ULLE - ULTRALUJIEN LEVYMATERIAALIEN KÄYTTÖ

Versio 3 LOPPURAPORTTI ULLE - ULTRALUJIEN LEVYMATERIAALIEN KÄYTTÖ Tekes Dnro 1150/31/07 Kari Mäntyjärvi & Anu Väisänen Oulun Eteläisen instituutti 2010

ESIPUHE Yhä lujempien teräslaatujen kehitys on saanut pontta autoteollisuudesta turvallisuuden ja polttoaineen kulutuksen minimoimisen tavoitteista. Lujien terästen kehitys ja käyttö on leviämässä yhä erilaisiin sovelluksiin, joissa painon vähentäminen ja tehokkuus ovat tärkeitä ominaisuuksia. Osin lujien materiaalien käytön leviämistä hidastavat erilaiset standardit, jotka eivät salli esimerkiksi tiettyä raja-arvoa ohuempien levynpaksuuksien käyttöä mutta myös uusien lujempien materiaalien tuntemus ja käyttökokemukset ovat vielä vähäiset. Tähän puutteeseen suunniteltiin Ultralujien levymateriaalien käyttö (ULLE) -projekti, jossa tavoitteena oli lisätä suomalaista tietämystä lujien levymateriaalien käytöstä ja käytettävyydestä. Projekti alkoi huhtikuussa 2007 ja päättyi vuoden 2009 lopussa. Hanke on toteutettu osana Tekesin SISU 2010 -teknologiaohjelmaa ja Tekes on ollut projektissa päärahoittajana. Yhteistyökumppaneina ja rahoittajina on toiminut myös 7 suomalaista metalliteollisuudessa toimivaa yritystä. Hankkeen on toteuttanut Oulun Eteläisen instituutin tulevaisuuden tuotantoteknologiat -tutkimusryhmä yhdessä Oulun yliopiston Tuotantotekniikan laboratorion kanssa. Osa hitsaustutkimuksesta on ostettu alihankintana Raahen Seudun Teknologiakeskus Oy:n Steelpolis tuotantostudiolta ja osa tutkimuksista on teetetty opinnäytetöinä. Tutkimuksessa käsiteltiin keskeisimpiä terästuotteiden valmistuksessa käytettyjä menetelmiä lujitusvalssattujen ruostumattomien terästen ja lujien rakenneterästen työstössä. Tässä raportissa tutkimuksessa tehtyjen koesarjojen keskeiset tulokset esitellään lyhyesti. Alkuperäiset raportit toimitetaan pyydettäessä. Kiitokset kaikille osallistujille yhteistyöstä. Oulussa 2.3.2010 Kari Mäntyjärvi ja Anu Väisänen Yhteystiedot: Kari Mäntyjärvi DI, Tutkimusjohtaja Oulun yliopisto, Oulun Eteläisen instituutti Pajatie 5 85500 Nivala GSM: +358 400 843 050 FAX: +358-8 -450 645 Web: www.oulu.fi/fmt E-Mail: Kari.Mantyjarvi@oulu.fi Skype: kari.mantyjarvi

TIIVISTELMÄ Loppuraportti, Ultralujien levymateriaalien käyttö (ULLE) Hankkeen toteutusaika: 1.4.2007-31.12.2009 Tekesin Dnro: 1150/31/07 Toteuttajaorganisaatio: Oulun yliopisto, Oulun Eteläisen instituutti Yhteyshenkilö: Kari Mäntyjärvi, GSM: 0400 843 050, s-posti: kari.mantyjarvi@oulu.fi Tässä loppuraportissa esitellään Ultralujien levymateriaalien käyttö -projektia ja sen tuloksia. Hankkeessa on tutkittu uusien lujien teräslevymateriaalien käytettävyyttä konepajaolosuhteissa. Projektissa on käsitelty keskeisimpiä terästuotteen valmistuksessa käytettyjä työvaiheita: leikkausta, muovausta ja liittämistä. Lisäksi projektissa tutkittiin laseravusteisuuden hyödyntämistä lujan materiaalin työstössä ja selvitettiin lujien materiaalien käytön vaikutusta terästuotteesta syntyviin kustannuksiin. Projektin päätavoitteena oli yleisesti lisätä suomalaista tietämystä ultralujien levymateriaalien käytöstä. Tutkimuksissa käytettävät materiaalit olivat lujitusvalssattuja ruostumattomia teräksiä (R m 700-1000 N/mm 2 ) sekä lujia rakenne- ja kulutusteräksiä (R e 650-1100 N/mm 2 ). Projektin tutkimuksen aihealueet jaettiin viiteen työpakettiin, joiden sisällä tutkimusta tehtiin koesarjoittain pääasiallisesti kokeellisin menetelmin. Työpaketit olivat: WP 1. Ultralujien materiaalien muovaus WP 2. Ultralujien materiaalien leikkaus WP 3. Ultralujien materiaalien liittäminen WP 4. Ultralujien materiaalien laserkäsittelyt WP 5. Ultralujien teräksien kustannustehokkuus ja käyttökustannukset. Muovauksen työpaketissa käytetyt menetelmät olivat särmäys ja rullamuovaus. Lujitusvalssatut austeniittiset ruostumattomat koemateriaalit olivat hyvin muovattavia myös särmäämällä, mutta koemateriaalina olleiden rakenneterästen taivutus rullamuovaamalla onnistui särmäykseen verrattuna noin 40 prosenttia pienemmälle säteelle. Lisäksi tehtiin muutamia koesarjoja, joissa koemateriaalien muovaukseen liittyviä ongelmia pyrittiin vähentämään laseravusteisuuden avulla. Laseravusteisesti saatiin rakenneterästä särmättyä vaurioitta jopa 70 prosenttia pienemmälle säteelle. Leikkauksen työpaketissa koemateriaalien käyttäytymistä on tutkittu vesi-, laser-, plasma- ja mekaanisessa leikkauksessa. Leikkaustapoja verrattiin veto- ja väsytyskokein sekä mm. kovuusmittauksen avulla. Leikkaustapa voi vaikuttaa mm. muovauksessa levyn reunan säröytymiseen ja olla dynaamisessa rasituksessa merkityksellinen tekijä. Lujien terästen mekaanisessa leikkauksessa kone joutui kovalle rasitukselle ja kovat koemateriaalit leikkautuivat pitkälti lohkeamalla. Laseravusteisuudella mekaanisen leikkauksen voimantarvetta saatiin pienennettyä parhaimmillaan 24 prosenttia. Materiaaleille on tehty liittämiskokeita laser- ja MIG/MAG-hitsaamalla. Hitsauskokeissa haettiin koemateriaaleille sopivia hitsausparametreja pienellä lämmöntuonnilla. Lujien terästuotteiden valmistus- ja käyttökustannuksia on selvitetty kirjallisuudesta sekä yhteistyökumppaneilta saadun materiaalin avulla. Lujemman teräksen käytöllä voidaan pudottaa terästuotteen painoa, millä on suora vaikutus tuotteen kuljetus- ja käyttökustannuksiin tuotteen elinkaaren aikana. Materiaalin yksikköhinta on suurempi mutta valmistuskustannuksiin lujien terästen käytöllä voi olla niin hintaa kasvattavia kuin niitä vähentäviäkin vaikutuksia tapauksesta ja tarvittavista työvaiheista riippuen. 2008 tehdyn kyselytutkimuksen perusteella uusista lujista teräksistä ei ole vielä laajalti käyttökokemuksia. Ongelmaksi on koettu etenkin pienemmissä yrityksissä sekä materiaalin saatavuus että tiedon puute.

SISÄLTÖ ESIPUHE TIIVISTELMÄ 1 JOHDANTO... 6 2 LÄHTÖKOHTA JA TAVOITTEET... 6 2.1 Hankkeen tausta... 6 2.2 Tavoitteet... 7 3 TOTEUTUS JA YHTEISTYÖ... 7 3.1 Ajankohta... 7 3.2 Hankeorganisaatio... 7 3.3 Yhteistyö... 8 3.4 Julkisuus ja tiedottaminen... 8 3.5 Työpaketit... 8 3.6 Koemateriaalit... 9 4 TUTKIMUSTULOKSET... 10 4.1 Ultralujien materiaalien muovaus... 10 4.1.1 Särmän muodostuminen: Optim 960 QC... 10 4.1.2 Särmäys: Optim 1100 QC, Optim 960 QC ja Optim 650 MC... 12 4.1.3 Särmäys: nuorrutusteräs S690 QL... 13 4.1.4 Särmäys: ruostumaton teräs 1.4318 2H C1000... 14 4.1.5 Särmäys: ruostumaton teräs 1.4318 2H C850... 16 4.1.6 Rullamuovaus: Optim 1100 ja 960 QC,1.4318 2H C850 ja C1000... 17 4.1.7 Takaisinjoustokaava lujille austeniittisille ruostumattomille teräksille... 17 4.2 Ultralujien materiaalien leikkaus... 19 4.2.1 Eri leikkaustavat: Optim 1100 ja 960 QC, 1.4404 2H C700, 1.4318 2H C850 ja C1000... 19 4.2.2 Laser-, vesi- ja plasmaleikkaus: nuorrutusteräs S690 QL... 20 4.2.3 Suuntaissaksileikkurin terän kuluminen kovien terästen leikkauksessa... 21 4.3 Ultralujien materiaalien liittäminen... 22 4.3.1 Lisäaineeton laserhitsaus: 1.4404 2H C700... 22 4.3.2 Päittäis- ja pienaliitos MAG-hitsauksella: Optim 960 QC... 22 4.3.3 Minimilämmöntuonnin määrittäminen: 1.4404 2H C700... 23 4.3.4 Jauhekaarihitsaus: S690 QL... 23 4.4 Ultralujien materiaalien laserkäsittelyt... 24 4.4.1 Laseravusteinen muovaus: Optim 960 QC... 24 4.4.2 Laseravusteinen leikkaus: RAEX 400... 24 4.5 Ultralujien terästen käytön kustannukset... 25 4.5.1 Lujien levymateriaalien käytön tila vuonna 2008: kyselytutkimus... 25

