STUDIUM DEFORMAČNÍCH ODPORŮ OCELÍ VYSOKORYCHLOSTNÍM VÁLCOVÁNÍM ZA TEPLA

Transkript

1 STUDIUM DEFORMAČNÍCH ODPORŮ OCELÍ VYSOKORYCHLOSTNÍM VÁLCOVÁNÍM ZA TEPLA Martin Radina a, Ivo Schindlr a, Tomáš Kubina a, Ptr Bílovský a Karl Čmil b Eugniusz Hadasik c a) VŠB Tchnická univrzita Ostrava, Ústav modlování a řízní tvářcích procsů, 17. listopadu 15, Ostrava Poruba, ČR b) Třincké žlzárny, a.s., TT Tchnologi a výzkum, Třinc, ČR c) Politchnika Śląska, Katdra Mchaniki i Tchnologii Przróbki Plastycznj, ul. Krasińskigo 8, 4-19 Katowic, Polska Abstract Th gnral, physically basd modl allowing th dformation rsistanc prdiction with considration of th dynamic rcrystallization influnc was dvlopd rcntly. Th valuation of its paramtrs for svral stls is basd on th plastomtric tsts rsults (strain rat max. 5 s -1 ). Vrification of this modl applicability for ral rolling rats was th first goal of th ralizd xprimnts. Th tsts accomplishd on th laboratory rolling mill TANDEM at strain rats up to 12 s -1 warrantd a vry good accuracy of th prciously drivd quations. Th scond goal was to xprss th combind influnc of rolling tmpratur and rolling rat on dformation rsistanc for a wid spctrum of stls. Exprimnts carrid out on a laboratory rolling mill rsultd in masurd rolling forcs. Ths data wr mathmatically procssd by rpatd rgrssion analysis. It sms to b probabl that th influnc of chmistry on th hot dformation bhaviour is not gnrally dscribabl in th cas of many diffrnt typs of stl. 1. ÚVOD Znalost dformačního chování oclí při tvářní za tpla j vlmi důlžitou součástí každé používané tvářcí tchnologi. Snahy o popis vývoj dformačních odporů v závislosti na vlikosti aplikované dformac j stará již několik dsítk lt. První jdnoduché matmatické popisy nbyly zcla použitlné pro rálné tvářcí procsy a tak docházlo postupně k jjich vývoji. Tn tyto modly přibližoval stál víc skutčné praxi. Dnšní situac j taková, ž xistuj několik rovnic vlmi dobř popisujících dformační odpory při tvářní za tpla, tdy i při vlkých dformacích a s uvažováním dynamického uzdravování. Jdn z těchto modlů byl vyvinut v spolupráci katdry tvářní matriálu VŠB-TUO s Výzkumným ústavm Vítkovic [1]. 2. POPIS MODELU DEFORMAČNÍHO CHOVÁNÍ Originálně vyvinutý modl j třístupňový. Na násldujícím obr. 1 jsou popsány důlžité body na křivc napětí dformac při tvářní za tpla (s vlivm dynamické rkrystalizac).

2 Inflxní bod i [Mpa] Pík p ; σmax Počátk stady-stat ss Obr. 1 Důlžité body křivky napětí dformac Clá křivka j rozdělna do tří částí. První z nich j dána rozsahm dformac od do inflxního bodu i. Popis této njdůlžitější části j dán rovnicí: σ = A B xp B p! F D T xp ( G T) kd j skutčná dformac,! j dformační rychlost [s -1 ], T j tplota [K], A, B, D, F a G jsou matriálové konstanty. Vlikost dformac do píku p s stanoví pomocí vztahu: p = H Z J kd Z j Znrův-Hollomonův paramtr [s -1 ] vyjádřný rovnicí: Q Z =! xp (3) R T kd Q j aktivační nrgi při tvářní za tpla [J.mol -1 ], R = 8,314 J.mol -1.K -1, H a J jsou matriálové konstanty. Napětí σ ss odpovídající větvi ustálného plastického toku kovu s stanoví na základě znalosti hodnot σ ss a σ max získaných tvářním dané ocli za různých podmínk. Statisticky zjištěný střdní poměr napětí stady-statových a maximálních dává vličinu: σ L = ss σ max Oblast mzi body i a ss j tvořna jdnoduchou křivkou (parabolou) procházjící oběma krajními body tohoto intrvalu (viz obr.1). K získání údajů potřbných pro sstavní tohoto modlu byly používány výsldky zkoušk prováděných dřív za tpla na torzním plastomtru SETARAM. Jistou nvýhodou tohoto zařízní j však poměrně malá úrovň njvýš dosažitlné dformační rychlosti, ktrá rálně činí pouhých 5 s -1. To j samozřjmě řádově méně, nž j obvyklé v běžných rálných tvářcích procsch. Z toho vyplývá fakt, ž modl vytvořný na základě údajů získaných za těchto podmínk můž mít omznou platnost. Snahou tdy bylo potvrdit správnost konstrukc modlu a jho platnost i válcováním za mnohm vyšších rychlostí dformac. Dalším úkolm j pokusit s o obcnější vyjádřní kombinovaného vlivu dformační rychlosti a tploty na dformační odpory při uvažování měnícího s chmického složní ocli. (1) (2) (4)

