VÝVOJ NOVÝCH NÁSTROJOVÝCH OCELÍ PRO KOVACÍ ZÁPUSTKY

Transkript

1 VÝVOJ NOVÝCH NÁSTROJOVÝCH OCELÍ PRO KOVACÍ ZÁPUSTKY Ing. Pavel ŠUCHMANN a, Ing. Jiří KREJČÍK, CSc. b, Ing. Pavel FILA c, Ing. Ladislav JELEN, CSc. d, Ing. Eduard PSÍK e a COMTES FHT a. s., Průmyslová 995, Dobřany, Česká republika, pavel.suchmann@comtesfht.cz b SVÚM a. s., Areál VÚ, Podnikatelská 565, Praha 9 Běchovice, Česká republika, krejcik@svum.cz c ŽĎAS a. s., Strojírenská 6, Žďár nad Sázavou, Česká republika, pavel.fila@zdas.cz d Vítkovice výzkum a vývoj technické aplikace a.s., Pohraniční 31, Ostrava - Vítkovice, Česká republika, ladislav.jelen@vitkovice.cz Abstrakt e Kovárna VIVA Zlín, spol. s r. o., Tř. T. Bati č. p. 5266, Zlín, Česká republika, eduard.psik@vivazlin.cz Nástrojové oceli používané pro kovací zápustky jsou převážně středně a vysoce legované oceli s obsahem uhlíku cca. 0,3 0,6 hm.%. Z hlediska použití v kovárenství se tyto oceli dále dělí na oceli pro bucharové zápustky a oceli pro zápustky používané na kovacích lisech. Zatímco u bucharových zápustek je požadována především vysoká houževnatost, které se podřizuje celá legovací koncepce (většinou jde o oceli na bázi niklu s přísadou chrómu, molybdenu, případně vanadu), u zápustek pro kovací lisy je spektrum dosažitelných vlastností širší a jednotlivé oceli se vzájemně více odlišují podle toho, pro jaký konkrétní typ zápustky resp. výkovku jsou používány. V zásadě se u těchto zápustek vyžaduje optimální kombinace pevnosti za tepla, houževnatosti, odolnosti proti popouštění a dalších vlastností. Z legujících prvků se typicky využívá nejvíce chróm (cca. 3 6%), vanad (cca. 0,5 1%), molybden (cca. 1 2,5%) nebo wolfram (cca. 0,5 1,5%). Tomuto složení odpovídají např. oceli , apod. V předkládaném příspěvku jsou popsány nové legovací koncepce ocelí pro kovací zápustky, které vycházejí z oceli a jsou vyráběny ve společnostech ŽĎAS a.s. a Vítkovice výzkum a vývoj technické aplikace a.s. Zvýšením obsahu uhlíku a v některých případech i wolframu a přidáním niobu je při odpovídajícím metalurgickém zpracování a následném speciálním postupu překování ingotu dosahováno velice dobré kombinace tvrdosti, houževnatosti a odolnosti proti opotřebení. Zápustky vyrobené z těchto ocelí jsou testovány v Kovárně VIVA Zlín a jejich životnost je v průměru o cca % vyšší než u zápustek z klasické oceli ÚVOD Výrobci malých zápustkových výkovků projevují dluhodobě značný zájem o cenově dostupné nástrojové oceli s dobrým poměrem pevnosti a houževnatosti a s přesně definovaným postupem metalurgického zpracování. Takové oceli je možné poměrně univerzálně používat pro většinu typů zápustek. Typickým představitelem takového nástrojového materiálu je ocel , která patří v evropských kovárnách k nejpoužívanějším. Na českém trhu však často bývá problém najít dodavatele této oceli, který zaručí nejen požadované chemické složení, ale také homogenní mikrostrukturu s vysokou mikročistotou, rovnoměrným rozložením karbidů a dalšími parametry, které jsou rozhodující pro užitné vlastnosti zápustek.

