{"id":345,"date":"2016-04-25T15:32:33","date_gmt":"2016-04-25T12:32:33","guid":{"rendered":"https:\/\/blogi.eoppimispalvelut.fi\/lumenlehti\/?p=345"},"modified":"2017-12-12T11:14:02","modified_gmt":"2017-12-12T09:14:02","slug":"ultralujien-terasten-sarmattavyyden-tutkimus-arctic-steel-and-mining-asm-tutkimusryhmassa","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogi.eoppimispalvelut.fi\/lumenlehti\/2016\/04\/25\/ultralujien-terasten-sarmattavyyden-tutkimus-arctic-steel-and-mining-asm-tutkimusryhmassa\/","title":{"rendered":"Ultralujien ter\u00e4sten s\u00e4rm\u00e4tt\u00e4vyyden tutkimus ASM-tutkimusryhm\u00e4ss\u00e4"},"content":{"rendered":"

Lataa PDF-tiedosto<\/a><\/p>\n

Raimo Ruoppa, DI, erityisasiantuntija, Teollisuus ja luonnonvarat, Arctic Steel and Mining (ASM), Lapin ammattikorkeakoulu<\/em><\/p>\n

Vi<\/em>li Kesti, DI,<\/em> Specialist, Forming technology, Knowledge Service Center, SSAB Europe Oy<\/em><\/p>\n

Ultralujat ter\u00e4kset<\/h2>\n

Ultralujilla rakenne- ja kulutuster\u00e4ksill\u00e4 tarkoitetaan yleisesti ter\u00e4slaatuja, joiden my\u00f6t\u00f6lujuus on yli 550 N\/mm2<\/sup> ja murtolujuus yli 700 N\/mm2<\/sup> ts. niiden lujuus on v\u00e4hint\u00e4\u00e4n n. 1,5 – 2,5 kertaa suurempi kuin ns. tavallisten rakenneter\u00e4sten. Lujat ter\u00e4kset soveltuvat pitk\u00e4lti ty\u00f6stett\u00e4viksi konepajoissa, mutta suuremman lujuuden ja alhaisemman sitkeyden vuoksi niiden ty\u00f6st\u00e4minen on haastavampaa ja vaatii annettujen ohjeiden noudattamista tarkasti. Ultralujien ter\u00e4sten k\u00e4ytt\u00f6 rakenteissa ja muissa sovelluksissa antaa kuitenkin etuja verrattuna tavalliseen rakenneter\u00e4kseen. Niiden avulla rakenteita voidaan kevent\u00e4\u00e4, mik\u00e4 vaikuttaa laitteiden suorituskykyyn ja v\u00e4hent\u00e4\u00e4 kustannuksia sek\u00e4 pident\u00e4\u00e4 laitteiden k\u00e4ytt\u00f6ik\u00e4\u00e4. Ne soveltuvatkin erinomaisesti esimerkiksi painokriittisten sovellusten valmistusmateriaaleiksi. Rakenteiden kevent\u00e4minen tarkoittaa my\u00f6s sit\u00e4, ett\u00e4 ter\u00e4ksen menekki ja sit\u00e4 kautta my\u00f6s valmistusm\u00e4\u00e4r\u00e4 on pienempi, jolloin saavutetaan esim. pienemm\u00e4t hiilidioksidip\u00e4\u00e4st\u00f6t valmistuksen aikana. Ultralujien rakenneter\u00e4sten tyypillisi\u00e4 sovelluskohteita ovat mm. nostureiden puomit ja runkorakenteet, kuorma-autojen ja niiden lavojen rungot ja pankot ja autojen turvakehikon osat (kuva 1).<\/p>\n

\"RuoppaKuva1\"<\/a><\/p>\n

Kuva 1<\/strong>. Ultralujien rakenneter\u00e4sten tyypillisi\u00e4 sovelluskohteita<\/p>\n

Kulutuster\u00e4sten tyypillisi\u00e4 k\u00e4ytt\u00f6kohteita ovat mm. maansiirtokoneiden kauhat ja huulilevyt, kaivoskoneet, betoniautojen ja -asemien kulutusosat, maatalous- ja puunk\u00e4sittelykoneet, lavarakenteet sek\u00e4 sy\u00f6ttimet, suppilot ja erilaisten murskaimien ter\u00e4t. Kuvassa 2 on esitelty ultralujien kulutuster\u00e4sten tyypillisi\u00e4 sovelluskohteita.<\/p>\n

