uddeholmin teräkset PAINEVALUUN KÄYTTÖKOHDEOPAS kuumatyöstö
sisällys Johdanto... 3 Painevalettujen osien vaatimuksia... 3 Työvälineen suunnittelu... 4 Työvälineen valmistus... 5 Työvälineen suorituskyky... 9 Muottiterästen vaatimukset painevalussa... 11 Taloudellisuus...16 Tuoteohjelma yleiskuvaus...17 kemiallinen koostumus... 18 veratilutaulukko kestävyys eri vauriomekamismeja vastaan... 18 Teräslaji- ja kovuussuositukset... 19 Maailmanlaajuinen palveluverkosto... 21 Tämän julkaisun tiedot ovat ohjeellisia ja yleisluontoisia, eivätkä ne ole minkäänlaisena takuuna tuotteiden ominaisuuksista tai käyttösovelluksista. Uddeholm varaa itselleen oikeuden muuttaa tietoja ilman ennakkoilmoitusta. Ajantasaiset tuotetiedot sekä EU direktiivin 1999/45/EC mukaiset käyttöturvallisuustiedotteet ovat saatavissa internet-sivuiltamme www.uddeholm.fi. 2010-01-08 kuumatyöteräkset 2
Johdanto Painevalu on taloudellinen tapa valmistaa suuria määriä monimutkaisia osia tiukkojen toleranssien mukaan alumiinista, magnesiumista, sinkistä ja kupariseoksista. Painevalun kasvu perustuu lähinnä painevalettujen osien käytön lisääntymiseen autoteollisuudessa niiden keveyden vuoksi. Pitkissä valmistussarjoissa työvälineen kestävyys on entistä tärkeämpää. Viime vuosina Uddeholm on päässyt johtavaan asemaan kestävien ja yhä parempien muottimateriaalien kehittäjänä. Tästä esimerkkejä ovat teräslajit Uddeholm Orvar Supreme/Orvar Superior, Uddeholm Vidar Superior, Uddeholm QRO 90 Supreme ja Uddeholm Dievar. Painevalettujen osien vaatimuksia Painevalettuja osia koskevat vaatimukset edellyttävät lujempien, sitkeämpien, helpommin työstettävien ja hitsattavien sekä korroosionkestävämpien painevaluseosten kehittämistä. Tuotesuunnittelu suuntautuu suurempiin osiin ohuempiin seinämävahvuuksiin monimutkaisempiin muotoihin tiukempiin toleransseihin Tämä suuntaus nostaa painevalun muita valumenetelmiä (esim. matalapainevalu ja kokillivalu) edullisemmaksi valmistusmenetelmäksi. Näiden terästen ja tarkkojen lämpökäsittelyohjeiden avulla painevalajat ovat saavuttaneet merkittäviä säästöjä tuotanto- ja työvälinekustannuksissa. Parannuksia on saavutettu myös tuotteen ja työvälineen oikealla muotoilulla ja paremmalla painevaluprosessin ohjauksella. Painevalutyöväline alumiinin valamiseen. Alumiinista valettu pumpun pesä. kuumatyöteräkset 3
Työvälineen suunnittelu Painevalutyövälineen muotoilu määräytyy ensisijaisesti painevaletun osan muodon perusteella. Muotoiluun ja mitoitukseen vaikuttavat muutkin tekijät, jotka voivat työvälineen kestävyyden kannalta olla merkittäviä. Muottipesä Erikoislujat teräkset ovat hyvin loviherkkiä. Siksi muottipesän seinämien paksuuserot on pidettävä pieninä ja pyöristykset tehtävä mahdollisimman suurella säteellä. Valukanavat, porttikanavat ja ilmanpoistoaukot Jotta valuolosuhteet olisivat mahdollisimman hyvät, jäähdytysjärjestelmän on oltava oikeassa suhteessa kuumaan osaan nähden (valukanavat, porttikanavat, ilmanpoistoaukot, muottipesät). Valukanavat, porttikanavat ja ilmanpoistoaukot on suunniteltava huolella. Muottipesän vaikeasti täyttyviin osiin on järjestettävä ilmanpoistoaukko helpottamaan valumateriaalin virtaamista tilaan. Sellaisissa monipesäisissä muoteissa, joiden muottipesät ovat identtiset, on tärkeää, että jakokanavat ovat yhtä pitkät ja läpimitoiltaan yhtä suuret. Porttikanavien, samoin kuin ilmanpoistoaukkojen on oltava identtisiä. Porttikanavien sijainti, niiden väliseinämien paksuus ja leveys ovat ratkaisevia metallin ruiskutusnopeuden kannalta. Portit suunnitellaan niin, että valumetalli virtaa tasaisesti ja esteettä muottipesän kaikkiin osiin. Jos metalli valumisen sijaan ruiskutetaan muottitilaan, tuloksena on huono valu. Liika turbulenssi valumetallissa voi aiheuttaa eroosiota muottiin. Jotta eroosio- tai kuumahalkeamisriski muotti materiaalissa lähellä porttikanavaa olisi mahdollisimman vähäistä, muottipesän seinämä, keernat ja muottipalat sijoitetaan mahdollisimman kauas porttikanavasta. Jäähdytyskanavat Jäähdytyskanavat sijoitetaan siten, että muottipesässä on mahdollisimman tasainen lämpötila. Sekä jäähtymisen että lujuuden, mutta myös korroosionkestävyyden kannalta on tärkeää, että jäähdytyskanavien pinnat ovat tasaiset. Mitoitusohjeita Seuraavassa on ohjeita siihen, miten alumiinille tarkoitettu muotti on mitoitettava, jotta lujuusvaatimukset täyttyvät. 1. Etäisyys muottipesästä ulkopintaan > 50 mm 2. Muottipesän syvyyden suhde kokonaispaksuuteen < 1:3 3. Etäisyys muottipesästä jäähdytyskanavaan > 25mm Etäisyys muottipesästä jäähdytyskanavaan kulmassa > 50 mm 4. Pyöristyssäteet: sinkki > 0,5 mm, alumiini > 1 mm, messinki > 1,5 mm 5. Etäisyys porttikanavasta muottipesän seinämään > 50 mm kuumatyöteräkset 4
