Primerjalno preizkušanje obrabne obstojnosti orodnih jekel Comparative Testing of Resistanee to Wear of Tool Steels J. Vižintin, E. Tomšič, Fakulteta za strojništvo, Laboratorij za tribologijo, Ljubljana F. Uranc, F. Grešovnik, J. Šegel, Metal Ravne d.o.o., Ravne na Koroškem Opis simulacije obremenitvenega kolektiva pri valjanju, način izbire modelov in postopek preizkušanja za raziskavo obrabe. Obrabno obstojnost orodnih in hitroreznih jekel, ki se uporabljajo za delovne valje, smo izmerili v paru z materialoma valjancev OC 100ex. in Prokron 12sp.. Koeficiente trenja, obrabo in poškodbe kontaktnih površin smo vrednotili v odvisnosti od časa. Ključne besede: primerjalno preizkušanje, hladno valjanje, obraba orodnih in hitroreznih jekel, koeficient trenja The simulation of contact stresses at metal rolling process, the choice of test models for wear analysis and process of testing are deseribed. Resistanee to wear of tool steels for working rolls was measured in contact with strip from steel OC 100ex. and Prokron 12sp.. Friction coefficient, wear rate and damages of contact surfaces were determined in funetion of test time. Key words: comparative testing, cold rolling, wear of tool and high speed steels, friction coefficient 1 Uvod Železarna Ravne izdeluje valje za valjarniške stroje iz orodnih m hitroreznih jekel. Obrabna obstojnost valjev je pomemben parameter pri procesu valjanja. Kot obrabno obstojnost razumemo poleg odpornosti valjev proti obrabi tudiodpornost proti lepljenju valjanca, nastanku razpok, luščenju površin, itd.. Na obrabno obstojnost valjev vplivamo s pravilno izbiro materiala, termično in mehansko obdelavo, mazanjem in hlajenjem valjev. Obrab-noobstojnost orodnih m hitrorezmhjekel, ki se uporabljajo za valje, bi lahko določili na procesu valjanja, toda stroški preizkušanja bi bili v tem primeru visoki. Zaradi cenenosti in enostavnosti preizkušanja uporabljajo raziskovalci za določitev obrabne obstojnosti materialov za valje primerjalno preizkušanje na modelnih preizkuše-vališčih. Sven-Erik Lundberg 1 je raziskoval obrabo delovnega valja izdelanega iz orodnega jekla za delo v vročem pri vročem valjanju nerjavnega in konstrukcijskega jekla. Za raziskavo je skonstruiral modelni sistem, kije simuliral kinematiko in obremenitve pri vročem valjanju. V Japonski jeklarni Katsuta 2, ki izdeluje valje Sendzimir in njihove nadomestne dele v sodelovanju z združenjem T. Sendzimir, so razvili interno testno metodo za kontrolo obrabne obstojnosti orodnih in hitroreznih jekel, ki jih uporabljajo za Sendzimir valje. Obrabno obstojnost merijo na modelu čistega drsenja (Pin on disc) in modelu čistega izmeničnega drsenja. B.M.Shukla, P.C.Nautilyal, V.R.K.Sastry3 so raziskovali obrabne procese kontaktnih površin pri plastični deformaciji Preizkuse so izvedli na Amslerjevem kotalnem merilniku trenja in obrabe tip Al35. Preizkušanec iz kaljenega jekla je simuliral orodje, medtem koje preizkušanec iz mehkega jekla simuliral obdelovanec. Obremenitev med preizkušancema je bila takšna, da seje kontaktna površina na preizkušancu iz mehkega jekla plastično deformirala. Določali so obrabo preizkušancev, trenje in obrabne mehanizme pri mazanju z mineralnimi in rastlinskimi olji. V tem prispevku so prikazani rezultatiraziskave obrabne obstojnosti orodnih in hitroreznih jekel, ki se uporabljajo za delovne valje pri hladnem valjanju. Raziskavo obrabne obstojnosti smo izvedli tako, da smo na modelu valjanja, modelu čistega izmeničnega drsenja in modelu čistega drsenja simulirali obremenitveni kolektiv (drsne hitrosti in tlačne napetosti) med delovnim valjem in valjancem. Obrabno obstojnost hitroreznih in orodnih jekel smo izmerili v paru z materialoma valjancev OC 100ex. in Prokron 12sp.. Po preizkusih smo obrabljene površine analizirali na optičnem mikroskopu in drugih analiznih aparatih. |TX 1 r ! B k i DetaIj E-hitrosti smo izračunali obremenitveni kolektiv, za premer valja 120mm, vstopno debelino pločevine 0.55mm, izstopno debelino pločevine 0.4mm, hitrostjo valjanja 2.5m/s m koeficient trenja 0.1. Material valjanca (pločevine) je bil OC 100ex. in Prokron 12sp Podatke za izračun smo dobili v Železarni Ravne m Železarni Jesenice. Izračunane vrednosti za obremenitveni kolektiv v deformacijski coni AB, ki smo jih dobili pri simulaciji valjanja pločevine iz OC 100e.