4.5.2 Ultralujien terästen käytön taloudellinen kannattavuus... 26 5 PROJEKTIN ONNISTUMISEN ARVIOINTI... 26 5.1 Tavoitteiden toteutuminen... 26 5.2 Työllisyysvaikutukset... 27 5.3 Ohjausryhmän jäsenten kommentteja... 27 6 TALOUS... 28 7 JATKOTOIMET JA EHDOTUKSET... 28 8 JULKAISUT... 30

1 JOHDANTO Teknologian kehittyessä myös terästuotteita viedään erikoistuneempiin suuntiin, joista yksi on lujuuden kasvattaminen. Vuonna 2006 erikoislujien terästen markkinat olivat arviolta noin 800 miljoonaa euroa*, ultralujien terästen (murtolujuus yli 700 N/mm 2 ) käyttö on hyvää vauhtia yleistymässä. Tehokkuuteen pyrittäessä lujemman levymateriaalin käyttö mahdollistaa mm. hyötykuorman kasvattamisen ja energian kulutuksen vähentämisen kun rakenteen omaa painoa saadaan pienemmäksi. Vastaavasti lujuus voidaan hyödyntää suurempana suoritustehona. Lujuuden myötä terästen käyttö rakenteissa tulee kuitenkin haasteellisemmaksi. Ultralujien levymateriaalien käyttö (ULLE) -projektissa on tutkittu uusien lujien teräslevymateriaalien käytettävyyttä konepajaolosuhteissa. Projektissa on käsitelty keskeisimpiä terästuotteen valmistuksessa käytettyjä työvaiheita: leikkausta, muovausta ja liittämistä. Hankkeessa tutkittiin myös laserin käyttöä avustavana prosessina muovauksessa ja liittämisessä sekä ultralujien terästen käytön vaikutuksia tuotteen kustannusten muodostumiseen. Koemateriaaleina käytettiin ultralujia rakenne- ja kulutusteräksiä sekä lujitusvalssattuja austeniittisia ruostumattomia teräksiä. Tässä raportissa esitetään projektin tarkoitus ja tavoitteet sekä keskeiset tutkimustulokset sekä arvioidaan hankkeen onnistumista. *http://www.ruukki.com/www/publications.nsf/materials/959792cc454409dbc225723a0048cd1a/$file/tulospresentaatio_q3_20 06.pdf?openElement. 2 LÄHTÖKOHTA JA TAVOITTEET 2.1 Hankkeen tausta Uusien lujempien materiaalien työstö kappaletavaratuotannossa perinteisesti käytetyillä tuotantomenetelmillä voi aiheuttaa ongelmia. Leikkauksessa ja muovauksessa koneet joutuvat lujille suuren voimantarpeen takia ja myös työkalut kuluvat nopeammin, kun työstettävän materiaalin kovuus ja lujuus lähentelevät työkaluteräksen ominaisuuksia. Tuotteiden valmistuksen haastetta lisää myös ultralujien terästen heikohko muovattavuus, jonka seurauksen tarvitaan suuria muovaussäteitä vaurioiden syntymisen välttämiseksi. Myös tuotteen muototarkkuuden hallinta on vaikeampaa. Liittäminen voi olla haasteellista, koska suuri lämmöntuonti aiheuttaa materiaaliin heikomman vyöhykkeen. Lujia ja ultralujia materiaaleja sekä niiden käytettävyyttä on tutkittu ja kehitetty Oulun yliopistossa Materiaalitekniikan ja Tuotantotekniikan laboratorioissa. Aiheeseen liittyen yliopistolla on tehty väitöskirjoja, lehtijulkaisuja, konferenssiesityksiä sekä lopputöitä. Julkisrahoitteisen tutkimuksen lisäksi aihealueella on tehty myös tilaustutkimusta. ULLE-projekti syntyi jatkumona Tuotantotekniikan laboratoriossa aiemmin tehdylle työlle. Hanke on toteutettu Oulun yliopiston Tuotantotekniikan laboratoriossa Oulun Eteläisen instituutin ja tuotantotekniikan laboratorion yhteisessä Tulevaisuuden tuotantoteknologiat -tutkimusryhmässä. Osa hitsaustutkimuksesta on ostettu alihankintana Raahen Seudun Teknologiakeskus Oy:n Steelpolis tuotantostudiolta. Tutkimuksen päärahoittaja oli Tekes. Viidennes rahoituksesta saatiin seitsemästä yhteistyöyrityksestä, joissa on kiinnostusta lujempia teräksiä kohtaan joko materiaalin toimittajana tai jatkojalostajana tai koneenrakentajana. Projekti on toteutettu osana Tekesin SISU 2010 -teknologiaohjelmaa, jossa missiona on ollut parantaa suomalaisen kappaletavaratuotannon kykyä tuottaa tuotteita ja palveluja kilpailukykyisesti. Ohjelman pääkohderyhmänä oli kone- ja metalliteollisuus ja yhtenä teemana edistyksellisten tuotanto- ja valmistusteknologioiden kehittäminen. Ohjelma on toteutettu vuosina 2005-2009. 6

2.2 Tavoitteet Projektin rahoitushakemuksessa tavoitteet määriteltiin seuraavasti: Tutkimuksen tavoitteena on kasvattaa suomalaista tietämystä ultralujien terästuotteiden valmistamisesta. Perinteisten menetelmien ongelmat tunnistetaan ja ne pyritään ratkaisemaan, uusia menetelmiä voidaan kehittää tutkimustiedon pohjalta. Uusien ultralujien materiaalien myötä ultralujien levymateriaalien käyttö tulee entisestäänkin yleistymään. Ultralujien levymateriaalien käyttö -projektin tavoitteena on tutkia ja kehittää uusia ultralujia teräksiä hyödyntävien tuotteiden valmistustekniikkaa ja -menetelmiä sekä tuottaa näistä tietoa tuotteiden suunnittelun pohjaksi. Kustannustehokkaiden uusiin ultralujiin levymateriaaleihin perustuvien tuotteiden valmistustekniikoiden ja menetelmien kehittäminen. Uusien ultralujien levymateriaalien konepajakelpoisuuden selvittäminen. Uusien ultralujien terästen käyttäytymisen selvittäminen muovauksessa, liittämisessä ja leikkauksessa. Tehokkaimpien uusien ultralujien levymateriaalien muovauksen, leikkauksen ja liittämisen menetelmien selvittäminen. Ultralujien levymateriaalien suunnitteluohjeistuksen laatiminen. 3 TOTEUTUS JA YHTEISTYÖ ULLE on ollut projektina melko laaja-alainen kokoonsa nähden. Projektilla on ollut 5 tutkimusaluetta, joihin syvennyttiin omissa työpaketeissaan. Projekti aloitettiin yrityskäynneillä, joissa kartoitettiin yritysten toiveita ja tavoitteita projektiin liittyen. Tutkimuksen kohteeksi suunnitellut aihealueet tarkentuivat yhteistyöyrityksissä käytyjen keskusteluiden pohjalta. Työpaketeissa töitä vietiin eteenpäin koesarjakohtaisesti projektiin määritellyn tutkimuskehyksen ja koesarjakohtaisesti tehdyn tutkimussuunnitelman mukaisesti. Tutkimuskehyksessä määriteltiin koesarjoissa tehtävät kokeet, aihioiden merkintä, jne. Myös raportit kirjoitettiin koesarjakohtaisesti. Koesarjojen toteuttamisessa saatiin apua yhteistyöyrityksiltä koemateriaalien ja palveluiden muodossa. 3.1 Ajankohta Hanke alkoi virallisesti 1.6.2007 ja päättyi 31.12.2009. Työt suunniteltiin puoleksi vuodeksi eteenpäin ja kirjattiin toteutussuunnitelmaan, joka on esitettiin ohjausryhmän kokouksissa. 3.2 Hankeorganisaatio Projektin vastuullisena johtajana toimi TkT, professori Jussi A. Karjalainen ja projektipäällikkönä tutkimusjohtaja DI Kari Mäntyjärvi. Projektin tutkijana työskenteli DI Anu Väisänen ja projektisihteerinä Ritva Saukko. Oulun yliopiston Tulevaisuuden tuotantoteknologiat tutkimusryhmän muut tutkijat tukivat tutkimusta. Muut tutkimuksessa tarvittavat laitteet ja henkilöstöresurssit olivat Oulun yliopistolta ja Nivalasta ELME Studiolta, MIG/MAG- ja jauhekaarihitsauksen osalta Raahen Teknologiakylän Steelpolikselta. Osa tutkimuksista teetettiin diplomi-, insinööri- ja kandintöinä (katso julkaisuluettelo raportin lopussa). Hankkeen ohjausryhmään kuului jokaisesta mukana olevasta organisaatiosta jäsen ja haluttaessa myös varajäsen (Taulukko 1). ULLE-projektin ohjausryhmä kokoontui 3 kertaa vuonna 2007 ja 2008 ja 2 kertaa vuonna 2009. Viimeinen ohjausryhmän kokous pidettiin tammikuussa 2010. Ohjausryhmän toivomuksesta projektin tulokset esitetään vielä loppuseminaarissa huhtikuussa 2010. 7

