WPŁYW RODZAJU OBRÓBKI STRUMIENIOWO-ŚCIERNEJ NA TOPOGRAFIĘ POWIERZCHNI BLACH STALOWYCH

Transkrypt

1 36 Prace IMŻ 3 (2012) Marek BURDEK Instytut Metalurgii Żelaza WPŁYW RODZJU OBRÓBKI STRUMIENIOWO-ŚCIERNEJ N TOPOGRFIĘ POWIERZCHNI BLCH STLOWYCH Publikacja obejmuje wybrane wyniki projektu naukowego finansowanego przez NCN. Celem badań była analiza wpływu obróbki powierzchnio-ściernej na topografię powierzchni cienkich blach stalowych. W obróbce powierzchniowej jako ścierniwa użyto piasku kwarcowego, elektrokorundu zwykłego i kuleczek szklanych. Topografię powierzchni wyznaczono z zastosowaniem pomiarów chropowatości 3D. W wyniku zastosowanej obróbki uzyskano zróżnicowaną topografię powierzchni blach stalowych pod względem ilościowym i jakościowym. Słowa kluczowe: blacha stalowa, topografia powierzchni, obróbka powierzchniowa THE EFFECT OF THE TYPE OF BRSIVE BLSTING ON SURFCE TOPOGRPHY OF STEEL SHEETS This publication presents selected results of the science project financed by the National Science Centre (NCN). The purpose of the research was to analyse the effect of abrasive blasting on surface topography of steel sheets. Fine sand, normal aloxite and glass globules were used as abrasive materials in the surface treatment. The surface topography was determined based on 3D roughness measurements. s a result of the treatment, diverse surface topography of steel sheets in terms of quantity and quality was obtained. Key words: steel sheet, surface topography, surface treatment 1. WPROWDZENIE Rozwój wielu gałęzi gospodarki stawia płaskim wyrobom walcowanym wciąż wzrastające wymagania. Dotyczą one zarówno poprawy właściwości mechanicznych i technologicznych, jak też istotnej poprawy jakości powierzchni gotowych blach i taśm. Wymagania te można spełnić przez stosowanie nowoczesnych urządzeń do produkcji blach, przez głębszą analizę zjawisk zachodzących w procesie wytwarzania wyrobów, prowadzącą do opracowania ulepszonych technologii. Jakość powierzchni wyrobów walcowanych na zimno jest jednym z podstawowych parametrów, decydujących o efektach dalszego ich przetwarzania. Odpowiednio ukształtowana topografia blach (tzw. kieszenie smarowe) decyduje w procesie tłoczenia o warunkach tarcia między stemplem a matrycą i jednocześnie wpływa na właściwości wizualne wyrobów tłoczonych, na przyleganie powłok metalicznych, lakierniczych, itp. Tekstura przypowierzchniowa z kolei decyduje o trwałości uzyskanej topografii powierzchni. Od dawna znane są zależności, w myśl których ze wzrostem chropowatości Ra ulegają poprawie warunki tłoczenia blach, ale równocześnie pogarsza się jakość powierzchni, w wyniku tworzenia się tzw. skórki pomarańczowej [1, 2]. Ograniczone możliwości badawcze nie pozwalały na pomiary morfologii powierzchni. Dopiero pojawienie się i upowszechnienie analizy chropowatości 3D stworzyło nowe możliwości badań. Obecny stan techniki badawczej umożliwia kompleksową analizę nie tylko chropowatości 2D (liniowej) lecz topografii powierzchni (chropowatości 3D) [3 8]. Idea pracy polegała na wytworzeniu na blasze topografii powierzchni o zróżnicowanej chropowatości metodami obróbki strumieniowo-ściernej i zbadaniu właściwości mechanicznych, technologicznych i strukturalnych tak wytworzonych blach i zestawieniu tych właściwości z blachami nieobrobionymi (gładkimi). Celem artykułu jest analiza wpływu rodzaju obróbki powierzchnio-ściernej na topografię powierzchni blach stalowych. Jest to szczególnie istotne dla materiałów, których powierzchnie są oczyszczane metodą strumieniowo-ścierną przed nanoszeniem powłok ochronnych lub dekoracyjnych. 2. PRZYGOTOWNIE MTERIŁU DO BDŃ 2.1. DOBÓR MTERIŁU DO BDŃ Materiałem do badań były blachy metalowe ze stali niskowęglowych przeznaczonych do przeróbki plastycznej na zimno oraz ze stali nierdzewnej w gat. H17. Dla zróżnicowania wyników badań wybrano stale charakteryzujące się różnymi kategoriami tłoczności wg normy PN-EN [9], tj. w gatunkach DC03, DC04 i DC05 o grubości 0,8 mm. Blachy przeznaczone do badań miały formę arkuszy, które pocięto na pasy o szerokości 130 mm, stanowiące wsad do obróbki powierzchniowej i do dalszych badań.

