METAL 23 2.-22.5.23, Hradec nad Moravicí VLIV TEPELNĚ-MECHANICKÉHO ZPRACOVÁNÍ NA VLASTNOSTI DRÁTU Z MIKROLEGOVANÉ OCELI Stanislav Rusz a Miroslav Greger a Otakar Drápal b Radim Lukáš a a VŠB Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15, 78 33 Ostrava - Poruba, ČR, E- mail: stanislav.rusz@vsb.cz, miroslav.greger@vsb.cz, b VÍTKOVICE, a. s., Kovárna, 76 2 Ostrava - Vítkovice, ČR, E-mail: drapal@exchange.vitkovice.cz ABSTRAKT Mikrolegované oceli na bázi B přináleží v současné době k materiálům, které nacházejí široké uplatnění ve strojírenství, zvláště pak v automobilovém průmyslu. Z polotovarů ve formě taženého příp. válcovaného drátu jsou vyráběny vysoce namáhané spojovací součásti (šrouby, čepy, táhla, držáky apod.). Mechanické vlastnosti i povrchová kvalita drátu musí splňovat požadavky SEP-152 i DIN 5192. V příspěvku je analyzován vliv tepelného zpracování i vlastního procesu tažení na průběh křivek přetvárného odporu. Na základě dosažených výsledků pěchovacích zkoušek byly vytvořeny křivky přetvárného odporu z jedné tavby drátu válcovaného, taženého, taženého-žíhaného a taženého žíhaného taženého od tuzemského dodavatele (Třinecké železárny). ABSTRACT Low carbon steels, especially those with B and Cr admixtures, are used ever wider for production of high-strength joining components, mainly by car industry. A drawn wire is employed as a starting semi-product. The joining elements (fastening bolts for engines, gearboxes, etc.) are exposed to high dynamic loads. As such, dynamic tensile, and especially upsetting tests are utilized for verifying of the semi-product formability. The current paper investigates classical upsetting tests (tearing gear), and dynamic testing (cam plastometer) of micro-alloyed, Mn-B based, steel. Tests have been performed for rolled and drawn wire aiming at comparison of results for forming resistance patterns gained by different deformation speeds. ÚVOD Výroba vysokopevných spojovacích součástí z mikrolegovaných ocelí nachází široké uplatnění zejména v automobilovém průmyslu. Jako polotovary jsou požívány válcované a tažené dráty. V souvislosti s nárůstem výroby těchto součástí dochází k daleko většímu využití tvářecích technologií na úkor technologie třískového obrábění. Daná problematika se dotýká českých výrobců spojovacích součástí, kteří jsou zároveň subdodavateli velkých automobilových firem. V současnosti je výchozí polotovar pro vysokopevnostní spojovací součásti dovážen ze zemí EU, což je výsledkem nedostatečně zvládnuté technologie výroby válcovaných a tažených drátů pro šroubárenský průmysl v tuzemských podnicích hutní prvo a druho- výroby z hlediska požadavku na vysokou povrchovou kvalitu těchto drátů. 1
METAL 23 2.-22.5.23, Hradec nad Moravicí 1. ZKOUŠKY TVAŘITELNOSTI 1.1 Pěchovací zkoušky Bylo provedeno ověření drátů z mikrolegované oceli typ 23MnB4 od tuzemského výrobce Třinecké železárny a. s.. Chemické složení oceli od tuzemského dodavatele je uvedeno v tabulce č.1 Ocel 23MnB4 Chemické složení [%]: C.21 -.25, Si <.15, Mn.8-1, P <.15, S <.15, Cr.25.35,Ti <.6, Al.2.5,Ni <.3, Cu <.25, N <.15, B.15.5 Doprovodné prvky[%]: As <.4,Sn <.2, Pb <.4,Nb <.3, O <.4, Tabulka 1 C S Cr Ni Cu P Si Mn N Mo V Al Ti B ( %),23,11,3,6,4,1,1,87,8,9,3,29,2,3 Práce byly zaměřeny na pěchovací zkoušky za kvazistatického stavu s cílem získání křivek přetvárného odporu σ=f (φ). Byly tedy testovány vzorky označené následujícím