3 3. POPIS EXPERIMENTU Cílm laboratorních zkoušk bylo provést vrifikaci modlu na co njširším spktru typů a značk oclí od nlgovaných s značně rozdílným obsahm uhlíku až po ocli vysoc lgované. Clkově byly zatím ralizovány tsty 17 typů matriálu. Vškré pokusy byly prováděny na laboratorní válcovací trati TANDEM [2]. Přd válcováním s všchny vzorky nahřívají na jdnotnou vysokou tplotu, aby s zajistila shodná výchozí struktura. Poté jsou přnsny do pc vyhřáté na danou válcovací tplotu. Intrval válcovacích tplot byl voln tak, aby zkoumaný matriál vykazoval vždy analogický strukturní stav (např. jn oblast austnitu). Po vyrovnání tploty j uskutčněn samotný xprimnt, ktrý spočívá v proválcování každého vzorku jdním úběrm. Vlikost úběru j pro každou tplotní hladinu konstantní, volná v rozmzí 15 2 %. Při shodné tplotě tvářné vzorky jsou válcovány v sérii, kdy s postupně mění rychlost otáční válců od njvyšší (až téměř 9 ot/min) po njnižší (asi 5 ot/min). Dosahované dformační rychlosti při průměru válců 15 mm s pohybují řádově v rozmzí 5 až 12 s -1 (počítáno jdnoduš podl [3]). Pro jdn matriál s použijí většinou 3 tplotní hladiny, přičmž v každé z nich j proválcováno 5 až 6 vzorků. V průběhu válcování jsou přs vstupně-výstupní měřicí karty zaznamnávány válcovací síly působící na stavěcí šrouby válcovací stolic, otáčky válců a poloha horního válc (tdy výška válcovací mzry). Tyto signály jsou pak dál zpracovávány a analyzovány přnosným průmyslovým počítačm ipntium 133 v spciálních programch vyvinutých pod graficky orintovaným systémm LabVIEW. Ukázku naměřných dat uvádí obr. 2 (válcovací síla měřná na lvém stavěcím šroubu stolic A v závislosti na měnících s otáčkách válců). Počítačově byly odstraněny rlativně dlouhé časy prodlv mzi jdnotlivými úběry. síla na lvém šroubu [kn] ,5,1,15,2,25,3,35,4,45 čas [s] válcovací síla [ kn ] Obr. 2 Příklad záznamu válcovacích sil a odpovídajících rychlostí otáční válců (s rgistrovanými poklsy těchto rychlostí běhm úběrů)

4 4. ZPRACOVÁNÍ NAMĚŘENÝCH DAT Rovnic (1) byla za přdpokladu nměnnosti ostatních paramtrů zjdnodušna na tvar: σ! F D T Z naměřných údajů byla stanovna počítačovým zpracováním vlikost součtu střdních hodnot válcovacích sil F clk a podl [4] byly určny střdní otáčky válců. Cílm bylo vyčíslit konstanty D a F z rovnic (5). Tnto vztah j mocninného typu, což j založno na faktu, ž za stálé tploty rost válcovací síla (potažmo dformační odpor) s otáčkami válců podl mocninné závislosti, jak j vidět na obr. 3 a 4, kd j proti střdním otáčkám válců vynsna clková válcovací síla. Násldně s omzím jn na vybrané typy oclí s výrazně odlišným dformačním chováním. Pro jdnoduchost označím ocli násldovně: nízkouhlíková ocl = 1, vysokouhlíková ocl = 2, fritická ocl = 3, austnitická ocl = 4 a nástrojová ocl = 5. Jjich chmická složní jsou uvdna v Tabulc 1. Tabulka 1 Chmické složní vybraných oclí Ocl C Mn Si P S Cr Ni Mo V W Cu Al Ti 1,123,339,18,25,14,53,3,3,7,24,14,1 2,85,226,245,13,26,114,33,8,17,17,2,1 3,121,43,523,3,21 25,471,324,57,98,5,68,21,423 4,52 1,7,21,39,15 19,145 8,665,336,88,6,426,8 5,942,22,292,22,5 4,39,324 5,14 1,957 6,46,143,22,4 (5) clková váĺcovací síla [kn] y = 47,92x,48 y = 28,58x,984 y = 18,341x, Obr. 3 Proložní závislosti F clk otáčky válců mocninnou křivkou pro fritickou ocl (tplotní hladiny dformac shora 8 C, 925 C a 15 C)

