Metallin kuumamuokkaus

Metallin kuumamuokkaus viittaa prosessiin, jossa materiaalille tehdään pysyvä muodonmuutos lämpötilassa, joka ylittää rekristallisaatioon vaadittavan lämpötilan. Dynaamisessa rekristallisaatiossa pysyvästi muokatut rakeet kristallisoituvat uudelleen. Tämä on tärkeää, koska rekristallaatio estää materiaalin muokkauskovettumisen, mikä puolestaan pitää myötölujuuden ja kovuuden alhaisena ja sitkeyden korkeana. Jos lämpötila on kuitenkin alempi, kyseessä on kylmämuokkaus.

Metalleja kuumamuokataan, jotta niiden valuperäinen karkea raerakenne saataisiin hienommaksi. Raekoon pienentäminen lisää materiaalin lujuutta, sitkeyttä ja murtositkeyttä, sekä parantaa jatkovalmistettavuutta.

Lämpötila

Kuumamuokkauksen lämpötilan alarajana voidaan pitää sen rekristallaatio-lämpötilaa. Yleisesti lämpötilan alaraja on 0,6-kertainen materiaalin sulamispisteeseen nähden (absoluuttisella lämpöasteikolla). Kuumamuokkauslämpötilan ylärajaan puolestaan vaikuttaa useampi tekijä, kuten liiallinen hapettuminen, rakeen kasvu tai ei-toivottu faasimuutos. Käytännössä metalli kuumennetaan ensin kuumamuokkauslämpötilan ylärajalle, jotta muodostusvoimat ovat mahdollisimman alhaisia ja työkappaleen muokkaukseen käytettävissä oleva aika voitaisiin maksimoida.

Kaikista tärkein asia, missä kuumamuokkausprosessissa tahansa, on työstettävän kappaleen lämpötilan tarkkailu. 90 % työkappaleeseen välittyneestä energiasta muuntuu lämmöksi. Sen takia, muodonmuutosprosessin ollessa tarpeeksi nopea, kappaleen lämpötilan pitäisi nousta. Näin ei kuitenkaan tapahdu käytännössä. Suurin osa lämmöstä menetetään työstettävän kappaleen pinnan läpi viileämpään koneistoon. Tämä aiheuttaa lämpötilan alenemisen kappaleessa, joka johtuu normaalisti epäyhtenäisestä poikkileikkauspinnasta, missä ohuemmat leikkaukset ovat viileämpiä kuin paksummat leikkauskohdat. Kaiken kaikkiaan tämä voi johtaa halkeiluun viileämmissä pinnoissa, joissa sitkeys ei ole niin korkea. Yksi tapa minimoida tätä ongelmaa on koneiston kuumennus. Mitä kuumempi koneisto on, sitä vähemmän siihen menetetään lämpöä. Kun koneiston lämpötila nousee, toisaalta myös terän kestoikä pienenee. Sen takia koneistuksen lämpötilan kanssa pitää tehdä kompromissi; yleisesti kuumamuokkauskoneisto kuumennetaan 325–450 °C.

Edut ja haitat

Etuja ovat:

• Myötölujuus alenee, jolloin on helpompi työskennellä ja tarvitaan vähemmän energiaa tai voimaa.
• Sitkeyden kasvu.
• Kohonnut lämpötila lisää diffuusiota, mikä voi vähentää tai kokonaan poistaa kemiallisia epäyhtenäisyyksiä.
• Teräksissä, heikko ja sitkeä austeniittinen pintakeskeinen kuutiollinen mikrorakenne tuhoutuu ferriittisen tilakeskeisen kuutiollisen mikrorakenteen sijaan, jota on löydettävissä alhaisissa lämpötiloissa.

Tavallisesti alkuperäinen kuumamuokattava kappale on valuperäinen. Valetun kappaleen mikrorakenne ei käytä tehokkaasti hyödykseen teknillisiä ominaisuuksia, mikrorakenteen näkökulmasta katsottuna. Kuumamuokkaus parantaa teknillisiä ominaisuuksia työstettävässä kappaleessa, koska mikrorakenne korvautuu hienojakoisilla, pallomaisilla rakeilla. Nämä rakeet lisäävät materiaalin lujuutta, sitkeyttä sekä murtositkeyttä.

Teknilliset ominaisuudet voivat myös parantaa sulkeumien (epäpuhtauksien) uudelleenjärjestäytymistä. Valetussa tilassa sulkeumat ovat satunnaisesti järjestäytyneitä, jolloin niiden risteäminen voi aiheuttaa halkeilun etenemiskohdan. Kun materiaali on kuumamuokattu, sulkeumat mukailevat pinnan muotoa, muodostaen eräänlaisia nauhoja. Kokonaisuutena nauhat muodostavat tekstuurin, jonka ominaisuudet ovat anisotrooppisia (vaihtelevat suunnasta riippuen). Kun nauhat orientoituvat rinnakkain pinnalle, työstettävä kappale lujittuu, erityisesti murtumakeston kannalta. Nauhat estävät säröjen muodostumista, sillä ne etenevät mieluummin nauhan läpi kuin sitä pitkin.

Haittoja ovat:

• Ei-toivotut reaktiot metallin ja ympäröivän ilmakehän välillä, kuten työstettävän kappaleen hilseily tai nopea hapettuminen.
• Epätasaisessa jäähdytyksessä lämpökutistumisen ja vetelyn kestokyky ei ole täsmällistä.
• Raerakenne voi vaihdella metallissa kauttaaltaan, monesta eri syystä
• Vaatii jonkinlaisen lämmitysyksikön, kuten kaasu- tai diesellämmittimen, tai induktiokuumentimen, jotka voivat olla erittäin kalliita.

Kuumamuokkausprosesseja

• kuumavalssaus
• pursotus
• kuumataonta
• syväveto

Katso myös

• Metallin lämpökäsittely
• Uudelleenkiteytyminen eli rekristallisaatio