Maziva in hladno preoblikovanje jekel Lubricants and Cold Forming of Steels B.Arzenšek. D.Kmetic, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije v Ljubljani, A. Lagoja, Železarna Jesenice Opisani so rezultati meritev koeficientov trenja različnih maziv, ki jih pri nas najpogosteje uporabljamo pri masivnem preoblikovanju jekel in vlečenju žice. Ugotavljali smo jih po metodi stiskanja obročastih preizkušancev. Ključne besede: hladno preoblikovanje jekel, maziva, trenje The results of friction coefficients of some lubricants vvere deseribed in this paper, used at cold forming of steels and vvire dravving process. They vvere established by ring compression tests. Key words: cold forming of steels, lubricants, friction 1 Uvod Uspešnost nekega preoblikovalnega procesa je v veliki meri odvisna od kontaktnega trenja, ki nastane na stičnih površinah med preoblikovalnim orodjem in preoblikovancem in od maziv, ki trenje zmanjšujejo. Z mazivi lahko precej povečamo deformacije, ki jih preoblikovano jeklo prenese, preprečimo trganje površin preoblikovanca in lokalno zvarjanje preoblikovanca na preoblikovalno orodje, zmanjšamo obrabo in povečamo življen-sko dobo orodja, ali pa celo preprečimo lom orodja. Z mazivi lahko torej precej vplivamo na uspešnost preoblikovalnega procesa, vendar le v primeru, če za določen preoblikovalni proces izberemo ustrezno mazivo, za katerega pa moramo poznati njegove mazivne sposobnosti. Resničen vpliv trenja in maziv na preoblikovalni proces lahko ugotavljamo iz obrabe orodij in kvalitete izdelkov, ali pa z meritvami čim večjega števila vplivnih veličin na preoblikovalnem stroju v proizvodnji. Ker je cena takšnih preizkušanj precej visoka, ocenjujemo kvaliteto maziv navadno v laboratorijih, z deformacijsko podobnimi preoblikovalnimi postopki. Kvaliteto maziv največkrat ocenjujemo s koeficienti trenja, ki jih lahko ugotavljamo z metodami brez merjenja preoblikovalnih sil in z metodami, pri katerih merimo preoblikovalne sile. Za metode ocenjevanja kvalitete maziv brez merjenja preoblikovalnih sil je značilno, da ugotavljamo koeficiente trenja iz geometrije preoblikovancev, na katere pred preoblikovanjem nanesemo preizkušana maziva. Obstaia veliko število metod za ocenjevanje mazivnih sposobnosti maziv, zato smo se v tem prispevku odločili, da opišemo le nekatere. Merilo pri izbiri opisanih metod je bila nizka cena in njihova preprosta izvedba ter dovolj velika ločljivost in primerljivost rezultatov preizkušanih maziv. Vse metode so. brez večjih stroškov in posebne opreme, izvedljive tudi na trgalnih strojih v mehanskih preizkuševalnicah tovarn. 2 Opis metod za ugotavljanje koeficientov trenja maziv Metode brez merjenja preoblikovalnih sil so precej enostavnejše kot metode z merjenjem preoblikovalnih sil. Najenostavnejše so metode, pri katerih želimo dobiti le relativno primerjavo koeficientov trenja preizkušanih maziv. Tako lahko npr. pri valjanju pločevine enake vrste in dimenzije ugotavljamo Figure 1. Measuring of contact friction by halbround stamp kvaliteto maziv iz izmerjenih debelin pločevine po valjanju. Pri slabših mazivih sta preoblikovalna sila in debelina pločevine večji. Vpliv mazanja in trenja preko deformacije, pa tudi spremembe preoblikovalnih napetosti, je poznan tudi pri utopnem kovanju, hladnem kalibriranju in gravurnem kovanju. Tomlenov1 in Ivanov2 sta razvila metodo merjenja kontaktnega trenja z vtiskavanjem polokroglega žiga v kovino (slika 1). Pri tej metodi vzorec po vtiskavanju prerežemo po vzdolžni osi in z meritvami trdot po osi ugotovimo mesto z največjo trdoto. Če razdaljo med največjo trdoto in najnižjo točko odtiska označimo s "h" lahko, iz na sliki podanega matematičnega izraza, izračunamo koeficient trenja. Ena od najstarejših metod za ugotavljanje koeficientov trenja maziv je stiskanje cilindričnih teles med dvema stožčastinia orodjema1. Pri tej metodi orodje s svojim konusnim delom vtiskujemo v čelno površino valja (slika 2). Če dobi valj po preizkusu konveksno ali konkavno obliko, preizkus ponovimo z drugim parom orodij, z drugačnim kotom stožca, toliko časa, da valj po preizkusu ostane cilindričen. Tedaj jc koeficient trenja enak p = tg a . 