Työvälineen valmistus Painevalutyövälineen valmistuksessa tärkeitä tekijöitä ovat: lastuttavuus kipinätyöstö lämpökäsittely mitanpitävyys pintakäsittely hitsattavuus L astuttavuus Martensiittisten kuumatyöterästen lastuttavuuteen vaikuttavat lähinnä ei-metallisten sulkeumien kuten mangaanisulfidien määrä ja teräksen kovuus. Painevalutyövälineen suorituskyky on sitä parempi mitä vähemmän teräksessä on epäpuhtauksia, esim. rikkiä ja happea. Uddeholm Dievar, Uddeholm Orvar Supreme/Orvar Superior, Uddeholm Vidar Superior ja Uddeholm QRO 90 Supreme teräksissä rikki- ja happipitoisuudet ovat erittäin alhaiset. Lastuttavuuden kannalta parasta on, kun hyvin liuenneet karbidit ovat tasaisesti jakautuneina pehmeäksihehkutetussa ferriittisessä mikrorakenteessa, jonka kovuus on mahdollisimman pieni. Microdizingprosessin ansiosta Uddeholm Dievar, Uddeholm Orvar Supreme/Orvar Superior, Uddeholm Vidar Superior ja Uddeholm QRO 90 Supreme terästen mikrorakenne on homogeeninen. Uddeholm Dievarin kovuus on n. 160 HB, Uddeholm Orvar Supremen/Orvar Superiorin, Uddeholm Vidar Superiorin ja QRO 90 Supremen 180 HB. Näiden terästen lastuttavuusominaisuudet ovat hyvin tasaiset. Lastuamisarvot sorvaukseen, jyrsintään ja poraukseen löytyvät terästen teknisistä tuotelehdistä. väliaineessa. Prosessin aikana teräksen pinta altistuu korkealle lämpötilalle, joka sulattaa tai höyrystää teräksen. Työvälineen pintaan muodostuu sulanut ja uudelleenjähmettynyt, hauras kerros, ja sen alle uudelleenkarennut ja päästynyt kerros. Kipinätyöstön vaikutus muottiteräksen pinnan ominaisuuksiin voi pahimmillaan pilata muotin suorituskyvyn. Tästä syystä suositellaan seuraavia työohjeita. Hehkutetun materiaalin kipinätyöstö A. Perinteinen työstö B. Varsinainen kipinätyöstö välttäen valokaaren muodostumista ja liian nopeaa aineenpoistoa. Lopeta hienokipinöinnillä eli alhaisella virralla ja suurella taajuudella C. Hio tai kiillota kipinätyöstetty pinta. Näin halkeama vaara kuumennuksessa ja sammutuksessa vähenee. Hidas, vaiheittainen esikuumennus karkaisulämpötilaan on suositeltavaa. Karkaistun ja päästetyn materiaalin kipinätyöstö A. Perinteinen työstö B. Karkaisu ja päästö C. Varsinainen kipinätyöstö välttäen valokaaren muodostumista ja liian nopeaa aineenpoistoa. Lopeta hienokipinöinnillä eli alhaisella virralla ja suurella taajuudella D. 1. Hio tai kiillota kipinätyöstetty pinta. 2. Päästä työväline 15 25 C edellistä päästölämpötilaa alemmassa lämpötilassa. Kipinätyöstö Kipinätyöstöä on käytetty painevalutyövälineiden valmistuksessa yleisesti jo vuosia. Menetelmän kehittyminen on parantanut käyttötekniikkaa, tuottavuutta ja tarkkuutta. Vaihtoehtona kipinätyöstölle on suurnopeuskoneistus, jonka käyttö on kasvamassa. Kipinätyöstö perustuu grafiitti- tai kuparianodin ja teräksen (katodi) välisiin purkauksiin dielektrisessä kuumatyöteräkset 5
L ämp ökäsittely Kuumatyöteräkset toimitetaan tavallisesti pehmeäksihehkutetussa tilassa. Työstön jälkeen työväline on lämpökäsiteltävä, jotta saavutetaan paras kuumalujuus, päästön kestävyys ja sitkeys. Teräksen ominaisuuksia säädellään karkaisulämpötilan ja -ajan, jäähtymisnopeuden ja päästölämpötilan avulla. Muotin korkeammalla austenitointilämpötilalla voidaan parantaa päästönkestävyyttä ja vähentää pehmenemistä, mikä vuorostaan vähentää termisiä väsymissäröjä. Uddeholm Orvar Supremen/Orvar Superiorin ja Uddeholm QRO 90 Supremen ominaisuudet paranevat austenitoimalla ne 1050 C:ssa 1020 C:n sijaan. Uddeholm Dievarille lämpötila on 1030 C 1000 C:n sijaan ja Uddeholm Vidar Superiorille 1000 C 980 C:n sijaan. Toisaalta, raekoko kasvaa korkeammassa austenitointi lämpötilassa, mikä taas heikentää sitkeyttä. Tästä syystä korkeampaa austenitointilämpötilaa suositellaan vain pienille työvälineille, keernoille ja keernatapeille. Myös suurempi kovuus vähentää lämpösäröilyä. Alumiinin painevalussa kovuuden tulisi olla kuitenkin alle 50 HRC ja messingin painevalussa alle 46 HRC. Tätä suurempi kovuus saattaa aiheuttaa halkeamia ja työvälineen rikkoutumisen. Uddeholm Dievarin, Uddeholm Orvar Supremen/ Orvar Superiorin ja Uddeholm Vidar Superiorin terästen sitkeys on kuitenkin niin hyvä, että rikkoutumisvaara on vähäinen. Sammutusnopeudella on suuri merkitys työvälineen elinikään Uddeholm Dievarin, Uddeholm Orvar Supremen/Orvar Superiorin, Uddeholm Vidar Superiorin ja Uddeholm QRO 90 Supremen, ja kaikkien samantyyppisten terästen karkaisussa. Hidas sammutus tuottaa parhaan mitanpitävyyden, mutta samalla teräksen mikrorakenteessa saattaa tapahtua haitallisia muutoksia. Liian hidas jäähdytys karkaisussa voi heikentää teräksen murtumissitkeyttä. Nopeammalla sammutuksella saavutetaan paras rakenne ja pisin käyttöikä. On pyrittävä löytämään kompro missiratkaisu hitaalla sammutuksella