5 clková válcovací síla [kn] y = 49,43x,554 y = 39,664x,759 y = 31,897x, Obr. 4 Proložní závislosti F clk otáčky válců mocninnou křivkou pro austnitickou ocl (tplotní hladiny dformac shora 85 C, 1 C a 115 C) Proložním vykrslných bodů mocninnou křivkou (provdno v Exclu) získám rovnici příslušné funkc. Jjí mocnitl odpovídá člnu D F/T z rovnic (5). Linární rgrsí mocnitlů m v závislosti na rciproké tplotě obdržím rovnici přímky, jjíž koficinty odpovídají konstantám D a F viz obr. 5. Obr. 5 Závěrčná linární rgrs m 1/T pro dva typy ocli Takovýmto způsobm byly získány hodnoty konstant D a F pro všchny zkoumané ocli. Násldoval pokus o nalzní vztahu mzi chmickým složním a hodnotou těchto konstant, a to přs vybrané synttické paramtry např. uhlíkový kvivalnt podl vzorc [5]: Mn Cr Ni Mo V Cu P C = C Podl Schafflrových rovnic [6] byly stanovny chromové a uhlíkové kvivalnty: E Cr m,14,13,12,11,1,9,8,7,6,5,4 Austnitická ocl m =, ,49/T = Cr + 2 Mo + 1,5 Si +,5 Nb +,5 Ti Fritická ocl m =, ,93/T,65,75,85,95 1/T (6) (7)

6 E Ni = Ni +,5 Mo + 3 C + 3 N (8) kd obsahy prvků jsou v hm. %. Poté byly vytvořny závislosti konstant D a F na uhlíkovém kvivalntu a na poměru chromového a niklového kvivalntu a vzniklou závislostí byla případně proložna křivka polynom druhého stupně. 5. DISKUSE VÝSLEDKŮ 5.1. Ověřní platnosti modlu Správnost konstrukc modlu byla ověřna vzájmným srovnáním výsldků z torzního plastomtru SETARAM a xprimntální válcovací tratě TANDEM. Při porovnání hodnot xponntu m získaného dvěma různými mtodami na matriálu stjného nbo vlmi blízkého chmického složní zjistím jjich zcla vyhovující shodu, viz prác [7]. Avšak již malé odchylky v chmickém složní vyžadují provdní nových xprimntů a urční xponntu m a z něho pak i hodnot konstant D a F. Čln modlu popisující vliv dformační rychlosti v rovnici (1) rsp. (5) j mocninného typu. Navíc j v něm zapracován i linární vliv rciproké tploty. Ž bylo při konstrukci modlu postupováno správně, to dokazuj obr. 6, na němž jsou vykrslny závislosti clkové válcovací síly na otáčkách válců pro horní válcovací tplotu u oclí z Tabulky 1, jjichž znační j pro přhldnost grafu zachováno. clková válcovací síla [kn] Obr. 6 Závislost F clk otáčky válců pro horní válcovací tplotu u vybraných oclí Jak j vidět z tohoto obrázku, rost F clk s zvyšujícími s otáčkami válců podl mocninné funkc. J-li uvažovaný vliv tploty v rovnici (5) linární, pak vynsním hodnot xponntů m v závislosti na rciproké tplotě musím získat body sřazné do přímky, viz obr. 7.