3 Ugotavljanje koeficientov tren ja maziv s stiskanjem obročastih preizkušancev 3.1 Opis metode Zelo zanimiva metoda za ugotavljanje koeficientov trenja maziv je metoda stiskanja obročastih preizkušancev, ki jo je F tg a Slika 2. Merjenje kontaktnega trenja / nakreevanjem cilindričnih teles med dvema stož.častima orodjema Figure 2. Measuring of conlaet frietion by contprcssion test of cvlin-drical spccimens between two cone tools razvil Burgdorf'. Metoda se zadnje čase precej uporablja, zato smo z njo ugotavljali koeficiente trenja cele vrste maziv, ki jih pri nas najpogosteje uporabljamo pri masivnem preoblikovanju jekel in vlečenju žice. Metodo, kakor tudi rezultate koeficientov trenja preizkušanih maziv, bomo v nadaljevanju prispevka zato podrobneje opisali. Pri tej metodi, pri kateri prav tako ni potrebno meriti preoblikovalnih sil, ugotavljamo koeficiente trenja maziv iz dimenzij obročkov po stiskanju, na površino katerih pred stiskanjem nanesemo preizkušano mazivo. Preizkušatici so obročki enakih dimenzij: z zunanjim premerom 20. notranjim 10 in višino 7 mm. Po stiskanju izmerimo višine in notranje premere obročkov, ki se pri enakem materialu spreminjajo glede na maziv ne sposobnosti preizkušanih maziv. Pri slabših mazivih so notranji premeri manjši, pri boljših pa večji. Na premere obročkov vpliva tečenje materiala med stiskanjem. Problem tečenja materiala v obročku je avtor metode pojasnil s smerjo tečenja jekla v obročku, ki je odvisna od kvalitete maziva. Med stiskanjem obročka lahko material namreč teče v dve smeri, proti sredini preizkušanca, ali pa radialno navzven (slika 3). Na meji med obema smerema je nevtralni radij-rn, kjer tečenja ni. Za vsakega od obeh delov obročka, ki ju ločuje nevtralni radij (na sliki sta označena s številkama I in 2). lahko nastavimo ravnotežno enačbo, iz katere izpade napetost tečenja k,, oziroma vpliv preoblikovalnih sil. Slika 3. Prikaz loka materiala pri merjenju kontaktnega trenja / nakrče- vanjem ohročastega preizkušanca Figure 3. Revievv of material flow at measuring of contact frietion b\ ring compression lest Tako v izrazu ostanejo le geometrijske veličine preizkušanca in koeficient trenja maziva. Na ta način dobljena enačba je zelo komplicirana, zato je rešljiva le z numeričnimi metodami in računalnikom. Zaradi poenostavitve metode je Burgdorf izbral standardni preizkušanec že omenjenih dimenzij <)> 20/10 X 7 mm. ki ga tudi v primeru najtrših preizkušancev lahko stisnemo do deformacije ip = 0.7 s silo, ki je manjša od 1 MN. Za lak standardni preizkušanec je nato izračunal in v obliki krivulj podal odvisnosti koeficientov trenja od višin in notranjih premerov preizkušancev po stiskanju. Premere takih diagramov smo. z vrisanimi koeficienti trenja preizkušanih maziv, prikazali na slikah 6 in 7. 3.2 Preizkušam! maziva, preizkusi stiskanja in rezultati Po metodi Burgdorfa smo ugotavljali koeficiente trenja različnih maziv, nosilcev maziv in kombinacij nosilcev maziv z mazivi, ki jih bomo imenovali kar mazivne prevleke. Nosilce maziv smo preizkušali zato. da bi ugotovili, če imajo poleg lastnosti nosilcev maziv (preprečevanja kovinskega stika med pre-oblikovancem in preoblikovalnim orodjem ter povečanja oprijemljivosti maziva na površini preoblikovanca) tudi kaj mazivnih sposobnosti. Preizkušali smo naslednje nosilce maziv: apno. boraks, fosfat, oksalat in prevleko bakra: in maziva: strojno olje, natrijevo milo. molikot in vlečni prašek (kalcijev stearat). Vse naštete nosilce maziv in maziva uporabljamo pri vlečenju žice in masivnem preoblikovanju jekel. Zaradi boljše primerjave koeficientov trenja smo ugotavljali tudi koeficiente trenja nemazanih površin, ki ga imenujemo tudi suho trenje. Maziva lahko klasificiramo tudi po v i s i n i preoblikovalnih napetostih, ki jih med preoblikovalnim procesom prenesejo. Da bi ugotovili vpliv preoblikovalnih napetosti na koeficiente trenja preizkušanih maziv, smo obročke izdelali iz štirih vrst jekel: iz cementacijskega jekla vrste Č. 1221 . jekla za poboljšanje Č.4731. visokoogljičnega jekla C. 1732. ki ga uporabljamo za izdelavo patentirane žice in iz austenitnega nerjavnega jekla C.4571. ki se med