označením a parametry /1/: Materiál č. 1: ø 11.8 mm, tažený drát. Zde byly provedeny digitální pěchovací zkoušky 5 vzorků za 23 C a 5 vzorků za 2 C pro určení σ=f (φ). ØD = 11.771 mm a H = 17.16 mm. Materiál č. 2: ø 11.8 mm, tažený- žíhaný- tažený drát. Zde byly provedeny digitální pěchovací zkoušky 5 vzorků za 22 C a 5 vzorků za 2 C pro určení σ=f (φ). ØD = 11.8 mm a H = 17.76 mm. Materiál č. 3: ø 12.1 mm, tažený a žíhaný drát. Zde byly provedeny digitální pěchovací zkoušky 5 vzorků za 22 C a 5 vzorků za 2 C pro určení σ=f (φ). ØD = 12.193 mm a H = 18.226 mm. Materiál č. 4: ø 14 mm, válcovaný drát. Zde byly provedeny digitální pěchovací zkoušky 4 vzorků za 22 C a 5 vzorků za 2 C pro určení σ=f (φ). ØD = 13.987 mm a H = 2.885 mm. 2. METODIKA PROVÁDĚNÍ A VYHODNOCOVÁNÍ PĚCHOVACÍCH ZKOUŠEK Personální počítače vybavené přesnými vstupně/výstupními (V/V) analogovými a digitálními jednotkami mohou realizovat všechny funkce malých a středně rozsáhlých měřicích a řídících systémů. PC s příslušným programovým vybavením nabízejí standardní prostředky především v následujících oblastech průmyslu a výzkumu: - sběr, měření, zpracování signálů - řízení jakosti výroby, testování - monitorování a řízení technologických procesů. Pro automatizaci měření ve tvářecích procesech byla použita 16 kanálová V/V měřicí karta PCL 812 PG instalovaná do slotu Docking Station, který byl nadstavbou k Notebooku Paradigma II /2/. Spolu se SW ADVANTEC zajišťovaly tyto prostředky sběr dat ze stávajícího zařízení typu GPIB. Tak byly získány pracovní diagramy F= f( H). 2
METAL 23 2.-22.5.23, Hradec nad Moravicí. Byly provedeny pěchovací zkoušky 1 vzorků podle digitální metodiky a podle stávající analogové metodiky bylo pěchováno minimálně 31 vzorků na různé stupně deformace. Při pěchovacích zkouškách byla měřena síla a dráha pomocí tenzometrického dynamometru RA/1 Mp (98 kn) a indukčnostního snímače dráhy W5. Signál ze snímačů byl zpracován měřicím zesilovačem KWS/6A-5 Hottinger a byl zobrazen na XY zapisovači L.P. a přes měřicí kartu PCL 812 PG na obrazovce osobního počítače. Pro toto zobrazení byl vytvořen speciální SW produkt ADVANTEC /2/. Experimentálně byla zjištěna optimální vzorkovací frekvence pro snímání uvedených veličin, která se pohybovala od 15 do 3 Hz. Mez kluzu v tlaku byla při volbě uvedené vzorkovací frekvence dobře identifikovatelná. 2.1 Teorie výpočtu přetvárného odporu Přetvárná práce je definována vztahem x A = F(x)dx, (1) kde x je dráha po níž působí síla F(x). Z definice přetvárného odporu F σ =, (2) S kde S je plocha, na níž působí síla F, plyne, že Ze substituce plyne Dosadíme-li (5) do (3), obdržíme A σ Sdx. (3) = x H = ln (4) H x dx d =. (5) H x A = σs(h x). (6) d Protože objem V = S (H x) je konstantní, dá se (6) psát ve tvaru A = V σd. (7) Ze vztahu (1) a (7) je zřejmé, že měrná přetvárná práce a se dá zjistit jak z přetvárné síly F, tak z přetvárného odporu σ : 1 a = V x F( x) dx = σ ( ) d. (8) Ze vztahu (8) je vidět, velikost přetvárného odporu lze získat z měrné přetvárné práce derivací da σ =. d (9) Použijeme-li znovu (5), pak vztah (9) přejde na tvar da 1 F ( ( ) ( H ( 1 e ) σ( ) = (H x) = H e F H 1 e =, dx V Se (1) kde S je počáteční průřez válečku. 3
METAL 23 2.-22.5.23, Hradec nad Moravicí 4
METAL 23 2.-22.5.23, Hradec nad Moravicí 5