\"RuoppaKuva2\"<\/a><\/p>\n

Kuva 2<\/strong>. Ultralujien kulutuster\u00e4sten tyypillisi\u00e4 sovelluskohteita<\/p>\n

Perustellusti voidaan sanoa, ett\u00e4 ultralujien ter\u00e4sten k\u00e4ytt\u00f6 konepajateollisuudessa edist\u00e4\u00e4 luonnonvarojen \u00e4lyk\u00e4st\u00e4 k\u00e4ytt\u00f6\u00e4 sek\u00e4 luonnonvarojen ja olosuhteiden hy\u00f6dynt\u00e4mist\u00e4 kest\u00e4v\u00e4ll\u00e4 ja tehokkaalla tavalla. Alla olevassa esimerkiss\u00e4 havainnollistetaan, miten erikoislujaan ter\u00e4kseen siirtyminen pienent\u00e4\u00e4 hiilidioksidip\u00e4\u00e4st\u00f6j\u00e4 ajoneuvojen elinkaarin\u00e4k\u00f6kulmasta.<\/p>\n

Otetaan esimerkiksi kuvassa 3 esitetty tapaus, jossa ajoneuvojen valmistukseen k\u00e4ytetty 1,3 miljoonaa tonnia tavallista ter\u00e4st\u00e4 korvataan miljoonalla tonnilla ultralujaa ter\u00e4st\u00e4.<\/p>\n

    \n
  1. Kun siirryt\u00e4\u00e4n k\u00e4ytt\u00e4m\u00e4\u00e4n ultralujaa ter\u00e4st\u00e4, ter\u00e4st\u00e4 k\u00e4ytet\u00e4\u00e4n v\u00e4hemm\u00e4n, mutta sovelluksen suorituskyky s\u00e4ilyy muuttumattomana. N\u00e4in ter\u00e4ssovelluksen paino pienenee ja ter\u00e4ksen valmistustarve v\u00e4henee. Lis\u00e4ksi resursseja tarvitaan v\u00e4hemm\u00e4n.<\/li>\n
  2. Per\u00e4ti 90 % ymp\u00e4rist\u00f6vaikutuksen pienenemisest\u00e4 voidaan yhdist\u00e4\u00e4 k\u00e4ytt\u00f6vaiheen pienentyneeseen polttoaineenkulutukseen, joka johtuu kevyemmist\u00e4 ajoneuvoista.<\/li>\n
  3. Elinkaarin\u00e4k\u00f6kulmasta tarkasteltuna tapaus osoittaa, ett\u00e4 ultralujia ter\u00e4ksi\u00e4 k\u00e4ytt\u00e4m\u00e4ll\u00e4 voidaan saavuttaa suuret s\u00e4\u00e4st\u00f6t.<\/li>\n<\/ol>\n

    \"RuoppaKuva3\"<\/a><\/p>\n

    Kuva 3<\/strong>. Esimerkki hiilidioksidip\u00e4\u00e4st\u00f6jen v\u00e4henemisest\u00e4 ultralujien ter\u00e4sten k\u00e4yt\u00f6n ansiosta<\/p>\n

      \n
    1. Kun ter\u00e4ksentuotannon tarve v\u00e4henee 300 000 tonnilla, alkup\u00e4\u00e4n toimittajien hiilidioksidip\u00e4\u00e4st\u00f6t v\u00e4henev\u00e4t 200 000 tonnilla, koska tarvittavan energian ja raaka-aineiden m\u00e4\u00e4r\u00e4 v\u00e4henee.<\/li>\n
    2. Kun ter\u00e4st\u00e4 tuotetaan 300 000 tonnia v\u00e4hemm\u00e4n, aiheuttaa SSAB:n ter\u00e4stuotanto 500 000 tonnia v\u00e4hemm\u00e4n hiilidioksidip\u00e4\u00e4st\u00f6j\u00e4.<\/li>\n
    3. Jos Euroopan nykyinen ajoneuvokanta p\u00e4ivitett\u00e4isiin, hiilidioksidip\u00e4\u00e4st\u00f6t pienenev\u00e4t 7,3 miljoonalla tonnilla.<\/li>\n
    4. T\u00e4ss\u00e4 kuvitteellisessa tapauksessa hiilidioksidip\u00e4\u00e4st\u00f6t v\u00e4henev\u00e4t kokonaisuudessaan noin 8 miljoonalla tonnilla.<\/li>\n<\/ol>\n

