METAL 2003 20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí __________________________________________________________________________________________
VLIV TEPELNĚ-MECHANICKÉHO ZPRACOVÁNÍ NA VLASTNOSTI DRÁTU Z MIKROLEGOVANÉ OCELI Stanislav Rusza Miroslav Gregera Otakar Drápalb Radim Lukáša a
VŠB – Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava - Poruba, ČR, Email:
[email protected],
[email protected], b VÍTKOVICE, a. s., Kovárna, 706 02 Ostrava - Vítkovice, ČR, E-mail:
[email protected]
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-1520 i DIN 50192. 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 2003 20.-22.5.2003, 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 0.21 - 0.25, Si < 0.15, Mn 0.80 - 1, P < 0.15, S < 0.015, Cr 0.25 – 0.35,Ti < 0.06, Al 0.02 – 0.05,Ni < 0.30, Cu < 0.25, N < 0.015, B 0.0015 – 0.005 Doprovodné prvky[%]: As < 0.04,Sn < 0.02, Pb < 0.04,Nb < 0.03, O < 0.004, Tabulka 1 C
S
Cr
Ni
Cu
P
( %) 0,23 0,011 0,3 0,06 0,04 0,1
Si
Mn
N
Mo
V
Al
Ti
B
0,1 0,87 0,008 0,009 0,003 0,029 0,020 0,003
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 200°C pro určení σ=f (φ). ØD0= 11.771 mm a H0= 17.106 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 200°C pro určení σ=f (φ). ØD0= 11.800 mm a H0= 17.760 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 200°C pro určení σ=f (φ). ØD0= 12.193 mm a H0= 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 200°C pro určení σ=f (φ). ØD0= 13.987 mm a H0= 20.885 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 2003 20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí __________________________________________________________________________________________
. Byly provedeny pěchovací zkoušky 10 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/100 Mp (980 kN) a indukčnostního snímače dráhy W50. 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 30 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 = ³ F( x )dx ,
(1)
0
kde x je dráha po níž působí síla F(x). Z definice přetvárného odporu F σ= , S kde S je plocha, na níž působí síla F, plyne, že
(2)
x
A = ³ σSdx .
(3)
H0 H0 − x
(4)
dx . H0 − x
(5)
0
Ze substituce ϕ = ln
plyne dϕ =
Dosadíme-li (5) do (3), obdržíme ϕ
A = ³ σS(H 0 − x )dϕ .
(6)
0
Protože objem V = S ⋅ (H 0 − x ) je konstantní, dá se (6) psát ve tvaru ϕ
A = V ⋅ ³ σdϕ .
(7)
0
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 :
a=
ϕ 1 x ⋅ ³ F ( x )dx = ³ σ (ϕ )dϕ . V 0 0
(8)
Ze vztahu (8) je vidět, velikost přetvárného odporu lze získat z měrné přetvárné práce derivací da σ= . (9) dϕ Použijeme-li znovu (5), pak vztah (9) přejde na tvar F(H 0 ⋅ (1 − e − ϕ )) da 1 −ϕ −ϕ σ(ϕ) = (H 0 − x ) = H 0 e ⋅ ⋅ F(H 0 ⋅ (1 − e )) = , (10) dx V S0 e ϕ kde S0 je počáteční průřez válečku.
3
METAL 2003 20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí __________________________________________________________________________________________
4
METAL 2003 20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí __________________________________________________________________________________________
5
METAL 2003 20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí __________________________________________________________________________________________
[MPa]
ϕ 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 (ϕ), 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= 0.5. Přesazení křivek je patrné i u zkušební teploty 200°C. Přesazení činí maximálně 60Mpa. 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 2003 20.-22.5.2003, 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 (ϕ) 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 σp 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 σp (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 106/02/0412/A, VŠB – TU Ostrava, 2003, s. 1-10 JANÍČEK, L., MAROŠ, B. Automatizace měření a zpracování dat u pěchovacích zkoušek. In Sborník konference FORM´98, VUT Brno, 1998, s 151- 156, ISBN 80-214-1182-1 Práce byly provedeny v rámci projektu GA ČR 106/02/0412/A
7