Taulukko 1. Ohjausryhmä. Organisaatio TE-keskus Outokumpu Tornio Works Rautaruukki Oyj SteelDone Group Ltd HT Lasertekniikka Logmer Forest Oy Ltd Raahen terästuote Oy Aliko Automation Oy Oulun yliopisto, Tuotantotekniikan laboratorio Oulun yliopisto, Oulun Eteläisen instituutti Ohjausryhmätoimintaan jäsenenä tai varajäsenenä osallistuneet Veijo Korkiakoski Tero Taulavuori Timo Manninen Minna Sellman Jorma Niskala Juha Kuoppala Jaakko Savola Martti Saarela Markku Kemppainen Juha Riihimäki Risto Heikkilä Pekka Kärenaho Juhani Turunen Jussi A. Karjalainen Kari Mäntyjärvi 3.3 Yhteistyö Hankeen projektipäällikkö Kari Mäntyjärvi vietti hankkeeseen liittyen vaihtotutkijana 6 kuukautta Saksassa Erlangen-Nϋrnbergin yliopistolla tutkien rullamuovausta. Koelaitteisto antoi myös mahdollisuuden tutkia rullamuovausta käyttäen laseria avustavana prosessina. Projektissa tehtiin yhteistyötä INTO (Innovatiiviset tuotantoteknologiat) -hankkeen kanssa sekä ULLA (Ultralujien materiaalien paikalliset lämpökäsittelyt) -projektin kanssa. Osa töistä on voitu limittää, koska Oulun Eteläisen instituutti on mukana kaikissa 3 hankkeessa. Lisäksi yhteistyötä on tehty Oulun seudun ammattikorkeakoulun kanssa tarjoamalla 4 opiskelijalle insinöörityön aihe. 3.4 Julkisuus ja tiedottaminen Hankkeen alkamisesta on annettu lyhyt lehdistötiedote sanomalehdille ja Oulun yliopiston jakeluun 2.10.2007. Hanketta ja hankeen etenemistä on esitelty useissa kotimaisissa tilaisuuksissa. mm KOTEL seminaari 12.12.2007 Helsingissä, LaserWorkshop14.5.2008 Nivalassa, Metallialan hankkeiden vaikuttavuusseminaari 16.9.2008 Nivalassa, SISU 2010 - Uusi tuotantoajattelu 2005-2009 -ohjelman vuosiseminaari 21.1.2009 Helsingissä ja Laser WorkShop 26.5.2009 Nivalassa. Kotimaisten tilaisuuksien lisäksi projektissa tehtyä tutkimusta on esitelty useissa kansainvälisissä konferensseissa (katso kohta Julkaisut). Muu tiedottaminen on ollut projektin sisäistä sähköpostitse tapahtuvaa uutisointia ja ajatustenvaihtoa tutkimusryhmän ja yhteistyöyritysten välillä. 3.5 Työpaketit Työpaketit on toteutettu yhteistyössä hankkeeseen osallistuvien yritysten kanssa. Ruukki ja Outokumpu ovat toimittaneet tutkimusmateriaalit, HT Lasertekniikka on tehnyt koesarjojen toteuttamisessa tarvittavia laser- ja vesileikkauksia. Yrityksiltä on saatu myös arvokasta kokemusperäistä tietoa. WP 1. Ultralujien materiaalien muovaus Työpaketin muovausmenetelmät olivat rullamuovaus ja särmäys. Särmäyskokeissa selvitettiin koemateriaalien muovattavuuden rajat ja taivuttamisen aiheuttamia ilmiöitä levyssä. Särmäyksen yhteydessä mi- 8

tattiin särmäysvoima, takaisinjouston mittaamista varten taivutukset videoitiin. Joidenkin materiaalien osalta särmäystulosta pyrittiin parantamaan käyttämällä elastista alatyökalua. Rullamuovaukseen liittyvä koesarja tehtiin projektiin liittyvän tutkijanvaihdon aikana Saksassa Erlangen- Nürnbergin yliopistolla. Koesarjassa selvitettiin rullamuovauksen ja laseravusteisen rullamuovauksen soveltuvuutta ultralujien levyjen muovaukseen. Muovausta ja rullamuovausta tutkittiin myös Ultralujien materiaalien laserkäsittelyt -työpaketissa. WP 2. Ultralujien materiaalien leikkaus Työpaketissa käytetyt leikkaustavat olivat leikkaus levyleikkurilla, Yb:YAG- ja CO 2 -laserileikkaus, vesisuihku- sekä plasmaleikkaus. Leikkaustapoja verrattaessa joissain kokeissa referenssinä oli koneistettu levyn reuna. Eroja leikkaustapojen välillä tutkittiin mm. kovuusmittauksen, väsytyskokeiden ja pinnankarheuden mittauksen avulla. Koemateriaalien mekaanista leikkausta tutkittiin myös Ultralujien materiaalien laserkäsittelyt -työpaketissa. WP 3. Ultralujien materiaalien liittäminen Työpaketissa on tutkittu ultralujien materiaalien MIG/MAG-, jauhekaari ja laserhitsausta. Tutkimusmenetelminä on käytetty mm. röntgenkuvausta ja väsytyskokeita. Koesarjoissa mm. määriteltiin koemateriaaleille soveltuvat hitsausparametrit. WP 4. Ultralujien materiaalien laserkäsittelyt Työpaketissa selvitettiin erilaisten laserprosessien hyödyntämismahdollisuuksia ultralujien terästuotteiden valmistuksessa painottuen laseravusteisen muovauksen ja laseravusteisen mekaanisen leikkauksen menetelmien tutkimiseen. Laseravusteisuutta hyödynnettiin sekä passiivisesti (paikalliset laserlämpökäsittelyt muovattavalle ja mekaanisesti leikattavalle levylle) että aktiivisesti (laseravusteinen rullamuovaus). Tutkimusmenetelminä käytettiin mm. voimanmittausta, kovuuskokeita, visuaalista tarkastelua ja CEFanalyysiä (Outokummulla kehitetty mekaanisesti leikatun reunan laatua määrittävä menetelmä). WP 5. Ultralujien teräksien kustannustehokkuus ja käyttökustannukset Työpaketti oli tarkoitus koota muiden työpakettien tulosten sekä materiaalin toimittajilta ja asiakkailta kerätyn tiedon pohjalta. Työpaketissa hyödynnettävää tietoa oli saatavilla vain vähän, joten pääasiassa työpaketin toteutettiin kirjallisuustutkimuksen pohjalta. 3.6 Koemateriaalit Projektin tutkimusmateriaalina käytettiin sekä kuumavalssattuja lujia rakenneteräksiä (R e 650 1100 N/ mm 2 ), että lujitusvalssattuja austeniittisia ruostumattomia teräksiä (R m 700 1000 N/mm 2 ). Koemateriaalien paksuus vaihteli 3:sta 16 mm:iin. Projektin koemateriaalit saatiin Ruukilta ja Outokummulta. Koemateriaalit on esitetty taulukossa 2. Rakenneterästen osalta ilmoitetut mekaaniset lujuus- ja venymäarvot ovat valmistajan ilmoittamia (vähimmäis)arvoja, ruostumattomien terästen mekaaniset arvot on otettu tutkimusryhmän koetuloksista. 9