\. in Prokrona 12sp., so prikazane na sliki 2a, b .., 120 0 7. 8 0 0 Povd . tlak= 987 . N/m*rM \ --- ; : ! i 12 2 2 N. mm2 Slika 1. Model procesa hladnega valjanja Vd-drsna hitrost (m/s) V -obodna hitrost valja (m/s), Vv|-hitrost valjanca (m/s), Vo-vstopna' hitrost valjanca (m/s), V,-izstopna hitrost valjanca (m/s), Px-tlačna napetost (N/mm2), t^-strižna napetost (N/mm2). Figure 1. Model of cold rolling Vd-slip speed (m/s), Vr-tangencial speed of roll (m/s), Vv|-strip speed (m/s), V - strip speed of the entry (m/s), V,-strip speed of the exit(m/s), Px-normal stress (N/mm2), t -shear stress (N/mm2). 2 Obremenitveni kolektiv pri valjanju Na osnovi teorije za analizo kinematičnega in napetostnega stanja pri valjanju, kije opisana v 4, 5 in 6 smo izdelali model procesa hladnega valjanja, kije prikazan na sliki 1. Delovni valj in valjanec se pri valjanju dotikata na dotikalniploskvidolžme AB. Kontakt meddelovnun valjem in valjancem Ali smo poimenovali deformacij ska cona, kije prikazana na sliki la. Deformacijska cona AB, v kateri se valjanec plastično deformirajo razdeljena na drsni coni AC m DB ter adhezijsko cono CD. Adhezijska cona CD se v našem primeru deli na notranje adhezijsko območje EF in zunanjeadhezijsko območjeCE m FD. Velikost teh območij je odvisna od vrste valjanja \ Diagrami na sliki lb, c in d prikazujejo drsno hitrost ter tlačno m strižno napetost v deformacijski coni pri hladnem valjanju pločevine. V drsni coni AC je hitrost valjanca Vvl manjša od obodne hitrosti delovnega valja Vr. V drsni coni DB pa je hitrost valjanca večja od obodne hitrosti delovnega valja. Razlika med obodno hitrostjo delovnega valja Vr in hitrostjo valjanca Vvl je drsna hitrost med delovnim valjem in valjancem. V adhezijski coni CD spremeni smer delovanja drsna hitrost (slika lb) m strižna napetost (slika ld), tlačna napetost pa doseže maksimalno vrednost (slika lc). Na osnovi teorije, kije opisana v literaturi 4, 5 in 6 m modela, kije prikazan na sliki 1, smo izdelali računalniški program za izračun obremenitvenega kolektiva v deformacijski coni pri hladnem valjanju pločevine. S programom e E z C " FD a 500 . ............................ j, Povp . t 1 aN/i f \ 250 . 2 0 0 .50 «............. .25 - ............. ......i_; .25 V .50 A . • ■ . ......_ 5 6 7 N/mm2 Slika 2. Izračunane vrednosti za obremenitveni kolektiv: vstopna debelina pločevine 0.55mm, izstopna debelina pločevine 0.4mm, hitrost valjanja 2.5m/s, koeficient trenja 0.1 a. Material valjanca OC 100ex_. Drsna hitrost I=0.3m/s, 11=0.15m/s, 111=0.1 m/s, IV=0.06m/s, V=0.01m/s. b. Material valjanca Prokron 12sp. Drsna hitrost I=0.3m/s, 11=0.15m/s, 111=0.1 m/s, IV=0.06m/s, V=0.01m/s. Figure 2. Calculated normal stresses and slip speed at cold rolling: thickness of strip before rolling 0.55mm. thickness of strip after rolling 0.4mm, speed of rolling 2.5m/s, frietion coefficient 0.1. a. Strip from steel OC 100ex.. Slip speed I=0.3m/s, II=0.15m/s, 111=0.1 m/s, IV=0.06m/s, V=0.01m/s. b. Strip from steel Prokron 12sp. Slip speed I=0.3m/s, 11=0.15m s, 111=0.1 m/s, IV=0.06m/s, V=0.01m/s. codajon je emulzije doda emul Slika 3. Izbrani modeli za preizkušanje: a. Model valjanja, d^d^Omm, b=10mm b. Model čistega izmeničnega drsenja, R=3mm. c. Model čistega drsenja, R=3mm, d2=40mm, b=10mm. Figure 3. Selected testing models: a. RoIIing model (Amsler tester), d,=d, J40mm, b=10mm. b. Oscilating model, R=3mm. c. Sliding modeI(Pin 011 disc), R=3mm, d,=40mm, b=10mm. 