TVAŘITELNOST Mn-B OCELÍ POUŽÍVANÉ V AUTOMOBILOVÉM PRŮMYSLU Stanislav Rusz VŠB TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava Poruba, ČR E-mail: stanislav.rusz@vsb.cz Abstrakt In this work is provided analysis the influence of surface defects on the final characteristics of rod and wire drawing. The introduction consideres and compares up today the possibility of utilization wire drawing in industry. On the basis of wire sample-cut before and after drawing was made analysis of the surface defects and subsequently was made the metallography analysis. All data has been statisticaly evaluated and documented in tabular and graphic form. According to results we can rewiew the influence of drawing process on the quality steel wire. ÚVOD Současný strojírenský průmysl vykazuje velikou poptávku po různých druzích taženého ocelového drátu a výrobcích z něho. Tažený ocelový drát se uplatňuje ve všech oblastech lidské činnosti. Mezi největší odběratele drátů patří tyto odvětví průmyslu: a) automobilový průmysl využívá dráty k výrobě ocelových kordů do pneumatik, pružin, táhel, linek, hadicových drátů a jinných výrobků, b) stavebnictví používá výrobků z drátů hlavně jako nezbytnou součást v předepjatém betonu, z povrchem, buď ve stavu po tažení, nebo dodatečně vybaveným vroubky pro zlepšení přilnavosti tzv. žebírková ocel, c) strojírenství zde jsou největším odběratelem drátů šroubárny, kde se z taženého drátu vyrábějí nejrůznější druhy spojovacího materiálu jako jsou, šrouby, matice, nýty a podobně, d) zemědělství je jedním z největších spotřebitelů drátů. Pletivo na drátěné ploty, tkaniny a síta a značné množství chmelnicového vázacího drátu, e) sdělovací technika používá pozinkovaných drátů pro železniční zabezpečovací zařízení a pozinkovaného ocelového drátu, jako drátu telefonního náhradou za měděný. Další uplatnění výrobků z drátu nacházíme v energetice a zbrojním průmyslu. Tímto je charakterizována mnohotvárnost použití drátu a široká modifikace jeho vlastností, což umožňuje zabezpečit pro konkrétní požadavky odběratele potřebné parametry. Z hlediska širokého použití ocelového drátu v posledních desetiletích je v současné době věnována velká pozornost procesu tažení a technologiím s tímto spojeným. 1. SORTIMENT A CHARAKTERISTIKA VÝROBY TAŽENÝCH OCELOVÝCH DRÁTŮ Objemy výroby taženého drátu z hlediska potřeb veškerého průmyslu nejsou zanedbatelné. V roce 1990 bylo v ČR vyrobeno asi 450 000 tun taženého ocelového drátu (ve světě asi 25 mil. tun) /1/. Daný objem byl zpracován na nejrůznější druhy výrobků, např. na hřebíky, šrouby, ostnatý drát tkaniny a pletiva, lana, pružiny, kordy do pláštů pneumatik, kordy do dopravních pásů, jehly apod. Pro Českou Republiku je v tomto a příštím období velmi důležitý vývoz výrobků do EU. Trend vývozu a dovozu ukazuje tab. č.1. Popisuje zvýšení celkového vývozu a dovozu v roce 1999 proti roku 1998 /1/. - 1 -
