OPTIMALIZACE OHŘEVU NÁSTROJOVÝCH A MARTENZITICKÝCH KOROZIVZDORNÝCH OCELÍ HEATING OPTIMIZATION OF TOOL AND MARTENSITIC CORROSION RESISTANT STEELS

METAL 2008 13. – 15.5.2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________

OPTIMALIZACE OHŘEVU NÁSTROJOVÝCH A MARTENZITICKÝCH KOROZIVZDORNÝCH OCELÍ HEATING OPTIMIZATION OF TOOL AND MARTENSITIC CORROSION RESISTANT STEELS Martin Prošek Jiří Hodan POLDI Hütte s.r.o., Průmyslová 1343, 272 62 Kladno, CZ, [email protected] POLDI Hütte s.r.o., Průmyslová 1343, 272 62 Kladno, CZ, [email protected]

Abstract The successor company of former Poldi named POLDI Hütte s.r.o. continue in the ancestry and the tradition of steelworks, blacksmith forging, workshops of heat treatment and finishing work today. Company is tackling the project which is oriented on research and development of heating tools and martensitic stainless steels for forging and heat treatment. Used operation modes of heating ingots and heat treatment forging bars are usually from production engineer´s long-term experience which aren´t technically verified. Heating certain steel is a proposition which is very exact regarding their physical properties – low heat conductance, high heat expansion. Mathematical simulation methods are ressources with experimental measurements in working conditions which are time-consuming and uneconomical. This project is registered in a program of industrial research and development IMPULS which is realized by financial support of the state budget (Ministry of Industry and Trade of the Czech Republic).

1. ÚVOD POLDI Hütte s.r.o., která navazuje na historii a tradice bývalé Poldi dnes provozuje ocelárnu, volné kovárny, příslušné provozy tepelného zpracování a dokončující výrobu. Projekt, který společnost v současné době řeší je zaměřen na výzkum a vývoj ohřevu nástrojových a martenzitických korozivzdorných ocelí ke kování a tepelnému zpracování. Projekt je zařazen do programu průmyslového výzkumu a vývoje IMPULS a je realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu České republiky. 2. VÝBĚR JAKOSTÍ Ohřev ingotů na tvářecí teplotu je velmi náročnou záležitostí. Existuje riziko vzniku trhlin z nadměrného pnutí při velmi rychlém ohřevu. V současné době užívané režimy ohřevů jsou stanoveny pouze empiricky a jen výjimečně jsou ověřeny matematickými výpočty. Pro modelování byly vybrány ledeburitické oceli pro práci za studena a martenzitické korozivzdorné oceli. Oceli mají velmi nízkou tepelnou vodivost a vysokou tepelnou roztažnost. Z těchto hledisek jsou velmi náchylné na vznik trhlin vyvolaných vnitřním pnutím, a tudíž jsou ideálními představiteli pro matematické modelování křivek ohřevů.

1

METAL 2008 13. – 15.5.2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Hlavními představiteli výše uvedených ocelí byly vybrány následující jakosti:

