MODERNIZACE EXPERIMENTÁLNÍ ZÁKLADNY ÚSEKU VÝZKUM TVÁŘENÍ MMV s.r.o. MODERNIZATION OF THE EXPERIMENTAL BASE IN FORMING RESEARCH DEPARTMENT OF MMV Ltd.

Transkript

1 MODERNIZACE EXPERIMENTÁLNÍ ZÁKLADNY ÚSEKU VÝZKUM TVÁŘENÍ MMV s.r.o. MODERNIZATION OF THE EXPERIMENTAL BASE IN FORMING RESEARCH DEPARTMENT OF MMV Ltd. Petr UNUCKA a, Josef BOŘUTA a, Aleš BOŘUTA a a MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o., Pohraniční 693/31, Ostrava - Vítkovice, Česká republika, ová adresa: petr.unucka@mmvyzkum.cz Abstrakt Výzkumná práce v oblasti problematiky deformačního chování materiálů a stanovení jejich tvařitelnosti tvoří základní směry řešení na úseku Výzkum tváření ve společnosti MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o. Ostrava-Vítkovice. Historie začátku výzkumu v této oblasti sahá jiţ k období vzniku tzv. Výzkumných a zkušebních ústavů Vítkovických ţelezáren v 50. letech 20. století. Díky nepřetrţité výzkumné práci má toto pracoviště velký potenciál pro řešení problematiky výroby tvářených výrobků v praxi. V průběhu let byly vyuţívány různé experimentální zařízení a metodiky zkoušení deformačního chování a tvařitelnosti materiálů. V současnosti je vyuţíván zejména univerzální torzní plastometr SETARAM. V rámci získání podpory projektu RMTVC (Regionální materiálově technologické výzkumné centrum) bude pracoviště dovybaveno ve dvou základních směrech a to rozšíření základny fyzikálního modelování a vytvoření nového pracoviště matematického modelování tvářecích procesů. Oblast fyzikálního modelování tváření bude zastoupena výstavbou nového unikátního zařízení pro simulaci tváření bezešvých trub spolu s vývojem následného tepelného zpracování, upgradem plastometru SETARAM v oblasti snímací techniky a oţivení padostroje pro zkoušení vlivu velkých rychlostí deformace za vysokých teplot na vznik křehkého porušení. Laboratoř matematického modelování bude vybavena potřebnými softwarovými produkty pro řešení základních i sloţitých tvářecích procesů ve vazbě s ohřevem, skutečnými technologickými parametry, vývojem konečné mikrostruktury a dosaţením potřebných konečných mechanických vlastností. Díky těmto investičním krokům očekáváme vznik kompatibilního pracoviště umoţňující provádění mnohostranných výzkumných prací pro vývoj částí nebo kompletních technologií tváření. Abstract Main research works in MATERIAL & METALLURGICAL RESEARCH, Ltd. (Ostrava) - Department of Forming Research are focused on determination of the deformation behavior of materials. History of research and development activities in this area goes back to the period of so-called Research and Testing Institutes in Vitkovice Ironworks in the fifties of 20th century. Thanks to continuous research work of this department has great potential for solution to the problems of wrought material and products in practice. Over the years used different experimental equipment and testing methodologies deformation behavior and formability of materials. At present it is mainly used universal torsion plastometr SETARAM. Laboratory of Forming in the framework of obtaining support for the project Regional Materials Science and Technology Centre (RMSTC) will retrofit and broaden in two basic directions the base of physical modeling and the opening of a new department of mathematical modeling of forming processes.the area of physical modeling of metal forming is represented by the new unique facility for simulating forming seamless tubes with subsequent development of thermal processing, upgrading universal torsion plastometer SETARAM in scanning technology and a reconditioning of drop tester for using to deformation speed influences analyses in high temperature region and to high-temperature brittleness analyses. The laboratory will be equipped with mathematical modeling software needed to solving fundamental and complex forming processes in connection with heating, the actual technology parameters, the final microstructure development and the achievement of the required final mechanical properties. With these steps, we expect the formation of