Tab. č.1: Vývoz a dovoz ocelového drátu v r. 1999 (výchozí stav r.1998) /1/ Skupina Zvýšení dovozu Zvýšení vývozu Výrobků Celkem (%) z EU (%) Celkem (%) do EU% Tažená,loupaná, Broušená ocel 23.5 19.8 22.5 49.2 Tažený drát 19.8 39.6 28.8 28.3 Na jakost a sortiment taženého ocelového drátu jsou kladeny neustále vyšší požadavky. Jakost taženého ocelového drátu je závislá, jak na vlastnostech válcovaného drátu, tak na všech fázích výrobního procesu a to zejména na: - technické úrovni technologického zařízení - technologii výroby a na jednotlivých technologických operacích /2/ - obsluze - vytvoření technických a organizačních podmínek pro optimální řízení a kontrolu procesu výroby. Tažené ocelové dráty jsou vyráběny tvářením válcovaného drátu různých jakostí za studena. Jakost ocelového válcovaného drátu významně ovlivňuje užitné vlastnosti taženého drátu a hospodárnost výroby. Výrobní sortiment taženého drátu: - nízkouhlíkové oceli s obsahem uhlíku do 0,25 %, - středně a vysokouhlíkové oceli s obsahem uhlíku od 0,25-1%, - pramence do předepjatého betonu, ocelová lana, pružiny, kordy do pneumatik a další výrobky včetně tvrdokovových průvlaků ze slinutých karbidů pro tažení za mokra a za sucha. Výroba taženého ocelového drátu je pro velký počet technologických operací náročná a složitá. K nejdůležitějším výrobním operacím počítáme: odokujování s povrchovou úpravou drátu,tažení,tepelné zpracování žíhání, patentování, kalení, pokovování drátu zinkování, cínování, mosazení, bronzování aj. Vhodnou kombinací tažení za studena a tepelného zpracování ocelového válcovaného drátu příslušné jakosti se dosáhne potřebných rozměrů a požadovaného materiálového zpevnění. 2. ANALÝZA VÝSKYTU POVRCHOVÝCH VAD U VÁLCOVANÉHO DRÁTU A U DRÁTU PO TAŽENÍ Hlavním cílem prací bylo provedení analýzy povrchových vad po délce taženého drátu před a po tažení. Analýza byla provedena pro materiál s označením 23 MnB4, což odpovídá podle ČSN oceli tř. 12. Chemické složení a mechanické vlastnosti dané oceli jsou uvedeny v tab. 2 a 3. Tab. 2: Chemické složení oceli 23MnB4 C (%) S (%) Mn (%) Si (%) P (%) Cu (%) Ni (%) Cr (%) 0.220 0.008 0.970 0.080 0.015 0.010 0.040 0.300 Ti (%) Al (%) V (%) Mo (%) B (%) N (%) 0.031 0.028 0.006 0.014 0.002 0.005-2 -
Tab.3. Mechanické vlastnosti válcovaného drátu Ø12.5 mm z oceli 23MnB4 d (mm) Fm (N) Rm(MPa) dz (mm) Z (%) 12.5 70000.00 570.00 7.10 68.27 2.1 Vady tvářených hutních výrobků Hlavními zdroji vad, jak u namáhaných strojních součástí, tak i při jejich výrobě jsou náhlé změny tvaru, poruchy struktury, přítomnost vlastních napětí I. druhu od svařování případně tepelného zpracování a degradace mechanických vlastností materiálu s časem. Vady jsou tříděny do 6 hlavních skupin: 1) vady rozměrů, tvaru, polohy a hmotnosti 2) vady povrchu 3) necelistvosti 4) vady makrostruktury a mikrostruktury 5) ostatní vady zjišťované zvláštními laboratorními zkouškami 6) nedodržení předepsaných údajů výrobku (číselného písemného značení). V případě většiny technologií tažení drátu jsou mezi nejčastěji zjistitelnými povrchovými vadami tyto: Trhliny trhlinu v tělese lze považovat za vrub s maximální ostrostí kořene. Existují dva druhy vrubů. Vruby konstrukční a strukturní, které se bezprostředně týkají tažení. Vznikají vlivem technologických procesů v místech koncentrace vysokých napětí pří výrobě. Na hotových výrobcích jsou často zjistitelné pouze metodami nedestruktivní defektoskopie a metalograficky. Rýhy jsou podélné, přímé, úzké prohlubně na povrchu materiálu vzniklé průchodem okují mezi tvářecí a