kuva
Etusivu / Lapin ammattikorkeakoulu - Lapin AMK / Esittely / Ajankohtaista / Raskaansarjan terästutkimusta
Blogikirjoitukset

Raskaansarjan terästutkimusta

Raimo Ruoppa kasvokuvassa.
1.12.2020 9:00

DI Raimo Ruoppa työskentelee erityisasiantuntijana Lapin ammattikorkeakoulun Uudistuvan teollisuuden osaamisryhmässä.

Uudistuvan teollisuuden osaamisryhmään kuuluva Arctic Steel and Mining (ASM) -tutkimusryhmä tekee työtä terästen konepajakäytettävyyteen liittyvissä hankkeissa sekä tuottaa erilaisia testauspalveluja yhteistyökumppaneille.

Ryhmän ydinosaamisaluetta ovat mm. erikoislujien terästen hitsattavuus ja muovattavuus. Kemissä sijaitsee rikkovan aineenkoetuksen laboratorio, jossa on erilaisia terästen muovattavuuden testaukseen soveltuvia laitteita. Viimeisen vuoden aikana ryhmän toimesta on mm. tehty runsaasti levyn reunan muovattavuuden tutkimukseen liittyviä testejä, joiden kehityksestä ja käyttöönotosta on julkaistu Pohjoisen tekijät -blogissa aiemmin blogiartikkeli [1].

Tämän lisäksi ryhmä toimii Torniossa ammattiopisto Lappialla, missä on erityisesti terästen särmättävyyden testaukseen soveltuvia laitteita. ASM tutkimusryhmä on ollut viime vuosina vahvasti mukana teräsyhtiö SSAB:n kehittäessä lujia teräksiä ja niiden ominaisuuksia. Ryhmän toiminta on laboratoriostandardin SFS-EN ISO/IEC 17025 mukaisesta ja toiminta on myös auditoitu SSAB:n toimesta.

Erikoislujat teräkset

SSAB on pitkälle erikoistunut, maailmanlaajuisesti toimiva teräsyhtiö, joka kehittää erikoislujia teräksiä ja on niiden maailmanmarkkinoiden johtava tuottaja. Erikoislujien terästen lujuus on n. 2 - 4 kertaa suurempi kuin ns. tavallisten rakenneterästen. Suuremman lujuuden ja alhaisemman sitkeyden vuoksi niiden työstäminen konepajoissa on haastavampaa ja vaatii annettujen ohjeiden noudattamista tarkasti.

Niiden käyttö rakenteissa ja muissa sovelluksissa antaa kuitenkin etuja verrattuna tavalliseen rakenneteräkseen. Niiden avulla rakenteita voidaan keventää, mikä vaikuttaa laitteiden suorituskykyyn ja vähentää kustannuksia sekä pidentää laitteiden käyttöikää. Erikoislujien rakenneterästen tyypillisiä sovelluskohteita ovat mm. nostureiden puomit ja runkorakenteet, kuorma-autojen ja niiden lavojen rungot ja pankot ja autojen turvakehikon osat, kuva 1 [2].


Kuva  1 Ruoppa.jpg
Kuva 1. Erikoislujien rakenneterästen tyypillisiä sovelluskohteita, kuva: Vili Kesti SSAB [2]

Erikoislujien terästen sovelluskohteissa komponenttien valmistus vaatii lähes poikkeuksetta särmäämistä eli levyn taivuttamista, joka onkin yleisimmin käytetty muovausmenetelmä. Erikoislujille teräksille se on usein myös paras tai jopa ainoa menetelmä muovaukseen.

Moderneissa lujista teräksistä valmistettavissa rakenteissa (esim. uuden sukupolven puomi- ja lavarakenteet) särmäämistä käytetään enenevissä määrin hyödyksi, ja sillä korvataan esim. hitsausta. Tällöin saavutetaan usein huomattavasti parempi rakenteen väsymiskestävyys, ja samalla myös osien tuotantokustannukset pienenevät.

Terästen lujuuden kasvaessa niiden taivutus tulee kuitenkin haasteellisemmaksi, ja on tärkeää hankkia tietoa niiden särmättävyydestä ja siihen vaikuttavista tekijöistä. Kun lujia teräksiä käytettäessä on tavoitteena mahdollisimman tehokas ja ongelmaton konepajaprosessi, särmäysohjeistuksen ja sen noudattamisen merkitys korostuu.

