiin Kemiin M-lab aineenkoetuslaboratorioon testattavaksi. Koematriisi on annettu taulukossa 3. Opiskelijaryhmä teki testaukset kevään 2013 aikana. Kuvassa 2 nähdään Noora Piisilä ja Sari Välimaa tarkastelemassa Swiftin kuppikokeen tulosta. Tulokset ja niiden tarkastelu Kuva 2. Noora Piisilä (vas.) ja Sari Välimaa tekemässä Swiftin kuppikoetta. Taulukko 3. Koematriisi. Taulukko 4. Koeterästen mekaaniset ominaisuudet. Mekaaniset ominaisuudet Vetokokeiden tulokset on annettu taulukossa 4. Tulosten mukaan myötölujuus on standardin sallimaa pienintä lujuutta keskimäärin n. 10% suurempi lukuun ottamatta 420MC terästä, jossa se on keskimäärin n. 25% suurempi. Lujuus on kaikilla teräksillä valssaussuuntaan selvästi pienempi kuin poikittain valssaussuuntaa vasten. Pienin ero, 14 MPa on 250C teräksellä, kun 355MC- ja 420MC teräksillä se on luokkaa 40 MPa. Tämä on tyypillistä kuumavalssatulle teräkselle. Muokkaus, joka tapahtuu valssauksessa pääosin yhteen suuntaan aiheuttaa mekaanisten ominaisuuksien suuntautumista eli anisotropiaa. /2/ Murtovenymä on myös selvästi standardissa määriteltyä alarajaa suurempi kaikilla teräksillä (25 31%). Suuri lujuus ja siihen suhteessa hyvä murtovenymä on seurausta tarkasti kontrolloidusta kuumavalssausprosessista, jossa teräkseen on saatu aikaiseksi erittäin pieni raekoko. Kuvassa 3 nähdään koeterästen (Laser 250C ja 420MC) mikrorakennetta. Kuvien perusteella raekoko on luokkaa 10µm, ollen kuitenkin 420MC teräksessä pienempi. Vaikka kyse on hiiliteräksistä, perliittiä ei ole havaittavissa. OHUTLEVY 2/

3 Kuva 3. Laser 250C (a) ja 420MC (b) terästen mikrorakennetta FESEM mikroskoopilla kuvattuna. Taulukko 5. Laser 250C, 355MC ja 420MC terästen Erichsen kuppikokeen tulokset. Erichsen indeksi Erichsenin testi on tyypillinen tapa mitata materiaalin venytysmuovausominaisuuksia. Testin tuloksena saatavalla Erichsenin luvulla arvioidaan 0,1-2 mm paksujen ja vähintään 90 mm leveiden metallilevyjen ja -nauhojen venytysmuovattavuutta. Kapeampia ja/tai paksumpia näytteitä testattaessa on käytettävä standardissa SFS-EN ISO erikseen määriteltyjä työkalun mittoja. Erichsenin luku ilmoitetaan tunnuksella IE, jolla tarkoitetaan standardin mukaista vakiokoetta (Erichsen n:o 27). Paksummilla ja kapeammilla koekappaleilla tunnukseen lisätään alaindeksi käytettävän vastinrenkaan sisähalkaisijan mukaan. /3/ Kokeissa käytettiin testimateriaalien levynpaksuudelle (s = 3.0mm) soveltuvaa standardin mukaista IE 40 koetta, missä vastinrenkaan reiän halkaisija oli siis 40mm. Standardi edellyttää vähintään kolmea onnistunutta testiä. Määritetyt IE luvut on annettu taulukossa 5. Testeissä käytetty muovausnopeus oli 10mm/min ja pidätinvoima 10.0kN. Keskiarvoistetut IE 40 luvut olivat tutkituille teräksille seuraavat: (250C), (355MC) ja 16.1 (420MC). Raimo Vierelän opinnäytetyössä tutkittiin Optim 650MC teräksen muovattavuutta ja siinä IE 40 indeksin arvoksi saatiin eli lujuudella näyttäisi olevan vaikutusta indeksin arvoon. Kuvan 4 perusteella riippuvuus on lähes lineaarinen. Kuva 4. Teräksen myötölujuuden ja Erichsen indeksin välinen riippuvuus. Punaisella merkitty mittapiste on aikaisemmasta tutkimuksesta. /4/ Kuva 5 Venytetty ja suora särmä. /6/ Taulukko 6 Laser 250C, 355MC ja 420MC terästen ISO 16630:2009e mukaisten reiänlaajennustestien tulokset. Reiänlaajennuskokeet Auton osissa käytetään yleisesti muovausteknologiaa, jossa yhdistyy venytysmuovaus ja särmäys (stretch flanging) eli syntyy särmä, jolla on tietty