3 Izbira modelov in modelnih preizkuševališč Slika 3 a, b in c prikazuje izbrane modele za preizkušanje, na katerih smo simulirali obremenitveni kolektiv na doti-kalni ploskvi med delovnim valjem in valjancem pri hladnem valjanju pločevine. Z modelom valjanja smo popisali kontakt valja s pločevino v deformacij ski coni AB, kjer nastopa kombinacija kotaljenja in drsenja delovnega valja po valja-ncu. Z valjem 1 smo simulirali delovni valj, ki je bil izdelan iz orodnega jekla, medtem ko smo z valjem 2 simulirali valjanec, ki smo ga izdelali iz materiala valjanca Drsno hitrost v deformacijski coni AB smo dosegli z različno obodno hitrostjo valja 1 111 2. Preizkušanje po modelu valjanja smo opravili na kotalnem merilniku trenja 111 obrabe. Za popis stanja v adhezijski coni CD smo izbrali model čistega izmeničnega drsenja. Spremembo smeri delovanjadrsnelutrosti m strižne napetosti vconi CD smo dosegli z izmeničnim drsenjem valjčka 1 po mirujoči ploščici 2. Valjček, ki je simuliral delovni valj je bil izdelan iz orodnega jekla, ploščica pa je predstavljala valjanec injebila izdelana iz materiala valjanca. Preizkušanje po modelu čistega izmeničnega drsenja smo izvedli na frekvenčnem merilniku trenja m obrabe Model čistega drsenja smo izbrali za sunulacijo čistega drsenja v deformacijski coni AB Cisto drsenje v kontaktu smo dosegli z vrtenjem valja 1 po mirujočem valjčku 2. Valj je simuliral valjanec, medtem koje valjček simuliral delovni valj iz orodnega jekla. Kontaktno površino valjčka smo izdelali v obliki polkrogle. Preizkušanje po modelu čistega drsenja smo opravili na merilniku valjček-valj Na vseh izbranih modelih za preizkušanje je bila velikost pritisne sile takšna, da je bil maksimalni tlak v kontaktu med preizkušancema enak povprečnemu tlaku v deformacijski coni AB, slika 2. Na modelu čistega izmeničnega drsenja smo morali za doseg željene tlačne napetosti v kontaktu med preizkušancema zožati širino kontakta, ki je bila običajno pri takih preizkusih 16mm. Pri materialu valjanca iz OC 100ex. je bila v našem primeru širina kontakta 4mm, pri materialu valjanca Prokron 12sp. pa 8mm. Z modelom valjanja smo simulirali drsno hitrost, ki smo jo odbrali v točki I in IV (slika2). Točka I je predstavljala največjodrsno hitrost, točka IV pa najmanjšodrsno hitrost, ki smojo lahko sunulirali s tem modelom. Z modelom čistega izmeničnega drsenja smo simulirali drsno hitrost v točki V, ki leži znotraj adhezijske cone CD. Da bi ugotovili vpliv izmenične drsne hitrosti na obrabo smo izbrali za simulacijo na tem modelu tudi točko II, slika 2. Na modelu čistega drsenja smo simulirali drsno hitrost, ki smojo odbrali v točki I in III. Točko I smo izbrali zato, da smo lahko primerjali rezultate, ki smo jih dobili s preizkusom na tem modelu z rezultati, ki smo jih dobili na modelu valjanja. Pri hladnem valjanju pločevin je delovni proces valjanja hlajen s hladilno mazalno emulzijo, zato smo tudi naše modelne preizkuse hladili s 5%hladilno-mazalno emulzijo, ki jo uporabljajo pri hladnem valjanju v valjarni na Jesenicah. Hladilno mazalno emulzijo smo v kontakt na modelnih preizkuševališčih dovajali tako kot je prikazano na sliki 3 4 Materiali in opis preizkušanja V tabeli 1 so prikazani vsi materiali za delovne valje, materiali valjanca in obremenitveni kolektivi, pri katerih smo izvedli preizkušanje na modelu valjanja, modelu čistega izmeničnega drsenja in modelu čistega drsenja. Za vsako Tabela 1: Izvedeni preizkusi na modelnih preizkuševališčih. Table 1: Realized tests on testing models. Mat. voljonco 00 100 exp. Prokron 12 Sp Pogoji pre-izkuSanja Mat. zoV^ delovni valjev. Drsna hitrost (m/s) Drsna hitrost (m/s) 0.15, 0.3 0.01, 0.1 0.15, 0.3 0.01, 0.1 Temperatura preizkušanja ('C) Temperatura preizkušanja ("C) 20 90 20 90 20 90 20 90 BRM 1 X X X X BRM2 X X X X X X X X BR885 X X X X 0SV1 X X X X X X X X UTOP Mo5 X X X X X X X X UTOP M06 X X X