tvářenou plochou (mezi průvlakem a taženým drátem), které nebyly odebrány z povrchu drátu před vlastním tažením. Tato vada, mající zřetelně zaoblené nebo ploché dno se pak přenáší na drát po celé jeho délce, nebo po jeho části. Nejčastější příčiny vady jsou nesprávně nastavené, poškozené nebo znečištěné pracovní součásti tažného kužele. Jsou zjistitelné zrakem, naseknutím, napilováním. Přeložky jsou to vlivem působení tlaku při tažení deformované rýhy, které významně narušují základní strukturu. Vada výrobku se jeví jako porušení celistvosti povrchu, vzhledově připomínající trhlinu nebo vrásku, od nichž se liší charakteristickým přehrnutím povrchové vrstvy kovu. Nejčastější příčiny vady jsou přeložení výronku, přehrnutí hlubších nerovností povrchu dalším tvářením a nesprávný úběr. Zjistitelné jsou zrakem, napilováním povrchu, popřípadě metalografickým ověřením. 2.2 Analýza výskytu povrchových vad z hlediska hloubky průniku u vstupního materiálu metodika vyhodnocení Součástí analýzy byl metalografický rozbor, pomocí kterého bylo možno vady hodnotit. Zjištění probíhalo konkrétně pro výše uvedené druhy vad (rýhy, trhliny, přeložky) u kterých se hodnotil jejich počet, maximální a minimální výška a maximální a minimální šířka. Vstupní materiál (materiál před tažením) - byla analyzována válcovaná mikrolegovaná ocel označ. 23MnB4 o průměru Ø 12.5 mm. Dělení drátu na délky po 15 mm s následným označením vzorků bylo provedeno tak, aby bylo zachováno jejich pořadí z důvodů sledování podélných vad a nedocházelo k záměně s drátem taženým. - 3 -
3. METALOGRAFICKÝ ROZBOR K analýze byl použit roztok 4% kyseliny dusičné v alkoholu a naleptané vzorky drátu byly při tisícinásobném zvětšení promítnuty na matnici přístroje NEOPHOT. Prostřednictvím mřížky, která na matnici byla přiložená došlo k procentuálnímu vyjádření podílů složek ve struktuře, jak u drátu před tažením,tak i po tažení (viz. tab. 4. ) Tab.4: Obsah perlitu a feritu ve struktuře u drátu z oceli 23MnB4 N 1 2 3 4 5 6 Perlit(%) 39.7 38 40.7 37 37.3 39.3 232 Ferit (%) 60.3 62 59.3 63 62.7 60.7 368 Aritmetický průměr: x = 1/n * xi (1) perlit = 38.7% ferit = 61.3% Vyhodnocení Ve struktuře po tažení došlo vlivem procesu tváření k zrovnoměrnění složek perlitu a feritu, Tuto změnu provázel také vznik řádkovitosti. Z hlediska požadavku praxe na výslednou strukturu podíl feritu a perlitu umožňuje dosažení potřebných mechanických i fyzikálních vlastností drátu po tažení. Naopak výrazná řádkovitost má na mech. vlastnosti vliv negativní. 3.1 Výskyt nečistot ve struktuře Zjištění byla orientována především na případné nečistoty v podobě vměstků. Na podélných řezech vzorků drátu před a po tažení byla provedena mikroskopická hodnocení s tímto výsledným závěrem: Mikročistota oceli byla dobrá, vyskytovaly se drobné protvářené vměstky MnS a jemné vměstky Al 2 O 3 vyloučené bodově eventuálně v krátkých řádcích ve směru tváření. Rozložení vměstků bylo nerovnoměrné. Dále byl zaznamenán v menší míře výskyt oxidosulfidů. Shodný charakter byl zaznamenán jak u vzorků drátu před tažením, tak i po tažení. Z toho lze usoudit, že proces tváření drátu tažením za studena složení struktury podstatně neovlivnil. Obr.1: Mikrostruktura válcovaného drátu z mikroleg. oceli (zvětš.500x) Obr.2: Mikrostruktura válcovaného drátu z mikroleg. oceli (zvětš.200x) - 4 -