METAL 23 2.-22.5.23, Hradec nad Moravicí [MPa] Obr. 4: Závislost přetvárného odporu na deformaci u mater. 4 (válcovaný drát) pro teplotu T = 23 C Na obrázcích 1až 4 jsou zobrazeny křivky přetvárných odporů v závislosti na logaritmické deformaci σ = f (), kde jsou vidět body z měření, přepočtené ze změřené síly i aproximační polynomy, jejichž analytické tvary jsou uvedeny v této kapitole. Křivky přetvárného odporu jsou podkladem pro veškeré výpočty, včetně numerických simulací pěchovacích operací a numerické predikce vzniku tvárného porušení pěchovaných polotovarů. 3. HODNOCENÍ KŘIVEK PŘETVÁRNÝCH ODPORŮ Materiál č.1: U tohoto taženého drátu došlo k významným disproporcím v jednotlivých dvojicí a trojicích křivek σ=f (φ). Ty jsou oproti sobě umístěny ve dvou úrovních. Zajímavá je i výrazná mez kluzu při testovací teplotě 23 C a následné odpevňování materiálu do φ=.5. Přesazení křivek je patrné i u zkušební teploty 2 C. Přesazení činí maximálně 6Mpa. Je vidět, že zkušební metoda je dostatečné citlivá, aby odhalila podstatné rozdíly v průbězích závislostí. Daný jev bude nutno zkoumat podrobněji provedením dalších zkoušek, jelikož všechny zkoušené materiály byly z jedné tavby /1/. Materiál č.2: Zde nebyly zjištěny významné rozptyly v jednotlivých křivkách, proto byly vybrány optimální křivky pro každou pracovní teplotu.přetvárný odpor byl potom výrazně nižší než u materiálu č.1. To bylo patrně způsobeno sledem technologických operací a operace žíhání. Materiál č.3: U tohoto materiálu lze konstatovat velmi podobné chování v procesu tváření jako u materiálu č.2. Materiál se chová stabilně, nevykazuje žádné výrazné změny a je patrně dostatečně homogenní, protože u něj nedošlo k výrazným odlišnostem mezi jednotlivými křivkami přetvárného odporu u jednotlivých zkušebních teplot. U uvedených materiálů proběhly zkoušky tak, že vzorky při maximálních deformacích φ= 1.5-1.6 nevykazovaly známky povrchových trhlin. 6
METAL 23 2.-22.5.23, Hradec nad Moravicí Materiál č.4: U tohoto materiálu křivky přetvárného odporu opět nevykazovaly významné rozptyly. Nárůst přetvárného odporu je poměrně plynulý. Docházelo však po pěchování na deformace φ< 1.5-1.6 k zvýraznění přeložek či trhlin. Možná, že skutečně jde o přeložky po válcování, jsou také rovnoběžné s podélnou osou pěchovaných vzorků. Mimo sporný materiál č.1 byly závislosti σ = f () aproximovány optimálními stupni polynomů na základě matematické statistiky. 4. ZÁVĚR Dle dosažených výsledků pěchovacích zkoušek byl jednoznačně potvrzen vliv tepelného zpracování na průběh závislosti přetvárného odporu σ p na deformaci φ. Žíháním taženého drátu dochází k podstatnému snížení přetvárného odporu a ke zvýšení tvařitelnosti. Při následném tažení dochází jen k velmi mírnému nárůstu σ p (1-2 %) v celém průběhu deformace, tzn. že v materiálů dochází ke kombinací zpevňovacího a následně odpevňovacího pochodu. Jakost materiálu se zvyšuje. V další části řešení dané problematiky se bude jednat o snížení počtu tažných operací (drát žíhaný-tažený) s docílením srovnatelných výsledků jako je tomu u drátu taženého-žíhaného-taženého. LITERATURA RUSZ, S. Vliv povrchových vad na tvařitelnost a užitné vlastnosti drátu z mikrolegované oceli určeného pro výrobu vysokopevných spojovacích součástí, dílčí zpráva GA ČR 16/2/412/A, VŠB TU Ostrava, 23, s. 1-1 JANÍČEK, L., MAROŠ, B. Automatizace měření a zpracování dat u pěchovacích zkoušek. In Sborník konference FORM 98, VUT Brno, 1998, s 151-156, ISBN 8-214-1182-1 Práce byly provedeny v rámci projektu GA ČR 16/2/412/A 7