X X X X X OCR 12vms X X X X preizkušano jeklo smo pri določenem obremenitvenem kolektivu izvedli tri preizkuse. Delovne valje v Železarni Ravne najprej mehansko obdelajo, nato pa sledi toplotna obdelava. Po toplotni obdelavi delovne valje šebnisijo. Valji in valjčki iz orodnih in hitroreznih jekel, ki smo jih preizkušali, so bili po mehanski obdelavi kaljeni v vakumski peči pri zaščitni atmosferi dušika ter nato še popuščani na zraku. Preizkušanci iz materiala valjanca so bili mehansko obdelani m žarjeni. Preizkušancem iz materiala orodnega in hitroreznega jekla smo najprej izmerili mikrotrdoto 111 hrapavost kontaktne površine. Za preizkus na modelu valjanja smo preizkušanee iz orodnih in hitroreznih jekel pred preizkusom še tehtali. Med preizkusom smo zapisovali koeficient trenja. Časovno odvisnost obrabe in poškodbe kontaktne površine smo določili tako, da smo preizkus prekinjali in sicer pri 2000, 10000 ter pri 20000 ciklih Za preizkuse smo skonstruirali vpenjalno pripravo, ki je omogočila izpenjanje preizkusnega para iz, pretzkuševališča, določitev količine obrabljenega materiala 111 nato nastavitev preizkuševalnega para na isto pozicijo, ki jo je par imel pred prekinitvijo preizkusa. Količino obrabe preizkušancev za model valjanja smodoločih s tehtanjem, za ostala dva modela pa smo z optičnim mikroskopom izmerili širino obrabnih kalot na valjčkih. Iz količine obrabljenega materiala ter širine obrabnih kalot smo nato izračunali volumen obrabljenega materiala za preizkušanee iz orodnih in hitroreznih jekel. Poškodbe kontaktnih površin na valjih m valjčkih smo analizirali in poslikali z optičnim mikroskopom. Pri 20000 ciklih, smo poleg določitve količine obrabe izmerili še hrapavost in mikrotrdoto obrabljenih površin valjev in valjčkov, ki so simulirali delovni valj. 5 Opis rezultatov Slika 4 prikazuje volumen obrabljenega materiala v m1 pri 20000 ciklih za orodna 111 hitrorezna jekla v paru z mate- rialom valjanca OC 100ex.. Na slikah 4a, b, c in d je prikazan volumen obrabljenega materiala za različne obremenitvene kolektive pri preizkušanju na modelu valjanja. Naj večj 1 volumen obrabljenega materiala smo na modelu valjanja izmerili za hitrorezno jeklo BRM1 in BRM2 pri drsni hitrosti 0.3m/ s in temperaturi preizkušanja 90°C, slika 4a Pri ostalih hitroreznih jeklih smo ugotovili, da drsna hitrost m temperatura preizkušanja nimata posebnega vpliva na volumen obrabljenega materiala (slika 4a, b, c in d). Pri jeklu Utop Mo5 m Utop M06 se je pri temperaturi preizkušanja 90°C m drsni hitrosti 0.3m/s pojavilo lepljenje materiala valjanca (slika 4a). Za ostale drsne hitrosti 111 temperature smo ugotovili, da nimajo vpliva na volumen obrabljenega materiala pri orodnih jeklih Sliki 4c in d nam prikazuta, da je volumen obrabljenega materiala pri temperaturi preizkušanja 20°C za hitrorezna jekla večji kot za orodna jekla. Pri preizkušanju na modelu čistega izmeničnega drsenja je bil volumen obrabljenega materiala za orodna m hitrorezna jekla pri vseh obremenitvenih kolektivih zelo podoben (slika 4e, f, g in h). Slike 4i, j, k in I nam prikazujo volumen obrabljenega materiala za orodna m hitrorezna jekla, ki smo ga izmerili na modelu čistega drsenja pri različnih obremenitvenih kolektivih. Pri vseh obremenitvenih kolektivih seje volumen obrabljenega materiala zmanjševal od hitroreznega jekla BRM1 proti OSV1 in nato naraščal od orodnega jekla Utop M06 do orodnega jekla OCR 12vms Najmanjši volumen obrabljenega materiala smo izmerili za hitrorezno jeklo OSV1, največjega pa za orodno jeklo OCR 12vms. Pri manjši drsni hitrosti smo izmerili večji volumen obrabljenega materiala, kot pri večji drsni hitrosti. Temperatura preizkušanja ni posebno vplivala na volumen obrabljenega materiala. 3«*1I T*mp.:20C Uorana hitrott 0.3m/i I B«M2 OSV1 ^/TgP JJT^P h. | | H tr prezrta jekta ^^ Or.je zadeto v N Proti nal«'i«l OC 100«« |jT«mp 2oČ"^|p™n« h