2 Společnosti ŽĎAS a.s. a Vítkovice výzkum a vývoj technické aplikace a.s. se v uplynulých letech ve spolupráci s Kovárnou VIVA Zlín spol. s r. o. a výzkumnými institucemi SVÚM a.s. a COMTES FHT a.s. intenzivně zabývaly problematikou optimalizace výroby oceli s cílem dosáhnout co nejlepších vlastností při zachování konkurenceschopné ceny. Kromě vývoje technologie metalurgického zpracování této oceli bylo navrženo také několik modifikací chemického složení, které jsou vhodné zejména pro výrobu zápustek s vysokými požadavky na tvrdost a otěruvzdornost. 2. VÝROBA EXPERIMENTÁLNÍHO MATERIÁLU 2.1 Kvalitativní požadavky Na základě dlouhodobých požadavků odběratelů nástrojových ocelí byly stanoveny následující základní kvalitativní požadavky na finální kované polotovary z nástrojové oceli: obsah síry max. 0,005 hm.%, minimální obsah fosforu a dalších nežádoucích doprovodných prvků obsah nekovových vměstků (podle ASTM E45-97) nepřesahující hodnoty uvedené v Tab. 1 velikost původního austenitického zrna G = 8 nebo jemnější (podle ASTM E 112) Tab. 1 Maximální obsah nekovových vměstků v nástrojové oceli podle ASTM E45-97 Table 1 Highest acceptable amount of non-metallic inclusions in the tool steel acc. to ASTM E45-97 VMĚSTKY TYP JEMNÉ HRUBÉ A (sulfidy) 1,0 0,5 B (hlinitany) 1,5 1,0 C (křemičitany) 1,0 1,0 D (globulární oxidy) 2,0 1,0 Kromě těchto základních kritérií byla u zkoumaných ocelí hodnocena mikrosegregace podle specifikace NADCA 207, rozložení karbidů a další standardní mikrostrukturní parametry. 2.2 Způsob výroby Experimentální ingoty byly zpracovány ve vakuu (technologie VD). Jeden ingot byl před kováním obloukově přetaven na zařízení VAR. Výše uvedené kvalitativní požadavky byly splněny i u materiálu vyrobeného technologií VD bez přetavení. Obloukové přetavení vedlo podle očekávání ke zlepšení kvalitativních parametrů (nulový obsah vměstků), ovšem kvůli vysoké ceně této technologie a nedostupnosti zařízení VAR přímo ve společnosti ŽĎAS se od používání přetavených ingotů upustilo. Pro dosažení optimálního protváření byly všechny níže popsané materiály po odlití kovány ve třech osách (tj. prodlužování v kombinaci s pěchováním) se stupněm prokování minimálně MODIFIKACE CHEMICKÉHO SLOŽENÍ OCELI S ohledem na specifické parametry zkušební zápustky použité pro zkoušky nástrojových ocelí (viz kap. 5) bylo navrženo několik modifikací chemického složení (viz Tab. 2), které vedou především ke zvýšení tvrdosti a otěruvzdornosti. Modifikace 1 byla oproti standardnímu složení oceli dolegována niobem, jehož karbidotvorné účinky jsou často využívány jak u konstrukčních [1], tak i u

3 nástrojových ocelí [2], [3]. U modifikace 2 byl kromě dolegování niobem zvýšen obsah uhlíku a vanadu pro dosažení ještě vyšší tvrdosti a prokalitelnosti. U modifikace 3 byl oproti oceli rovněž zvýšen obsah uhlíku a ocel byla navíc dolegována wolframem a vanadem. Tab. 2 Chemické složení testovaných variant nástrojové oceli Table 2 Chemical composition of tool steels investigated Materiál Chemické složení (hm. %) C Si Cr Mn Mo V Nb W standardní 0,37 1,0 5,00 0,4 1,20 0,45 0,00 0,00 Modifikace 1 (Nb) 0,39 1,0 4,95 0,4 1,16 0,42 0,18 0,00 Modifikace 2 (Nb, C, V) 0,54 1,0 4,95 0,4 1,15 0,62 0,18 0,00 Modifikace 3 (W, V, C) 0,49 1,0 4,90 0,4 1,17 1,60 0,00 1,63 4. ANALÝZY VLASTNOSTÍ EXPERIMENTÁLNÍHO MATERIÁLU Vzorky z experimentálních taveb byly tepelně zpracovány na tvrdost 53 HRC (všechny vzorky), 55 a 57 HRC (pouze vzorky s modifikovaným chemickým složením). Poté byly provedeny zkoušky vrubové houževnatosti v podélném a kolmém směru (vůči ose tyče vykované z původního ingotu) a zkoušky odolnosti proti abrazivnímu opotřebení. Výsledky provedených zkoušek jsou znázorněny v Tab. 3 a vyplývá z nich, že modifikace chemického složení vedly k výraznému zvýšení prokalitelnosti (tvrdost nad 53 HRC je u klasické oceli nedosažitelná) a ke zlepšení odolnosti proti opotřebení. U všech modifikací byl však zároveň zjištěn pokles vrubové houževnatosti, zejména ve směru kolmém na osu kovaného polotovaru. Pro eliminaci tohoto jevu je dále optimalizována technologie překování ingotu. Tab. 3 Mechanické vlastnosti vzorků z experimentálních materiálů (měřeno při 20 C) Table 3 Mechanical properties of specimens made from experimental alloys (tests at room temper.) Ocel Tvrdost HRC Vrubová houževnatost KCU [J/cm 2 ] Odolnost proti opotřebení ψ II standardní ,69 Modifikace 3 (W, C) Modifikace 1 (Nb) Modifikace 2 (Nb, V, C) , , , , , , , , ,08 Kromě mechanických zkoušek bylo provedeno hodnocení mikrostruktury podle specifikace uvedené v kapitole 2.1. Všechny experimentální materiály byly ve sledovaných kritériích hodnoceny jako vyhovující. Bylo dosaženo minimálního obsahu vměstků, velikost původního austenitického zrna byla