2 Prace IMŻ 3 (2012) Wpływ rodzaju obróbki strumieniowo-ściernej na topografię powierzchni OBRÓBK POWIERZCHNIOW BLCH Obróbkę powierzchniową blach wykonano w piaskarce kabinowej stosując jako ścierniwa: piasek kwarcowy, elektrokorund zwykły i kuleczki szklane. Każde z ww. mediów ściernych posiadało inne właściwości fizykochemiczne, inną postać oraz granulację, zapewniając uzyskanie różnej topografii powierzchni: piasek kwarcowy jest ścierniwem owalnym, nie kruszącym się o gęstości równej 2,4 kg/dm 3 i uziarnieniu 0,2 0,6 mm; elektrokorund zwykły to ścierniwo syntetyczne wielokrotnego użytku na bazie tlenku glinu (min 95%); kształt ziarna ostro krawędziowy o twardości powyżej 9 w skali Mohsa i gęstości od 3,9 do 4,0 kg/dm 3 ; zastosowano uziarnienie 0,18 0,21 mm; mikrokulki szklane są ścierniwem niemetalowym, syntetycznym, kilkakrotnego użytku; posiadają ziarna ścierne okrągłe o wyjątkowo gładkiej powierzchni i twardości około 6 w skali Mohsa; gęstość kulek wynosi: od 2,4 do 2,6 kg/dm 3, a zastosowane uziarnienie wynosiło 0,3 0,4 mm. Na rys. 1 przedstawiono przykładowy wygląd blach ze stali DC03 po obróbce elektrokorundem, piaskiem kwarcowym, kuleczkami szklanymi i bez obróbki powierzchniowej. Jak widać, rodzaj zastosowanego ścierniwa wpływa bezpośrednio na wygląd blach po obróbce powierzchniowej szczególnie widoczne w przypadku zastosowania kuleczek szklanych oraz na wrażenia dotykowe. Powierzchnia blachy po obróbce elektrokorundem określono na podstawie oceny dotykowej jako szorstką. 3. TOPOGRFI POWIERZCHNI BLCH 3.1. POMIR CHROPOWTOŚCI 3D POWIERZCHNI BLCH Wyznaczenie topografii powierzchni blach wykonano na podstawie pomiarów chropowatości 3D z zastosowaniem urządzenia Form Talysurf 50 firmy Taylor Hobson Ltd. na powierzchni 5 mm 5 mm z rozdzielczością w kierunku osi Y wynoszącą 0,02 mm. Wykonano po Rys. 1. Powierzchnia blachy ze stali DC03 po obróbce strumieniowo ściernej z zastosowaniem: a) piasku kwarcowego, b) kuleczek szklanych, c) elektrokorundu, d) bez obróbki powierzchniowej Fig. 1. Surface of DC03 steel sheet after abrasive blasting using: a) fine sand, b) glass globules, c) aloxite, d) no surface treatment Tablica 1. Średnie wartości pomiarów chropowatości 3D blach B, H i V Table 1. verage values of 3D roughness measurements of B, H and V sheets Rodzaj S a S sk S p S v S z S tr S dq S dr V v S pd S pc obróbki μm μm μm μm % mm 3 /mm 2 1/mm 2 1/mm materiał B GB 0,91 0,44 5,18 4,68 9,87 0,77 0,04 0,10 0,005 21,57 2,83 EB 1,25 0,12 12,18 9,65 21,83 0,61 0,11 0,59 0,012 56,73 13,60 KB 1,92-0,14 12,88 13,35 26,23 0,69 0,11 0,64 0,013 33,92 10,43 PB 1,79-0,36 14,59 15,22 29,81 0,65 0,14 0,96 0,015 44,53 14,03 materiał H GH 0,89 0,10 4,01 3,98 7,99 0,80 0,04 0,09 0,004 35,42 3,21 EH 1,35 0,06 14,69 11,65 26,35 0,60 0,12 0,76 0,015 56,41 15,26 KH 1,86-0,21 13,37 13,36 26,74 0,69 0,11 0,64 0,013 35,25 10,53 PH 2,18-0,36 14,40 16,97 31,37 0,67 0,16 1,22 0,014 46,24 14,69 materiał V GV 1,22-0,25 3,86 5,02 8,88 0,20 0,10 0,45 0,004 66,88 5,29 EV 1,35 0,21 17,83 9,95 27,78 0,55 0,12 0,78 0,018 56,76 14,85 KV 1,65-0,24 12,66 13,55 26,21 0,64 0,11 0,60 0,013 38,65 10,28 PV 1,73-0,45 14,93 16,86 31,79 0,62 0,14 0,94 0,015 46,42 13,55 materiał C GC 0,07 1,00 0,79 0,86 1,65 0,17 0,01 0,00 0,001 35,60 0,79 EC 0,95 0,66 17,95 8,32 26,27 0,57 0,10 0,49 0,018 50,92 13,65 KC 1,35-0,32 10,93 11,03 21,95 0,64 0,09 0,41 0,011 37,24 8,58 PC 1,49-0,29 14,52 12,29 26,81 0,65 0,12 0,69 0,015 48,20 12,32

