VÝVOJ V AUTOMATOVÝCH OCELÍCH , ZVYŠOVÁNÍ OBROBITELNOSTI BISMUTEM ; OLOVEM V TŽ, A.S. Ing. Jan Klapsia Třinecké železárny, a.s., Třinec, Czech Republic
Anotace Třinecké železárny mají dlouhou tradici ve výrobě automatových ocelí. Tato studie obsahuje historii a popis technologie výroby a tažení automatové oceli s vyšší obrobitelností. Jedná se zejména o automatové oceli legované bismutem a olovem . V příloze je rovněž uvedeno finální použití automatových ocelí legovaných bismutem u odběratelů.
Vzhledem k potřebám českého i zahraničního strojírenství v oblasti automatových ocelí TŽ, a.s. úspěšně zavedly na konvertoru v roce 1996 výrobu měkké automatové oceli jakosti 11109 dle ČSN 41 1109, resp. její ekvivalenty dle zahraničních norem ( 11SMn30 dle EN a dalších) V dřívějších letech TŽ, a.s. nakupovala sochory automatové oceli od firmy ISPAT Nová Huť, a.s., Ostrava k převálcování. Současný světový trend výroby automatových ocelí (AO) je zaměřen na výrobu ocelí se zvýšenou obrobitelností, zejména na AO legované olovem, bismutem, telurem aj. a v poslední době také cínem. Použití těchto prvků zaručuje zvýšení obrobitelnosti, která je charakterizována schopností způsobit poměrně malé opotřebení řezného nástroje při zvýšených řezných rychlostech. Výroba AO s Pb je nejvíce rozšířená, ale vyžaduje velmi přísné bezpečnostní a hygienické opatření. Proto dochází ve světě k tendencím snížit a postupně nahradit legované oceli olovem, ocelemi s podobnými vlastnostmi. Tímto směrem se vydaly i Třinecké železárny, a.s. a vyvinuly AO legované bismutem. Chemické složení dle EN 10087 je uvedeno v tab:
Zvyšování obrobitelnosti automatové oceli Základními požadavky na válcování automatové oceli jsou v rámci jednotlivých zakázek povrchová kvalita, dodržení rozměru, mechanických vlastností a chemického složení. Z pohledu zákazníka je kladen nejvyšší důraz na obrobitelnost. Z historického hlediska byla vyšší obrobitelnost u měkkých automatových ocelí zajišťována legováním olovem. Legování olovem však sebou přináší závažné problémy. Olovo a oxidy olova jsou toxické a zavedení této technologie v TŽ, a.s. by žádalo vysoké investiční náklady. V letech 2001 a 2002 byly prováděny pokusy s legováním Pb formou olověných broků do stínící trubice na ZPO , ale pro neuspokojivé výsledky bylo od této technologie upuštěno. TŽ, a.s. tuto situaci řeší náhradou olova bismutem. Tento prvek se v periodické soustavě prvků nachází hned vedle olova; svým fyzikálním a chemickým chováním je velmi podobný olovu. V tuhé oceli je stejně jako olovo nerozpustný a tvoří obálku MnS vměstků . V porovnání s olovem je však bismut ekologicky neutrální.
Automatové oceli s bismutem v TŽ, a.s. V roce 1998 bylo na elektroocelárně vyrobeno 5 pokusných taveb automatové oceli legované bismutem a v roce 2000 1. ní tavba na konvertorové ocelárně. Vývoj v počtu taveb do roku 2005 znázorňuje graf:
Přes počáteční těžkosti s válcováním této oceli z důvodů praskání provalků, štípání čel se podařilo zvládnout problematiku válcování v TŽ a.s. i tažení v dceřiné společnost Ferromoravia a.s. Staré Město. V současné době se automatová ocel s bismutem vyrábí a válcuje ověřenou technologií a dodává se v širokém sortimentu zákazníkům v černém a taženém stavu.