      http:\/\/www.ssab.fi\/ <\/a><\/p>\n

      S\u00e4rm\u00e4tt\u00e4vyyden tutkiminen<\/h2>\n

      Ultralujien ter\u00e4sten s\u00e4rm\u00e4tt\u00e4vyyden tutkimus aloitettiin Kemi-Tornion ammattikorkeakoululla Materiaalien k\u00e4ytett\u00e4vyyden tutkimusryhm\u00e4n TEKES-rahoitteisessa KuURaK-projektissa (tutkimus Kuumavalssattujen Ultralujien Rakenne- ja Kulutuster\u00e4sten k\u00e4ytett\u00e4vyydest\u00e4), joka toteutettiin v. 2009\u20132012. Sittemmin ty\u00f6t\u00e4 on jatkettu Lapin ammattikorkeakoulun Arctic Steel and Mining (ASM) tutkimusryhm\u00e4ss\u00e4 eri projekteissa sek\u00e4 suorana palvelutoimintana. Tutkimuskumppanina projekteissa sek\u00e4 asiakkaana ja koemateriaalien toimittajana on ollut ter\u00e4syhti\u00f6 Ruukki Metals Oy, joka sittemmin on muuttunut SSAB Europe Oy:ksi.<\/p>\n

      Ultralujien ter\u00e4sten sovelluskohteissa komponenttien valmistus vaatii l\u00e4hes poikkeuksetta s\u00e4rm\u00e4\u00e4mist\u00e4, joka onkin yleisimmin k\u00e4ytetty muovausmenetelm\u00e4. Ultralujille ter\u00e4ksille se on usein my\u00f6s paras tai jopa ainoa menetelm\u00e4 muovaukseen, etenkin suurempien paksuuksien ollessa kyseess\u00e4. Moderneissa lujista ter\u00e4ksist\u00e4 valmistettavissa rakenteissa (esim. uuden sukupolven puomi- ja lavarakenteet) s\u00e4rm\u00e4\u00e4mist\u00e4 k\u00e4ytet\u00e4\u00e4n eneneviss\u00e4 m\u00e4\u00e4rin hy\u00f6dyksi ja sill\u00e4 korvataan esim. hitsausta. T\u00e4ll\u00f6in saavutetaan usein huomattavasti parempi rakenteenv\u00e4symiskest\u00e4vyys ja samalla my\u00f6s osien tuotantokustannukset pienenev\u00e4t.<\/p>\n

      Ter\u00e4sten lujuuden kasvaessa niiden taivutus tulee kuitenkin haasteellisemmaksi ja on t\u00e4rke\u00e4\u00e4 hankkia tietoa niiden s\u00e4rm\u00e4tt\u00e4vyydest\u00e4 ja siihen vaikuttavista tekij\u00f6ist\u00e4. Kun lujia ter\u00e4ksi\u00e4 k\u00e4ytett\u00e4ess\u00e4 on tavoitteena mahdollisimman tehokas ja ongelmaton konepajaprosessi, s\u00e4rm\u00e4ysohjeistuksen ja sen noudattamisen merkitys korostuu. T\u00e4st\u00e4 johtuen on t\u00e4rke\u00e4\u00e4 tutkia s\u00e4rm\u00e4tt\u00e4vyytt\u00e4 ns. t\u00e4yden mittakaavan kokeilla, jotka suoritetaan oikeilla konepajas\u00e4rm\u00e4imill\u00e4 ja riitt\u00e4v\u00e4n suurilla n\u00e4ytteill\u00e4. T\u00e4ll\u00f6in pystyt\u00e4\u00e4n antamaan asiakkaalle oikeanlaista k\u00e4yt\u00e4nn\u00f6n ohjeistusta.<\/p>\n