7 m,25,2,15,1, ,6,7,8,9,1 1/T Obr. 7 Linární rgrs závislostí m 1/T Jak j na obr. 7 vidět, hodnoty xponntů m vynsné do grafu vytvořily v všch vybraných případch přímky. Potvrdila s tak správnost linární konstrukc vlivu rciproké tploty v člnu rovnic (1) popisujícím vliv rychlosti dformac u vlmi rozdílných typů ocli, tdy s vlkou mírou obcnosti Závislost konstant D a F na chmickém složní Podl rovnic (6), (7) a (8) byly vypočtny uhlíkové, chromové a niklové kvivalnty pro příslušné ocli. Po stanovní těchto hodnot byly vynsny odpovídající body do grafů a byly tak vytvořny závislosti D C a F C : 5 3 D ,1,2,3,4,5 F -6 F Obr. 8 Graf závislosti konstant D a F na uhlíkovém kvivalntu Jak j zřjmé, v případě ani jdné z sldovaných konstant nní možné vyjádřit závislost na hodnotě uhlíkového kvivalntu. Nadějněji vypadá situac p vykrslní závislostí konstant D a F na poměru chromového a niklového kvivalntu E Cr /E Ni (viz obr. 9 a 1). C D,6

8 ,6,5,4 D,3,2,1 D =,96.EKV 2 -,394.EKV +, E Cr /E Ni Obr. 9 Graf závislosti konstanty D na poměru E Cr /E Ni F F = -7,2223.EKV 2 + 2,429.EKV - 264,48 E Cr /E Ni Obr. 1 Graf závislosti konstanty F na poměru E Cr /E Ni Na obou přdchozích obrázcích j již vidět náznak jistého uspořádání bodů do křivky, jíž lz v obou případch proložit polynom druhého stupně. Byly tak získány rovnic umožňující vyčíslní konstant D a F. D =,14 EKV 2,464 EKV +,3356 (9) 2 F = 9,587 EKV + 38,58 EKV 29,82 (1) kd EKV j podíl kvivalntů E Cr /E Ni. Bohužl j rozptyl hodnot příliš vlký a v určitých oblastch hodnot poměru chromového a niklového kvivalntu j xprimntálních příliš málo, nž aby s dalo s jistotou tvrdit, ž j možno aplikovat právě polynom druhého stupně. Z obr. 9 a 1 j patrné, ž k končnému potvrzní získané závislosti j třba provést jště mnoho dalších zkoušk, zjména s oclmi s vyšším obsahm chromu, aby byla doplněna část grafu s střdním a vyšším poměrm

9 chromového a niklového kvivalntu okolo hodnoty 1 a v rozmzí 3 až 7. To vš j zatím v fázi příprav na další tsty. 6. ZÁVĚR Modl popisující závislost dformačního odporu za tpla na trmomchanických podmínkách tvářní oclí s vlivm dynamické rkrystalizac, ktrý byl sstavn na základě výsldků zkoušk na krutovém plastomtru, byl v své platnosti omzn rychlostí dformac do 5 s -1. Tato platnost byla u vybraných oclí rozšířna xprimntálním ověřním pro hodnoty dformační rychlosti až 12 s -1. Také byla ověřna obcná správnost konstrukc vlivu dformační rychlosti na dformační odpor i s zapracovaným vlivm tploty tvářní. V dalším kroku byla naznačna možnost vytvořní obcnější závislosti konstant člnu modlu popisujícího vliv dformační rychlosti na chmickém složní zkoumaných matriálů. Tyto prác si vyžádají množství dalších údajů, což j přdmětm budoucích výzkumů. LITERATURA [1] SCHINDLER, I. - KLIBER, J. - BOŘUTA, J.: In: METAL 94, Ostrava 1994, s. 132 [2] SCHINDLER, I.: Hutnické listy, 1998, č. 7-8, s. 76 [3] KREJNDLIN, N. N.: Rasčot obžatij pri prokatk, Mtallurgizdat, Moskva [4] RADINA, M. - SCHINDLER, I. - BÍLOVSKÝ, P.: In: Transfr 99, Brno 1999, s. K 47 [5] PILOUS, V., LÖBL, K., STRÁNSKÝ,K.: Návary a svarové spoj konstrukčních oclí, Vodní stavby Praha a.s., Plzň 1993 [6] ČÍHAL, V.: Korozivzdorné ocli a slitiny, Acadmia, Praha 1999 [7] RADINA, M. t al.: In: FORMING 99, Zlaté Hory 1999, s. 196