3 38 Marek Burdek Prace IMŻ 3 (2012) 10 pomiarów dla każdego wariantu materiału i obróbki powierzchniowej. W tablicy 1 zestawiono wartości wybranych parametrów chropowatości 3D. Próbki oznaczono w następujący sposób: pierwsza litera w nazwie oznacza sposób przygotowania powierzchni blachy, tj. G bez obróbki powierzchniowej, E obróbka z zastosowaniem elektrokorundu, K obróbka kuleczkami szklanymi, P piaskowanie; druga litera w nazwie oznacza gatunek stali, a mianowicie: B stal niskowęglowa w gatunku DC03, C stal nierdzewna H17, V stal niskowęglowa w gatunku DC04, H stal niskowęglowa w gatunku DC05. Opis analizowanych parametrów chropowatości 3D zamieszczono w tablicy ILOŚCIOWY I JKOŚCIOWY OPIS TOPOGRFII POWIERZCHNI Na podstawie wyników pomiarów ustalono podane poniżej ogólne prawidłowości. 1. We wszystkich przypadkach powierzchnia blach po piaskowaniu charakteryzowała się najwyższymi parametrami pionowymi chropowatości (S a, S p, S v, S z ) (tablica 1, rys. 2) oraz najwyższym stopniem rozwinięcia powierzchni (S dr ) (rys. 3). 2. Zastosowanie jako ścierniwa elektrokorundu spowodowało powstanie topografii powierzchni o ostrych pikach (S pc ), największym ich zagęszczeniu na powierzchni (S pd ) oraz największą zdolnością do gromadzenia smaru na powierzchni (V v ). Jednocześnie stwierdzono wartości parametru skośności (asymetrii) powierzchni S sk > 0, co wskazuje, że powierzchnie charakteryzującą się dużymi wysokościami szczytów oraz znacznie mniejszymi głębokościami wgłębień. 3. Topografia powierzchni blach po kulkowaniu i piaskowaniu jest bardziej izotropowa niż po obróbce elektrokorundem (S tr ). 4. Pierwotna topografia powierzchni nie miała wpływu na powstanie topografii po obróbce strumieniowościernej. Tablica 2. Opis wybranych parametrów chropowatości 3D Table 2. Description of selected 3D roughness parameters S a S q S z S p S v S sk V v S tr S dq średnia arytmetyczna rzędnych powierzchni; [μm] 1 Sa = # zxy (,) dxdy powierzchnia, [mm 2 ] średnie kwadratowe odchylenie powierzchni od powierzchni odniesienia; [μm] 1 2 Sq = ## z (,) x y dxdy maksymalna wysokość rzędnych powierzchni; [μm] wysokość największego piku od powierzchni odniesienia; [μm] głębokość największego wgłębienia profilu od powierzchni odniesienia współczynnik asymetrii profilu Ssk = 3 ; ## z (,) x y dxdye S q objętość pustek przy określonym udziale materiałowym; V v obliczono dla wartości udziału materiałowego p = 0%; [mm 3 /mm 2 ] 100% K Vo () p = # 6 Smc() p - 6Smc() dq 100% p p udział materiałowy, [%] wskaźnik kierunkowości powierzchni; S tr = 1 oznacza powierzchnię izotropową, a S tr = 0 powierzchnię anizotropową; średniokwadratowe pochylenie nierówności powierzchni; zxy (,) 2zxy (,) Sdq = ## ; c m + c m Edxdy 2x 2y S dr stopień rozwinięcia powierzchni; wskaźnik ten mówi o złożoności powierzchni; całkowicie płaska powierzchnia posiada S dr blisko 0%; zxy (,) 2zxy (,) Sdr = = ## e ; 1+ ; c m+ c me- 1Edxdy og 2x 2x a) S pd gęstość pików; [1/mm 2 ] S pc średnia arytmetyczna krzywizny wierzchołków; [1/mm] b) Rys. 2. Wpływ rodzaju obróbki powierzchniowej i rodzaju materiału na parametry pionowe powierzchni blach a) S a, b) S z Fig. 2. Effect of surface treatment and material type on vertical parameters of sheets surfaces a) S a, b) S z Rys. 3. Wpływ rodzaju obróbki powierzchniowej i rodzaju materiału na stopień rozwinięcia powierzchni blach Fig. 3. Effect of surface treatment and material type on sheet surface development degree