Tabulka 1. Vybrané jakosti ocelí Table 1. Selected steels duality

POLDI 2002K 2002D 2002W AK1NI AK4MO AK9MO ČSN

19 573

17 145

DIN

1.2379 1.2436 9.2690

1.4057

17 151 1.4122

1.4112

2.1 Ledeburitické oceli pro práci za studena Ledeburitické chromové oceli představují nejvýkonnější skupinu ocelí pro práci za studena. Oceli mají ve struktuře speciální ledeburitické karbidy chromu, případně vanadu, které zajišťují výbornou odolnost proti opotřebení. Dnes již klasická ocel s 2 % uhlíku a 12 % chromu obsahuje asi 18 % volných ledeburitických karbidů. Nevýhodou je však uspořádání karbidů do typických řádků u jednosměrně tvářených tyčových polotovarů a z toho plynoucí zejména deformace po tepelném zpracování. Řádkovitá struktura přispívá i k nízké houževnatosti, a to zejména v příčném směru. Od základního typu reprezentovaného ocelí Poldi 2002 byly odvozeny typy se zvýšenou houževnatostí, popřípadě se zlepšenou odolností proti opotřebení. Vyšší houževnatost se dociluje snížením obsahu uhlíku (1,6 %), což má příznivý účinek i na strukturu. Vyšší otěruvzdornost mají chromové ledeburitické oceli s 2 % uhlíku a přísadou wolframu, molybdenu a vanadu. Chromové ledeburitické oceli mají velkou prokalitelnost. 2.2 Martenzitické korozivzdorné oceli Martenzitické oceli jsou oceli obsahující zpravidla 12 až 17 % chromu při různých obsazích uhlíku od 0,12 do 1,0% a menších obsazích dalších slitinových prvků, zejména molybdenu, případně i niklu a dalších. Uhlík je nutné považovat v tomto případě za důležitý, neboť přispívá významně k dosažení zaručovaných vlastností (např. pevnosti). Tyto oceli slouží jako konstrukční materiály, zejména oceli s obsahy uhlíku kolem 0,20%, a to v tomto případě zvláště při stavbě tepelných elektráren. Uplatňují se přitom svou zvýšenou hladinou pevnostních hodnot a poměrně dobrou odolností proti korozi. Oceli s dále zvýšenými obsahy uhlíku slouží zase v prvé řadě jako řezné materiály, jejich důležitou vlastností je právě jejich odolnost proti korozi a odolnost proti otěru. Nejjakostnější druhy ocelí pro tyto účely obsahují také malé množství vanadu. Součástí této skupiny jsou nyní i tzv. měkké martenzitické oceli. Obsahují 12 až 16 % chromu, 4 až 6 % niklu a až 1% molybdenu. Proti původním martenzitickým ocelím se liší právě zvýšenou hladinou obsahu niklu a naopak sníženou hladinou obsahu uhlíku, který v tomto případě nepřesahuje zpravidla ani 0,10 %. Jejich velkou výhodou vedle ještě částečně zvýšené úrovně pevnostních vlastností je dobrá houževnatost a především i poměrně dobrá svařitelnost, kterou klasické martenzitické oceli uplatňují především opět v energetice.