Taulukko 2. Koemateriaalit. Ruostumattomat teräkset Laatu t [mm] R e R m At Kokeet 1.4404 2H C700 * 3,2 580 700 31 Hitsaus 1.4318 2H C850 5,5 580 880 41 Muovaus 5 - - - Muovaus 3 580 920 36 Muovaus, leikkaus 1.4318 2H C1000 3 760 1060 32 Muovaus, hitsaus Rakenneteräkset Laatu t [mm] R e R m A 5 Kokeet Optim 650 MC 6 650 700-860 15 Muovaus Optim 960 QC 6 960 1000 7 Särmän muodostuminen 4 960 1000 7 Muovaus, hitsaus Optim 1100 QC 4 1100 1250 6 Muovaus, S 690 QL 16 690 770-940 14 Muovaus, leikkaus S 690 QL 30 690 770-940 14 Hitsaus RAEX 400 (kulutusteräs) 6 1000 1250 10 Leikkaus * C700-lujuusluokan terästä oli 3 eri rullasta, joissa valssausreduktiot ja mekaaniset ominaisuudet vaihtelivat hieman. Mekaaniset ominaisuudet on esitetty 3 rullan tulosten keskiarvona. 4 TUTKIMUSTULOKSET Projektin tulokset on esitetty koesarjakohtaisesti projektin raporteissa ja muissa projektin sisäisissä dokumenteissa sekä konferenssipapereissa ja opinnäytetöissä. Tässä luvussa on koottu yhteen keskeisiä tuloksia työpakettikohtaisesti. 4.1 Ultralujien materiaalien muovaus Tavoitteena työpaketissa oli selvittää muovauksessa esiintyviä ongelmia koemateriaalien osalta. Muovausmenetelminä käytettiin särmäystä ja rullamuovausta. Särmäyksissä toistokokeita tehtiin vähintään viisi kappaletta. Raportissa esitetyt tulokset ovat keskimääräisiä. Koska yhtenä tavoitteena on ollut löytää materiaalin muovattavuuden rajat, suurimmat kokeissa käytetyt ylätyökalut vastaavat yleensä valmistajan suosittelemaa pienintä työkalua. Vaikka särmäyskokeissa on tehty onnistuneita taivutuksia liian pienillä työkaluilla, niiden käyttämistä ei suositella. Outokummun osalta erityinen kiinnostuksen aihe oli materiaalin takaisinjousto ja Outokummulle Henna-Riitta Jussilan diplomityönään kehittämän takaisinjoustoa arvioivan kaavan soveltuvuuden selvittäminen austeniittisten lujitusvalssattujen ruostumattomien terästen takaisinjouston arvioinnissa. Koesarjoja varten materiaaleille on tehty perusainekokeita, mutta niiden tuloksia tässä raportissa ei esitetä. 4.1.1 Särmän muodostuminen: Optim 960 QC Lujilla teräksillä taivegeometrian hallintaa hankaloittavat suuri takaisinjousto ja painimesta irtoaminen, jolloin taipeen sisäsäde muodostuu painimen sädettä pienemmäksi. Lisäksi lujien materiaalien taipeeseen muodostuu herkästi särmän suuntaista poimuttumaa, josta tässä projektissa on käytetty nimitystä ohut pintasärö. Lujilla materiaaleilla venyminen ei aina jakaudu tasaisesti taivealueelle, vaan lokalisoituu, mikä edesauttaa sekä painimesta irtautumista että ohuen pintasärön syntymistä. Muovauksen ensimmäisen koesarjan tavoitteena oli tutkia miten materiaali käyttäytyy särmäyksen eri vaiheissa. 10

Tutkimus suoritettiin taivuttamalla koemateriaalia 5 eri kulmaan. Taivutustyökaluina käytettiin vastinta, jonka aukon leveys oli 75 mm ja paininta, jonka kärjen pyöristyssäde oli 20 mm. Koemateriaalina oli Ruukin kuumavalssattu rakenneteräs Optim 960 QC (6 mm). Särmäyksen onnistuminen todettiin silmämääräisesti. Taivutetuista koekappaleista mitattiin toteutunut kulma, sisäsäde, levyn paksuus ja levyn paksuus taipeessa (Taulukko 3). Takaisinjouston määrä arvioitiin toteutuneen ja ohjelmoidun kulman perusteella, taipeen suhteellinen ohenema laskettiin perusaineen levynpaksuuden ja taipeen ainesvahvuuden mukaan. Koekappaleiden taivealueen muokkauslujittumista tutkittiin kovuusmittauksen avulla. Taulukko 3. Taivutuskulma, sisäsäde ja levynpaksuus. Toteutunut kulma [ ] 147 129 111 101 90 Ohjelmoitu kulma [ ] 140 120 100 90 - Takaisinjousto [ ] 7 9 11 11 - Sisäsäde [mm] 24,2 14,1 10,0 10,2 10,0 Levyn paksuus [mm] 5,99 5,99 6,01 6,02 6,01 Paksuus taipeessa [mm] 5,91 5,90 5,78 5,77 5,85 Ohenema [%] 1,39 1,50 3,88 4,15 2,55 Koemateriaali käyttäytyi särmäyksessä ultralujille materiaaleille tyypillisellä tavalla. Venyminen on paikallista, minkä voi todeta myös kuvasta 1, jossa selvästi lujittuneen alueen leveyden voidaan nähdä olevan noin 5 mm (painimen säde 20 mm, levyn paksuus 6 mm). Ulkotaipeen poimuttumaa, niin sanottua ohutta pintasäröä tai venymäjuovaa, muodostui pienilläkin taivutuskulmilla, lisäksi yksi näyte oli säröytynyt hiukan leikkausreunasta. Taipeiden sisätaivutussäde oli muodostunut painimen sädettä pienemmäksi kaikissa muissa paitsi suurimpaan särmäyskulmaan jätetyssä levyssä, mistä voidaan päätellä että levy alkaa irrota painimesta hyvin aikaisessa vaiheessa. Taivutetuissa kappaleissa oli huomattavissa lievää mutterimaisuutta, eli levy ei taivu ympyrän kaarelle vaan ulkotaipeen keskelle muodostuu tasaisempi alue. Taivealue oheni vaihe vaiheelta, kunnes 90 asteen taivutuksessa oheneminen oli pienempää/kääntynyt kasvuksi. Käänne voi olla seurausta sisätaipeen tyssääntymisen voimistumisesta tai erosta perusmateriaalissa. 419 419 430 434 414 415 428 420 416 413 409 414 435 429 419 426 429 418 431 433 412 402 418 408 401 408 406 421 420 419 412 418 421 418 405 426 406 403 401 410 415 412 388 397 403 408 413 410 412 410 421 409 406 402 397 395 392 398 392 398 415 399 406 392 395 391 415 401 415 414 406 406 416 405 393 393 397 400 402 386 403 400 398 403 399 408 392 397 394 398 405 410 405 419 408 413 405 407 399 402 389 387 388 384 392 402 390 393 406 395 407 395 409 398 398 408 402 402 397 407 406 407 400 389 394 391 388 393 400 395 383 401 395 384 402 399 383 409 397 407 393 413 402 405 392 401 401 406 393 420 421 413 401 412 406 389 402 401 394 389 388 394 399 399 384 397 391 403 397 400 406 410 397 401 403 348 347 400 392 413 388 387 403 377 393 382 384 378 383 412 390 387 399 383 387 390 390 384 398 397 399 400 386 406 405 401 397 397 407 405 398 398 412 383 374 379 381 383 383 381 381 381 369 376 376 378 389 383 387 393 387 391 389 390 392 399 405 401 409 400 398 402 405 401 412 386 395 393 398 393 399 399 392 397 384 380 375 408 369 376 390 390 383 397 392 383 392 402 395 397 390 405 397 410 409 400 413 398 395 414 406 413 398 407 393 394 402 405 383 368 377 393 379 382 387 378 380 386 395 394 395 388 406 394 393 395 391 406 399 402 413 415 408 410 413 400 397 403 405 399 387 388 405 407 384 378 380 373 381 376 381 381 389 393 381 392 395 401 402 410 414 419 402 415 415 399 402 395 399 392 402 394 405 405 392 394 390 378 378 373 380 393 382 381 382 368 376 388 391 380 381 412 413 413 418 408 405 403 410 403 399 388 393 394 392 401 389 406 401 388 391 391 387 391 397 374 364 354 382 381 380 378 406 409 402 415 415 406 414 398 392 384 392 395 401 394 394 402 395 407 394 401 397 395 386 395 392 379 388 377 367 368 366 402 400 410 412 410 398 391 394 403 389 399 399 388 403 389 406 406 402 397 407 397 392 399 400 403 381 397 373 388 386 387 394 380 366 387 382 376 384 373 363 392 393 388 397 397 390 405 389 394 402 406 397 395 393 400 409 398 391 387 381 388 359 373 378 380 376 370 357 376 383 381 390 393 400 390 398 400 393 392 400 403 392 406 412 394 400 397 357 356 384 384 382 384 394 393 390 408 389 395 380 391 389 390 409 399 388 398 373 375 376 383 384 376 388 392 383 382 390 386 393 386 393 399 395 402 376 382 365 381 374 380 384 380 390 383 382 378 382 398 369 363 372 383 374 386 378 379 390 389 369 375 370 376 383 377 386 381 374 Kuva 1. Kovuusprofiili 90 asteen kulmaan särmätystä koekappaleesta. Perusaineen kovuuden keskiarvo oli 390 HV1 ja taipeen keskialueelta (merkitty alue) mitatun kovuuden keskiarvo oli 404 HV1. Taipeiden muokkauslujittumista tutkittiin kartoittamalla taivealueen kovuusprofiili, kovuus korreloi murtolujuuden kanssa. Kovuutta mitattiin Vickersin menetelmällä käyttäen 1 kilon koepainoa. Mittauspisteiden etäisyys oli noin 0,5 mm. Kuvassa 1 on esitetty 90 asteen kulmaan taivutetun koekappaleen mittaustulos. Keskimääräinen lujittuminen eri kulmiin särmätyissä taipeissa taipeessa oli 2,1 3,6 %. 11