preoblikovanjem zelo utrjuje, zato ga lahko preoblikujemo le pri zelo visokih preoblikovalnih napetostih. Izbrana jekla se med seboj precej razlikujejo tako po višini preoblikovalnih napetosti-napetostih tečenja k,, kakor tudi po stopnji utrjeva-nja-n. Višina preoblikovalnih napetosti in utrjevanje omenjenih jekel smo. v odvisnosti od deformacije, v obliki krivulj tečenja. prikazali na sliki 4. Na kvaliteto mazanja vpliva tudi stanje površin, na katere nanesemo maziva, zato smo površine obročkov brusili ali peskali Slika 4. Krivulje tečenja preizkušanih jekel Figure 4. Flovv curves of tested steels IKtgec H*tgoc ter tako ugotavljali tudi vpliv hrapavosti površine preoblikovan-ca na koeficiente trenja maziv. Na kvaliteto maziv vpliva tudi temperatura preoblikovalnega procesa, kar pa v tem delu nismo ugotavljali, ker so vsa preizkušana maziva namenjena le za delo v hladnem. Po nanosu mazivnih prevlek smo obročke pri sobni temperaturi kontinuimo stiskali do različnih višin na 500 KN preizkuševalnem stroju Instron. Zaradi možnosti merjenja preoblikovalnih sil smo med stiskanjem merili tudi preoblikovalne sile. iz katerih smo izračunali preoblikovalne napetosti in koeficiente trenja nekaterih maziv in rezultate podali tudi v odvisnosti od preoblikovalnih napetosti. Oblike obročkov po preizkušanju različnih mazivnih prevlek so bile precej različne. Kot primer smo na sliki 5 prikazali obročke, na katere smo pred stiskanjem nanesli sam fosfat in fosfat z milom. Stiskali smo jih do različnih deformacij, ki smo jih izrazili z logaritmičnimi deformacijami iph, izračunanimi na sledeč način: kjer pomeni: h„ - višino obročka pred stiskanjem (7 mm) in h, - višino obročka po stiskanju. oooooo 0,15 0,23 0,35 0,45 0.55 0.85 b oooooo *h 0.14 0.25 0.34 0,46 0.58 0.73 Slika 5. Obročki i/ jekla Č. 1221 po stiskanju. a)fosfatirani, hlfosfatirani in namiljeni Figure 5. Rings of 1.1121 steel after compression test. a)phosphated. h)phosphated and soaped Iz majhnih notranjih premerov fosfatiranih obročkov lahko sklepamo na slabe mazivne sposobnosti fosfata, iz velikih pa na dobre pri prevleki fosfata in mila. Posledica slabega mazanja pri fosfatu je tudi konveksna oblika sten stisnjenih obročkov, zato je Burgdorf za vrednotenje notranjih premerov obročkov-d, podal izraz, ki smo ga zapisali ob shemi obročka na sliki 3. Poleg notranjih premerov obročkov smo izmerili tudi njihove natančne višine in nato vsak notranji premer v odvisnosti od višine vnesli v Buredorfove diagrame krivulj koeficientov trenja. Koeficiente trenja ocenimo vizuelno glede na položaj točk med krivuljami. Zaradi velikega števila diagramov smo v prispevku na slikah 6 in 7 prikazali le dva diagrama, v katerih smo podali vrednosti koeficientov trenja za nemazane površine in fosfat ter za olje, milo in prevleke fosfata z milom in moliko-tom, na brušenih in peskanih površinah jekla. Zaradi boljše preglednosti smo vse koeficiente trenja maziv za vsako jeklo posebej prikazali v diagramih na slikah 8 do 11, ko smo deformacije podali v obliki že omenjene logaritmične deformacije ip,, in specifične deformacije £h, ki jo uporabljamo predvsem pri vlečenju žice. Na sliki 12 smo prikazali tudi koeficiente trenja dveh mazivnih prevlek v odvisnosti od preoblikovalnih napetosti qm, ki smo jih izračunali na sledeč način : qm=^- (N/mm2). Slika 6. Koeficienti trenja pri nemazanih in mazanih luženih in peskanih površinah jekla Č. 1221 Figure fi. Friction cefficients of nonlubricated and lubricated piekled and sand blasted surfaces of 1.1121 steel Slika 7. Koeficienti trenja preizkušanih mazivnih prevlek pri luženih in peskanih površinah jekla C. 1221 Figure 7. Friction coelficients of different lubricant coats at piekled and sand blasted surfaces of 1.1121 steel i-r -Bruieni obročki ---Petkani obročki 0,2 0,4 Of 0,8 Logaritmična deformacija ,■ &A v '/. Slika 10. Koeficienti trenja preizkušanih mazivnih prevlek pri različnih stopnjah deformacije, pri jeklu Č. I 732 Figure 10. Friction cocfficicnts of tested lubricant eoats at different deformations of 1.221 steel 08 — —ir- —t--BruŠem oOročki Jeklo C. 1732 ---Peškam obroiki 0,6 patentirano 02 0.4 0,6 as Logaritmična deformacija