Badania odporności na ścieranie warstw napawanych i stali narzędziowych na matryce kuźnicze

Transkrypt

1 Obróbka Plastyczna Metali t. XXIII nr 1 (2012) Narzędzia, przyrządy i maszyny do obróbki plastycznej Dr inŝ. Jan TUREK 1), dr hab. Stanisław OKOŃSKI, prof. nadzw. PK 2)*), dr inŝ. Witold PIEKOSZEWSKI 3) 1) Kuźnia Glinik Spółka z o.o., Gorlice, 2) Politechnika Krakowska, Kraków, 3) Instytut Technologii Eksploatacji, Radom *) okonski@mech.pk.edu.pl Badania odporności na ścieranie warstw napawanych i stali narzędziowych na matryce kuźnicze Studies of abrasive wear resistance of padding welds and hot-work tool steels for forging dies Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań odporności na zuŝycie ścierne stali narzędziowych do pracy na gorąco X37CrMoV5-1 i 55NiCrMoV7 i warstw napawanych materiałami UTOP-38, F-812 i F-818. Badania wykonano na urządzeniu T11 produkcji ITE Radom w temperaturze 250 o C. Najlepsze wyniki uzyskano dla stali X37CrMoV5-1 i 55NiCrMoV7 oraz dla materiału F-818. Abstract The article features an analysis of the resistance to abrasive wear of X37CrMoV5-1 and 55NiCrMoV7 hot-work tool steels and of padding welds overlaid with UTOP-38, F-812 and F-818 materials. The analysis was conducted at the temperature of 250 o C on the T11 testing machine produced by ITE Radom. The best outcome was achieved for X37CrMov5-1 and 55NiCrMoV7 steels and for F-818. Słowa kluczowe: zuŝycie ścierne, stale narzędziowe do pracy na gorąco, warstwy napawane, matryce kuźnicze Keywords: abrasive wear, hot-work tool steels, padding welds, hot forging dies 1. WSTĘP Podstawowymi materiałami stosowanymi w konstrukcji matryc kuźniczych są stale narzędziowe do pracy na gorąco. Alternatywnym rozwiązaniem zaproponowanym przez autora [4] i wdroŝonym w Kuźni,,Glinik Sp. z o.o. jest wykonywanie matryc kuźniczych ze stali konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego i napawanie powierzchni wykrojów odpowiednim materiałem UTOP-38, F-812 i F-818. Występuje szereg mechanizmów zuŝywania się matryc kuźniczych (m.in. ścieranie, zmęczenie mechaniczne, cieplne i cieplnomechaniczne, odkształcenia plastyczne). 1. INTRODUCTION The basic materials used in the construction of hot forging dies are hot-work tool steels. An alternative solution proposed in [4] and implemented at the Forging Plant Glinik'' Ltd. is to make these dies from toughened structural steels, pad welding the impressions with suitable materials. There are numerous mechanisms responsible for the wear and tear of forging dies (to mention only abrasion, mechanical, thermal and thermo-mechanical fatigue, and plastic deformation).

2 40 J. Turek, S. Okoński, W. Piekoszewski Mechanizmy te występują z róŝną intensywnością, uzaleŝnioną od konstrukcji wykroju i warunków procesu. Nawet w obrębie jednego wykroju w róŝnych jego miejscach mogą dominować róŝnorodne mechanizmy zuŝycia. Dlatego celowe jest stosowanie do napawania powierzchni wykrojów matryc kuźniczych róŝnych materiałów, odpowiednio dobranych. ZuŜycie ścierne jest jedną z głównych przyczyn utraty zdolności do pracy narzędzi do obróbki plastycznej [1, 4]. W artykule przedstawiono wyniki badań odporności na zuŝycie ścierne w podwyŝszonych temperaturach stali narzędziowych 37CrMoV5-1 i 55NiCrMoV7 oraz wybranych materiałów do napawania wykrojów: UTOP38, F-812 i F818. All these mechanisms are acting with different intensity, depending on the impression design and process conditions. Even in different places of one and the same impression, different mechanisms of wear can occur. Therefore, it is advisable to use for pad welding of forging die impression surfaces different, appropriately selected materials. Abrasive wear is one of the major causes making forming tools lose their initial operating capability [1, 4]. The paper presents the results of studies of the high-temperature abrasive wear behaviour of the 37CrMoV5-1 and 55NiCrMoV7 tool steels and of the materials selected for pad welding of die impressions, which are UTOP38, F-812 and F CEL, ZAKRES I METODYKA BADAŃ Celem badań było określenie odporności na zuŝycie ścierne wybranych stali narzędziowych do pracy na gorąco oraz warstw wykonanych z materiałów wytypowanych do napawania powierzchni roboczych wykrojów matryc kuźniczych. Badania przeprowadzono w warunkach zbliŝonych do rzeczywistych warunków pracy matryc. Charakterystykę badanych materiałów przedstawiono w tablicy 1 i PURPOSE, SCOPE AND METHODO- LOGY OF STUDIES The aim of the studies was to determine the abrasive wear resistance of selected hotwork tool steels and of the layers made from materials selected for pad welding of the working surfaces of the forging die impressions. The important issue was to carry out tests under conditions similar to the real die operating conditions. The characteristics of the tested materials are presented in Tables 1 and 2. Hartowanie Hardening 860 o C Hartowanie Hardening 1020 o C Tablica 1. Skład chemiczny i obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco Table 1. Chemical composition and heat treatment of hot-work tool steels Materiał Material Skład chemiczny, % Chemical composition, % C Mn Si P S Cr Ni Mo V W 55NiCrMoV7 0,52 0,56 0,19 0,18 0,02 0,67 1,45 0,45 0,15-37CrMoV5-1 0,34 0,39 0,91 0,01 0,02 4,62 0,26 1,25 0,35 0,01 Obróbka cieplna Heat treatment Twardość po obróbce cieplnej, HRC Hardness after heat treatment, HRC Analiza składu chemicznego Chemical composition analysis 55NiCrMoV7 Odpuszczanie Tempering 1) 460 o C 2) 440 o C 37CrMoV5-1 Odpuszczanie Tempering 1) 550 o C 2) 510 o C Analizator spektralny Spectral analyser BAIRD 750FSQ