2 compatible laboratory to facilitate the implementation of multilateral research work for development of parts or complete forming technologies. Klíčová slova: tváření za tepla, fyzikální modelování, matematické modelování Key words: hot forming, physical modeling, mathematical modeling 1. ZAŘÍZENÍ LABORATOŘE VÝZKUMU TVÁŘENÍ V útvaru Výzkum tváření ve společnosti MATERIÁLOVÝ A METALURGICKÝ VÝZKUM s.r.o. (dále jen MMV) existuje jiţ dlouhá léta laboratorní základna pro zkoušení především v oblasti tváření za tepla. Přístrojová základna se skládá z univerzálního plastometru SETARAM, hydraulického tahového stroje UHP-ZHP1 pro tahové zkoušky za vysokých teplot, dnes jiţ nefunkčního padostroje a také výpočetního programu TTSteel (firmy ITA spol. s r.o.). 1.2 Plastometr SETARAM Univerzální torzní plastometr SETARAM umoţňuje v rámci širokého intervalu teplot ( C) provádět dva základní druhy experimentů. Jednoduchá kontinuální zkouška slouţí k získání základních informací o zkoušeném materiálu a to především zjištění deformačního chování tvařitelnosti a přirozených deformačních odporů ocelí, resp. kovů obecně. U této zkoušky je moţno volit moţnost mezi kroucením aţ do úplného vyčerpání tvařitelnosti lomu či tuto zkoušku dle uváţení obsluhy zastavit v předem stanoveném počtu zkrutů. Druhý typ experimentu je tzv. zkouška přerušovaná. Ta se skládá z postupně za sebou jdoucích úběrů, v nichţ u kaţdého z nich je moţnost měnit jednotlivé parametry jako teplota, rychlost kroucení, doba deformace a čas mezi jednotlivými úběry. Tyto parametry značně ovlivňují průběh experimentu a mohou se měnit v průběhu zkoušení buďto všechny anebo jen jejich část. Dále se na univerzálním plastometru SETARAM jiţ řadu let s úspěchem vyuţívá také moţnost provádění tahové zkoušky za pomocí přídavného zařízení, jenţ bylo v průběhu pouţívání vyvinuto pracovníky této firmy. Hlavními výhodami univerzálního plastometru SETARAM jsou moţnosti simulace válcovacích procesů v laboratorních podmínkách s nízkými náklady a s tím spojenými i nízkými riziky oproti reálným průmyslovým technologickým procesům tváření za tepla. K tomuto se převáţně vyuţívá funkcí přerušované zkoušky. Moţnost zkoušení v intervalu teplot C, teplota je snímána dvěma typy pyrometrů. Plastometr SETARAM má moţnost měnit rychlost deformace v rozpětí 4 řádů cca (10 4 aţ 10 s -1 ).Zkušební tyč je moţno po ukončení experimentu nechat buďto volně vychladit na vzduchu nebo zakalit vodou pro následné metalografické zhodnocení. Mezi dva základní typy vzorků v praxi pouţívaných patří vzorky o rozměru deformované části 6x10 mm a 6x50 mm. Modernizace Univerzální plastometr SETARAM je řízen pomocí moderního počítačového vybavení, je v současné době vybaven zcela novými zesilovači. V roce 2006 proběhla jeho celková renovace. Jmenujme například i periferní zařízení - dovybavení klimatizací pro udrţení reprezentativních podmínek. Univerzální plastometr SETARAM je řízen pomocí unikátního software, jenţ je vyvíjen zcela ve vlastní reţii za spolupůsobení technika, čímţ je dosaţeno optimálního ovládání dle poţadavků obsluhy a je zde moţnost pruţně reagovat na případné nedostatky a především vylepšení daného software. Koncem roku 2007 byla dokončena další část softwaru, který umoţňuje provádět experimenty pomalým kroucením do roztavení zkoušky (indikuje nulový kroutící moment) s následným tuhnutím a tím stoupáním kroutícího momentu zkušební tyč [1-3].

