6.1 Produktionsmetoder – att göra mässing

Vid framställning av mässing utgår man antingen från mässingskrot eller kopparskrot som smälts tillsammans med zink och andra legeringsämnen. Sedan går massan genom olika steg för att få en färdig produkt. Ett exempel på en produktionskedja för att tillverka en stång eller tacka av mässing visas i nedanstående bild, där alla steg från smältning i induktionsugn till färdiga halvfabrikat och komponenter visas.

Vanliga metoder för att producera mässing och mässingsdetaljer är:

Gjutning – dragning och valsning – varmpressning – värmebehandling – skärande bearbetning.

Det första steget för att tillverka ny mässing är att smälta materialet som man utgår från. Det är vanligast att göra i elektriska induktionsugnar. Efter smältning sker gjutning, vilket innebär att den flytande metallen hälls i en form och får stelna. Det kan ske antigen genom kokillgjutning eller kontinuerlig gjutning till göt för valsning, pressning eller tackor. Gjutning kan också göras direkt till färdiga produkter, i gjutformar.

Om man ska bearbeta materialet vidare så smälts tackorna i induktionsugnar som står vid en gjutmaskin. Typiska temperaturer på smältan vid gjutning är mellan 950 – 1000 °C.

Formen för gjutning kan vara gjord av sand eller stål. Om man vill få en ihålig produkt så används kärnor av verktygsstål eller sand. När den varma smältan kommer i kontakt med sandkärnorna så kommer de kemiska bindningarna mellan sandkornen och bindemedlet brytas, när metallen stelnat. Stelningspunkten för mässing ligger lägre än 880°C, men är beroende av andra tillsatta grundämnen.

Under gjutningsprocessen sker både formfyllnad och stelning. Båda dessa händelser kan påverka produktens funktion och kvalitet. En smälta som är för kall kan leda till formen inte blir fylld helt, som i sin tur kan leda till läckage. En smälta som är för varm ökar risken för fastbränd sand.

 En metod för gjutning är pressgjutning. Då skjuts den smälta metallen med hög hastighet och högt tryck in i formen, ”kokillen”. Med denna metod kan långa produkter produceras på ett effektivt sätt då det bara krävs ett steg för att få det tvärsnitt man vill ha. Olika tvärsnitt som kan skapas är stänger, profiler eller rör.

Genom att gjutsimulera detaljer kan processen optimeras på bästa möjliga sätt. Viktiga gjutparametrar är smältans temperatur, verktygstemperatur, gjuthastighet på smältan och val av legering. Genom simulering kan olika scenario provas redan i datorn och man kan därför hitta åtgärder för att förebygga gjutfel. För mässingslegeringar är detta ett mycket användbart verktyg för att se vilka risker som kan finnas.

Dragning är en annan metod för att tillverka stång, tråd och rör. Då minskar tvärsnittet på massan genom att den dras genom en dragskiva, med eller utan invändig dorn eller plugg.

Dragning sker i olika steg för att få det tvärsnitt man vill ha. Det kan användas kedjedragbänkar eller dragmaskiner av typen Schumag (delvis kontinuerlig process). Olika profiler och stänger som tillverkats genom dragning visas i nedanstående bild, som också visar olika tvärsnittsformer som kan skapas.

Plåt och band framställer man genom att använda produkter som är tillverkade av dragning. När man valsar låter man materialet passera fram och tillbaka mellan ett valspar i ett antal s.k. stick.

Vid denna metod så plattas materialet ut och ändrar tvärsnittets form. I valsningsprocessen börjar man oftast med varmvalsning och slutar med kallvalsning. Temperaturen under varmvalsning och i andra varmformningsprocesser ligger i intervallet 950 – 650 °C. Kallvalsning sker ofta i flera steg.