4. STATISTICKÉ VYHODNOCENÍ VLASTNÍHO ROZLOŽENÍ VAD Z HLEDISKA HLOUBKY VNIKU Při zkoumání se často setkáváme s případy, kdy pozorované veličiny (např. rozměr výrobku, parametr materiálu) mají náhodný charakter, spočívající v tom, že jejich pozorované hodnoty více či méně kolísají při opakovaných pozorováních. Takové veličiny interpretujeme jako náhodné veličiny s určitými typy rozdělení pravděpodobnosti. Řadu informací o posuzované náhodné veličině x poskytují její číselné charakteristiky: např. aritmetický průměr, rozptyl či směrodatná odchylka. 4.1 Statistické hodnocení rýh Drát před tažením, Ø12.5 mm Při zkoumání drátů před tažením bylo změřeno všech 87 různých hodnot hloubek rýh (náhodných veličin x) /3/. Příklad výskytu rýh je uveden na obr.3. Obr.3 Příklad výskytu rýh na válcovaném drátu Tab.č.5. Experimentálně zjištěné hodnoty pro statistický výpočet ( Ø12,5 mm) x k [mm] f k [-] Fk [-] f k x k [mm] (f k x k 2 )[mm] 0.010 8 8 0.080 0.0008 0.020 29 37 0.580 0.0116 0.030 28 65 0.840 0.0252 0.040 15 80 0.600 0.0240 0.050 3 83 0.150 0.0075 0.060 2 85 0.120 0.0072 0.070 0 85 0 0 0.080 1 86 0.080 0.0064 0.090 1 87 0.090 0.0081 87-2.54 0.0908 Z tabulky č.5. obdržíme: - aritmetický průměr X /3/ - 5 -
X = 1 m xk tk n k= 1 = 1 2, 54 = 0.0292 (mm) (2) 87 - rozptyl S 2 S 2 1 = m ( ) 2 0,0908 2 fk xk x = 0, 0292 = 191.04 10-6 (mm 2 ) (3) n k= 1 87 - směrodatnou odchylku S S = s 2 = 0.0138 (mm) (4) 2. Drát po tažení, Ø11 mm Při analýze vzorků drátu po tažení byly změřeny také všechny hloubky rýh (náhodné velič. x). /3/ Celkový počet rýh - 97. Tab.6. Experimentálně zjištěné hodnoty pro statistický výpočet ( Ø11 mm) x k [mm] f k [-] Fk [-] F k x k [mm] (f k x k 2 )[mm] 0.010 32 32 0.320 0.0032 0.020 28 60 0.560 0.0112 0.030 20 80 0.600 0.0180 0.040 12 92 0.480 0.0192 0.050 3 95 0.150 0.0075 0.060 1 96 0.060 0.0036 0.070 1 97 0.070 0.0049 97-2.24 0.0676 Statistický výpočet byl proveden obdobně jako v předchozí části. Celkový přehled číselných charakteristik podélných rýh na vzorcích drátu před a po tažení je obsažen v tab.č.7. Tab.7: Přehled číselných charakteristik (podélné rýhy) /3/ Číselná charakteristika Před tažením Po tažení Počet 87 97 Průměr.hloubka [mm] 0.0292 0.0231 Rozptyl[mm 2 ] 191.04 10-6 163.3 10-6 Směr.Od.[mm] 0.0138 0.0128 Minim.[mm] 0.010 0.010 Maxim.[mm] 0.090 0.070 Z tab.7 je patrný vliv tažení na nárůst rýh. Počet vad se zvýšil po tažení o 10 podélných rýh. Tomuto nárůstu nepřipisujeme větší význam, jelikož nedošlo k prohloubení rýh, a tím také k narušení homogenity struktury drátu. Naopak bylo zaznamenáno snížení maximálních a průměrných hodnot hloubek rýh. To je zdůvodněno tím, že proces tažení a sním probíhající - 6 -