Tästä johtuen on tärkeää tutkia särmättävyyttä ns. täyden mittakaavan kokeilla, jotka suoritetaan oikeilla konepajasärmäimillä ja riittävän suurilla näytteillä. Tällöin pystytään antamaan asiakkaalle oikeanlaista käytännön ohjeistusta. Lapin ammattikorkeakoulu ja ammattiopisto Lappia pystyvät yhteistyössä tarjoamaan tarkoitukseen sopivia laitteita ja osaamista.


Särmättävyyden tutkimus

Särmättävyyden tutkimus ammattikorkeakoululla alkoi noin vuosikymmen sitten, jolloin ASM tutkimusryhmä osallistui särmäykseen liittyviin hankkeisiin Jalosärmä (Tutkimus ruostumattomien terästen särmättävyydestä sekä konenäön soveltamisesta) sekä KuURaK (tutkimus Kuumavalssattujen Ultralujien Rakenne- ja Kulutusterästen käytettävyydestä) [3,4].

Hankkeissa luotiin pohja työlle ja hankittiin tarvittava osaaminen, jota alettiin hyödyntää särmättävyyden tutkimuksessa. Myös SSAB:lla ja Oulun yliopistolla on kehitetty samanlaisia testausmenetelmiä, joten tuloksia on voitu vertailla keskenään ja saatua tulosaineistoa on hyödynnetty yhteistyössä tehdyissä tutkimuksissa ja julkaistu alan konferensseissa ja lehdissä [5-12].

Uusien terästuotteiden särmättävyyttä testataan myös jatkuvasti ja niiden perusteella SSAB laatii teräksiä käyttäville asiakkailleen ohjeita. Särmäystesteissä hyödynnettiin aluksi ammattiopisto Lappialla koulutuskäytössä olleita ”normi” särmäyspuristimia, mutta nykyisin käytössä on jo monipuolisempi laitekanta. Särmäyskokeiden suorittamisesta ja tulosten analysoinnista on kerrottu enemmän mm. Materia-lehdessä julkaistussa artikkelissa [2].


Hydromuovaimen käyttöönotto

Testattavien terästen lujuuden ja paksuuden kasvaessa alkoivat käytössä olleet särmäyspuristimet, joissa levynpaksuus voi teräksen lujuudesta riippuen olla maksimissaan noin 15 - 20 mm, käymään liian pieniksi. SSAB ja sen asiakkaat, jotka teräksiä käyttävät, kaipaavat tietoa myös erittäin paksujen, jopa 80 mm:n terästen särmättävyydestä.

Alettiin miettiä erilaisia vaihtoehtoja voimakkaamman puristimen hankkimiseksi testeihin. Syntyi ajatus, että Torniossa ammattiopisto Lappialla sijaitsevaa hydromuovainta voitaisiin käyttää myös särmäyskokeisiin.

Kuva 2 Ruoppa.jpg
Kuva 2. Hydromuovain Torniossa ammattiopisto Lappialla

Kuvassa 2 nähdään Torniossa Lappialla sijaitseva hydromuovain (suurpainemuovain), jonka historia juontaa juurensa 2000-luvun alkuun, jolloin toteutettiin Jaloterässtudio-hanke. Siinä hankittiin mm. erilaisia muovauslaitteita prototyyppivalmistusta varten. Laitteella putki tai levy voidaan muovata korkean jopa 5000 bar nestepaineen avulla haluttuun muotoon.

Laite oli alun perin hankittu VTT:lle Lappeenrantaan, mutta koska muovattavuuden tutkimus siellä lopetettiin, tuli laitteen sijoituspaikaksi lopulta Jaloterässtudio. Hankkeen jälkeen laite pysyi edelleen VTT:n omistuksessa, mutta myöhemmin se siirtyi ammattiopisto Lappian omistukseen.