kaarevuussäde. Venyttävän särmäyksen periaate nähdään kuvassa 5. Teräksen soveltuvuutta tällaiseen muovausprosessiin (stretch flangeability) voidaan tutkia reiänlaajennustestillä. /5, 6/ Reiänlaajennustestit tehtiin standardin ISO mukaisesti. Reiänlaajennustesti suoritetaan kahdessa vaiheessa, ensimmäisessä vaiheessa suoritetaan reiänlävistys (alkureikä, D 0 ) standardin mukaisen työkalun avulla. Toisessa vaiheessa reikää laajennetaan kartionmuotoisella painimella. Pidätinvoiman pitää olla tarpeeksi suuri, jotta saadaan estettyä materiaalin virtaaminen. Kartion liike tulee pysäyttää heti, kun havaitaan murtuma, joka on edennyt levyn paksuuden läpi. Koekappaleen laajennetun reiän halkaisija D h mitataan kahdesta eri kohdasta ja niiden keskiarvolla lasketaan reiänlaajentumissuhde alla olevalla kaavalla: l [%] = (D h D 0 ) / D 0 x 100% (1) Koeterästen reiänlaajennustestien tulokset on annettu taulukossa 6. Tulokset vaihtelivat välillä 61 98%, ollen keskimäärin 76% (250C), 74% (355MC) ja 81% (420MC). Tulosten hajonta oli kohtuullisen suuri ( %). Kuvassa 6 nähdään Laser 420MC teräkseen laajennettuja reikiä. Reiänlaajennustestien tulokset olivat tyypillisiä tämän lujuusluokan teräksille. Kuvassa 7 nähdään lähteen /7/ pohjalta modifioitu kaavio, josta ilmenee terästyypin ja murtolujuuden vaikutus reiänlaajennustestin tuloksiin. Kuvaan on lisätty tämän tutkimuksen tuloksia edustavat pisteet 250C, 355MC ja 420MC. 34 OHUTLEVY 2/2013

4 Kuva 6. Laser 420MC teräs reiänlaajennustestin jälkeen kuvattuna. Rajavetosuhde LDR, r -arvot Yksi tärkeimmistä ohutlevyn syvävedettävyyttä kuvaavista arvoista on rajavetosuhde (LDR). Rajavetosuhde on vakio, joka riippuu materiaalista ja sen valmistusprosessista. Sen avulla määritellään, mikä on suurin mahdollinen aihion ulkohalkaisija vedettävälle syvävetotuotteelle. Rajavetosuhdetta testataan Swiftin kuppikokeella, jonka periaate on esitetty kuvassa 8. Tietyn halkaisijan omaavalla tasapäisellä painimella (d 0 ) painetaan aihiota (D 0 ), joka on pidinrenkaiden välissä puristettuna sopivalla voimalla. Aihion halkaisijaa kasvatetaan niin kauan, että muovattava kuppi murtuu. Rajavetosuhde lasketaan kaavasta: LDR = D 0 / d o (2), missä D 0 = suurin ehyenä säilynyt aihio. /8/ Kuva 7 Murtolujuuden (UTS) ja terästyypin vaikutus reiänlaajennussuhteeseen (HE%), lähdettä /7/ mukaillen Kuva 8. Swiftin kuppikokeen periaate. /8/ Testeissä käytettiin d 0 = 50mm halkaisijaltaan olevaa paininta. Pidätinvoima vaihteli välillä 3 8kN. Taulukossa 7 on annettu testiterästen LDR arvot. Arvot vastaavat kirjallisuudessa kuumavalssatulle teräkselle ilmoitettuja. /9/ Vetokoetulokseen perustuu myös ohutlevyn mekaanisten ominaisuuksien suuntautuneisuutta kuvaava plastinen muodonmuutossuhde eli anisotropiaparametri (ns. r-arvo tai Lankfordin luku), joka määritetään 0 :n, 45 :n ja 90 :n asteen kulmassa levyn valssaussuuntaan nähden irrotetuista koesauvoista. Syvävedettävyyttä kuvaava r-arvo ilmoitetaan tavallisesti eri suuntien painotettuna keskiarvona eli normaalianisotropia-parametrina ja se lasketaan kaavasta: r = (r 0 + 2r 45 + r 90 ) / 4 (3) Tasoanisotropiaparametri eli Dr-arvo puolestaan ilmoittaa r-arvon vaihtelun tason eri suuntien välillä ja siten kuvaa ohutlevyn muovautumiskykyä levyn tason suunnassa. Se lasketaan kaavasta: Dr = (r 0 + r 45 + r 90 ) / 2 (4) Taulukko 7. Laser 250C, 355MC ja 420MC terästen rajamuovattavuussuhteet (LDR). Koeterästen r- ja Dr arvot on annettu taulukossa 8. Arvot ovat samaa luokkaa kuin muissa tutkimuksissa on esitetty kuumavalssatulle teräkselle. /10, 11, 12/ Kuvassa 9 nähdään Laser 355MC teräksestä vedettyjä Swiftin kuppeja. Matala tasoanisotropian arvo (Dr = -0.01) näkyy siinä, että vedossa ei ole syntynyt korvia. OHUTLEVY 2/