      S\u00e4rm\u00e4yksess\u00e4 ter\u00e4levy taivutetaan esim. hydraulisella puristimella taivuttamalla levy painimen avulla V-aukkoon, jolloin puhutaan ns. kolmipistetaivutuksesta. Kuvassa 4 n\u00e4hd\u00e4\u00e4n s\u00e4rm\u00e4yskokeissa k\u00e4ytetty ammattiopisto Lappian Kemin tekniikan yksik\u00f6n kone-ja metallipuolella sijaitseva s\u00e4rm\u00e4yspuristin. Kuvassa 5 on havainnollistettu s\u00e4rm\u00e4ystapahtumaa kolmipistetaivutuksessa.<\/p>\n

      \"RuoppaKuva4\"<\/a><\/p>\n

      Kuva 4<\/strong>. S\u00e4rm\u00e4yspuristin ammattiopisto Lappian tiloissa Kemiss\u00e4<\/p>\n

      \"RuoppaKuva5\"<\/a><\/p>\n

      Kuva 5<\/strong>. Ter\u00e4slevyn s\u00e4rm\u00e4ys V-aukkoon: a) painin ala-asennossa, b) painin vapautettu. Takaisinjouston vuoksi kulma aukeaa painimen vapauduttua ala-asennosta<\/p>\n

      Kuvassa 5 n\u00e4hd\u00e4\u00e4n havainnollisesti my\u00f6s takaisinjouston esiintyminen, jota tapahtuu aina kolmipistetaivutuksessa levyn joustaessa eli kulman avautuessa sen j\u00e4lkeen kun painin on noussut yl\u00f6s ala-asennosta. Takaisinjousto johtuu siit\u00e4, ett\u00e4 materiaalissa tapahtuu plastisen eli pysyv\u00e4n muodonmuutoksen lis\u00e4ksi ns. kimmoinen eli palautuva muodonmuutos. S\u00e4rm\u00e4tt\u00e4vyytt\u00e4 tutkittaessa voidaan mitata takaisinjouston suuruus k\u00e4ytt\u00e4en esim. videokameraa. Menetelm\u00e4ss\u00e4 videosta poimitaan kuvissa 5 a ja b n\u00e4ht\u00e4v\u00e4 kuvapari ala-asennossa ja painimen vapauduttua ja mitataan kuvista kulmien v\u00e4linen ero, mik\u00e4 ilmaisee takaisinjouston suuruuden. Takaisinjousto on sit\u00e4 suurempi mit\u00e4 lujempaa ter\u00e4s on ja sen suuruuden tunteminen on hy\u00f6dyllist\u00e4 konepajoille, jotka valmistavat niist\u00e4 tuotteita.<\/p>\n

      Ter\u00e4ksen lujuuden kasvaessa sen muodonmuutoskyky usein heikkenee ja sit\u00e4 kautta muovattavuus huononee ja t\u00e4ll\u00f6in on k\u00e4ytett\u00e4v\u00e4 suurempaa taivutuss\u00e4dett\u00e4. Kuvassa 5 n\u00e4hd\u00e4\u00e4n painimena k\u00e4ytetty py\u00f6re\u00e4 akseli, jolla on tietty s\u00e4de eli halkaisijan puolikas, mik\u00e4 m\u00e4\u00e4ritt\u00e4\u00e4 taivutettavan levyn taivutuss\u00e4teen. Taivutuss\u00e4teen pienentyess\u00e4 materiaalin venyminen s\u00e4rm\u00e4n ulkopinnalla on paikallisesti suurempi ja taipumus erilaisten vikojen syntymiselle kasvaa. S\u00e4rm\u00e4yskokeissa pyrit\u00e4\u00e4n usein m\u00e4\u00e4ritt\u00e4m\u00e4\u00e4n minimitaivutuss\u00e4de, joka tarkoittaa pienint\u00e4 s\u00e4dett\u00e4, jolla levy voidaan taivuttaa ilman ett\u00e4 siin\u00e4 tapahtuu vaurioitumista. Pinnan arvioimiseen k\u00e4ytet\u00e4\u00e4n visuaalista tarkastelua, jossa s\u00e4rm\u00e4n ulkopintaan syntyvien s\u00e4r\u00f6jen vakavuusastetta arvioidaan. Kuvassa 6 on havainnollistettu erilaisia s\u00e4rm\u00e4yksess\u00e4 syntyneit\u00e4 vikoja. Hyv\u00e4ksytt\u00e4v\u00e4lle s\u00e4rm\u00e4n laadulle on annettu minimivaatimukset ja sen mukaan kokeen tuloksena saadaan joko hyv\u00e4ksytty tai hyl\u00e4tty s\u00e4rm\u00e4.<\/p>\n