saavutettavien alhaisempien kustannusten (vähemmän työstettävää) ja nopeammalla sammutuksella saavutettavan pidemmän käyttöiän (suuri sitkeys) välillä. Useimmissa tapauksissa nopea sammutus on taloudellisempi vaihtoehto työvälineen kokonaiskustan nusten kannalta. Hiilenkato ja voimakas hiilettyminen voivat aiheuttaa ennenaikaista lämpösäröilyä, joten ne on pyrittävä estämään kaikin tavoin. Työväline on päästettävä heti, kun se on jäähtynyt 50 70 C:seen. Toinen päästö on välttämätöntä tyydyttävän mikrorakenteen saamiseksi. Päästölämpötila on valittava halutun kovuuden mukaan. Painevalumuotit suositellaan päästettäväksi vielä kolmannenkin kerran. Alumiinista valettu osa autoteollisuuden käyttöön. kuumatyöteräkset 6
Mitanpitävyys Muodonmuutokset painevalutyökalujen karkaisussa ja päästössä Painevalutyövälineen karkaisussa ja päästössä tapahtuu yleensä muodonmuutoksia. Muodon muutos on yleensä sitä suurempi, mitä korkeampi austenitointilämpötila on. Yleisenä käytäntönä onkin jättää työvälineeseen tietyt työvarat, mikä mahdollistaa työ välineen työstämisen karkaisun ja päästön jälkeen oikeisiin mittoihin suurnopeuskoneistamalla, kipinätyöstämällä, hiomalla jne. Muodonmuutokset johtuvat materiaalissa esiintyvistä jännityksistä, joita ovat työstöjännitykset lämpöjännitykset muutosjännitykset. Työstöjännitykset Työstöjännityksiä syntyy mm. työvälineen sorvauksessa, jyrsinnässä ja hionnassa. Jos työvälineeseen on muodostunut jännityksiä, ne poistuvat kuumennuksessa. Kuumennus heikentää lujuutta, jolloin jännitykset laukeavat paikallisina vetelyinä. Tämä voi johtaa koko työvälineen muodonmuutokseen. Jännitystenpoistohehkutuksella voidaan ehkäistä voimakkaiden vetelyjen syntymistä karkaisun kuumennusvaiheessa. Jännitystenpoistohehkutusta suositellaan karkeatyöstön jälkeen. Työvälineeseen mahdollisesti jääneet muodonmuutokset voidaan oikaista hieno työstössä ennen karkaisua. L ämpöjännitykset Lämpöjännityksiä syntyy, kun työväline kuumennetaan tai sammutetaan. Jännitysten määrä lisääntyy, jos kuumennus tapahtuu nopeasti ja epätasaisesti. Työvälineen tilavuus kasvaa kuumennuksessa. Epätasainen kuumennus saattaa aiheuttaa paikallisia eroja tilavuuden kasvussa, mistä seuraa jännityksiä ja muodonmuutoksia. Esikuumennus suositellaan tehtäväksi aina vaiheittain, jolloin lämpö tila työkappaleessa ehtii tasaantua. Alumiinimuotin muottipesän osa. Alumiinimuotti autoteollisuudessa tarvittavien osien valmistamiseen. kuumatyöteräkset 7
Työväline pitäisi aina yrittää kuumentaa tarpeeksi hitaasti, jotta lämpötila säilyisi tasaisena koko työvälineessä. Edellä mainitut kuumennusta koskevat seikat pätevät myös sammutukseen, jossa syntyy erittäin voimakkaita jännityksiä. Yleisohje on, että jäähdytyksen tulisi tapahtua mahdollisimman nopeasti sen mukaan, miten suuret muodonmuutokset ovat hyväksyttävissä. On tärkeää, että sammutusaine kohdistuu työvälineeseen aina tasaisesti (erityisesti esim. paineilma tai suojakaasu). Muutoin lämpötilaerot työvälineessä voivat aiheuttaa suuria muodonmuutoksia. Isoille, monimutkaisille työvälineille suositellaan vaiheittaista jäähdytystä. Muutosjännitykset Muutosjännityksiä syntyy, kun teräksen mikrorakenne muuttuu. Tämä johtuu siitä, että teräksen kolme mikrorakennetyyppiä ferriitti, austeniitti, martensiitti ovat tiheydeltään, eli tilavuudeltaan erilaisia. Eniten vaikuttaa muutos austeniitista martensiitiksi, jolloin tilavuus kasvaa. Erittäin nopea ja epätasainen jäähdytys voi muodostaa paikallista martensiittia, mistä seuraa paikallista tilavuuden kasvua ja jännityksiä joissakin työvälineen osissa. Jännitykset johtavat muodonmuutokseen ja joissakin tapauksissa halkeamiin. Pintakäsittely Pintakäsittely esim. typetys (suolakylpy- tai plasmatypetys) voi parantaa työvälineen tiettyjen osien ominaisuuksia, esim. sylinterit, suuttimet, jakokanavat, hajottajat, porttikanavat, ulostyöntötapit, keernatapit. Eri terästen typetysominaisuudet vaihtelevat niiden kemiallisista koostumuksista riippuen. Muutkin pintakäsittelyt ovat osoittatuneet hyviksi painevalutyökaluissa. Hitsattavuus Usein on tärkeää, että painevalutyöväline voidaan korjata hitsaamalla. Työvälineteräksen korjaushitsaukseen liittyy aina halkeamisvaara; varovaisuutta ja kuumennusohjeita noudattamalla päästään kuitenkin hyviin tuloksiin. Hitsauksen esivalmistelu Hitsattavat osat on viistettävä riittävästi ja pinnoilta on puhdistettava lika ja rasva, jotta muodostuu hyvä tunkeuma ja vältetään liitosvirheet. Pehmeäksihehkutetun materiaalin hitsaus 1. Esikuumenna 325 375 C:seen. 2. Aloita hitsaus tässä lämpötilassa ja huolehdi, ettei lämpötila laske alle 325 C:n. Korkein välipalkolämpötila 475 C. Paras tapa pitää työvälineen lämpötila tasaisena on käyttää eristettyä laatikkoa, jossa on säädettävät vastukset. 