5 Taulukko 8. Laser 250C, 355MC ja 420MC terästen r- ja Dr -arvot. Rajamuovattavuuspiirros Ohutlevyn muovattavuutta voidaan kuvata ns. rajamuovattavuuspiirroksen avulla. Piirrosta käytetään hyväksi ohutlevytuotteiden valmistettavuuden arvioinnissa, muovaustyökalujen suunnittelussa, muovausongelmien ratkaisemisessa ja ohutlevymateriaalin valinnassa. Rajamuovattavuuskäyrä on numeeristen laskelmien (FEM) tai venymämittausten tärkeä vertailukohta. /13/ Rajamuovattavuuspiirrosta ja sen tekemistä on tarkasteltu aiemmissa Ohutlevylehden artikkeleissa. /13, 14, 15/ Kuvassa 10 on esitetty tutkimuksen verrokkimateriaalille Laser 250C teräkselle GOM Aramis 5M venymämittausjärjestelmällä mitattu ja sovitettu rajamuovattavuuspiirros. Koska käyrän määrittäminen on pitkälle automatisoitua, on sen tekeminen kustannustehokasta. Kun käytössä on tehokas näyteaihioiden leikkausteknologia (laser), niin valmis käyrä syntyy n h aikana ja on näin ollen varteenotettava menetelmä esim. raaka-aineen laadunvarmistuksessa muovausta tekeville yrityksille. Kuvaan 11 on koottu tutkittavien terästen FLC käyrät. Selvästi pehmeimpänä teräksenä Laser 250C teräksen muovattavuus on paras. Laser 355MC:n ja 420MC:n välillä ei kuitenkaan ole mitään eroa. Kuvaan on merkitty myös lähteestä /14/ rekonstruoitu S420MC teräksen FLC käyrä, joka on hieman huonompi kuin tutkittujen Laser 355MC ja 420MC terästen käyrät. Kuva 9 Laser 355MC teräksestä vedettyjä Swiftin kuppeja. Kuva 10 Laser 250C teräksen rajamuovattavuuspiirros (FLC). Pedagoginen näkökulma Tutkimukset tehtiin Kemi-Tornion ammattikorkeakoulun kone- ja tuotantotekniikan syventävällä opintojaksolla. Tavoitteena oli tutustuttaa opiskelijat tyypilliseen materiaalitekniikan tutkimusongelmaan ja sen ratkaisumallin etsimiseen. Toteutus perustui puhtaasti ongelmalähtöiseen oppimiseen (PBL = Problem Based Learning), jossa keskeinen rooli on itse oppijalla. Menetelmä opettaa itsenäistä tiedonhakua ja tiedon soveltamista ongelmanratkaisuun. Menetelmää voisi karkeasti kuvata siten, että opiskelija heitetään veteen ja katsotaan oppiiko hän uimaan. Tämä saattaa kuulostaa absurdilta tavalta opettaa tulevia insinöörejä, mutta kun katsoo tuloksia, niin kyseessä on todella tehokas tapa valmentaa heitä työelämään. Opiskelijat olivat yhtä mieltä siitä, että yrityksiltä tulleet toimeksiannot motivoivat heidän tekemistään aivan eri tavalla kuin ns. keksityt aiheet. Tutkimukset vietiin läpi tiukan projektimaisesti, mikä takasi jämerän työskentelyraamin, joka huipentui kevään lopussa pidettyyn tulosseminaariin. Tässä esitetyn kaltaisia tutkimuksia tehtiin neljän ryhmän voimin. Kuumavalssattujen terästen muovattavuuden lisäksi tutkittiin Oulun energian Toppilan lämpövoimalan h käytössä olleiden tulistinputkien virumista, Talvivaaran kaivoksen rikkivetykehittimen lämmönvaihtimen putkien materiaaleja sekä Rovaniemeläisen Arctic Drilling Company Ltd.:n timanttikairauksessa käytettävien suojaputkien ominaisuuksia. Kuva 11 Laser 250C, 355MC ja 420MC terästen rajamuovattavuuspiirrokset. YHTEENVETO Tässä artikkelissa on käyty läpi Kemi-Tornion ammattikorkeakoulussa Tuotantotekniikan materiaalit opintojakson 36 OHUTLEVY 2/2013