      \"RuoppaKuva6\"<\/a><\/p>\n

      Kuva 6<\/strong>. a) Hyv\u00e4ksytty s\u00e4rm\u00e4ys, b) ja c) liian pienell\u00e4 taivutuss\u00e4teell\u00e4 s\u00e4rm\u00e4ttyyn ter\u00e4kseen syntyneit\u00e4 vaurioita<\/p>\n

      M\u00e4\u00e4ritett\u00e4ess\u00e4 minimitaivutuss\u00e4dett\u00e4 tehd\u00e4\u00e4n riitt\u00e4v\u00e4 m\u00e4\u00e4r\u00e4 toistoja onnistuneella taivutuss\u00e4teell\u00e4, jotta saadaan varmuus materiaalin kest\u00e4miselle. T\u00e4m\u00e4n perusteella materiaalin valmistaja voi luvata ko. materiaalin s\u00e4rm\u00e4ykselle minimitaivutuss\u00e4teeksi esim. kolme kertaa levynpaksuus (Rmin <\/sub>= 3t).<\/p>\n

      S\u00e4rm\u00e4ttyj\u00e4 n\u00e4ytteit\u00e4 voidaan tutkia my\u00f6s sen j\u00e4lkeen kun ne on taivutettu, jolloin saadaan syv\u00e4llisemp\u00e4\u00e4 tietoa s\u00e4rm\u00e4yksess\u00e4 tapahtuvista metallurgisista ilmi\u00f6ist\u00e4. Kuvassa 7 n\u00e4hd\u00e4\u00e4n ASM tutkimusryhm\u00e4n k\u00e4yt\u00f6ss\u00e4 oleva GOM Aramis kuvauslaitteisto analysoimassa s\u00e4rm\u00e4tty\u00e4 levy\u00e4 ja sen avulla muodostettu venym\u00e4jakaumakuva s\u00e4rm\u00e4tyn levyn pinnasta. Ennen taivutusta levyn pintaan on merkattu laserilla ympyr\u00e4verkkokuvio, jossa tapahtuneiden muutosten perusteella tietokoneohjelma laskee pinnan venym\u00e4t ja muodostaa kuvassa 7 b n\u00e4ht\u00e4v\u00e4n kuvan. Saatujen tulosten avulla voidaan selvitt\u00e4\u00e4 esim., mit\u00e4 pinnan vaurioituessa tapahtuu ja mitk\u00e4 tekij\u00e4t siihen vaikuttavat, mik\u00e4 taas auttaa ter\u00e4ksen valmistajaa kehitt\u00e4ess\u00e4 omia tuotteitaan.<\/p>\n

      \"RuoppaKuva7\"<\/a><\/p>\n

      Kuva 7<\/strong>. Venymien m\u00e4\u00e4ritys s\u00e4rm\u00e4tyn kappaleen pinnalta GOM Argus laitteistolla<\/p>\n

      S\u00e4rm\u00e4ttyj\u00e4 n\u00e4ytteit\u00e4 voidaan tutkia my\u00f6s pintaa syvemm\u00e4lt\u00e4 k\u00e4ytt\u00e4en hyv\u00e4ksi tarkoitukseen sopivaa mikroskooppia. S\u00e4rm\u00e4n poikkileikkauksesta valmistetaan hie, mist\u00e4 voidaan tutkia ter\u00e4ksen mikrorakennetta ja taivutuksessa syntyneit\u00e4 s\u00e4r\u00f6j\u00e4 sek\u00e4 tehd\u00e4 kovuusmittauksia. Kuvassa 8 n\u00e4hd\u00e4\u00e4n mikroskooppikuva, josta on m\u00e4\u00e4ritetty minimikovuuksien perusteella neutraaliakselin sijainti ts. linja, jolla metallissa ei tapahdu lainkaan muokkautumista. Neutraaliakselin ulkokaaren puolella materiaalissa tapahtuu venymist\u00e4 kun taas sis\u00e4kaaren puolella metallissa tapahtuu ns. tyss\u00e4ymist\u00e4. Neutraaliakselin sijainnin avulla m\u00e4\u00e4ritet\u00e4\u00e4n ns. ter\u00e4ksen k-kerroin, jota k\u00e4ytet\u00e4\u00e4n konepajoissa suunniteltaessa s\u00e4rm\u00e4\u00e4m\u00e4ll\u00e4 valmistettavia osia. Sen avulla voidaan tarkemmin m\u00e4\u00e4ritt\u00e4\u00e4 taivutettavan kappaleen aihion muoto, jolloin materiaalihukka ja j\u00e4lkity\u00f6st\u00f6n tarve v\u00e4henee.<\/p>\n