4 Prace IMŻ 3 (2012) Wpływ rodzaju obróbki strumieniowo-ściernej na topografię powierzchni Topografia powierzchni blach bez obróbki powierzchniowej Jak widać z tablicy 1, blachy bez obróbki powierzchniowej charakteryzowały się zróżnicowaną topografią powierzchni. Najwyższą gładkość wykazuje blacha C blacha ze stali nierdzewnej o rodzaju powierzchni 2D, czyli gładka z połyskiem. Chropowatość S a tej blachy wyniosła średnio 0,07 μm, a najwyższy pik na powierzchni miał wysokość 0,8 μm. Topografia powierzchni tej blachy jest całkowicie anizotropowa, o zerowym stopniu rozwinięcia powierzchni i minimalnej zdolności do gromadzenia smaru na powierzchni. Blachy w gatunkach B i H posiadały chropowatość S a na porównywalnym poziomie, a blacha V wyższą o ok. 30%. Topografie powierzchni blach B i H są zbliżone i całkowicie odmienne od topografii powierzchni blachy V. W topografii powierzchni blachy V dominują wgłębienia w powierzchni, w rezultacie czego asymetria powierzchni (S sc ) jest mniejsza od zera. Pomimo najwyższego parametru S a w blachach V, maksymalna różnica w wysokości pików i głębokości wgłębień (S z ) jest najniższa spośród badanych blach czarnych. Topografia blach V składa się z dużo większej liczby pików niż w blachach B i H (S pd ) i o znacząco większym stopniu rozwinięcia powierzchni (S dr ), piki są przy tym rozmieszczone równomiernie na powierzchni, dzięki czemu powierzchnia jest prawie anizotropowa. Przykładowe topografie blach H i V, uzyskane w pomiarach, przedstawiono na rys. 4 i 5. Obserwacja jakościowa topografii zamieszczonych na rys. 4 i 5 pozwala stwierdzić znaczną różnicę w wyglądzie powierzchni blach H i V Topografia powierzchni blach po obróbce strumieniowo-ściernej Topografia powierzchni blach po obróbce elektrokorundem składa się z większej liczby szczytów niż wgłębień (asymetria powierzchni jest większa od zera). Gęstość pików jest najwyższa z badanych topografii powierzchni, piki są wysokie i ostro zakończone. Stopień rozwinięcia powierzchni jest wyższy niż po kulkowaniu i niższy niż po piaskowaniu. Zdolność do gromadzenia smaru na powierzchni jest najwyższa z badanych topografii powierzchni. Blachę określono na podstawie oceny dotykowej jako szorstką. Na rys. 6 przedstawiono przykładową topografię powierzchni blachy H po obróbce elektrokorundem. Na rysunku tym są widoczne ostre pojedyncze piki wystające ponad powierzchnię pozostałych pików. Topografia powierzchni blach po kuleczkowaniu składa się z najmniejszej gęstości pików spośród badanych powierzchni, przy czym piki są najbardziej zaokrąglone. Jest to wynikiem działania ścierniwa w postaci gładkich kulek o największej średnicy ze stosowanego ścierniwa. Również zdolność do gromadzenia smaru i stopień rozwinięcia powierzchni są najniższe. W topografii przeważa udział wgłębień w powierzchni niż szczytów, stąd asymetria powierzchni jest mniejsza od zera, a wgłębienia i szczyty są zbliżonej wartości. Na rys. 7 przedstawiono przykładową topografię powierzchni po kuleczkowaniu. Topografia powierzchni po piaskowaniu jest najbardziej rozwinięta spośród badanych powierzchni, zachowując anizotropowość na poziomie blach po kuleczko- a) b) Rys. 4. Topografia powierzchni blachy czarnej różni producenci; a) materiał H, b) materiał V Fig. 4. Surface topography of black steel sheet various manufacturers; a) material H, b) material V a) b) Rys. 5. Topografia powierzchni blachy czarnej różni producenci (widok z góry); a) materiał H, b) materiał V Fig. 5. Surface topography of black steel sheet various manufacturers (top view); a) material H, b) material V