6 yhteydessä tehdyn Ruukin kuumavalssattujen terästen Laser 250C, 355Mc ja 420MC muovattavuustutkimuksen tuloksia. Teräksille tehtiin kattavat testit ja niiden perusteella: Terästen muovattavuus on hyvä ja edustaa samaa tasoa kansainvälisten julkaisujen tulosten kanssa. Tulokset antavat arvokasta tietoa teräksen valmistajalle kuumavalssattujen terästen muovattavuuden kehittämistä varten. Ongelmalähtöinen oppiminen (PBL) on tehokas tapa opettaa tiedonhakua ja itsenäistä ongelmanratkaisukykyä. KIITOKSET Kemi-Tornion ammattikorkeakoulu kiittää Ruukki Metals Oy:tä ja erityisesti tuotekehitysinsinööri DI Vili Kestiä ja tuotekehitysjohtaja TkT Jukka Kömiä erinomaisen mielenkiintoisesta tutkimusaiheesta, toimeksiannosta ja varauksettomasta tuesta oppimisprojektin toteutuksen aikana. LÄHTEET /1/ New Products & Technologies, JFE Technical Report, no. 18, March 2013, internet julkaisu, <URL>: pp /2/ Kuumavalssatut lujat kylmämuovattavat teräslevytuotteet. Osa 2: termomekaanisesti valssattujen terästen toimitusehdot, SFS-EN ISO :1995, kansallinen standardi, Suomen standardisoimisliitto SFS, , 17 s. /3/ Kuumavalssatut rakenneteräkset. Osa 2: Seostamattomat rakenneteräkset. Tekniset toimitusehdot, SFS-EN ISO , kansallinen standardi, Suomen standardisoimisliitto SFS, , 69 s. /4/ Vierelä R., Rajamuovattavuustutkimus kuumavalssatulle teräkselle Optim 650MC, insinöörityö, Kemi-Tornion ammattikorkeakoulu, 2012, 57 s. /5/ Saikat K. D., Anjana D., Siddhartha M., Bimal K. J., Materials and Manufacturing Processes, Vol. 26, Issue 1, 2011, pp /6/ Asnafi R., Journal of Materials Processing Technology, 96, 1999, Elsevier Science S.A., pp /7/ Sadagopan S., Formability Characterization of AHSS, Great Designs in Steel Porwe Point presentation, , >URL>: Great%20Designs%20in%20Steel/Past%20GDIS%20Presentations/GDIS% aspx, slide 12/25. /8/ Juntunen P., Tutkimus teräksen EN muovattavuudesta, insinöörityö, Kemi-Tornion ammattikorkeakoulu, 2010, 70 s. /9/ Tokyo Steel Manufacturing Co Ltd., Technology of Hot Rolled Mild Steel Sheets & Strips, , technical data sheet, <URL>: pdf/e-material2.pdf, 18 s. /10/ Hai-Long Y., Zhen-yu L., Guo-Dong W., Di W., Journal of Iron and Steel Research, International, 2010, 17(12), s. 55. /11/ Sakata K., Hashiguchi K., Okano S., Higashino T., Inoue M., Sato S., Kawasaki Steel Technical Report, No. 18, May, 1988, s. 54. /12/ Gowri S., Hariharan P., Babu A. S., Manufacturing Technology I, ISBN , web book, <URL>: books.google.fi/books?isbn= , s /13/ Martikainen L., Ohutlevyn muovattavuuden kuvaaminen rajamuovattavuuspiirroksen avulla, Ohutlevylehti 2/2006, s /14/ Kivivuori S., Venytysmuovaus, Ohutlevylehti 2/2009, s /15/ Kauppi T., Manninen T., Ruostumattoman teräksen rajamuovattavuuskäyrän (FLC) määrittäminen SFS-EN ISO mukaisesti CASE tutkimus, Ohutlevylehti 2/2012, s /16/ Tata Steel, Predicting Forming Limit Curves, Technical paper, Published in Web, <URL>: , s. 3 Kevyt, silti jäykkä. Kalottikennolla voi perinteisiin menetelmiin verrattuna keventää rakennetta jopa 85 % ja säästää siis saman verran materiaalia. Se on jäykkä joka suuntaan, kevyt käsitellä ja kestää painoonsa ja materiaalimääräänsä nähden kovaa rasitusta. Kalottikenno eristää ääntä ja lämpöä, ei resonoi eikä värise. Tätä tekniikkaa luontokin kiittää. Kalottikenno sopii monenlaisiin koneisiin ja metallirakenteisiin. Kysy meiltä suunnittelupalvelusta! Tule tapaamaan meitä Alihankintamessuille Tampereelle Osastot C420 ja C % säästö. Control Express Finland Oy Puh , Compusteel on Control Express Finland Oy:n tuotemerkki. OHUTLEVY 2/