Technologické schéma v TŽ, a.s. Ocelárna: V kyslíko-konvertorové ocelárně je výroba automatové oceli zaměřena na ocel značky 11SMn30 podle EN 10087 a její ekvivalenty. Dle stejné technologie je vedena výroba automatové oceli legované bismutem jakosti 11SMnBi30. Výroba jakosti 11SMn30 je vedena následujícím technologickým postupem: konvertor, argonovací stanice, pánvová pec, blokové kontilití v rozměru 300 x 350 mm, kokily 50 H ; sochorové kontilití 150 x 150 mm dle rozměru finálního produktu. Výroba jakosti 11SMnBi30 je vedena stejnou cestou: bismut se leguje na pánvové peci formou plněného profilu a ocel se odlévá pouze na blokovém kontilití . Válcovna: Výroba automatové oceli legované bismutem je vedena tímto technologickým postupem: blokovna, vratná trať, hotovní tratě. Rozměry pro kruhovou ocel v rozmezí 5,5 – 70 mm, v šestihranných rozměrech 18 – 63 mm. Ze závodu Ferromoravia a.s. tažený nebo loupaný materiál v toleranci H9 – H13. TŽ, a.s. garantuje povrchové vady do válc. tolerancí DIN 1013 nebo EN 10221 třídy B. U automatových ocelí ke kování je prováděná 100% defektoskopická kontrola . Taktéž tažené tyče z Ferromoravie a.s. jsou 100% defektoskopovány. Mechanické vlastnosti jsou srovnatelné a odpovídají EN 10087.
Hodnocení obrobitelnosti automatové oceli s bismutem
Na Ústavu modelování a řízení tvářecích procesů VŠB-TU v Ostravě bylo zkoumáno deformační chování vměstků AO se sírou a bismutem. U ocelí s Bi je dosaženo velmi příznivých vlastností. Bi tvoří obálky kolem částic MnS, brání řádkovitosti a protahování sulfidů, což má příznivý vliv na tyto oceli při tváření i obrábění. Fakulta strojní Českého vysokého učení technického v Praze nám provedla výzkum obrobitelnosti automatových ocelí. Byly porovnávány AO legované sírou a AO legované bismutem. Výsledky prokazují v oblasti použitých řezných podmínek zřetelné zlepšení obrobitelnosti. Při stejné trvanlivosti je možné použít o 40 % vyšší řezné rychlosti, což je srovnatelné s AO legovanými olovem. Lepší hodnoty také vykazují zkoušky vrtání. Od našich zákazníků jsme obdrželi hodnocení AO s Bi a lze je shrnout takto: - lepší obrobitelnost - zvýšení řezných rychlostí - zvýšená životnost nástrojů - lepší lámavost třísky - lepší povrch obráběného závitu
Byla navázána spolupráce s VŠB – TU Ostrava fakulta strojní. Byly provedeny krátkodobé zkoušky obrobitelnosti ( závislost řezné složky síly soustružení Fc na řezné
rychlosti Vc ) třinecké automatové oceli legované bismutem jakosti 11SMnBi30 a konkurenční oceli legované olovem jakosti 11SMnPb30. Dle komplexního hodnocení dosáhla třinecká ocel legovaná bismutem srovnatelné výsledky jako konkurenční ocel legovaná olovem.
Na mikrosondě při zvětšení 5000x dobře patrná vrstva bismutu na MnS vměstku:
Příklady finálních výrobků z automatových ocelí legovaných bismutem produkce TŽ,a.s.
brzdové a podvozkové části automobilů
podvozkové , hydraulické a brzdové systémy letadel
spojovací součásti
pneumatické a hydraulické součásti
Závěr V současné době TŽ a.s. vyrábějí jak nejběžnější nízkouhlíkové automatové oceli , tak i oceli s vyšší obrobitelností legované jak olovem tak i bismutem. Z důvodu možného zákazu ocelí legovaných olovem Evropskou unií v blízkém časovém horizontu je nutno být připraven a mít náhradu za nejběžněji používanou , ale ekologicky zatěžující ocel s olovem. Automatová ocel legovaná bismutem je možným řešením a TŽ,a.s. je připravena splnit požadavky zákazníků.
