VÝSLEDKY OVĚŘENÍ NOVÉHO TVARU KOKILY TYPU 8K9,2 PRO ODLÉVÁNÍ INGOTŮ NÁSTROJOVÝCH OCELÍ VERIFICATION OF THE NEW MOULD TYPE 8K9,2 FOR TOOL STEEL INGOT CASTING Martin BALCAR a), Libor SOCHOR a), Rudolf ŽELEZNÝ a), Pavel FILA a), Ludvík MARTÍNEK a), Libor KRAUS b), Dušan KEŠNER b), Jiří BAŽAN c) a) b) c) ŽĎAS, a.s., Žďár nad Sázavou, Česká republika COMTES FHT, s.r.o. Plzeň, Česká republika VŠB TU Ostrava, Česká republika Abstrakt Tradiční výroba strojírenského zařízení a nástrojů ve ŽĎAS, a.s. s rostoucími požadavky na dosažené užitné vlastnosti finálních výrobků, spojené zejména s vnitřní kvalitou výkovků, vyžadovala provedení některých opatření v oblasti lití a tuhnutí ingotu. Realizací nového tvaru kokily typu 8K9,2 pro odlévání ingotů nástrojových ocelí byl snížen objem produkce nevyhovujících výkovků. Podstatné zlepšení bylo dosaženo zejména z hlediska výskytu vad typu dutin a trhlin v těle ingotu. Ověřený návrh nového tvaru kokily typu 8K9,2 byl ve formě užitného vzoru přihlášen na úřadu průmyslového vlastnictví k ochraně pod číslem PUV 2006-18318. Práce byla řešena v rámci programu TANDEM projektu FD K3/078 za finanční podpory Ministerstva průmyslu a obchodu České republiky. Abstract The traditional production of machinery and tools at ŽĎAS, a.s. and increasing requirements on final product manufacture properties connected especially with the inside quality of forgings required to take the technological steps in the field of ingot casting and solidification. The development and realization of the new mould type 8K9,2 for tool steel ingot casting has resulted in the reduction of unsatisfactory forgings production. A substantial improvement has been achieved especially in term of the occurrence of defects such as cavities and cracks in the ingot body. The investigations were performed within the TANDEM program of the FT_TA/061 project. The project was founded partially by financial support of the Ministry of Industry and Trade of the Czech Republic. ÚVOD V rámci návrhu a realizace optimalizačních kroků v technologii výroby velkých výkovků nástrojových ocelí byly stanoveny příčiny vzniku vnitřních vad ingotů a výkovků jakosti dle ČSN 419554 a oceli 8CrMoSiV. [1], [2] 1
Požadavky na vnitřní kvalitu výkovků a podmínky tváření, dané mezní sílou lisu, znamenaly zaměření prací na proces lití a tuhnutí ingotu z hlediska změny tvaru kokily. Numerickou simulací procesu lití a tuhnutí kovářského ingotu 8K8,4 o hmotnosti 7,6 tuny, v podmínkách softwaru MAGMA, byl navržen optimalizovaný tvar ingotu 8K9,2 o hmotnosti 8,85 tuny se sníženým podílem osových vad definovaných zejména kriteriem Niyama. [3] Realizace a ověření návrhu nového tvaru kokily 8K9,2 pro odlévání ingotů nástrojových ocelí o hmotnosti 8,9 tuny jakostí dle DIN X40CrMoV51, 90MnCrV8 a oceli POLDI 8Cr3MoSiV, dokládá významné zlepšení vnitřní kvality ingotů. Ingot s nízkým podílem necelistvostí v osové části je základní předpoklad pro kvalitní výrobu velkých výkovků nástrojových ocelí. VADY INGOTU NÁSTROJOVÉ OCELI Produkce výkovků pro výrobu nástrojů v podmínkách ŽĎAS, a.s. je zajišťována zpracováním ingotů řady ingotů 8K hmotnosti 1 000 kg až 11 700 kg na lisech CKV 630, CKV 1250 a CKV 1800. V roce 2006 bylo provedeno posílení tvářecí síly lisu CKV1800 z původních 18 MN na současných 22,5 MN. K tradičnímu sortimentu nástrojových ocelí lze například řadit jakosti 90MnCrV8, X37CrMoV51, X40CrMoV51, 55NiCrMoV7, X210Cr12 a speciální oceli na výrobu válců 8CrMoV, 8Cr3MoSiV, 8CrMoSiV. Problematika výroby výkovků z nástrojových ocelí souvisí se sníženými plastickými vlastnostmi u ocelí s vysokým obsahem uhlíku v kombinaci s legujícími prvky, chrómem, molybdenem a vanadem. Pro dostatečné prokování ingotu a odstranění vnitřních vad zejména v místech posledního tuhnutí, tedy v