3. Jäähdytä hitsauksen jälkeen hitaasti 20 40 C/h kahden ensimmäisen tunnin ajan, sen jälkeen vapaasti ilmassa. 4. Pehmeäksihehkuta välittömästi hitsauksen jälkeen. Karkaistun ja päästetyn materiaalin hitsaus 1. Esikuumenna 325 375 C:seen. 2. Aloita hitsaus tässä lämpötilassa ja huolehdi, ettei lämpötila laske alle 325 C:n. Korkein välipalkolämpötila 475 C. Paras tapa pitää työvälineen lämpötila tasaisena on käyttää eristettyä laatikkoa, jossa on säädettävät vastukset. 3. Jäähdytä hitsauksen jälkeen hitaasti 20 40 C/h kahden ensimmäisen tunnin ajan, sen jälkeen vapaasti ilmassa. 4. Jännitystenpoistohehkutus aiempaa päästölämpötilaa 25 C alhaisemmassa lämpötilassa/2 h. Hitsausaineet Hitsaukseen sopivat Uddeholm QRO 90 Weld (SMAW), Uddeholm QRO 90 TIG-Weld (TIG) tai Uddeholm Dievar TIG-Weld lisäaineet. Lisätietoja on Uddeholmin julkaisussa Työvälineterästen hitsaus. kuumatyöteräkset 8
Työvälineen suorituskyky Painevalutyövälineen käyttöikä vaihtelee suuresti valukappaleen koosta ja muodosta, valumetallin tyypistä ja työvälineen kunnossapidosta riippuen. Työvälineen ikää voidaan pidentää esim. oikealla esikuumennuksella oikealla jäähdytyksellä pintakäsittelyllä jännitystenpoistohehkutuksella. oikea esikuumennus Työvälinemateriaaliin kohdistuu voimakas lämpöisku kuuman valumateriaalin osuessa siihen ensimmäisen kerran. Lämpösärö voi syntyä jo ensimmäisessä valussa ja johtaa nopeasti työvälineen täydelliseen rikkoutumiseen. Lisäksi on tärkeää huomoida, että iskusitkeys materiaalin kyky kestää lämpö- ja mekaanista kuormitusta on ensimmäisten valujen aikana huomattavasti parempi, kun työväline esikuumennetaan oikein. On tärkeää, ettei lämpötilaero muotin pinnan ja sulan metallin välillä ole liian suuri. Tästä syystä työväline pitäisi aina esikuumentaa. Sopivin esikuumennuslämpötila riippuu valuseoksesta. Tavallisesti lämpötila on 150 350 C. Oikea esikuumennusalue käy ilmi vieressä olevista käyrästöistä. On tärkeää, ettei työvälinettä esikuumenneta liikaa, jottei se kuumene liikaa painevalun aikana ja päästy. Huomaa, että ohuet rivat kuumenevat nopeasti. Alla olevassa taulukossa on esitetty joitakin esikuumennussuosituksia. Materiaali Esikuumennuslämpötila C Tina- ja lyijyseokset 100-150 Sinkkiseokset 150-200 Magnesium- ja alumiiniseokset 180-300 Kupariseokset 300-350 On tärkeää, että kuumennus tapahtuu vaiheittain ja tasaisesti. Kuumennukseen suositellaan sähkövastusten käyttöä. Esikuumennuksessa jäähdytysainetta on käytettävä asteittain siten, että saavutetaan tasapainotila. Rajua jäähdyttämistä on vältettävä. Työvälineet on kuumennettava hitaasti siten, että muottipesä ja kiinnittimet saavat laajeta vähitellen. Oikea jäähdytys Työvälineen lämpötilaa säädellään jäähdytyskanavien ja muottipinnassa olevan voiteluaineen avulla. Lämpösäröjen välttämiseksi jäähdytysvesi voidaan esilämmittää n. 50 C:seen. Myös termostaattiohjatut jäähdytysjärjestelmät ovat yleisiä. Jäähdytysveden lämpötila ei saa alittaa 20 C. Muutamaa minuuttia pitempien taukojen aikana jäähdytysaineen virtaus on säädettävä sellaiseksi, ettei työkalu jäähdy liikaa. kuumatyöteräkset 9
Pintakäsittely Jotta valumetalli ja muottipinta eivät joudu suoraan kosketukseen keskenään, voiteluaineen on tartuttava kunnolla muotin pintaan. Esim. uuden tai korjatun työvälineen pinta ei saa olla metallisen sileä. Siksi työväline on hyvä hapettaa, jolloin voiteluaine tarttuu hyvin kiinni työvälineen sisäänajovaiheessa. Työvälineen pinta voidaan hapettaa kuumentamalla työväline n. 500 C:seen/1 h, minkä jälkeen työvälineen annetaan jäähtyä ilmassa. Myös höyryssä kuumentamalla (500 C/30 min) saadaan hyvä, sopivan paksuinen oksidikerros. Ajan mittaan käytössä syntyneet voiteluainejäämät voidaan poistaa muottipinnoilta kuulapuhaltamalla. Se synnyttää pintaan puristusjännityksiä, jotka kompensoivat lämpösäröjä aiheuttavia vetojännityksiä. Osat, joihin kohdistuu abrasiivista kulutusta ja kitkaa, esim. ulostyöntötapit ja sylinterit, voidaan typettää tai hiilitypettää paremman kestävyyden aikaansaamiseksi. Jännitystenpoistohehkutus Työvälineen pintaan kohdistuu painevalussa lämpötilan vaihtelusta johtuvaa lämpökuormitusta. Toistuva kuormitus voi aiheuttaa jäännösjännityksiä muotin pintaan. Useimmiten jännitykset ovat tyypiltään vetojännityksiä, jotka edistävät lämpösäröjen muodostumista. Jännitystenpoistohehkutus alentaa jäännösjännityksiä ja pidentää työvälineen käyttöikää. Ensimmäinen jännitysten poistohehkutus suositellaan tehtäväksi, kun sisäänajovaihe on päättynyt, ja sen jälkeen 1000 2000:n ja 5000 10000 valun jälkeen. Menettely voidaan toistaa tämän jälkeen aina 10000 20000:n valun jälkeen, niin kauan, kun työvälineessä ei ole näkyvissä suurempia väsymissäröjä. Ei kuitenkaan hyödytä hehkuttaa työvälinettä, jossa on suuria halkeamia, koska halkeamien muodostuminen sinänsä alentaa jäännös jännityksiä. Jännitystenpoistohehkutus suoritetaan lämpötilassa, joka on n. 25 C alhaisempi kuin aikaisemmin käytetty korkein päästölämpötila. Kahden tunnin pitoaika läpikuumennettuna yleensä riittää. Painevalumuotti messingin valamiseen. kuumatyöteräkset 10