4.1.2 Särmäys: Optim 1100 QC, Optim 960 QC ja Optim 650 MC Optim 650 MC on 6 mm paksuisena samaa lujuusluokka kuin 4 mm paksu Optim 960 QC. Tavoitteena oli tutkia materiaalien muovattavuutta ja vertailla näitä kahta materiaalia keskenään. Lisäksi koemateriaalina oli hiukan lujempi Optim 1100 QC (4 mm). Muovausmenetelmänä käytettiin särmäystä. Taivutukset tehtiin 300 x 300 mm -kokoisille aihioille 45 mm leveään vastimeen käyttäen erikokoisia painimia. QC-teräksiä särmättiin myös elastiseen alatyökaluun. Taivutukset kuvattiin ja kuvista mitattiin takaisinjousto. Taivutusvoima mitattiin särmäyspuristimeen kytketyn paineanturin avulla. Taipeet tutkittiin visuaalisesti ja niille tehtiin väsytyskokeita. Kuvassa 2 on esitetty taivutuksessa mitatut taivutusvoimat eri työkaluilla. Kuva osoittaa, että taivutusvoiman tarve lujilla materiaaleilla ei välttämättä ole suurempi kuin vähempilujuisella paksummalla materiaalilla. Kuva osoittaa myös, että taivutusvoiman tarpeella on yhteys myös ylätyökalun kokoon. Tätä ei yleensä taivutusvoimakaavoissa huomioida. Kuvasta 3 voidaan nähdä koemateriaalien takaisinjousto eri ylätyökaluilla. QC-materiaaleilla takaisinjousto oli huomattavasti suurempaa kuin 650 MC -teräksellä. Merkinnät PI ja PO materiaalin nimen perässä tarkoittavat särmänsuuntaa suhteessa levyn valssaussuuntaan (PI pitkittäin ja PO poikittain). Taivutussäde mitattiin osasta särmättyjä kappaleita sädetulkilla. Kaikilla koesarjan materiaaleilla taipeen sisäsäde jäi jonkun verran painimen sädettä pienemmäksi. Esimerkkinä Optim 650 MC:n taipeista mitatut sisäsäteet taulukossa 4. Särmäyskokeissa lähtökohtana oli valmistajan suosittelema minimisisätaivutussäde, joka on Optim 1100 QC:lle 16 mm, 960 QC:lle 14 mm ja 650 MC:lle 8 mm. Ylätyökalua pienennettiin kunnes materiaali alkoi vaurioitua selvästi. Kaikki materiaalit täyttivät niille asetetut minivaatimukset. Optim 650 MC osoittautui erittäin hyvin muovattavaksi. Taive oli lähes kaikissa koekappaleissa erittäin hyvä niin geometrialtaan kuin pinnaltaankin. QC-teräksillä minimitaivutussäde on levynpaksuuteen verrattuna selvästi suurempi. Heikommat muovausominaisuudet edesauttavat muodonmuutoksen lokalisoitumista pienemmälle alueelle, jolloin jännityshuippu kasvaa suureksi ja levyn pintaan tulee näkyviä juovia ja taipeesta muodostuu mutterimainen. Ilmiöt luonnollisesti voimistuvat taivutettaessa pienellä säteellä. Myös taipeen suunnan merkitys tulee selvästi esille suositeltua pienemmällä painimella särmättäessä valssaussuunnassa oleva särmä on heikkolaatuisempi. Ilmiö on hyvin tyypillinen ja johtuu valssauksessa syntyvästä anisotropiasta rakenteessa, minkä johdosta myös mekaaniset ominaisuudet ovat erilaiset eri suunnissa. Taivutusvoimat Takaisinjousto Voima [kn] 370 320 270 220 170 120 R 16 R 14 R 12 R 10 R 8 R 6 Painimen säde [mm] Optim 1100 QC PI Optim 960 QC PI Optim 650 MC PI Optim 1100 QC PO Optim 960 QC PO Optim 650 MC PO Takaisinjousto asteina 13,0 11,0 9,0 7,0 5,0 3,0 1,0 R 16 R 14 R 12 R 10 R 8 R 6 Painimen säde [mm] Optim 1100 QC PI Optim 960 QC PI Optim 650 MC PI Optim 1100 QC PO Optim 960 QC PO Optim 650 MC PO Kuva 2. Koemateriaalien taivutukseen tarvittava voima. Kuva 3. Koemateriaalien takaisinjousto. 12

Taulukko 4. Säteen muodostuminen Optim 650 MC:lla. Painimen säde [mm] Sisäsäde PO 10 8 7,5 8 7 6 6 5 4 Sisäsäde PI QC-teräksiä särmättiin myös elastiseen vastimeen. Oletuksena oli, että joistain ongelmista päästään ja särmäystulos paranee. Kokeissa käytettiin 90 Sh -kovuista elastomeerityynyä, joka asetettiin vapaasti normaalin alatyökalun aukkoon makaamaan. Koska tyyny ei ollut tuettu päistään, särmän kulma jäi päädyistä vajaaksi. Kulman hallinta ylipäänsä oli hankalaa ja koneen parametrit täytyi hakea kokeellisesti. Elastisen vastimen käyttö kasvattaa selvästi särmäyksessä tarvittavaa voimaa: normaaliin vastimeen tehdyissä taivutuksissa voimantarve oli 190 320 kn riippuen työkaluista, elastomeerityynyn käyttö kasvatti taivutusvoiman 480 640 kn:iin, eli vähintään 1,5- kertaiseksi. Elastomeerityyny ehkäisee levyn irtoamista painimesta, joten sisäsäteen hallinta on helpompaa ja painimen kokoa voi pienentää. Parhaimmillaan Optim 960 QC särmäytyi ilman näkyviä säröjä jopa 6 mm -painimella poikittain valssaussuuntaan nähden. Elastisen vastimen käyttö ei näytä kuitenkaan eliminoivan mutterimaisuuden muodostumista taipeeseen. Takaisinjousto pieneni 1 2 astetta. Tyyny kului kohdista, joissa levyn ja painimen reunat upposivat siihen (kuva 4). Tyyny myös painui jonkin verran. Näillä ei kuitenkaan havaittu olevan vaikutusta särmäystulokseen. Aihealueella on selvästi tarpeen tehdä enemmän tutkimusta jotta menetelmä saataisiin kehitettyä toimivaksi lujilla teräksillä. Optim 1100 QC ja 650 MC 800 750 Jännitys [Mpa] 700 650 600 550 500 W45R16 W45R14 W45R12 W45R10 W45R10 W45R8 W45R6 450 400 10000 100000 1000000 10000000 Kestoikä Kuva 4. Elastomeerityynyn kuluminen. Painimen ja levyn reunat ovat murentaneet materiaalia. Kuva 5. Särmättyjen kappaleiden väsytyskoetulokset. Väsytyskokeet tehtiin varta vasten valmistetulla taivutusväsytyskoneella. Särmistä leikattujen näytteiden reunat viimeisteltiin hiomalla, jotta tulos kuvastaisi taipeen kestävyyttä. Taivutusväsytyskokeissa kappaleen säröytyminen alkoi sisätaipeesta ja tulos pääasiassa parani taipeen sisäsäteen pienetessä. Väsytyskokeet keskeytettiin 2 miljoonaan sykliin. Kuvassa 5 on esitetty särmätyn Optim 1100 QC ja 650 MC:n väsytyskoetulokset. Keskeytetyt kokeet on erotettu varjostamalla. Kokeiden perusteella taipeiden väsymiskestävyydessä koemateriaalien ei voi sanoa olevan selvää eroa. 4.1.3 Särmäys: nuorrutusteräs S690 QL Koesarjan tavoitteena oli tutkia materiaalin muovautumista särmäyksessä sekä eri leikkaustapojen vaikutusta leikkausreunojen muovautumiseen. Koemateriaalina oli Ruukin nuorrutusteräs S690 QL. Koemateriaali oli 16 mm paksua esimaalattua levyä, josta leikattiin 300 x 400 mm kokoisia aihioita särmättäväksi. Leikkaustavat olivat vesi-, plasma- ja laserleikkaus. Särmäyksiä tehtiin 3:lla eri vastimen leveydellä (210, 170 ja 140 mm) käyttäen erikokoisia painimia (säde 12 45 mm). Taivutukset kuvattiin HD-videokuvaa tallentavalla kameralla, videoista määriteltiin takaisinjousto. Taivutusvoima mitattiin särmäyspuristimeen liitetyn paineanturin avulla. Paksujen ja painavien levyjen käsittely oli luonnollisesti hieman hankalaa. Särmäystyötä hankaloitti myös materiaalista irtoava pintakuona, minkä takia vastimen pyörötangoilla varustettujen reunojen päälle oli laitettava ohut metallilevy suojaksi. Ilman suojausta pyörötankojen alle kulkeutuva aines aiheutti vakavia kitkaongelmia. 13