2

METAL 2008 13. – 15.5.2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 3. POPIS OHŘEVU Při popisu současného stavu POLDI Hütte s.r.o. dojdeme k závěru, že významnou částí technologie ovlivňující konečnou jakost produktu je ohřev a tepelné zpracování materiálu. Mezi důležité činitele v technologii ohřevu kovů patří mimo jiné – konečná teplota kovů, dovolená rychlost ohřevu a tepelný režim ohřevu. Konečná teplota ohřevu (v našem případě horní kovací teplota) musí být zvolena v závislosti na vlastnostech oceli a druhu zpracování. Zvýšená teplota ohřívané oceli má příznivé důsledky při jejím zpracování, neboť se zmenšuje její deformační odpor a snižuje spotřeba energie na zpracování (lze zvýšit úběry, snížit nebezpečí trhlin a zvýšit životnost kovadel). Na druhé straně je však zvýšení teploty limitováno růstem zrna, nebezpečím přehřátí a zintenzivněním oxidace. Existuje i spodní mez ohřevu, která je určena pro daný kov z přípustné teploty na konci zpracování (spodní kovací teplota), přičemž se přihlíží jednak k ochlazování kovu sáláním, konvekcí a dotykem s kovadly, jednak k vývinu tepla následkem plastické deformace. Nesmíme však zapomenout, že konečná teplota oceli má vliv na její mechanické vlastnosti. Rychlost ohřevu musí vyhovovat nejen z hlediska ekonomického (pomalý ohřev zvyšuje náklady na výrobu), ale i z hlediska kvalitativního, kdy rychlým ohřevem ingotu může dojít k nadměrnému pnutí uvnitř ingotu a tím ke vzniku deformací, které vyústí v příčné trhliny na ingotu. Rychlý ohřev sebou přináší i možnost přehřátí, resp. spálení materiálu. Je tedy třeba pracovat s maximálně přípustnými rychlostmi ohřevu. Po takovém zvýšení povrchové teploty ingotu na požadovanou hodnotu (horní kovací teplotu) je nutné zařadit výdrž na teplotě a to s ohledem na vyrovnání teploty v celém průřezu ohřívaného ingotu. Obecně lze říci, že ohřev kovů patří k nejsložitějším tepelně technickým problémům, neboť zahrnuje nejen sdílení tepla vně ohřívaného kovu, tj. přestup tepla ze spalin na povrch kovu za spolupůsobení pecního zdiva, ale i šíření uvnitř ohřívaného kovu. 3.1 Stanovení postupu Jelikož se jedná o ohřevy velkých ingotů, hmotnost cca 2,5 až 13 tun, není možno aplikovat teorii podobnosti a ohřevy modelovat na zmenšených laboratorních vzorcích. Na zmenšeném vzorku je teplotní rozdíl mezi povrchem a středem tak zanedbatelný, že nelze vysledovat průběh teplotního gradientu po celém průřezu vzorku během ohřevu. Celou situaci komplikuje i vnější přenos tepla, zachycující výměnu tepelné energie mezi spalinami, zdivem a ohřívaným materiálem. Navíc v praxi dochází k ohřevu více ingotů v jediné peci a tak se zde přidává i vliv tepelných toků ze sousedních ingotů. Problém ohřevu ingotů je tedy nutno řešit matematickým modelováním, kde matematické formulace výše uvedených záležitostí jsou velmi složité a tak budeme popisovat ohřev jednoho ingotu v homogenním teplotním poli. Možnosti modelování jsou řešeny se společností Comtes FHT s.r.o. Plzeň. Při ohřevu studeného ingotu mají vnější vrstvy kovu vyšší teplotu než vnitřní, a proto také mají snahu více se roztáhnout. Jelikož tomuto roztažení brání sousední vrstvy, jsou vnější vrstvy ve stlačeném stavu pod tlakem. Naopak vnitřní vrstvy následkem nižší teploty a následkem roztahování vnějších vrstev jsou v oblasti tahových napětí. Při ohřevu jsou tedy vnější vrstvy namáhány tlakem a vnitřní tahem. Při Obr. 1. Napěťová thlina ochlazování ingotů jsou jevy analogické, pouze tepelná Fig. 1. Strain cracking pnutí mají opačná znaménka. Tepelná pnutí vznikají v kovu tehdy, jsou-li v něm teplotní rozdíly a je-li zároveň kov 3

METAL 2008 13. – 15.5.2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ v elastické oblasti. Nepřevyšují-li tepelná pnutí mez pružnosti, pak při vyrovnání teplotního rozdílu zmizí i tepelná pnutí. Při překročení meze pružnosti dojde k plastické deformaci a v ingotu zůstává vnitřní zbytkové pnutí, které může vést k tvorbě trhlin nebo jiným poruchám kovu. Z dlouhodobého výzkumu vlastností ocelí vyplynulo, že v podmínkách ohřevu i ochlazování je ocel elastická do teploty 500 až 550 °C, nad touto teplotou přechází ocel do plastického stavu a pnutí se snižují a rozptylují. 3.2 Výrobní zařízení Budeme se zabývat ohřevem ingotů určených ke kování, což je realizováno v provoze Kovárna 3 s následujícím výrobním zařízením: Pro ohřev materiálu slouží 5 vozových pecí. Všechny pece jsou vytápěny zemním plynem o výhřevnosti cca 35 MJ/m³. V bočních stěnách pecí jsou nízkotlaké a vysokotlaké vířivé hořáky. Pece je možno vytopit na max. teplotu 1250 °C. Spalovací vzduch je předehříván v rekuperátorech. Pece mají šamotovou vyzdívku, nejvíce exponovaná místa jsou vydusána dusací hmotou. Vozy jsou rovněž vyzděny šamotem. Sázení a manipulace s materiálem je pomocí mostových jeřábů o nosnostech 3, 10 a 20 tun. Obr. 2. Vozová pec Fig. 2. Cart-bottom furnace Hydraulický dvoustojanový lis CKW 1600. Jedná se o rychloběžný lis s počtem zdvihů 20 – 80 za minutu s maximálním zdvihem 1250 mm. Jmenovitá tvářecí síla je 16 MN. Lis je doplněn kolejovým manipulátorem DANGO o nosnosti 13 tun a pomocným kolovým manipulátorem o nosnosti 12,5 tuny.