5 40 Marek Burdek Prace IMŻ 3 (2012) Rys. 6. Topografia powierzchni blachy H po obróbce elektrokorundem Fig. 6. Surface topography of H steel sheet after treatment with aloxite waniu. Gęstość pików na powierzchni jest mniejsza niż po obróbce elektrokorundem, a piki charakteryzują się podobną ostrością. W topografii dominują wgłębienia, które są największe spośród badanych topografii. Topografia powierzchni sprzyja gromadzeniu smaru na jej powierzchni. Na rys. 8 przedstawiono przykładową topografię powierzchni po piaskowaniu. W wyniku analizy wpływu gatunku stali na tworzenie się topografii powierzchni blachy stwierdzono, że tylko obróbka strumieniowo-ścierna z zastosowaniem elektrokorundu wpłynęła na zróżnicowanie wyników parametrów chropowatości. Najwyższe wartości parametrów pionowych (S p, S v, S z ) uzyskano dla blach ze stali V. Równocześnie topografia tych blach jest najbardziej anizotropowa z badanych, chociaż różnice nie są tak wyraźne. 4. PODSUMOWNIE Rys. 7. Topografia powierzchni blachy H po kuleczkowaniu Fig. 7. Surface topography of H steel sheet after treatment with glass globules Rys. 8. Topografia powierzchni blachy H po piaskowaniu Fig. 8. Surface topography of H steel sheet after sandblasting W artykule przedstawiono wyniki analizy topografii powierzchni cienkich blach ze stali niskowęglowych przed i po obróbce strumieniowo-ściernej. Zagadnienie to jest szczególnie istotne dla materiałów, których powierzchnie są oczyszczane przed nanoszeniem powłok ochronnych lub dekoracyjnych. W wyniku badań stwierdzono, że zależnie od zastosowanego ścierniwa uzyskano zróżnicowaną topografię powierzchni blach. Piaskowanie spowodowało powstanie na powierzchni blach największych wgłębień, kuleczkowanie zaokrąglonych pików, a elektrokorundowanie ostrych pików. Jest to bezpośredni wynik kształtu i wymiarów zastosowanego ścierniwa. Rodzaj zastosowanego ścierniwa wpływa bezpośrednio na wygląd blach po obróbce powierzchniowej szczególnie widoczne w przypadku zastosowania kuleczek szklanych oraz na wrażenia dotykowe. Powierzchnia blachy po obróbce elektrokorundem określona na podstawie oceny dotykowej była szorstka. naliza wpływu gatunku stali na tworzenie się topografii powierzchni blachy wykazała, że tylko obróbka strumieniowo-ścierna z zastosowaniem elektrokorundu wpłynęła na zróżnicowanie wyników parametrów chropowatości, szczególne parametrów pionowych. LITERTUR 1. De Mare C., Scheers J., Development of SIBETEX sheet having excellent drawability and paint appearance La Revue de Metallurgie CIT, 1997, 6, s Deroo H., de Graef L., The EBT-texturing and its influence on coating, forming, and painting of steel sheets METEC Congress 94. 2nd European Continuous Casting Conference. 6th International Rolling Conference, Dusseldorf, June 20-22, 1994/VDEh, Dusseldorf: VDEh, 1994, s Pfestorf M., Staeves J., Definition von 3-D-Oberflächenkenngrößen, Stahl u.eisen, 1997, 7, s Rasp W., Wichern C., real and volumetric material property changes during metal forming, Steel Grips, 2008, 6, Nr 4, s Rasp W., Wichern M., survey of the morphology of structure features during metalforming operations, Steel research, 2003, 74, nr 5, s Pfestorf M., Geiger M., Dreidimensionale Oberflächenkenngrößen für Blechoberflächen, Blech Rohre Profile, 1998, nr 3, s Neudecker T., Popp U., Meßvorschrift zur Bestimmung funktionaler 3D Oberflächenkenngrößen für die Blechumformung, UTF science, 2000/III, s Jonasson M., Pulkkinen T., Comparative study of shotblasted and electrical-dischargetextured rolls with regard to frictional behavior of the rolled steel sheet surfaces, Wear 1997, 207, s PN-EN 10130:2009. Wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali niskowęglowych do obróbki plastycznej na zimno. Warunki techniczne dostawy.