3 Deformační odpor [MPa] ef [-] , Brno, Czech Republic, EU Příklady experimentálních prací Deformační chování nástrojových ocelí Výzkum deformačního chování nástrojových ocelí byl zaměřen na oceli ČSN a U jednotlivých ocelí byly prováděny experimenty především s ohledem na vliv teploty, místa odběru zkušební tyče a rychlosti deformace. Tab 1. Rámcové chemické sloţení zkoumaných materiálů [hm. %]. C Cr Mo V W X100CrMoV5-1 (ČSN ) 1,00 5,00 1,00 0,25 - X50CrMoW9-1-1 (ČSN19 559) 0,50 8,18 1,14-1,20 Ocel X100CrMoV5-1 (ČSN , W.Nr ) Ocel legovaná Cr-Mo-V (rámcové chemické sloţení tab. 1) s vysokou rozměrovou stálostí při tepelném zpracování. Vyznačuje se vysokou houţevnatostí, odolností proti otěru, dobrou obrobitelností a kalitelností. Ocel byla zkoušena jen v litém stavu. V případě této oceli byly zkušební tyče odebrány z ingotu v podélném směru k ose ingotu. Experimentální program se zaměřil na kontinuální zkoušky do lomu v rozmezí teplot deformace 900 aţ 1100 C s přímými náhřevy. Pro podchycení vlivu rychlosti deformace byly zvoleny dvě značně rozdílné rychlosti a to 31,4 a 0,0503 s -1. Výsledné závislosti deformačního odporu a intenzity deformace do lomu na teplotě deformace uvádí obr. 1 a Litý stav 31,4 s-1 Litý stav 0,0503 s T [ C] Obr.1 Závislost přirozeného deformačního odporu na teplotě a rychlosti deformace. Fig. 1 Temperature dependence of flow stress at two different strain rates. 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Litý stav 31,4 s-1 Litý stav 0,0503 s-1 0, T [ C] Obr.2 Závislost tvařitelnosti (intenzity deformace do lomu) na teplotě a rychlosti deformace. Fig 2 Dependence of fomability on temperature at two strain rates. Pro ocel X100CrMoV9-1-1 lze vliv teploty na deformační odpor také charakterizovat jeho poklesem s rostoucí teplotou. Rychlost deformace ovlivňuje výrazně deformační odpor, kdy s rostoucí rychlostí deformace roste i def. odpor. Intenzita deformace do lomu vykazuje maximum na teplotě těsně nad 1000 C a zároveň vyšší úroveň tvařitelnosti se dosahuje při niţších rychlostech deformace [4].

4 SPDO [MPa] s [MPa] , Brno, Czech Republic, EU Simulace kování Pro technologický postup kování byla provedena simulace procesu kování na plastometru SETARAM u oceli X100CrMoV5-1 a srovnána s chováním oceli X50CrMoW Simulace byla zahájena ohřevem na 1150 C s výdrţí 10 minut, poklesem na teplotu deformace 1050 C a deformací 0,2, následoval meziohřev na 1150 C s výdrţí 8 min., pokles na teplotu deformace 1050 C a deformace 0,2; opět následoval meziohřev na 1150 C s výdrţí 8 min. a pokles na 1050 C s deformací 0,1, následně byl vypnut ohřev a provedeny dvě deformace o velikosti 0,1 a 0, C meziohřev na 1150 C/ cca C meziohřev na 1150 C/ cca C 1000 C 950 C X50CrMoW9-1-1 X100CrMoV ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 e [-] Obr.3 Průběh simulace procesu kování pro ocel X50CrMoW9-1-1 a X100CrMoV5-1. Fig. 3 Simulation of forging proces of X50CrMoW9-1-1 and X100CrMoV5-1 steels. Rychlost deformace v jednotlivých úběrech rostla od 0,13 po 0,3 s -1. Výsledné závislosti napětí a deformačního odporu na intenzitě deformace jsou uvedeny na obr. 3 a 4. Zkušení tyče po provedení simulace byly pouţity pro metalografickou analýzu a zkoušku tahem, pro stanovení výsledných pevnostních charakteristik. Deformační chování obou ocelí podle výsledků se jeví podobné bez výraznějších rozdílů, ocel vykazuje niţší hodnoty deformačních odporů [4] PROJEKT RMTVC Pořadí deformace X50CrMoW9-1-1 X100CrMoV5-1 Obr.4 Průběh středních deformačních odporů v