kalibrace drátu jako jedna z mnoha. má za následek zlepšení jeho geometrických rozměrů i povrchových vlastností. Výsledky měření jsou uvedeny v grafu 1. Počet rýh [-] 35 30 25 20 15 10 5 Četnost rýh Po tažení Před tažením 0 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 Hloubka rýh [mm] Graf 1. Grafické znázornění počtu podélných rýh v závislosti na měnící se hloubce vniku Tab 8: Hodnoty hloubek rýh u drátu po tažení H(mm) 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 0.090 (n) 32 28 20 12 3 1 1 0 0 Tab9: Hodnoty hloubek rýh u drátu před tažením H(mm) 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 0.090 (n) 8 29 28 15 3 2 0 1 1 Tabulky č.8 a 9 udávají velikosti jednotlivých hloubek rýh a jejich počet s následným vyhodnocením uvedeným v grafu č.1. V grafu je možné pozorovat četnost rýh v drátu po válcování, tažení a jejich klesající tendenci se vzrůstající hloubkou h. 4.2 Statistické vyhodnocení trhlin U vzorků drátu před tažením z hlediska hodnocení výskytu trhlin nebylo provedeno toto hodnocení. Příčinou je jejich malý, doslova náhodný výskyt. Naopak u vzorků drátu po tažení došlo k většímu nárůstu trhlin a vzorky byly vyhodnoceny následovně: Tab.č.10. Přehled číselných charakteristik Číselná charakteristika. Před tažením Po tažení Počet 1 4 Průměr.hodnota [mm] - 0.0675 Minim. výška [mm] 0.05 0.025 Maxim. výška [mm] 0.05 0.120 Daný počet z hlediska hloubky vniku odpovídá normě a umožňuje další tváření polotovaru. - 7 -
5. ZÁVĚR U drátu po válcování bylo zjištěno určité množství podélných rýh. Ty, přestože dosahovaly místy hloubky až jedné desetiny, dle normy ČSN EN 10221 třídy D, E, patří stále k vadám s možností jejich odstranění. Odstranění vad probíhá z toho důvodu, že i po následném tažení průvlakem nemusí být všechny povrchové heterogenity zcela odstraněny nebo mohou jakkoliv narušit průběh tvářecího procesu. Další zaznamenané vady byly zjištěny v podobě trhlin. Vady se vyskytovaly pouze náhodně. Metalografický rozbor prokázal, že mikročistota oceli byla dobrá, vyskytly se pouze drobné protvářené vměstky MnS a AL 2 O 3 vyloučené bodově nebo v krátkých řádcích ve směru tažení. Jejich rozložení nebylo rovnoměrné. Shodný charakter struktury byl zaznamenán i u drátů po tažení, až na viditelnou řádkovitost. Z toho vyplývá, že proces tažení neměl podstatný vliv na změnu makro i mikrostruktury. Byl však zjištěn nárůst trhlin a zvýšení počtu podélných rýh. Zvýšení počtu trhlin je jeden z vážných negativů, které vznikají v procesu tažení. Je možno ho přisoudit vzniku dosti vysokému tlakovému napětí v dotykové vrstvě taženého materiálu při průchodu zužujícím se otvorem pracovní části kužele průvlaku, což může narušit povrch výchozího drátu v místě kde původně povrch byl jen velice minimálně narušen např. vměstkem. Počet rýh, objevených ve vzorcích drátu po tažení zaznamenal sice nepatrný nárůst, ale současně došlo k snížení průměrné hloubky vniku vady do materiálu a zlepšení jeho geometrických vlastností. Závěrem je možno konstatovat, že zvětšení hloubky povrchových vad vzhledem k velikosti úběru použitého při tažení drátu z oceli 23MnB4 není statisticky významné. Dochází pouze k mírnému nárůstu počtu rýh a trhlin. Z hlediska následných tvářecích operací jsou tyto hodnoty přípustné v dovolených mezích dle výše uvedené normy. Úkol byl řešen v rámci projektu Výzkum, vývoj a inovace technologií CEZ J17/98 272300010 LITERATURA [1] MARCOL, J.: Tažený ocelový drát, firemní literatura, ŽDB Bohumín, 1998 [2] BLAŠČÍK, F., POLÁK, K., WESSELY, E.: Teorie tváření, skripta VŠT Košice, 1994 of [3] ŠIKULOVÁ, M., KARPÍŠEK, Z.: Pravděpodobnost a statistika, skripta VUT Brno, 1990-8 -