osové části ingotu, je nezbytné zajistit vysokou rychlost tváření a dostatečné objemy deformací. V případě výrobu výkovků o jmenovitém rozměru, který nedovoluje tvářením zajistit potřebnou deformaci v osové části ingotu, je možné snížením podílu vnitřních vad ingotu dosahovat požadované vnitřní kvality. OVĚŘENÍ INGOTU 8K9,2 Návrh nového tvaru kokily resp. ingotu vyplývá z výsledků výpočtů řady modifikací geometrie kokily vycházející ze současného polygonálního ingotu typu 8K8.4 o hmotnosti 7 600 kg. Hlavní změny geometrie byly provedeny z hlediska štíhlosti a úkosu těla ingotu. Výsledný tvar byl následně přizpůsoben a modelováním ověřen pro ingot 8K9.2 o hmotnosti 8 850 kg. Porovnání základních parametrů ingotu 8K8,4 a návrhu nového tvaru ingotu 8K9,2 uvádí tab. 1. Tabulka 1: Základní parametry ingotu 8K8,4 a návrhu ingotu 8K9,2 Pro ověření jakosti ingotů i výkovků byla vybrána ocel dle DIN X40CrMoV51. Byly odlity 2 tavby pro odlévání 2 ks ingotů 8K8,4 a 8K9,2. Vždy jeden ingot z tavby byl podroben analýzám chemického složení z hlediska segregací a strukturních heterogenit po průřezu a druhý ingot byl zpracován tvářením na lisu CKV 1800 technologií volného kování na tyč o průměru 350mm při maximálním využití materiálu, tedy bez technologického odpadu. 2
Chemická heterogenita ingotů Pro porovnání chemické heterogenity ingotů jakosti X40CrMoV51 bylo analyzováno chemické složení ingotů typu 8K8,4 a 8K9,2 po průřezu v podélném a příčném směru dle schéma na obrázku 1. Výsledky chemických rozborů byly porovnány s výsledkem tavbové analýzy a na základě rozdílu byly určeny kladné a záporné hodnoty absolutních rozdílů jednotlivých prvků. místo odběru vzorků místo odběru vzorků místa odběru vzorků Diagramy na obrázku 2 resp. 3 dokumentují v místě největších zjištěných změn koncentrace uhlíku, tedy v ose po výšce ingotu typu 8K8,4 resp. 8K9,2. Obrázek 4 uvádí změny koncentrace síry v ose po výšce ingotu typu 8K8,4 a obrázek 5 pak po výšce ingotu typu 8K9,2. místo odběru vzorků Obr. 1: Schéma odběru vzorků pro analýzu chemického složení Obr. 2: 8K8,4 odchylky koncentrace uhlíku od tavební analýzy (0,38hm.%C) Obr. 3: 8K9,2 odchylky koncentrace uhlíku od tavební analýzy (0,38hm.%C) 3
Obr. 4: 8K8,4 odchylky koncentrace síry od tavební analýzy (0,0060hm.%S) Obr. 5: 8K9,2 odchylky koncentrace síry od tavební analýzy (0,0035hm.%S) Obrázek 6 resp. 7 uvádí odchylky koncentrace molybdenu od tavbové analýzy v ose po výšce ingotu typu 8K8,4 resp. 8K9,2. Obr. 6: 8K8,4 odchylky koncentrace molybdenu od tavební analýzy (1,25hm.%Mo) Obr. 7: 8K9,2 odchylky koncentrace molybdenu od tavební analýzy (1,25hm.%Mo) 4
Z uvedených absolutních odchylek prvků od hodnot stanovených ze vzorků oceli odebraných v průběhu odlévání ingotů je zřejmé, že v případě tuhnutí oceli v kokile 8K9,2 dochází v porovnání s 8K8,4 k výraznější segregaci uhlíku, síry i molybdenu. Obr. 8: 8K9,2 odchylky koncentrace uhlíku od tavební analýzy (0,38hm.%C) po výšce těla ingotu Obr. 9: 8K9,2 MAGMA odchylky koncentrace uhlíku po výšce těla ingotu Na obrázku 8 lze porovnat rozdíly odmíšení resp. segregace prvků v místě na povrchu, ve vzdálenosti ½ poloměru od povrchu (middle radius) a 8K9,2. Vyšší obsah uhlíku na povrchu ingotu zřejmě souvisí s použitým licím práškem, který obsahuje až 21 hm.%c. V místě označeném ½ (middle radius) a stejně tak, dochází v patní části k odmíšení uhlíku a v horní části ingotu k segregaci, přičemž osová část ingotu se vyznačuje většími rozdíly koncentrací. Verifikaci výsledku numerické simulace softwarem MAGMA lze učinit při porovnání grafu s obrázkem 9. Je zřejmé, že v reálných podmínkách dochází z hlediska absolutní změny koncentrace uhlíku k výraznějším rozdílům. Rovněž není v podmínkách numerické simulace uvažováno s možností nauhličení taveniny z vnějších zdrojů uhlíku. Přínos numerické simulace je patrný v oblasti stanovení rozložení kladných a záporných segregací po průřezu ingotu. Strukturní vady ingotů Pro praktické ověření rozsahu vnitřních vad ingotů bylo přistoupeno k rozborům reálných výkovků. V rámci prací byly z jakosti X40CrMoV51 odlity: ingot 8K8,4 ingot 8K8,4 ingot 8K9,2 - odlévání spodem přes vtokovou soustavu - odlévání vrchem - odlévání spodem přes vtokovou soustavu 5