Obr. 3. Hydraulický lis Fig. 3. Hydraulic press 4

METAL 2008 13. – 15.5.2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 3.3 Stávající režimy ohřevů V současné době užívané režimy ohřevu ingotů jsou stanoveny obvykle jen empiricky, na základě dlouholetých zkušeností technologů a jsou určeny vnitřním předpisem - „DTP pro ohřev, kovací teploty a vychlazování oceli a slitin ve volných kovárnách“. Předpis dělí na základě rozdílných fyzikálních vlastností, jako je tepelná vodivost a tepelná roztažnost, oceli a slitiny do 5 skupin ohřevu. Pro námi vybrané jakosti ocelí jsou používány skupiny ohřevu 3 (pro ledeburitické oceli pro práci za studena) a skupina 3a (pro martenzitické korozivzdorné oceli). Skupina 3 je předpisem charakterizována jako skupina pro oceli s nejnižší tepelnou vodivostí a malou tepelnou roztažností (vysokolegované nástrojové oceli ledeburitické). Skupina 3a je předpisem charakterizována jako skupina pro oceli dvoufázové, nebo legované molybdenem, s extrémně nízkou tepelnou vodivostí, s náchylností ke vzniku skvorečníků při ohřevu a trhlin z pnutí při ochlazování. Dále předpis dělí oceli a slitiny s ohledem na náchylnost k vyhlazovacím trhlinám a vločkám do 11 vychlazovacích skupin. Vybrané jakosti spadají do skupiny ocelí velmi náchylných k vychlazovacím trhlinám a ocelí nenáchylných k vločkovitosti. Výjimku tvoří jakost 2002D (středně náchylná k vychlazovacím trhlinám a nenáchylná k vločkovitosti) a jakost AK1NI označena jako (ocel velmi náchylná k vychlazovacím trhlinám, nutné žíhání do max. 4 hodin po vykování, ocel nenáchylná k vločkovitosti). 4.

FYZIKÁLNÍ VELIČINY Jak je známo všechny programy pro numerickou simulaci tepelného zpracování se snaží umožnit co nejdokonalejší přiblížení počítačového modelu procesu reálnému. Proto je nutné brát simulaci technologického procesu jako celý složitý systém složený z velkého množství souběžně probíhajících procesů. Některý proces se na konečných výsledky projeví výrazněji, jiný méně. Numerická simulace však není ničím jiným, než pouze analýzou na matematické úrovni, a proto je nutné procesy probíhající v reálném systému nejen nutně zahrnout do modelu, ale také je dokonale popsat konkrétním matematickým modelem. Tento model musí nejenom dokonale popisovat daný proces, ale také musí existovat jednoduchá a hlavně jednoznačná metodika pro zjišťování matematických koeficientů (parametrů) pro tento model. Matematické koeficienty lze získat v závislosti na modelu buď z běžných analýz a měření, nebo je nutné provést měření pro daný model speciální. Na kvalitě matematických modelů a na kvalitě zjištěných parametrů pro tyto modely velice záleží přesnost a realističnost výsledků numerické simulace, proto jsme se v roce 2007 zaměřili především na získání věrohodných parametrů fyzikálního a mechanického chování vybraných materiálů. K nejvýznamnějším parametrům popisujícím odezvu materiálu na tepelné a mechanické zatěžování při tváření a tepelném zpracování patří: -

modul pružnosti a přetvárný odpor

-

součinitel přestupu tepla

-

měrná tepelná kapacita

-

měrná tepelná vodivost

-

hustota

4.1 Diskuse k měření termofyzikálních vlastností Výsledky měření termofyzikálních vlastností ocelí 2002K a AK4MO jsou použity ve výpočtech teplotních a napěťově deformačních polí pomocí počítačových simulací v programu DEFORM. Měrná tepelná kapacita vztažená k jednotce objemu byla vypočtena z naměřených hodnot hustoty a měrné tepelné kapacity vztažené k jednotce hmotnosti. Věrohodnost 5