Muottiterästen vaatimukset painevalussa Painevalutyövälineisiin kohdistuu korkeita lämpötiloja ja mekaanista rasitusta. Työvälineen kestävyyttä rajoittavat näin ollen monet tekijät. Niistä merkittävimmät ovat: terminen väsyminen (lämpösäröily) korroosio/eroosio halkeaminen (täydellinen rikkoutuminen) painuminen Työlämpötila, eli valumateriaali, vaikuttaa suuresti siihen, millaiseen valumäärään työvälineellä päästään. Käyttöikä voi vaihdella suuresti myös valetun tuotteen muodosta, pinnanlaadusta, tuotantotahdista, prosessinohjauksesta, työvälineen muotoilusta, materiaalista ja lämpökäsittelystä sekä valetun tuotteen mittojen ja pinnanlaadun toleransseista johtuen. Terminen väsyminen Terminen väsyminen on mikrorakenteessa tapahtuvaa, monien lämpösyklien aiheuttamaa, vähitellen muo dostuvaa säröilemistä, jota esiintyy vain ohuessa pintakerroksessa. Käytössä painevalumuotti vuorotellen kuumenee ja jäähtyy. Työvälineen pintaan kohdistuu suuria jännityksiä, jotka vähitellen johtavat tyypilliseen termisen väsymisen aiheuttamaan vaurioon eli verkkomaisiin väsymis säröihin (ks. alla oleva kuva). Termisen väsymisilmiön mekanismia on pyritty selvittämään ja löytämään yhteys termisen väsymisen kestävyyden ja materiaalin perus ominaisuuksien välillä. Uddeholm on rakentanut tähän tarkoitukseen laitteiston, jolla pystytään simu loimaan termisen väsymisen aiheuttaman vaurion kehittymistä. Tutkimusten avulla on kehitetty uusia ja entistä parempia työvälinemateriaaleja, esim. Uddeholm Dievar, Uddeholm Orvar Supreme/Orvar Superior, Uddeholm Vidar Superior ja Uddeholm QRO 90 Supreme. Valuseos Valulämpö- tila n. C Muotin käyttöikää rajoittavat tekijät Valujen määrä keskimäärin Muotti Keerna Sinkki ~ 430 eroosio 0,5 2 milj. 0,5 2 milj. Magnesium ~ 650 kuumahalkeilu halkeaminen eroosio painuminen Alumiini ~ 700 kuumahalkeilu halkeaminen eroosio painuminen Kupari/messinki ~ 970 kuumahalkeilu painuminen eroosio halkeaminen 100.000 400.000 50.000 200.000 60.000 200.000 40.000 150.000 5.000 50.000 1.000 5.000 kuumatyöteräkset 11
termiseen väsymiseen johtavat tekijät Termiset väsymissäröt syntyvät kolmen tekijän yheisvaikutuksesta. Ne ovat lämpösyklien aiheuttama rasitus, vetojännitykset ja plastinen venymä. Ilman näiden kolmen tekijän yhteisvaikutusta säröjä ei synny tai ne eivät etene. Plastinen venymä synnyttää särön, joka etenee vetojännityksen vaikutuksesta. Termiseen väsymiseen vaikuttavat seuraavat tekijät: Työvälineen lämpösykli esikuumennuslämpötila työvälineen pinnan lämpötila pitoaika korkeimmassa lämpötilassa jäähtymisnopeus Työvälinemateriaalin ominaisuudet lämpölaajenemiskerroin lämmönjohtavuus kuumamyötöraja päästönkestävyys virumislujuus sitkeys jännityksiä lisäävät tekijät pyöristykset, säteet, reiät, kulmat pinnan karheus Työvälineen l ämpösykli Esikuumennuslämpötila Lämpötilaero muottitilan pinnan ja sulan metallin välillä ei saa olla liian suuri. Tästä syystä suositellaan aina esikuumennusta. Esikuumennuslämpötilan on oltava alumiinille vähintään 180 C, jossa murtumissitkeys on lähes kaksinkertainen huoneenlämpötilaan verrattuna. Muottitilan pinnan lämpötila Muottitilan pinnan lämpötila vaikuttaa oleellisesti lämpösäröjen kehittymiseen. 600 C:seen asti tavallisten kuumatyöterästen lämpölaajeneminen ja jännitykset ovat kohtuullisia. Korkeimmissa lämpötiloissa lämpösäröily kasvaa selvästi. Muottitilan lämpötilaan vaikuttavat lähinnä esikuumennuslämpötila, metallin valulämpötila, valetun tuotteen muotoilu, muotin muoto ja koko sekä muottimateriaalin lämpöominaisuudet. Pitoaika korkeimmassa lämpötilassa Pitkä pitoaika lisää materiaalin päästymis- ja virumisriskiä. Tämä tarkoittaa mekaanisen lujuuden heikkenemistä ja huonompaa mekaanisten ja/tai lämpökuormitusten kestävyyttä. Jäähtymisnopeus Pintakerroksen jäähtymisnopeudella on suuri merkitys. Nopea jäähtyminen synnyttää suurempia jännityksiä ja aiheuttaa halkeamia aikaisemmassa vaiheessa. Jäähdytysaineen valinnassa on yleensä tehtävä kompromissi työvälineen halutun käyttöiän ja tuotantotahdin välillä. Useimmat painevalajat ovat ympäristösyistä siirtyneet käyttämään vesipohjaisia voiteluaineita öljypohjaisten sijaan. TyöVÄLINEmateriaalien perusominaisuudet Lämpölaajenemiskerroin Lämpölaajenemiskertoimen tulisi olla alhainen, jolloin lämpöjännitykset ovat pieniä. Lämmönjohtavuus Suuri lämmönjohtavuus alentaa työvälineen