Standardin EN 10025-6 mukaiselle materiaalille määritellyt minimisisätaivutussäteet ovat 4 x levynpaksuus taive valssaussuunnassa ja 3 x levynpaksuus taive kohtisuoraan valssaussuuntaan nähden. Materiaali osoittautui särmäyskokeissa hyvin muovautuvaksi, standardin edellyttämät minimisisätaivutussäteet saavutettiin helposti. Kun painimen kokoa pienennettään, ongelmaksi tulee oheneminen taipeessa ja taipeen mutterimaisuus. Säröjä ei synny kovin helposti. Kuvassa 6 on esitetty koemateriaalin taivutuksissa mitattu voima eri työkalupareilla. Voima vaihteli 400 ja 650 kn välillä. Takaisinjousto on esitetty kuvassa 7. Taivutusvoima Takaisinjousto 700 10,0 650 9,0 600 8,0 Taivutusvoima [kn] 550 500 450 400 350 Takaisinjousto [ o ] 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 300 2,0 250 200 W210 R45 W210 R20 W170 R35 W170 R20 W140 R20 Työkalupari 1,0 0,0 W210 R45 W210 R20 W170 R35 W170 R20 W140 R20 Työkalupari Kuva 6. Materiaalin taivuttamiseen tarvittava voima eri työkalupareilla. Kuva 7. Taivutusvideoista mitattu keskimääräinen takaisinjousto eri työkalupareilla. Materiaalia oli leikattu plasma-, laser- ja vesisuihkuleikkauksella. Käytetyillä työkaluilla mikään leikkaustapa ei osoittautunut kriittiseksi, kaikki leikkausreunat kestivät hyvin muovausta ja vauriot tulivat enemmin taipeeseen kuin leikkausreunoihin. Leikkaustapaan liittyvät tulokset esitellään tarkemmin omassa raportissaan. 4.1.4 Särmäys: ruostumaton teräs 1.4318 2H C1000 Koesarjan tärkeimpänä tavoitteena oli tutkia, soveltuuko kaava (1) lujitusvalssattujen ruostumattomien teräslaatujen takaisinjouston arvioimiseen. Henna-Riitta Jussila on kehittänyt kaavan diplomityönään Outokummulle. Kaava on sovitettu austeniittisille ruostumattomille ohutlevyille, tässä koemateriaalina oli Outokummun 3 mm paksu lujitusvalssattu teräs 1.4318 2H C1000. 2 2 2 Takaisinjousto v Rm Rp0,2 v Rm Rp0,2 β = 0,0002 * * K + 0,112 * K + 3, 5207, (1) t Ag * E t Ag * E missä v = v-aukon leveys [mm] t = levyn paksuus [mm] R m = todellinen murtolujuus [N/mm 2 ] R p0,2 = materiaalin myötölujuus [N/mm 2 ] Ag = tasavenymä [%] E = kimmomoduli [GPa] K = taivutuskulmasta ja -tapahtumasta riippuva kerroin; Kun R p /t on pieni, K = 90/α 0 v-taivutuksessa ja 1,3 ilmavälitaivutuksessa. R p /t-suhteen ollessa suuri K = R/16. R p on painimen säde. 14

(Lähde: Henna-Riitta Jussila: Austeniittisen ruostumattoman teräksen takaisinjousto levyntaivutuksessa, diplomityö 2006.) Takaisinjoustokaavan soveltuvuuden testaamiseksi materiaalille tehtiin särmäyskokeet. Särmättävät kappaleet olivat 300 x 300 mm, levyt taivutettiin z-muotoon molempien. Koemateriaali oli suojamuovipäällysteistä. Taulukon 5 merkintä s tarkoittaa että suojamuovi on ulkotaipeessa. Kokeissa käytettiin paininta, jonka kärjen pyöristyssäde oli 3 mm, taivutukset tehtiin 3 eri alatyökalulla (v-aukon leveydet 25, 35 ja 45 mm). Lisäksi taivutuksia tehtiin elastiseen vastimeen. Taivutukset videoitiin HD-videokuvaa tallentavalla kameralla. Videoista määritettiin levyn loppukulma sekä kulma painimen ollessa alhaalla, näistä laskettiin takaisinjousto. Taivutusvoima mitattiin särmäyspuristimen hydrauliikkajärjestelmään liitetyllä paineanturilla. Koekappaleet tarkastettiin silmämääräisesti, lisäksi osasta näytteitä mitattiin sisäsäde ja leikkausreunan CEF-arvo (Outokummulla kehitetty mekaanisesti leikatun levyn reunan hyvyysluku). Perusaineelle tehtiin vetokokeet, perusaineen kovuusprofiilin määritys sekä väsytyskokeet. Koemateriaali osoittautui erittäin hyvin muovautuvaksi, ainoastaan mekaanisesti leikatun levyn reunan jäysteessä oli pieniä säröjä. Suuren venymän ja muokkauslujittumisen seurauksena materiaali ei pakene painimesta, joten levyyn syntyvä sisäsäde on painimen pyöristyssädettä suurempi. Koemateriaalin takaisinjousto vaihteli 7-13,5 asteen välillä riippuen alatyökalusta. Takaisinjoustokaavalla lasketut arvot jäivät ~ 20 %:a toteutunutta pienemmäksi. Kertoimia muuttamalla käyrä saatiin sopimaan kokeellisiin tuloksiin (Kuva 8). Merkintä PO tarkoittaan valssaussuuntaan nähden poikittain taivutettua särmää ja PI pitkittäin taivutettua särmää. Taulukossa 3 on esitetty särmätyistä kappaleista mitatut kulmat ja säde sekä taivutusvoima. Koesarjassa materiaalia taivutettiin myös elastiseen vastimeen. Materiaalin erinomaisen muovattavuuden takia elastisen vastimen käytöllä saatava etu on lähinnä levyn pinnan ulkonäön pysyminen hyvänä särmäyksessä. Käytetty elastomeerityyny lepäsi vapaasti alatyökalun päällä, eikä tyynyn päädyillä ollut tukea. Tästä seurasi muotovirhe, kun levyt eivät taipuneet päistä yhtä paljon kuin keskeltä. Elastomeeritaivutuksissa käytettiin erikokoisia painimia (kärjen pyöristyssäde 1, 2, 3, 6 mm). Tarvittava taivutusvoima vaihteli painimen koon mukaan noin 250 310 kn:iin (3 mm painimella 250-270 kn). 16 14 Takaisinjousto Taulukko 5. Särmätyistä kappaleista mitatut kulmat, takaisinjousto ja säde sekä taivutusvoima. Painimen säde 3 mm. Takaisnjousto (astetta) 12 10 8 6 4 2 0 22 25 28 30 33 36 39 42 44 47 X 50 53 56 58 61 64 Kaava PO PI Korjattu kaava Kuva 8. Takaisinjoustokaava saatiin täsmäämään mitattujen tulosten kanssa muuttamalla kaavan kertoimet ja vakio seuraavalla tavalla a = -0,00018, b = 0,13 ja c = 4,5 (ax 2 +bx+c). 67 70 72 Kulma 1 [ ] Kulma 2 [ ] Takaisinjousto [ ] Voima [kn] Säde [mm] W25 PO 82,4 89,6 7,2 161 3,5 PO s 82,1 89,4 7,4 163 3,5 PI 82,5 90,3 7,7 171 3 PI s 82,7 90,3 7,6 173 2,5 W35 PO 79,8 89,8 9,9 113 4,5 PO s 80,0 89,8 9,9 113 4,5 PI 79,9 90,1 10,1 125 3,5 PI s 79,9 90,1 10,2 125 3,5 W45 PO 76,7 90,1 13,3 86 5,5 PO s 77,1 90,1 13,0 87 5,5 PI 76,1 89,5 13,4 95 4 PI s 76,2 89,5 13,3 97 4 15

4.1.5 Särmäys: ruostumaton teräs 1.4318 2H C850 Muovauksen neljännessä koesarjassa testimateriaalina oli Outokummun austeniittinen lujitusvalssattu teräs 1.4318 2H C850. Materiaalia oli 4 eri levynpaksuutta: 2, 3, 5 ja 5,5 mm. Tärkeimpänä tavoitteena oli tutkia Outokummun takaisinjoustokaavan soveltuvuutta materiaalille. Kaava on esitetty luvussa 4.1.4. Materiaalille tehtiin särmäyskokeet. Särmäyksissä käytettiin 3 eri levyistä vastinta (25, 35 ja 45 mm), käytettyjen paininten säteet olivat 2, 3 ja 5 mm, kullekin levylle paksuuttaan lähinnä vastaava ylätyökalu. Taivutusten yhteydessä mitattiin taivutusvoima särmäyspuristimeen liitetyn paineanturin avulla, takaisinjousto määritettiin taivutusvideoista. Takaisinjoustomittauksen tulokset on esitetty kuvassa 9. Takaisinjousto luonnollisesti kasvaa kun levy ohenee tai alatyökalu levenee. Taivutusvoimamittauksen tulokset on esitetty kuvassa 10. Takaisinjousto Taivutusvoima 14,0 550 500 Takaisinjousto [ o ] 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 W45 PI W45 PO W35 PI W35 PO W25 PI W25 PO Voima [kn] 450 400 350 300 250 200 150 100 50 PI-5,5 PO5,5 PI-5 PO-5 PI-3 PO-3 PI-2 PO-2 0,0 5,5 5,0 3,0 2,0 Levynpaksuus [mm] 0 W45 W35 W25 Alatyökalu Kuva 9. Koesarjan näytteiden keskimääräinen takaisinjousto levynpaksuuden, taivutussuunnan ja alatyökalun leveyden mukaan. Kuva 10. Mitatut taivutusvoimat eri levynpaksuuksilla ja alatyökaluilla. Kohdassa W25 ovat vihreät merkit sinisten alla. Koemateriaali ei asettunut takaisinjoustokaavan antamalle käyrälle lukuun ottamatta paksuimpia levyjä (5 ja 5,5 mm), jotka käyttäytyivät testialueella kaavan ennustamalla tavalla. Testilevyistä ohuin jäi kauimmaksi kaavan ennusteesta, 3 mm paksu testilevyn takaisinjouston kehittyminen taas jäi ennustettua vaisummaksi. Tulokset on esitetty vaihteluväleineen kuvassa 11, lisänä myös 1.4318 2H C1000 -teräksen takaisinjousto. Kaavaa kehitettiin vastaamaan paremmin koemateriaaleja, lopputulos on esitetty luvussa 4.1.6. 16