3 Badania odporności na ścieranie warstw napawanych Tablica 2. Skład chemiczny materiałów do napawania wykrojów matryc Table 2. Chemical composition of materials for padding of die engravings Materiał Material Skład chemiczny, % Chemical composition, % C Si Mn P S Cr Mo Ni V W Ti UTOP38 0,15 0,35 0, ,05 4,0-0,20 0,15 - F-812 0,10 0,5 0, ,65 2,15 0, ,20 F-818 0,24 0,70 0, ,0 3,01 1,70 0,25 1,40 0,25 Twardość po napawaniu, HRC Hardness after padding, HRC UTOP F F Urządzenie Device ObciąŜenie Load Droga tarcia Track of friction Promień r Radius r Średnica kulki Ball diameter Materiał kulki Material of the ball Prędkość poślizgu Sliding velocity Smarowanie Lubrication Temperatura Temperature Tablica 3. Warunki badań odporności na zuŝycie ścierne Table 3. Conditions of resistance to abrasive wear research T N 1000 m 7,5 mm 6,35 mm ŁH15 0,15 m/s o C Próbki Specimens a) próbka ze stali 55NiCrMoV7 lub X37CrMoV5-1, b) próbka z warstwą napawaną (UTOP-38, F-812, F-818) na stali 42CrMo4 a) specimen from 55NiCrMoV7 or X37CrMoV5-1 steel, b) specimen with padding weld (UTOP-38, F-812, F-818) on 42CrMo4 steel r a) b) Ø 25,4 9 Warstwa napawana Padding weld Ø 25, Badania odporności na zuŝycie ścierne zrealizowano w Zakładzie Tribologii ITE w Radomiu wg metodyki polegającej na mierzeniu przekrojów poprzecznych rowków wytartych przez kulkę na powierzchniach próbek i opisanej szczegółowo w [2]. Stosowano urządzenie badawcze T11 z komorą temperaturową produkcji ITE Radom. Badania przeprowadzono w warunkach podanych w tablicy 3. Napawanie i obróbkę mechaniczną wykrojów wykonano w Kuźni Glinik Sp. z o.o. Tests of abrasive wear resistance were carried out at the ITE Department of Tribology in Radom by a method involving the measurement of cross-sections of the grooves left by a ball on the specimen surface; the method was described in detail in [2]. The test unit, model T11, with temperature chamber designed by ITE Radom and test conditions given in Table 3 were applied. The operations of pad welding and machining of impressions were commissioned to the Forging Plant Glinik'' Ltd.

4 42 J. Turek, S. Okoński, W. Piekoszewski 3. WYNIKI BADAŃ 3. RESULTS OF STUDIES Zmierzone powierzchnie przekrojów poprzecznych rowków wytartych przez kulkę na powierzchniach próbek przedstawiono w tablicy 4 i na rys. 1. Przykładowe profilogramy przekrojów rowków pokazano na rys The measured areas of cross-sections of the grooves left by a ball on the specimen surface are presented in Table 4 and in Figure 1. Examples of profilograms of the groove cross- sections are shown in Figs Lp. No. Tablica 4. ZuŜycie ścierne badanych materiałów Table 4. Abrasive wear of tested materials Materiał Material Przekrój poprzeczny rowka F r, µm 2 * Cross-section of the groove F r, µm 2 1 X37CrMoV ± 64 2 F ± NiCrMoV ± UTOP ± F ± * Średnie arytmetyczne z przedziałami ufności (3 próbki), poziom istotności α = 0,1. * Arithmetics means with confidence intervals (3 specimens), significance level α = 0, Fr [µm 2 ] Rys. 1. ZuŜycie ścierne badanych materiałów: 1 - X37CrMoV5-1, 2 - F-818, 3-55NiCrMoV7, 4 - UTOP38, 5 - F-812 Fig. 1. Abrasive wear of tested materials: 1 - X37CrMoV5-1, 2 - F-818, 3-55NiCrMoV7, 4 - UTOP38, 5 - F-812 Rys. 2. Przekrój poprzeczny rowka profilogram (stal X37CrMoV5-1, F r = 599 µm 2 ) Fig. 2. Cross-section of the groove - profilogram (steel X37CrMoV5-1, F r = 599 µm 2 )