lämpötilaeroja ja sitä kautta termisiä jännityksiä. On kuitenkin vaikea ennustaa tai tutkia kokeellisesti lämmönjohtavuuden vaikutuksia. Kuumamyötöraja Korkea kuumamyötöraja pienentää plastista muodonmuutosta ja vähentää lämpösäröilyä. Päästönkestävyys Lämpösäröily lisääntyy, jos työvälinemateriaali pehmenee korkeissa lämpötiloissa. Siksi on tärkeää, että työvälinemateriaali kestää korkeita lämpötiloja pehmenemättä. Virumislujuus Mekaaninen kuormitus edistää selvästi pehmenemistä korkeassa lämpötilassa. Painevalussa materiaali joutuu sekä korkeaan lämpötilaan että mekaaniseen kuormitukseen. On selvää, että hyvän materiaalin on kestettävä korkean lämpötilan ja mekaanisen kuormituksen yhteisvaikutusta eli sillä on oltava hyvä virumislujuus. Kokeet ovat osoittaneet, että lämpösäröjä voi muodostua myös silloin, kun lämpö tila on vakio, mutta mekaaninen kuormitus on jaksottaista. kuumatyöteräkset 12
Sitkeys Työvälinemateriaalin sitkeyden mitta on kyky kestää plastista venymistä murtumatta. Termisen väsymisvaurion alkuvaiheessa materiaali kestää sitkeyden ansiosta tietyn määrän syklejä, ennen kuin näkyviä halkeamia ilmestyy tietyllä kuumamyötörajalla ja lämpösyklillä. Kun halkeamat kasvavat, sitkeyden vaikutus vähenee. Materiaalin sitkeys riippuu suuresti siinä olevien kuona sulkeumien ja suotautumien määrästä, ts. teräksen puhtaudesta ja homogeenisuudesta. Uddeholmin painevaluun tarkoitettujen terästen valmistuksessa käytetään erityisiä sulatus- ja puhdistusmenetelmiä, tarkoin ohjattua taontaa ja lämpökäsittelyä, joilla tietty mikrorakenne saadaan aikaan. Mainitut seikat parantavat sitkeyttä, etenkin suurten kappaleiden keskellä. Sulan valumetallin aiheuttama korroosio Painevalumuotissa korroosiota aiheuttaa muotin altistuminen sulalle valumetallille. Jos muottipesän pinnoissa ei ole suojakerrosta, valumetallia saattaa liueta muotin pintaan. Samanaikaisesti muotin seosaineita (erityisesti rautaa) liukunee muotin pinnasta valumetalliin. Nämä reaktiot saattavat, paitsi liuottaa terästä, myös muodostaa metalliyhdisteitä muottipintaan. Jos yhdisteitä syntyy runsaasti, valumetalli tarttuu kiinni muottipintaan. Korroosioon vaikuttavia tekijöitä Korroosion syntymiseen vaikuttavat monet tekijät: valumetallin lämpötila valumetallin koostumus muotin muotoilu pintakäsittely. Valumetallin lämpötila Valuseoksilla on kriittiset lämpötilat, joiden yläpuolella korroosio lisääntyy voimakkaasti. Sinkki alkaa reagoida teräksen kanssa n. 480 C:ssa ja alumiini n. 720 C:ssa. Jännityksiä lisäävät tekijät Pyöristykset, reiät, nurkat Lovivaikutukset ja suuret termiset rasitukset lisäävät jännityksiä ja rasitusta pyöristyksissä, rei'issä ja nurkissa. Lämpösäröjä ilmestyy näihin kohtiin aikaisemmin kuin tasaisille pinnoille. Lämpösäröjen ja pyöristysten yhteisvaikutus lisää työvälineen rikkoutumisvaaraa. Pinnan laatu Pintavirheet, kuten hiontajäljet, vaikuttavat halkeamien syntyyn samalla tavalla kuin pyöristykset, reiät ja nurkat. Suositeltavalla 220 660 meshin hionta-alueella pinnanlaatu ei vaikuta lämpösäröjen muodostumiseen. Vähemmän kiillotetun, esim. hiekkapuhalletun tai hapettuneen, pinnan etuna on, että voiteluaine kiinnittyy ja jakautuu tasaisesti muotin pintaan. Lisäksi kiinni tarttuminen vähenee, ja valukappale irtoaa helpommin. Tällä on merkitystä etenkin uuden muotin sisäänajovaiheessa. Kupariseoksilla ei näytä olevan selvää kriittistä lämpötilaa, mutta korroosio lisääntyy vähitellen lämpötilan noustessa. Korroosio- ja eroosiovauriot Kiinnitarttumisvaurio keernatapissa. kuumatyöteräkset 13
Valumetallin koostumus Puhtaat metallit vaurioittavat työvälinemateriaalia paljon nopeammin kuin kauppalaadut. Tämä koskee sekä sinkkiä että alumiinia. Korroosio lisääntyy työvälineen pinnalla myös silloin, jos alumiinisulan rautapitoisuus on alhainen. Muotin muotoilu Myös muotin muotoilu vaikuttaa korroosioriskiin. Jos sula metalli ruiskutetaan liian nopeasti, voiteluaine saattaa huuhtoutua pois muottipesän pinnoilta. Liian suuri ruiskutusnopeus johtuu yleensä porttikanavan virheellisestä muotoilusta. Pintakäsittely Muottiteräksen pintakäsittelyllä on korroosion kannalta suuri merkitys. Jos teräksen ja valumetallin kosketus voidaan välttää, korroosioriski pienenee huomattavasti. Oksidikerros muottipesän pinnassa antaa hyvän suojan. Myös erilaiset typetys- tai muut pintakäsittelyt tuottavat hyvän suojan. Myös sulan korkea lämpötila vaikuttaa haitallisesti, koska muottipesän pinta pehmenee tällöin helpommin. Kovat partikkelit, kuten sulkeumat ja/tai kovat pii suotautumat ylieutektisessa, yli 12,7 % piitä sisältävässä alumiinisulassa lisäävät eroosiovaurioita. Usein työväline altistuu korroosion ja eroosion yhteisvaikutukselle. Vallitsevan vaurion tyyppi riippuu