Po rozřezání ingotů a provedení kapilární zkoušky metodou polévací, byly pořízené snímky pro zvýraznění vad ingotu podrobeny grafické transformaci. Výsledný vzhled vnitřní části ingotu na příčném řezu dokumentují obrázky 10 až 12. Obr. 10: 8K8,4 litý spodem vady ingotu Obr. 11: 8K8,4 litý vrchem vady ingotu Obr. 12: 8K9,2 litý spodem vady ingotu Snímky potvrzují vliv způsobu odlévání a tvaru kokily na rozsah vnitřních vad ingotu. Při podrobném pohledu na velikost jednotlivých vady konstatujeme u ingotu 8K9,2 výskyt trhlin šířky do 1 mm v délkách do 10 mm. V případě ingotu 8K8,4 bez ohledu na způsob odlévání se nachází souvislé trhliny a dutiny o šířce větší než 5 mm v některých případech v délce až několika centimetrů. Výsledky zkoušení výkovku ultrazvukem Hlavním hlediskem hodnocení vlivu změny tvaru kokily na produkci výkovků nástrojových ocelí byla vnitřní jakost výkovků zkoušená ultrazvukem dle normy SEP 1921. Ověření jakosti experimentálního výkovku z ingotu 8K9,2 materiálu dle DIN X40CrMoV51 bylo provedeno ve stupních A/a, B/b, C/c, D/d, E/e, kdy za přijatelnou pro sledovanou ocel lze považovat úroveň D/d případně E/e. Na základě provedených měření a porovnání výsledků statistického hodnocení předchozí produkce výkovků z oceli jakostí DIN X40CrMoV51, jak uvádí tabulka 2, je zřejmé, že změnou tvaru kokily bylo dosaženo významného zvýšení využití ingotu a zlepšení vnitřní kvality výkovku. Tabulka 2: Využití ingotů výkovky oceli X40CrMoV51 ultrazvuk dle SEP 1921 Výkovek zkušební tyče z ingotu 8K9,2 vyhověl ve všech stupních zkoušce ultrazvukem, v délce tyče odpovídající objemu materiálu při využití ingotu 82%. Ostatní 6
materiál výkovku byl nepoužitelný z důvodu šíření trhlin od hlavy ingotu a odpadu od paty ingotu, spojeného s tečením materiálu a nutností zarovnání čela výkovku strojním řezáním. Optimistický závěr z šetření jednoho výkovku potvrzují výsledky dosahované na reálných zakázkách výroby tyčí a bloků z nástrojových ocelí s hmotností do 7 tun a průměru tyče až 600 mm resp. výšce bloku až 500 mm. ZÁVĚR Verifikace výsledků numerické simulace na reálných ingotech potvrzuje nepříznivý vliv změny geometrie kokily na úroveň odmíšení a segregací po průřezu ingotu. Rozsah chemické heterogenity ingotu významně závisí na typu odlévané oceli. Změnou technologie odlévání nebylo dosaženo snížení podílu vad typu trhlin a dutin v osové části ingotu na přijatelnou úroveň. Změny v rozložení a rozsahu vnitřních vad ingotu byly zaznamenány u ingotů odlévaných do nových tvarů kokil typu 8K9,2. Na základě předložených výsledků lze konstatovat podstatné zvýšení vnitřní kvality výkovků a současné snížení podílu nevyhovujících kusů na zkoušku ultrazvukem, v přímé vazbě na změnu geometrie kovářského ingotu typu 8K hmotnosti 8,85 tuny. LITERATURA [1] Martínek, L., Balcar, M., Novák, J., Sochor, L.: Rozbor vnitřních necelistvostí ingotu z nástrojové oceli. 6. Mezinárodné metalurgické sympozium. Rájecké Teplice, 2003. [2] Martínek, L., Balcar, M., Novák, J., Sochor, L.: Vnitřní struktura ingotu z nástrojové oceli. 20. konference Teorie a praxe výroby a zpracování oceli, Rožnov. Tanger, 2003. [3] Carlson, K.D., Shouzhu Ou, Hardin, R., Beckerman, Ch.: Development of New Feeding Distance Rules Using Casting Simulation: Part I. Methodology. http://www.engineering.uiowa.edu/~becker/documents.dir/feedingpart1.pdf 7