5 Badania odporności na ścieranie warstw napawanych Rys. 3. Przekrój poprzeczny rowka profilogram (materiał F-818, F r = 5412 µm 2 ) Fig. 3. Cross-section of the groove - profilogram (material F-818, F r = 5412 µm 2 ) Rys. 4. Przekrój poprzeczny rowka profilogram (stal 55NiCrMoV7, F r = 8913 µm 2 ) Fig. 4. Cross-section of the groove - profilogram (steel 55NiCrMoV7, F r = 8913 µm 2 ) Rys. 5. Przekrój poprzeczny rowka profilogram (materiał: UTOP38, F r = µm 2 ) Fig. 5. Cross-section of the groove - profilogram (material: UTOP38, F r = µm 2 ) Rys. 6. Przekrój poprzeczny rowka profilogram (materiał: F-812, F r = µm 2 ) Fig. 6. Cross-section of the groove - profilogram (material: F-812, F r = µm 2 )

6 44 J. Turek, S. Okoński, W. Piekoszewski 4. PODSUMOWANIE 4. SUMMARY Przeprowadzone badania pozwoliły na określenie odporności na zuŝycie ścierne wybranych materiałów narzędziowych i warstw napawanych stosowanych w budowie matryc kuźniczych. Warunki, w których przeprowadzono badania (temperatura, względna prędkość poślizgu, droga tarcia) odpowiadają w przybliŝeniu warunkom pracy matryc do kucia na prasach. Łącznie z wynikami badań własności mechanicznych oraz badań metalograficznych [3, 4] uzyskane dane mogą być przydatne w opracowaniu zaleceń odnośnie doboru materiałów do napawania wykrojów matryc. Materiał F-818 nadaje się szczególnie do napawania wykrojów matryc (lub ich fragmentów) naraŝonych na wysokie naciski jednostkowe. Natomiast materiały UTOP38 i F-812 winny być stosowane gdy dominującym mechanizmem zuŝycia jest zmęczenie cieplnomechaniczne. Odporność na zuŝycie ścierne warstw wykonanych z materiałów UTOP38 i F-812 jest wprawdzie niŝsza w porównaniu ze stalami narzędziowymi X37CrMoV5-1 i 55NiCrMoV7 oraz materiałem F-818, lecz wystarczająca do osiągnięcia trwałości matryc rzędu szt. odkuwek [4]. The study allowed the determination of the abrasive wear resistance of selected tool materials and padding welds applied in the construction of forging dies. The conditions under which the studies were performed (temperature, relative slip velocity, friction path) approximately corresponded to the service conditions of press forging dies. Together with the results of mechanical tests and metallographic studies [3, 4], the obtained data may be useful in the development of recommendations for the selection of materials for pad welding of the die impressions. The F-818 material is particularly suitable for pad welding of the die impressions (or their fragments), when exposed to high unit pressures. On the other hand, UTOP38 and F-812 materials should be used when the predominant wear mechanism is thermo-mechanical fatigue. The resistance to abrasive wear of padding welds overlaid with UTOP38 and F-812 materials is indeed lower when compared with the X37CrMoV5-1 and 55NiCrMoV7 tool steels and F-818 material, but still sufficient to achieve the die life of 10,000 pieces of forgings [4]. LITERATURA/REFERENCES [1] Behrens B.A., Shafer F., Hundertmark A., Bouguecha A.: Numerical analysis of tool failure in hot forging processes. Proc. of 17 th International Scientific and Technical Conference: Design and technology of drawpieces and die stamping. Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań [2] Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W.: A method for the tribological testing of thin, hard coatings. Tribotest Journal 9 2, [3] Pytel S., Turek J., Okoński S., Zarębski K.: The properties and microstructure of padding welds built up on the surface of forging dies. Archives of Foundry Engineering, Vol. 10, Special Issue 3/2010. [4] Turek J.: Trwałość matryc kuźniczych z wykrojami napawanymi. Praca doktorska. Politechnika Krakowska, Kraków 2010.