15 13 11 Takaisinjousto [ o ] 9 7 5 3 1 7 12 17 22 27 32 37 42 47 52 57 62 67 72 77 82 x 5,5 PI 5,5 PO 5 PI 5 PO 3 PI 3 PO 2 PI 2 PO Takaisinjousto kaavan mukaan C1000-PO Kuva 11. Mitattu keskimääräinen takaisinjousto ja takaisinjousto kaavan mukaan. K-arvona on käytetty lukua 1,3 ja kimmokertoimena 200 GPa. Levynpaksuutena käytettiin levynpaksuuden nimellisarvoa. Särmättyihin taipeisiin ei muodostunut koetaivutuksissa säröjä, mutta levyn leikkausreunoihin syntyi pieniä säröjä jäysteen puolen jäädessä ulkotaipeeseen. 2 mm levyllä taipeen reunoista tai pinnasta ei voinut havaita silmämääräisesti minkäänlaisia venymisen aiheuttamia jälkiä, muilla materiaaleilla venynyt alue erottui sitä paremmin, mitä pienempää vastinta taivutuksessa oli käytetty. 25 mm leveä vastin alkaa olla jo melko pieni 5 ja 5,5 mm paksuille levyille, mikä näkyy taipeen pinnanlaadussa ja taivutusvoiman kasvamisena (kuva 8). 2 ja 3 mm paksut levyt muovautuivat hyvin kaikkiin vastimiin. 4.1.6 Rullamuovaus: Optim 1100 ja 960 QC,1.4318 2H C850 ja C1000 Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää koemateriaalien muovattavuus rullamuovauksessa ja laseravusteisessa rullamuovauksessa. Tavoitteena oli aikaansaada mahdollisimman pieni vaurioitumaton taivutussäde. Optim-teräksille rullamuovaus oli selvästi parempi taivutusmuoto verrattuna vapaataivutukseen, taipeen sisäsäde saatiin 43-44 % pienemmäksi ilman näkyviä vaurioita 90 asteen taivutuksessa. Rullamuovaus onnistuttiin tekemään myös koko levyn pituudelle. Ongelma oli levyjen vääntyminen, joka oli huomattavaa. Levyn tuentaa pitäisi kehittää jotta ongelmasta päästäisiin. Ruostumattomat teräkset taipuivat hyvin myös särmäämällä, joten rullamuovauksella ei pystytty parantamaan taivutustulosta. Kunnollisia tuloksia laseravusteisesta rullamuovauksesta ei saatu, johtuen laitteisto-ongelmista. Käytetty laitteisto ei ollut sopiva näin paksujen levyjen laseravusteiseen muovaukseen. Laseravusteista rullamuovausta olisi hyvä testata vielä jatkokehitetyllä laitteistolla, koska käytettävissä ollut laitteisto ei olut sopiva valituille levynpaksuuksille. 4.1.7 Takaisinjoustokaava lujille austeniittisille ruostumattomille teräksille Yhtenä ULLE-projektin tavoitteista oli tutkia, sopiiko kappaleessa 4.1.4 esitetty Outokummun ohuille austeniittisille teräksille kehitetty takaisinjoustokaava lujitusvalssattujen ruostumattomien terästen takaisinjouston arvioimiseen. Kokeiden perusteella etenkin ohuilla levynpaksuuksilla takaisinjouston mitatut arvot eivät vastanneet kaavalla laskettuja arvoja. Kaavaa kehitettiin eteenpäin. Muuttujatermiin haettiin kokeellisesti arvot, joilla mitatut pisteet saatiin lähemmäs käyrää. Lopputulos on esitetty kuvassa 12. Samassa kuvassa on sekä lujitusvalssattuilta että 17

lujittamattomilta materiaaleilta mitattuja takaisinjoustoarvoja (eri projektissa mitattuja). Lujitusvalssatuille austeniittisille teräksille sopiva kaava ei sellaisenaan parantanut tulosta vähempi lujuisille ohuille materiaaleille, joille kaava alun perin oli kehitetty. Lopullinen kaava (2-5) määriteltiin paloittain levynpaksuuden (1 mm) mukaan. Kuva 12. Kehitystyön tuloksena kaava vastaa paremmin lujitusvalssatun levyn takaisinjoustoa. Kehitetty kaava: Levyn paksuus t>1mm: 2 β (2) = 0,0002x + 0,112 x + 3,5207 x 2 1 v m p0,2 * t = * K * e Rm A * R g E + 1 josta 0,6* t p 0,2 R R Levyn paksuus t 1mm: 2 β (4) = 0,0002x + 0,112 x + 3,5207 R R Ag * E 2 1 v = t m p0,2 + 1 josta x * * K * e (5) t v = v-aukon leveys [mm] t = levyn paksuus [mm] R m = todellinen murtolujuus [N/mm 2 ] R p0,2 = materiaalin myötölujuus [N/mm 2 ] Ag = tasavenymä [%] E = kimmomoduli [GPa] K = taivutuskulmasta ja tapahtumasta riippuva kerroin; Kun R p /t on pieni, K = 90/α 0 v-taivutuksessa ja 1,3 ilmavälitaivutuksessa. R p /t-suhteen ollessa suuri K = R/16. R p on painimen säde. (3) 18

4.2 Ultralujien materiaalien leikkaus Leikkauksen työpaketissa tutkittiin erilaisten leikkausmenetelmien soveltuvuutta lujien koemateriaalien leikkaukseen. Käytettyjä menetelmiä olivat laserleikkaus, vesileikkaus, plasmaleikkaus ja mekaaninen leikkaus levyleikkurilla. Vetokoesauvoja ja väsytyssauvoja on valmistettu myös koneistamalla. Leikkaustapojen eroja on tutkittu muovauskokein sekä veto- ja väsytyskokein. Lisäksi aiheeseen liittyen on tehty kandintyö suuntaissaksileikkurin terien kestämisestä lujien materiaalien leikkauksessa. Termisillä menetelmillä leikattaessa leikkausreunaan syntyy lämpövyöhyke, joka voi olla karennut tai pehmennyt materiaalista riippuen ja tyypillisesti leikkausreunaan syntyy levyn paksuuden suuntaisia uria. Myös vesileikkaus jättää levyn reunaan uraisen pinnan. Menetelmillä on toki mahdollista päästä hyvinkin hienoon ja sileään pintaan materiaalista ja levynpaksuudesta riippuen, mutta usein se tarkoittaa myös sitä että leikkausprosessi on hitaampi ja kalliimpi. Mekaaninen leikkaus levyleikkurilla on nopea tapa, mutta materiaalin suuri lujuus aiheuttaa kovaa rasitusta sekä koneelle että terille. Hyvin lujat materiaalit leikkautuvat helposti lohkeamalla, joten myös leikkausreunan laatu saattaa jättää toivomisen varaa (kuva 13). Koneistuksella reunasta saadaan kohtisuora ja tasainen. Lujan materiaalin lastuava työstö saattaa vaatia erikoisteriä ja lastuamisparametrit tulee valita huolella. Kuva 13. Optim 960 QC, 4 mm. Levyleikkurilla leikattua reunaa hiekkapuhalluksen jälkeen. 4.2.1 Eri leikkaustavat: Optim 1100 ja 960 QC, 1.4404 2H C700, 1.4318 2H C850 ja C1000 Koesarjassa tutkittiin, millaisia vaikutuksia eri leikkaustavoilla on materiaalien ominaisuuksiin. Koemateriaaleille tehtiin veto- ja väsytyskokeet sekä tutkittiin näytteiden leikkausreunan pinnankarheus ja leikkaustavan vaikutus materiaalin leikkausreunan ja sen läheisyyden kovuuteen. Käytetyt leikkausmenetelmät olivat laserleikkaus Yb:YAG- ja CO 2 -laserilla, vesileikkaus sekä koneistus. Kaikkia koemateriaaleja ei leikattu kaikilla menetelmillä. Kukin leikkaustapa jättää menetelmälle tyypillisen pinnan leikkausreunaan (kuva 14). Pinnankarheuden mittauksessa suurimpia Ra-arvoja antoivat vesileikkaus sekä laserleikkaus Yb:YAG-laserilla, jonka leikkausjälki oli silminnähden huono. Vesileikkauksen kohdalla pinnankarheuden Ra-arvoa heikensi mittauskohta, joka piti valita suurella leikkausnopeudella ajetulta alueelta. Hiilidioksidilaser ja koneistus antoivat molemmat erittäin hyvän pinnanlaadun. Ruostumattomilla teräksillä pinta oli silein koneistettuna mutta Optim-teräksillä koneistuksella ja CO 2 - laserilla lopputulos pinnanlaadun suhteen oli suunnilleen yhtä hyvä. Ra-arvo mitattiin näytteen pituuden suunnassa. Kuva 14. Kolme vasemman puoleista leikkausta on tehty haponkestävälle teräkselle 1.4404 2H C700; koneistettu, CO 2 -laser (typpi), Yb:YAG-laser (typpi). Toinen levy oikealta on Optim 960 QC CO 2 -laserilla leikattuna (happi) ja äärimmäisenä oikealla Optim 1100 QC Yb:YAG-laserilla leikattuna (typpi). 19