METAL 2008 13. – 15.5.2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ naměřených dat cp lze posoudit pomocí Neumannova Koppova vztahu pro cp fázově a strukturně stabilních slitin - je rovna váženému průměru měrných tepelných kapacit jednotlivých složek slitin. V případě ocelí tedy sledujeme shodu měřeného a vypočteného průběhu pro všechny teploty mimo teplotní interval změny magnetických vlastností a překrystalizace na austenit. Tvar závislosti cp(T) také odpovídá průběhu pro oceli s podobným chemickým složením. Na celkovou tepelnou bilanci ohřevu nebo ochlazování ocelí má vliv také latentní teplo eutektoidní překrystalizace. Jak bylo změřeno metodou DSC, austenitizace ocelí v dodaném stavu se projevila spotřebou tepla 24,1 kJkg-1 v případě oceli 2002K a spotřebou 4,45 kJkg-1 v případě oceli AK4MO. Zanedbání transformačních tepel při výpočtu teploty během ohřevu by způsobilo chybu: a) v případě oceli 2002K při teplotě 900°C ∆T = 45°C b) v případě oceli AK4MO při teplotě 900°C ∆T = 8°C Další tepelné ovlivnění ohřevu by mohly způsobit žíhací procesy, tyto efekty by závisely na výchozím stavu materiálu. Při počítačové simulaci ochlazování je třeba uvážit hysterezi v průběhu fázových transformací a tedy také relativní entalpie ocelí, teplotní pásmo rozpadu austenitu závisí na rychlosti ochlazování. V případě výpočtů teplotních polí při tváření v austenitické oblasti není nutno speciální tepelné efekty uvažovat. Teplotní závislosti součinitele měrné tepelné vodivosti u různých ocelí můžeme sledovat na obrázku 4. Bohužel, data vyhodnocená z metody Forbesovy tyče neodpovídají hodnotám uvedeným v materiálových listech pro oceli při 20°C ani obecným trendům pro nástrojové oceli s výjimkou hodnot pro středy měřených intervalů teplot. Tyto chyby mohly být způsobeny obtížnou reprodukovatelností podmínek pro ochlazování tyčí při stacionární a dynamické části experimentu, velkou relativní chybou polohy měřených míst s vysokým gradientem teploty a také nedostatečným ustálením teplotního pole v části tyče s nejnižšími teplotami, stejně jako velkou relativní chybou měření rozdílů teplot kolem teploty okolí.

Obr. 4. Teplotní závislost Fig. 4. Thermal dependence

6

METAL 2008 13. – 15.5.2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 5. ZÁVĚR V uplynulém období byly stanovena podmínky pro matematické modelování ohřevu ingotů vybraných jakostí ocelí a provedeny provozní zkoušky pro různé formáty ingotů. Na základě těchto podmínek a zkoušek byla provedena analýza jednotlivých křivek pro všechny naměřené body a numerický výpočet pro ověření materiálových dat. V současné době probíhá provozní ověřování navržených modelů ohřevových křivek. LITERATURA ONDRÁČEK, E., JANÍČEK, P. Výpočtové modely v technické praxi. Praha: SNTL, 1990 ELFMARK, J. Matematické modelování te. zpracování ocelí. Hutnické listy 9, 2000, 5 s TOULOUKIAN, Y. S. Thermophysical properties of matter. New York, 1970 KREMER, R., OBROUČKA, K. Ohřev kovů. Praha: SNTL, 1974

7