4 u všech zkoumaných vzorků v rozmezí G = Příklad snímku mikrostruktury standardní oceli vyrobené společností ŽĎAS s viditelnými hranicemi původního austenitického zrna je znázorněn na obr. 1. Obr. 1 Mikrostruktura oceli s viditelnými hranicemi původního austenitického zrna (G = 8) Fig. 2 Microstructure of a tool steel with visible austenitic grain boundaries (G = 8) Pro oceli s modifikovaným chemickým složením byly rovněž změřeny popouštěcí křivky, které jsou znázorněny na Obr. 2 - Obr. 4. Obr. 2 Popouštěcí křivky modifikace 1 Fig 2 Annealing curves modification 1 Obr. 3 Popouštěcí křivky modifikace 2 Fig 3 Annealing curves modification 2

5 Obr. 4 Popouštěcí křivky modifikace 3 Fig 4 Annealing curves modification 3 5 ZKOUŠKY KOVACÍCH ZÁPUSTEK Kovací zápustka znázorněná na Obr. 5 je používána v Kovárně VIVA Zlín pro kování malých zápustkových výkovků (hmotnost cca. 1 kg). Vzhledem k velké sériovosti výroby (až 100 tisíc výkovků za rok po dobu několika let) byla tato zápustka vyhodnocena jako velmi vhodná pro zkoušky nových nástrojových materiálů. Před zahájením zkoušek byla zápustka vyráběna ze standardní oceli zušlechtěné na 47 HRC a její životnost činila cca zdvihů. Z charakteru opotřebení (viz Obr. 5 dole) vyplývá, že při provozu dochází především k abrazivnímu opotřebení a lokální plastické deformaci zápustky a nikoli k jejímu praskání. Z tohoto důvodu bylo navrženo zušlechtění zápustkového materiálu na vyšší tvrdost. Obr. 5 Zkušební kovací zápustka a charakter opotřebení v jednotlivých oblastech Fig. 5 Forging die used for field tests and worn surface of it Byla provedena série zkoušek zápustek z klasické oceli a z výše popsaných modifikovaných materiálů zušlechtěných klasickým způsobem na tvrdost nad 50 HRC. V průběhu zkoušek byly zajištěny stabilní technologické podmínky kování a byla sledována životnost zápustek. Výsledky vybraných zkoušek jsou znázorněny v Tab. 4 a vyplývá z nich, že vyšší tvrdost vedla v výraznému zvýšení životnosti zápustky (o cca. 70%) i bez úpravy chemického složení nástrojové oceli. Při použití oceli s modifikovaným chemickým složením bylo dosaženo při stejné tvrdosti ještě vyšší životnosti zápustky životnost se zvedla až o 100% vůči výchozímu stavu. Všechny zkoumané modifikace chemického složení se v praxi osvědčily a mohou být považovány použitelné pro výrobu kovacích zápustek.

6 Tab. 4 Přehled vybraných výsledků zkoušek životnosti zápustek Table 4 Results of field tests of forging dies Materiál zápustky Osa polotovaru Tvrdost Životnost vůči dělicí rovině HRC (počet zdvihů) zápustky kolmo kolmo podélně Modifikace 1 (Nb) kolmo Modifikace 2 (Nb, V, kolmo C) Modifikace 3 (W, V, C) kolmo Modifikace 3 (W, V, C) podélně ZÁVĚR Z výše uvedených výsledků vyplývá, že se podařilo vyvinout technologii výroby kvalitní nástrojové oceli pro práci za tepla s chemickým složením odpovídajícím značce Dále byly vyrobeny zkušební polotovary z oceli se třemi různými modifikacemi chemického složení, které vedou zejména k vyšší prokalitelnosti a odolnosti proti abrazivnímu opotřebení. Všechny zkoumané materiály byly prakticky vyzkoušeny na kovací zápustce v Kovárně VIVA Zlín a jejich použití vedlo k výraznému zvýšení životnosti této zápustky. Zkoušky v kovárně kromě jiného ukázaly, že v některých případech je možné zápustky zušlechťovat na tvrdost výrazně přesahující 50 HRC, aniž by docházelo k jejich praskání během provozu. Vzhledem k pozitivním výsledkům provedených zkoušek je možné všechny zkoumané modifikace oceli považovat za prakticky použitelné nástrojové materiály pro práci za tepla. Od roku 2009 jsou popsané modifikace chráněny užitnými vzory. LITERATURA [1] PERELOMA, E. V.; TIMOKHINA, I. B.; HODGSON, P. D.: Transformation behaviour in thermomechanical processed C- Mn-Si steel with and without Nb, Materials Science and Engineering A, vol , p [2] Dobrzanski, L. A.; Zarychta, A.; Ligarski M.: High-speed steels with addition of niobium or titanium, Journal of materials processing technology, vol. 63, p [3] Novak, P.; Vojtech, D.; Serak J.: Pulsed- plasma nitriding of a niobium alloyed PM tool steel, Materials Science and Engineering A, vol. 393, p