Kovuusmittaukset tehtiin materiaaleille käyttäen 100 g painoa (HV 0,1). Kovuutta ei mitattu kaikilla tavoilla leikatuista koesauvoista kaikilla materiaaleilla. 60 µm etäisyydeltä leikatusta pinnasta tehtiin 5 pisteen mittasarjat, perusaineen kovuus mitattiin 3 pisteestä. Optimteräksillä laserleikattu reuna oli mitatussa kohdassa perusainetta kovempi, ruostumattomilla teräksillä pehmeämpi (taulukko 6). Vetokokeissa esille saatavat erot eri leikkaustapojen välillä eivät olleet järin suuria. Taulukko 6. Kovuusmittauksen näytteet. Materiaali ja leikkaustapa Perusmateriaalin kovuus [HV 0,1] Kovuus 60µm päästä [HV 0,1] Muutos [%] 1100 QC - Yb:YAG 409 469 15 960 QC - CO 2 357 400 12 960 QC - Yb:YAG 371 389 5 C700 - CO 2 314 243-23 C700 - Yb:YAG 290 226-22 850 QC - CO 2 343 271-21 Väsytyskokeissa laserleikatut koesauvat osoittautuivat jonkin verran heikoimmiksi kaikilla materiaaleilla, mutta ero oli selvästi suurin ruostumattomilla teräksillä. Ilmeisesti huonompi tulos johtuu laserleikkauksen jättämän lämpövyöhykkeen heikentävästä vaikutuksesta sekä laserleikkauksen leikkausjäljelle tyypillisistä urista, jotka suovat runsaasti mahdollisia ydintymispaikkoja säröille ja ovat lisäksi epäsuotuisassa suunnassa väsytyskoetta ajatellen. Levyn reunan muokkauslujittuminen voi parantaa väsymiskestävyyttä koneistetuilla kappaleilla. Koska monet terästuotteet pintakäsitellään maalaamalla, työvaiheketjuun voi kuulua teräksen pinnan pohjakäsittely esimerkiksi hiekkapuhaltamalla tai sinkoamalla. Optim-teräksille tehtiin väsytyskokeet myös singottuna, puhallusjauheena oli Durasteel NA 30 G 50 teräskuulaa Steel grit 70317 H 24. Tavoitteena oli tutkia, miten sinkous vaikuttaa materiaalin väsymiskestävyyteen. Koesarjan perusteella sinkouksella ei ole ainakaan selvästi havaittavaa vaikutusta. 4.2.2 Laser-, vesi- ja plasmaleikkaus: nuorrutusteräs S690 QL Koesarjassa tutkittiin leikkaustavan vaikutusta materiaalin reunan muovattavuuteen, mikrorakenteeseen sekä mekaanisiin ominaisuuksiin. Käytetyt leikkausmenetelmät olivat laserleikkaus hiilidioksidilaserilla, vesileikkaus, plasmaleikkaus ja vetokokeiden osalta myös koneistus. Koemateriaalina oli 16 mm paksu nuorrutusteräs S690 QL. Vetokokeissa eri leikkaustavoilla ei tullut esille suurempia eroja myötölujuudessa tai venymissä. Murtolujuuden osalta termisesti leikatuille näytteille saatiin hiukan suuremmat lujuudet, ero koneistettuihin ja vesileikattuihin näytteisiin oli noin 30 MPa. Vetosauvan leveys oli 20 mm. Termisesti leikatessa materiaaliin muodostui lämpövyöhyke, jossa materiaali oli karennut. Lämpövyöhyke oli tasainen ja noin 0,5 mm leveä plasmaleikatussa reunassa. Laserleikatussa näytteessä lämpövyöhyke oli kapeampi, keskellä noin 0,2 mm leveten alaspäin. Molemmilla leikkaustavoilla reunan kovuus oli noin 1,6-kertainen perusaineen kovuuteen nähden. Taulukossa 7 on esitetty plasma- ja vesileikatusta näytteestä mikrorakennekuva sekä kovuusprofiili. Kovuusmittauskuvan tarkastelussa kannattaa huomata että kuviota ei ole skaalattu levyn paksuussuunnassa, levyn todellinen paksuus on 16 mm ja lämpövyöhykkeen leveys 0,2-0,5 mm. Kuvassa vyöhyke näyttää suhteettoman leveältä. Kuva 15. Ylinnä on vesileikattu levy, keskellä plasmaleikattu ja alinna laserleikattu levy. Levyt on taivutettu poikittain valssaussuuntaan nähden 170 mm leveään aukkoon 35 mm -säteisellä painimella. Pinnankarheutta mitattiin näytteiden ylä- ja alareunan tuntumasta. Plasmaleikatussa reunassa pinta oli tasaisin, laser- ja vesileikkauksessa leikkaus oli jättänyt selvät urat. Laserleikattu reuna oli likimain suorakulmainen, plasma- ja vesileikatussa reuna oli viisto. 20

Kaikilla testatuilla tavoilla leikatut reunat kestivät hyvin taivutusta, selviä repeämiä ei syntynyt niinkään leikkausreunoihin, kuin itse taipeeseen ja perusmateriaaliin jonkin verran. Laser ja vesileikkauksessa leikkausjälki muodostui selvästi uraiseksi, kun plasmaleikattu levyn reuna oli hyvin sileä. Kun leikkausjälki on epätasainen, reunasärön syntyminen on todennäköisempää, jos voimakkaaseen venytykseen sattuu osumaan syvempi ura. Taulukko 7. Lämpövyöhykkeen kovuus ja mikrorakenne. Laserleikattu Plasmaleikattu ~10 mm 2 mm 1 mm 0,5 mm 0,25 287 289 287 294-281 276 280 287 294 291 285 287 460 287 283 287 286 290 286 284 274 287 291 283 273 289 280 281 271 284 282 291 265 443 287 274 276 282 287 284 280 287 292 282 284 275 293 283 295 288 470 284 283 288 274 447 297 284 283 273 282 278 283 269 269 261 273 415 429 KA 287 282 284 288 450 ~10 mm 1,5 mm 1 mm 0,5 mm0,25 261 270 270 458 405 260 274 273-279 287 278 409 418 267 285 278 437 274 282 276 446 264 280 275 446 266 274 273 444 449 269 274 268 435 273 271 271 442 268 278 287 410 434 276 283 287 409 276 282 278 401 275 284 285 415 451 277 295 284 437 274 278 272 453 446 258 270 277 484 KA 270 279 277 435 434 Tulosten perusteella leikkaustavan valinnalla ei muovauksen kannalta ole merkitystä. Plasmaleikkauksen etuna materiaalilla oli reunan sileä pinta. Huonona puolena voidaan pitää reunan kulmaa ja pyöristynyttä muotoa, sekä jälkityöstön tarvetta (jäysteen poisto). Laserleikkauksella levyn reunan kulma oli lähellä 90 astetta. Laserin jättämä leikkausjälki oli Ra-mittauksen perusteella kaikkein karhein, mikä voi joissain tapauksissa olla ongelma. Vesileikatussa levyssä leikkausjälki on kohtuullisen sileä. Reunan muoto oli kartiokkaampi kuin laserleikatuissa levyissä, mutta ei niin vino, kuin plasmaleikatuissa levyissä. Vesileikkauksen seurauksena materiaaliin muodostuu ruostetta. Laser- ja vesileikattuihin levyihin ei ollut muodostunut hiontaa vaativaa pursetta. 4.2.3 Suuntaissaksileikkurin terän kuluminen kovien terästen leikkauksessa Projektiin tehdyssä Janne Lämsän kandintyössä (2009) tutkittiin suuntaissaksileikkurin terien kulumista leikattaessa kovia materiaaleja. Koemateriaaleina olivat 6 mm paksu Raex 400 ja 4 mm paksu Optim 960 QC -teräkset. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää terän kulumista ja kulumiseen vaikuttavia tekijöitä sekä kulumisnopeutta. Terän kulumisen seurantaan käytettiin mikroskooppikuvausta, leikkausreunan analysointia sekä leikkausvoimien ja leikkausäänen tallennusta. Tutkimukseen saatiin uudet terät. Materiaaleille sopivat leikkausvälykset määritettiin kokeellisesti ennen tutkimuksen aloittamista. Ensimmäiset havainnot terien kulumisesta tehtiin 500 leikkauskerran jälkeen, jolloin teräsärmät alkoivat selkeästi pyöristyä ja terän reunaan alkoi syntyä muotovirheitä. Myös leikkausreunaan syntyi voimakkaammin jäystettä. 800 leikkauskerran jälkeen terän pinta oli naarmuuntunut ja terä oli jo selkeästi kulunut. Leikka- 21