závislosti na pořadí úběru při simulaci kování oceli X50CrMoW9-1-1 a X100CrMoV5-1. Fig 4 Behaviour of middle flow stresses at forging simulation of X50CrMoW9-1-1 and X100CrMoV5-1 steels. V rámci Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace podporovaného ze strukturálních fondů Evropské Unie a státního rozpočtu České Republiky získala v roce 2010 Vysoká škola báňská Technická universita v Ostravě (dále jen VŠB-TU) spolu s MATERIÁLOVÝM A METALURGICKÝM VÝZKUMEM s.r.o. (dále jen MMV) dotaci na zřízení Regionálního materiálově technologického výzkumného centra ozn. RMTVC (Regional Materials Science and Technology Centre RMSTC). Cílem tohoto projektu je vybudovat výzkumnou infrastrukturu laboratoří a vědecko-výzkumné týmy, které se budou podílet na výzkumu v oblasti přípravy a optimalizace pokročilých materiálů a technologií a jejich zavedení do aplikační sféry.

5 MMV jako partner VŠB-TU se bude podílet na zřízení tří výzkumných programů. V oblasti výzkumu tváření za tepla bude nosným výzkumný program č.3 Řízení specifických vlastností intenzivně válcovaných a termomechanicky zpracovávaných materiálů vyuţitím jejich strukturního potenciálu. Cílem je řízené dosahování velmi jemných mikrostruktur kovových materiálů v technologických podmínkách válcování a taţení, které sebou ponese získávání vynikajících, resp. přesně definovaných mechanických a jiných uţitných vlastností tvářených výrobků. V rámci výzkumné aktivity č. 3 vznikne ve společnosti MMV Laboratoř modelování a optimalizace technologií tváření, která bude tvořena čtyřmi investičními skupinami: 2.1 Univerzální plastometr SETARAM - up grade Cílem je další zvýšení přesnosti a univerzálnosti plastometrického zařízení SETARAM pro moţnost fyzikálních experimentů za přesně definovaných termomechanických parametrů. 2.2 Zařízení na počítačovou simulaci modelování tvářecích procesů Cílem je vytvořit laboratoř umoţňující provádění matematického modelování procesů tváření především za tepla pro širokou škálu technologií vyuţívaných nejen v rámci skupiny TŢ/MS, provádění optimalizace jednotlivých technologických parametrů pro konkrétní materiály, popř. simulaci tepelných, deformačních a napěťových polí působících na nástroje i tvářený kus. Současně s matematickou simulací tváření získat podpůrné výpočtové programy pro matematicko statistické vyhodnocování dat a také pro výpočty fázového sloţení materiálu. 2.3 Padostroj pro zkoušení vlivu rychlosti deformace na tvařitelnost kovů Cílem je provést modernizaci zastaralého zařízení laboratoře pro zkoušení vlivu extrémně vysokých deformačních rychlostí za tepla na mezní plasticitu, resp. zkřehnutí materiálu za tepla. Původně tzv. rychlotrhací stroj, prototypové zařízení vyrobené podle dokumentace k patentu prof. Ing. J. Elfmarka, DrSc. a J. Lyka [5]. Deformační rychlost je dána rychlostí dopadajícího kladiva v okamţiku začátku trhání, dané zákonem zachování energie podle 1 2 m v m g h => v 2 g h [m/s]. Rychlost 2 deformace je tedy proměnlivá, závislá na výšce nastavení beranu (padacího kladiva) před aretací (v rozsahu cca aţ 10 2 s -1 ). Původní zařízení vybaveno elektrickou odporovou ohřívací pecí s grafitickou trubicí. Rozsah teplot neomezen aţ do 2000 C, vyuţití do 1400 C směrem dolů (podle pevnosti materiálu), při niţších teplotách neţ 800 C nemuselo dojít za daných podmínek k roztrţení zkušební tyče, především u výšelegovaných materiálů. Zkouška byla určena pro analýzy vlivu deformační rychlosti a hlavně pak v horní oblasti tvářecího intervalu teplot a k analýze křehkosti za tepla. 