Kuvassa 3 nähdään eräs esimerkki hydromuovaamalla valmistetusta kappaleesta. Teräsputkesta on valmistettu T-haarakappale, joita käytetään putkiliitoksissa. Perinteisesti kappale valmistetaan hitsaamalla liitäen kahdesta osasta, mutta hydromuovaamalla kappale voidaan valmistaa yhdestä putkesta ilman saumoja, mikä parantaa huomattavasti tuotteen mekaanisia ominaisuuksia. Tähän tarvitaan kunkin kappaleen mittojen mukaan valmistettu muotti, kuva 3.


Kuva 3 Ruoppa.jpg
Kuva 3. Hydromuovauksen periaate ja muotti [13] sekä Tornion hydromuovaimella valmistettu T-haarakappale

Koska paine hydromuovauksessa on erittäin korkea, suljetaan muotti laitteessa olevalla suurella puristimella, jossa voimaa on jopa 3000 tonnia. Laitetta on sen olemassaolon aikana käytetty suhteellisen vähän sen varsinaiseen tarkoitukseen eli hydromuovaukseen. Testejä on tehty erilaisissa muovaukseen liittyneissä tutkimushankkeissa ja sillä on tehty myös joitakin teollisuuden asiakkaiden tilaamia prototyyppejä.

Laajamittaista käyttöä on rajoittanut lähinnä muottien suhteellisen korkeat valmistuskustannukset. Ollakseen kannattavaa, valmistus hydromuovaamalla vaatisi suuria sarjakokoja. Näin ollen laitteen käyttö onkin rajoittunut pääasiassa perinteiseen muovaukseen hyödyntäen pelkästään em. suurta puristinta.

Kun idea puristimen käyttämisestä särmäystesteihin oli saatu, alettiin sitä kehittää eteenpäin. Projektin työnimenä oli ”ultimaattinen särmäri”, joksi laitetta usein edelleen kutsutaan. Aiemmin käytössä olleissa puristimissa maksimivoima oli noin 100 - 200 tonnia, nyt kehitettävällä uudella konseptilla tavoitteena oli päästä yli kymmenkertaiseen puristusvoimaan aiempaan verrattuna. Särmäyskokeita varten suunniteltiin työkalut ja ne rakennettiin tarkoituksenmukaisesta lujasta teräksestä.

Työkalujen valmistuttua ne otettiin käyttöön ja testaustoiminta saatiin käyntiin. Testausta on tehty jo viitisen vuotta ja tuloksena on saatu runsaasti tietoa paksujen terästen särmättävyydestä.

Kuvassa 4 nähdään särmäyskokeen suoritusta työkaluineen sekä taivutettuja levyjä, joiden paksuus on 30-60 mm. Paksuimmat taivutetut levyt ovat olleet jopa 80 mm, jolloin niiden paino nousee yli 300 kg. Sekä työkalujen että testattavien levyjen siirto onnistuu trukin avulla.

Tähän mennessä suoritetuissa testeissä suurimmat käytössä olleet voimat ovat olleet vasta n. neljännes laitteen maksimaalisesta 3000 tonnin kapasiteetista, joten terästen paksuutta ja lujuutta voidaan vielä kasvattaa.


Kuva 4 Ruoppa.jpg
Kuva 4. Hydromuovaimen särmäystyökalut ja taivutettuja teräsnäytteitä

Vastaavan suuruusluokan testauslaitteistoja on maailman mittapuullakin melko harvassa ja uuden laitteen käyttöönoton ansiosta sekä Lapin ammattikorkeakoulusta että ammattiopisto Lappiasta on tullut merkittävä toimija alalla. SSAB:lla yhteistyötä on luonnehdittu tärkeäksi yhtiössä tehtävän lujien terästen kehitystyön kannalta ja yhteistyön uskotaan jatkuvan tiiviinä myös tulevaisuudessa.

Särmäyskokeiden lisäksi Hydromuovaimen puristinta on käytetty välillä muuhunkin tarkoitukseen. Eräs konepaja tarvitsi U:n muotoon taivutettuja 50 mm:n terästangosta valmistettuja kappaleita ja tiedusteli, pystyisikö hydromuovaimella valmistamaan sellaisia. Vastasimme, että emme tiedä, mutta uskoisimme sellaisen olevan mahdollista. Taivuttamista kokeiltiin ja niinhän siinä kävi, että viisaampi antoi periksi.