lähinnä sulan virtausnopeudesta. Suurilla nopeuksilla yleisin vaurio on aina eroosio. Hyvä päästönkestävyys ja kuumalujuus ovat tärkeitä työvälinemateriaalin ominaisuuksia. Halkeaminen (täydellinen rikkoutuminen) Muottimateriaalin sitkeys on sama kuin sen kyky kestää vetojännityksiä murtumatta terävissä lovissa tai kohdissa, joissa jännitystä esiintyy. Kuumahalkeamat aiheuttavat teräviä lovia työvälineeseen. Muotin sitkeys riippuu muottimateriaalin ominaisuuksista ja sen lämpökäsittelystä. Koska mekaaniset ja lämpöjännitykset ovat työvälineessä jakautuneet kaikkiin suuntiin, sitkeyttä on arvioitava kaikissa suunnissa; pitkittäin, poikittain ja lyhyeltä poikittaissuunnalta. Uddeholm Dievar, Uddeholm Orvar Supreme/ Orvar Superior, Uddeholm Vidar Superior ja Uddeholm QRO 90 Supreme valmistetaan menetelmällä, joka parantaa mekaanisten ominaisuuksien isotrooppisuutta. Sulan valumetallin aiheuttama eroosio Eroosio on eräänlaista muottipesän pintojen mekaanista kuumakulumista, jota aiheuttaa lähinnä sulan virtaus. Eroosiovaurioihin vaikuttaa suuresti sulan virtausnopeus, lämpötila ja koostumus. Yli 55 m/s virtausnopeudet lisäävät eroosiovaurioita oleellisesti. Eroosio kuumatyöteräkset 14
Muotin pinnan lämpötilavaihtelut tuottavat voimakkaita jännityksiä, jotka voivat johtaa halkeamiin. Nämä lämpö shokin seurauksena syntyneet halkeamat saattavat johtaa työvälineen täydelliseen rikkoutumiseen, ja ovat sen yleisin syy. uddeholm Dievarin ja Orvar Supremen murtumissitkeys Materiaalin kykyä kestää jännityksiä murtumatta terävän loven kohdalta kutsutaan murtumissitkeydeksi. Uddeholm Orvar Supremen ja Uddeholm Dievarin murtumissitkeydet eri kovuuksilla on esitetty alla olevassa kuvassa. Painumat Jakopintojen tai muottitilan painumat johtuvat yleensä liian heikosta kuumalujuudesta. Korkeissa lämpötiloissa teräksen lujuus ja sen myötä kovuus alkavat heiketä. Mitä korkeampi työlämpötila on, sen suurempi on painumien vaara. Sekä muottipuoliskojen sulkupaine että metallin ruiskutuspaine ovat niin korkeita, että tietty kuumalujuus on tarpeen. Tämä koskee erityisesti alumiini-, magnesium- ja kupariseosten painevalua. Murtumissitkeys huoneenlämpötilassa (keskeltä ja lyhyt poikittaissuunta) kuumatyöteräkset 15
Taloudellisuus Pyrkimys kohti parempaa työvälinetaloudellisuutta on johtanut korkealaatuisten muottiterästen kehittämiseen. Koska työvälinekustannus on vain 10 20 %:n luokkaa valmiin, painevaletun alumiiniosan kokonaiskustannuksista, korkealuokkaisten, työvälineen ikää pidentävien muottiterästen käyttö on taloudellisesti kannattavaa. Painevalutyövälineen kestävyyteen vaikuttavat tärkeimmät tekijät ovat työvälineen materiaali, sen lämpökäsittely sekä painevaluprosessin ohjaus. Painevalumuotin materiaalikustannus on 5-15 % muottikustannuksista. Lämpökäsittelykustannusten osuus on 5-10 %. Alla oleva kuva osoittaa teräskustannuksen osuuden kokonaiskustannuksista. Muottimateriaaleille on viimeisten 20 vuoden aikana laadittu normeja, joissa on määritelty mm. teräksen kemiallinen koostumus, puhtausaste, mikrorakenne, kovuus, mekaaniset ominaisuudet ja huokosettomuus. Eräs tällä hetkellä kehittyneimpiä terästen ja niiden lämpökäsittelyä koskevia normeja on Special Quality Die Steel & Heat Treatment Acceptance Criteria for Die Casting Dies #207 2008, jonka on julkaissut North American Die Casting Association (NADCA). Kun työvälineen taloudellisuutta halutaan parantaa, se onnistuu lämpökäsittelyn avulla. Tavoitteena on pitää mittamuutokset ja vetely hyväksyttävissä rajoissa ja samalla saada aikaan paras mahdollinen kovuuden ja sitkeyden yhdistelmä. Tärkeimmät tekijät ovat karkaisulämpötila ja jäähtymisnopeus sammutuksessa. Kunnollinen esikuumennus ja jännitystenpoistohehkutus parantavat taloudellisuutta. Pintakäsittelyn avulla muotin pinta suojataan korroosiolta/eroosiolta ja termiseltä väsymiseltä. Työvälineen kunnossapitoon ja korjaukseen on kehitetty uusia hitsaustekniikoita, joilla työvälineen käyttöikää voidaan pidentää. Jokainen valmistusketjun lenkki teräksen valmistaja, työvälineen valmistaja, lämpökäsittelijä ja painevalaja tietää, että prosessin kaikissa vaiheissa voi esiintyä suuriakin laatutason vaihteluita. Parhaaseen tulokseen päästään vaatimalla kaikissa työvaihessa mahdollisimman hyvää laatua ja myös maksamalla siitä. Kustannusten jäävuori. kuumatyöteräkset 16