2.4 Laboratorní zařízení pro výzkum technologických procesů válcování bezešvých trubek Cílem je zřídit laboratoř, která bude umoţňovat provádění výzkumu technologií válcování bezešvých trub především kosým válcováním Mannesmannovým způsobem, se zaměřením na proces děrování. Současně s děrováním budou prováděny fyzikální simulace procesu prodluţování trub a konečného tepelné zpracování trub. 3. ZÁVĚR Především oblast matematického modelování v propojení s fyzikálním stanovením vstupních výpočtových dat a konečné ověření výstupních vypočtených hodnot umoţní připravit komplexní soubor doporučení pro nastavení či úpravu technologických parametru v procesu výroby. Matematické modelování bývá povaţováno za základní silný nástroj optimalizace technologie výroby pro přímou aplikaci. Mnohdy se ovšem zapomíná, ţe jde o proces modelový čistě matematický jehoţ výstup nemusí odpovídat realitě. Proto je nutné provést ověření vypočtených výsledků fyzikálním měřením a provést verifikaci ve skutečné výrobě.

6 Dosavadní výzkumná činnost útvaru Výzkumu tváření probíhala v široké škále řešených problémů pro výrobní firmy v oblasti tváření za tepla především válcování a kování na bázi fyzikálního modelování. Významným výstupem bylo např. sestavení katalogu deformačního chování ocelí [6]. Propojením s nově pořízenými zařízeními,resp. up-grady stávajících zařízení v rámci projektu RMTVC předpokládáme vznik pracoviště s ucelenou metodikou výzkumu a vývoje v oblasti tváření za tepla a jeho snadnější aplikaci do provozních podmínek na úrovni, která je pro současný stav řešení problémů v této oblasti standardní [7, 8]. Poděkování Tato práce vznikla při řešení projektu č. CZ.1.05/2.1.00/ Regionální materiálově technologické výzkumné centrum, v rámci Operační programu Výzkum a vývoj pro inovace, financovaného ze strukturálních fondů EU a ze státního rozpočtu ČR. Acknowledgment This paper was created in the project No. CZ.1.05/2.1.00/ " Regional Materials Science and Technology Centre" within the frame of the operation programme" Research and Development for Innovations" financed by the Structural Funds and from the state budget of the Czech Republic. LITERATURA [1] SCHINDLER, I.; BOŘUTA, J.: Utilization potentialities of the torsion plastometer, ed. Department of Mechanics and Metal Forming Silesian Technical University, Katowice 1998, 106 s. [2] BOŘUTA, J. aj. History and present days of Materials Forming Research in VITKOVICE. In HADASIK, E.; SCHINDLER, I. (eds). Plasticity of Metallic Materials, Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2004, s [3] BOŘUTA, J. aj.: Plastometric research of deformation behavior of controlled formed materials, Hutnické listy, 1, 2008, p [4] UNUCKA, P., aj. Development of progressive methods of forming steels and alloys for sophisticated use. Hutnické listy, 2010, vol. LXIII, Nr. 5, p [5] VŢKG. Testing machine for tension tear tests of hot metal. Inventors: Elfmark, Jiří; Lyko, Jaroslav. G01 n.3/18, Úřad pro patenty a vynálezy, ČSSR. Patentový spis, , [6] DĚDEK, V. aj. Catalogue of deformation characteristics of hot-formed steel, CD-46/93. VÍTKOVICE a.s., Sektor Výzkum a vývoj, Ostrava: [7] UNUCKA, P., aj. Research of hot forming in Material and Metallurgical Research Ltd. present state and further improvements within the framework of Regional Materials Science and Technology Centre. Acta Metallurgica Slovaca Conference, Vol. 1., Nr. 3, p [8] UNUCKA,P. aj. Hot deformation behavior of tool steels. Kovárenství, 2011, v tisku.