Kuvassa 5 ASM tutkimusryhmässä mm. särmäyskokeiden parissa työskentelevä projekti-insinööri Esa Koskela juuri taivuttamansa tangon kanssa.
Kypäräpäinen mies pitelee kaksi käsin teräsputkea
Kuva 5. Projekti-insinööri Esa Koskela ja hydromuovaimella taivutettu 50 mm:n terästanko

Lähteet

1. Ruoppa, R., Vierelä, R., Rautio, P., Uusia menetelmiä terästen tutkimukseen, Pohjoisen Tekijät blogikirjoitus, Lapin ammattikorkeakoulu 2019, https://www.lapinamk.fi/blogs/Uusia-menetelmia-terasten-tutkimukseen/dottwdnc/04ace245-c854-48cc-af1c-bbd560d4e75e

2. Ruoppa, R, Keltamäki, K., Toppila, Kesti, V., Ultralujien ja kulutuskestävien terästen käytettävyys. MATERIA 3/2017, ss. 54.59, Helsinki 2017, https://vuorimiesyhdistys.fi/wp-content/uploads/2019/09/Materia_2017-3.pdf

3. Toppila, R., Joutsenvaara, J., Tutkimus ruostumattomien terästen särmättävyydestä sekä konenäön soveltamisesta. Lapin AMKin julkaisuja, Sarja B. Raportit ja selvitykset 25/2014

4. Ruoppa, R., Sipola, J., Maronen, J., Ultralujien terästen särmättävyyden ja takaisinjouston määritys konenäön avulla sekä taivutusvoimat, KuURaK -projektin särmäyskokeet. Kemi-Tornion ammattikorkeakoulun julkaisuja, Sarja B. Raportit ja julkaisut 23/2013

5. Kaijalainen, A., Kesti, V., Heikkala, J., Ruoppa, R., Porter, D., Kömi, J., Bendability of shot blasted ultrahigh-strength steels. Thermec 2018, Paris, France, 9-13 July 2018.

6. Ruoppa, R., Vierelä, R., Ylitolva, M., Toppila, R., Kesti, V., Bending tests of very thick plates with advanced research techniques and equipment. METNET Seminar 2017, Cottbus, Germany, 11-12 October 2017.

7. Ruoppa, R., Keltamäki, K., Toppila, R., Kesti, V., Research of ultra-high-strength and wear-resistant steels using advanced techniques. METNET Seminar 2016, Castellon, Spain, 11-12 October 2016.

8. Kesti, V., Kaijalainen, A.J., Mourujärvi, J., Ruoppa, R., Bendability and microstructure of Optim® 700 MC Plus. Nordic Steel Construction Conference, Tampere, Finland, 23-25 September 2015

9. Arola, A-M., Kesti, V., Ruoppa, R., The Effect of Punch Radius on the Deformation of Ultra-High Strength Steel in Bending. Proceedings of the 16th International Conference on Sheet Metal, pp 139-146, Erlangen, Germany, 16-18 March, 2015

10. Ruoppa, R., Toppila, R., Kesti, V., Arola, A_M., Bendability tests for ultra-high-strength steels with optical strain analysis and prediction of bending force, Proceedings of the METNET Seminar 2014, Moscow, Russia, 21-22 October 2014.

11. Siltanen, J., Kesti, V., Ruoppa, R., Longitudinal bendability of laser welded special steelsin a butt joint configuration, Proceedings of International Congress on Applications of Lasers & Electro–Optics, October 19-23, San Diego, USA, 2014.

12. Kesti, V., Kaijalainen, A., Väisänen, A., Järvenpää, A., Määttä, A., Arola, A-M., Mäntyjärvi, K., Ruoppa, R., Bendability and microstructure of direct quenched Optim 960QC. Materials Science Forum Vols. 783-786 (2014) pp 818-824, Trans Tech Publications, Switzerland.

13. Ray, P and Mac Donald, P.J., Experimental study and finite element analysis of simple X- and T-branch tube hydroforming processes. International Journal of Mechanical Sciences Volume 47, Issue 10, October 2005, Pages 1498-1518.

 

Pohjoisen tekijät -blogin etusivulle