Tuoteohjelma Yleiskuvaus TYÖVÄLINETERÄKSET UDDEHOLM DIEVAR UDDEHOLM UNIMAX UDDEHOLM ORVAR SUPREME/ UDDEHOLM ORVAR SUPERIOR UDDEHOLM VIDAR SUPERIOR UDDEHOLM QRO 90 SUPREME UDDEHOLM QRO 90 HT UDDEHOLM IMPAX SUPREME MUOTTIRUNKOTERÄS UDDEHOLM HOLDAX Korkealaatuinen CrMoV-seosteinen kuumatyöteräs, jolla on hyvä kuumalujuus, erinomainen karkenevuus ja sitkeys. Uddeholm Dievar soveltuu alumiinin painevalussa keskikokoisiin ja suuriin muotteihin. Ylittää NADCA #207 2008:n vaatimukset. Korkealaatuinen CrMoV-seosteinen teräs, jolla on hyvä sitkeys ja kovuus 58 HRC saakka. Korkealaatuinen CrMoV-seosteinen kuumatyöteräs (H13), jolla on hyvä terminen väsymiskestävyys. Teräs valmistetaan erityisellä sulatusja puhdistustekniikalla ja se täyttää NADCA #207 2008:n vaatimukset. Korkealaatuinen CrMoV-seosteinen kuumatyöteräs (H11), jolla on hyvä halkeamiskestävyys ja se täyttää NADCA #207 2008:n vaatimukset. Korkealaatuinen kuumatyöteräs, jolla on hyvä kuumamyötölujuus ja päästönkestävyys. Uddeholm QRO 90 Supreme soveltuu erityisen hyvin kuparin ja messingin painevaluun sekä pieniin muottipaloihin ja keernoihin alumiinin painevalussa. Nuorrutettu Uddeholm QRO 90 Supreme on materiaali, jonka toimituskovuus on 37 41 HRC. Soveltuu keernatappeihin. Nuorrutettu NiCrMo-teräs, jonka toimituskovuus on 310 HB ja joka soveltuu sinkin, lyijyn ja tinan painevaluun sekä muottirunkomateriaaliksi ja prototyyppimuotteihin. Nuorrutettu teräs kiinnityslevyihin ja muottirunkoihin. Hyvä lastuttavuus. Toimituskovuus on n. 310 HB. kuumatyöteräkset 17
kemiallinen koostumus UDDEHOLMIN TYÖVÄLINETERÄKSET AISI (W.-Nr.) Analyysi % Muuta Toimituskovuus C Si Mn Cr Mo V Brinell (HB) DIEVAR 0,35 0,2 0,5 5,0 2,3 0,6 160 unimax 0,50 0,2 0,5 5,0 2,3 0,5 185 ORVAR SUPREME/ SUPERIOR VIDAR SUPERIOR H13 (1.2344) H11 (1.2343) 0,39 1,0 0,4 5,2 1,4 0,9 180 0,36 1,0 0,4 5,0 1,3 0,5 180 QRO 90 SUPREME 0,38 0,3 0,8 2,6 2,3 0,9 mikro- seost. 180 IMPAX SUPREME MUOTTIRUNKOTERÄS UDDEHOLM HOLDAX P20 parannettu (1.2738) 4140 mod. (1.2312) 0,37 0,3 1,4 2,0 0,2 Ni 1,0 310 0,40 0,4 1,5 1,9 0,2 S 0,07 310 VERTAILUTAULUKKO - KESTÄVYYS ERI VAURIOMEKANISMEJA VASTAAN UDDEHOLMIN päästön- kuuma- plastinen sitkeys karkene- TYÖVÄLINETERÄKSET kestävyys myötö- venyvyys vuus lujuus DIEVAR unimax orvar supreme orvar superior vidar superior QRO 90 supreme Kaikki teräkset testattu noin 44 46 HRC kovuudessa, paitsi Uddeholm Unimax 54 56 HRC kovuudessa. UDDEHOLMIN kuuma- rikkoutu- eroosio painuminen TYÖVÄLINETERÄKSET halkeilu minen DIEVAR unimax orvar supreme orvar superior vidar superior QRO 90 supreme kuumatyöteräkset 18
Teräslaji- ja kovuussuositukset Työvälineen osat Tina, lyijy, sinkki Alumiini, magnesium Kupari, messinki Kiinnityslevyt Holdax Holdax Holdax Runkolevyt (nuorrutettu) ~310 HB (nuorrutettu) ~310 HB (nuorrutettu) ~310 HB Impax Supreme Impax Supreme Impax Supreme (nuorrutettu) ~310 HB (nuorrutettu) ~310 HB (nuorrutettu) ~310 HB Muottipalat Impax Supreme ~310 HB Dievar 44 50 HRC Orvar Supreme/SUPERI- OR 46 52 HRC UNIMAX 52 56 hrc Orvar Supreme/superior, Vidar Superior 42 48 HRC 40 46 HRC Orvar Supreme/superior 40 46 HRC unimax** Muotokeernat Orvar Supreme/ Dievar 46 50 HRC Keernat SUPERIOR 46 52 HRC Orvar Supreme/superior, VIDAR SUPERIOR 40 46 HRC 44 48 HRC 42 48 HRC Keernatapit Orvar Supreme * 46 52 HRC 44 48 HRC 42 46 HRC Qro 90 HT* Qro 90 HT Hajottajat Orvar Supreme Orvar Supreme/ 48 52 HRC SUPERIOR 46 48 HRC 42 46 HRC 44 46 HRC Suuttimet Stavax ESR Orvar Supreme/ 40 44 HRC SUPERIOR 42 48 HRC 40 44 HRC Orvar Supreme Orvar Supreme/ 35 44 HRC 42 46 HRC SUPERIOR 42 48 HRC Ulostyöntötapit Orvar Supreme Orvar Supreme Orvar Supreme 46 50 HRC (typetetty) 46 50 HRC (typetetty) 46 50 HRC (typetetty) Sylinterit Orvar Supreme Orvar Supreme/ Männät 42 46 HRC (typetetty) SUPERIOR 42 46 HRC (typetetty) 42 48 HRC (typetetty) Orvar Supreme 42 46 HRC (typetetty) 42 48 HRC (typetetty) *suositellaan pintakäsittelyä ** pieniin Mg-muottipaloihin, joissa vaditaan hyvää eroosionkestävyyttä. kuumatyöteräkset 19
1. Kiinnityslevyt 2. Runkolevyt 3. Muottipalat 4. Muotokeernat 5. Keernat 6. Syöttöholkki 7. Hajottaja 8. Ulostyöntötapit kuumatyöteräkset 20
Uddeholm ASSAB Maailmanlaajuinen palveluverkosto Uddeholm on maailman johtava työvälinemateriaalien valmistaja. Tämän aseman olemme saavuttaneet tuomalla markkinoille jatkuvasti asiakkaidemme liiketoimintaa parantavia ratkaisuja. Pitkä perinne yhdistettynä tutkimukseen ja tuotekehitykseen antaa meille valmiudet ratkaista työvälineisiin liittyvät ongelmat. Johtavasta asemasta huolimatta on tavoiteemme säilynyt entisenä haluamme olla asiakkaillemme ensiluokkainen yhteistyökumppani ja terästoimittaja. Uddeholmin läsnäolo kaikilla mantereilla tarjoaa korkealaatuisen palvelun siellä missä asiakkaamme ovat. Uddeholmin tytäryhtiö ASSAB toimii tuotteidemme myyntikanavana määrätyillä markkina-alueilla. Olemme lähellä asiakkaitamme kaikkialla maailmassa. Kumppanuus merkitsee luottamusta. Luottamus on ansaittava joka päivä. Lisätietoja: Uddeholm Oy Ab, Ritakuja 1 (PL 57), 01741 Vantaa, puh. 010 841 4900, faksi 010 841 4980, info@uddeholm.fi www.uddeholm.fi kuumatyöteräkset 21