      \"RuoppaKuva8\"<\/a><\/p>\n

      Kuva 8<\/strong>. S\u00e4rm\u00e4n poikkileikkauksen mikrorakennekuva. Neutraaliakseli on merkitty kovuusmittausten perusteella punaisilla pisteill\u00e4<\/p>\n

      S\u00e4rm\u00e4yksess\u00e4 tarvittava puristusvoima riippuu taivutettavan materiaalin lujuudesta ja kappaleen paksuudesta ja taivutuspituudesta sek\u00e4 k\u00e4ytett\u00e4vist\u00e4 ty\u00f6kaluista. S\u00e4rm\u00e4yskokeissa mitataan taivutusvoimia, joiden perusteella on kehitetty malleja taivutusvoiman ennustamiseksi, mik\u00e4 helpottaa tuotteiden valmistuksen suunnittelua. Ter\u00e4sten paksuuden ja lujuuden kasvaessa Kemiss\u00e4 k\u00e4yt\u00f6ss\u00e4 olleen 220 tonnin s\u00e4rm\u00e4yspuristimen voima ei ole en\u00e4\u00e4 kuitenkaan ollut riitt\u00e4v\u00e4, vaan on syntynyt tarvetta saada k\u00e4ytt\u00f6\u00f6n suurempi puristin.<\/p>\n

      \"RuoppaKuva9\"<\/a><\/p>\n

      Kuva 9<\/strong>. a) Tornion Jaloter\u00e4sstudion hydromuovauspuristin ja b) siihen rakennetut s\u00e4rm\u00e4ysty\u00f6kalut<\/p>\n

      T\u00e4h\u00e4n on l\u00f6ytynyt ratkaisuksi Tornion Jaloter\u00e4sstudiolla sijaitseva hydromuovauspuristin, jossa p\u00e4\u00e4sylinterin maksimivoima on 3000 tonnia, kuva 9 a. Laitteen varsinainen k\u00e4ytt\u00f6tarkoitus on esim. putkien hydromuovaus, mutta yhteisty\u00f6ss\u00e4 SSAB:n kanssa alettiin suunnitella puristimen k\u00e4ytt\u00e4mist\u00e4 my\u00f6s paksujen ter\u00e4sten s\u00e4rm\u00e4yskokeisiin. Puristimeen valmistettiin ty\u00f6kalut, joita voidaan k\u00e4ytt\u00e4\u00e4 jopa 60 mm:n paksuisille lujille ter\u00e4ksille, kuva 9 b. Laitteella on alettu tehd\u00e4 s\u00e4rm\u00e4yskokeita vuoden 2015 syksyst\u00e4 l\u00e4htien ja niit\u00e4 tullaan tekem\u00e4\u00e4n tulevaisuudessa eneneviss\u00e4 m\u00e4\u00e4rin.<\/p>\n

      Muun tutkimustoiminnan ohessa s\u00e4rm\u00e4ystutkimuksen kehitt\u00e4minen Arctic Steel and Mining (ASM) tutkimusryhm\u00e4ss\u00e4 yhteisty\u00f6ss\u00e4 SSAB:n kanssa on tehnyt Lapin AMK:sta merkitt\u00e4v\u00e4n yhteisty\u00f6kumppanin ultralujien ter\u00e4sten kehitt\u00e4misty\u00f6ss\u00e4 ja olemme p\u00e4\u00e4sseet osaksi muovaustutkimusklusteria, johon kuuluu SSAB, Outokumpu, Lapin AMK ja Oulun yliopisto. Yhteisty\u00f6n tuloksena on kirjoitettu useita kansainv\u00e4lisi\u00e4 julkaisuja, joita on lueteltu alla.<\/p>\n