Varmpressning, eller varmsmide, innebär att en förvärmd massa pressas under högt tryck mellan två formhalvor så att det fyller ut formen. Det sker runt 700 °C. Mässing är lätt att forma genom varmpressning. Man kan minska tvärsnittet väldigt mycket och komplicerade produkter kan tillverkas. Beroende på vad produkten ska användas till kan slutbearbetning genom skärande bearbetning, polering eller ytbehandling behövas. Varmsmide är effektivt eftersom detaljen omformas på bara några sekunder.

Varmpressning ger högre hållfasthet jämfört med gjutning. Metoden passar bra för komponenter i mässing av α-β typ, eftersom den har bra varmbearbetbarhet får hög hållfasthet efter svalning.

Värmebehandling av mässing handlar om att ändra hur metallens byggstenar är ordnade (korn och faser), med hjälp av en förhöjd temperatur. Detta ändrar vissa egenskaper hos mässingen och görs främst för att ändra mjukheten eller minimera en mikrostruktur som kan leda till skadefall i komponenten från t.ex. korrosionsangrepp. Temperaturer och hålltider kan variera beroende på vilken mässinglegering som värmebehandlas och hur stor komponenten är. Större komponenter kräver nämligen mer tid för att bli genomvarma. Även hur snabbt och i vilken miljö man kyler materialet tillbaka till rumstemperatur kommer påverka komponentens egenskaper. Värmebehandlingen kan göras antingen i luft eller i en atmosfär av kvävgas och vätgas. Genom att använda en atmosfär under värmebehandlingen undviks oxidbildning på ytan.

De vanligaste värmebehandlingarna för mässing är:

• Mjukglödgning – gör materialet mjukt efter kallformning genom värmebehandling vid 400–600°C. Detta görs bara på komponenter man vill ha mjuka efteråt, t.ex. ljusstakar.
• Avspänningsglödning – minskar inre spänningar och minskar då risk för plötsliga formförändringar men framförallt spänningskorrosion. Detta utförs vid 250 – 300°C i 30 – 60 minuter. Mässingdetaljer som är i konstant kontakt med korrosiva miljöer är särskilt viktiga att avspänningsglödga.

Avzinkningshärdning – ökar motståndet mot avzinkning genom att minimera mängden β-fas vid 550°C i ca 2 timmar. Detta utförs på mässinglegeringar som är speciellt designade för att stå emot avzinkning, ett korrosionsfenomen som är aktuell i dricksvattenapplikationer.

Skärande bearbetning är ett samlingsnamn för tillverkningsmetoder där icke-önskvärt material mekaniskt avverkas från ett arbetsstycke. Detta avverkas som spånor. Skärande bearbetning används alltså för att få en viss form på arbetsstycket. Det är en av de mest använda industriella tillverkningsmetoderna, eftersom den kan ge många olika komponentformer med hög produktivitet.

En stor del av den mässing som produceras bearbetas med skärande verktyg för att bli en färdig slutprodukt. Traditionellt har mässing med högt blyinnehåll använts för skärande bearbetning eftersom bly ökar materialets skärbarhet genom att spån bryts på ett bra sätt och bidrar till att skärverktyget inte slits ut lika snabbt. Den goda skärbarheten gör att man kan använda hög skärhastighet och få hög produktivitet. Man återvinner även spån, vilket gör att många mässingdetaljer kan tillverkas ekonomiskt lönsamt.

En stor del av de mässingsprodukter som tillverkas är olika typer av ihåliga komponenter, t.ex. rörkomponenter och kopplingar. För att få dem ihåliga används ofta olika typer av stegborr och formstål, se bilden nedan. Dessa verktyg har ofta en stor ingreppsarea samtidigt då de skär flera ytor samtidigt, något som kan skapa problem när mässingens skärbarhet minskar med minskande blyinnehåll. Om man går från att använda mässing med högt blyinnehåll till en med lägre innehåll är det därför inte alltid möjligt att använda samma metoder som tidigare utan anpassningar behöver ofta göras. Detta för att säkerställa en stabil och bra produktionsprocess. Det kan då t.ex. vara nödvändigt att använda skärverktyg med skyddande beläggning, bearbeta i flera steg med mindre ingreppslängd och se över maskinens stabilitet.