ZAREGISTROVAT   |  PŘIHLÁSIT   |
PROHLEDAT
Article Details
Srovnání pevnosti kovaných a vybrušovaných čepelí
15.3.2014, slon
Stále existují debaty, zda je lepší čepel kovaná než vybrušovaná. V minulosti jsem už nějaké pokusy podnikal. V tomto článku je další ze série pokusů, které mají do této problematiky přinést další fakta.

1.    Úvod

Tento článek vznikl v rámci SOČ  (středoškolská odborná činnost) na DFJP Univerzity Pardubice. Byl publikován na konferenci TechMat´13, zde je uveden s drobnými úpravami - především jsou zkráceny úvodní části.

V počátcích výroby železa a oceli bylo kovářské zpracování nezbytné pro rafinaci oceli – překováním došlo k odstranění zbytků strusky a uhlí, případně zhomogenizování výchozí suroviny. Další pokrok bylo možnost použít kombinaci dvou či více ocelí s různým obsahem uhlíku a tím vlastně k tvorbě kompozitů (damascénská ocel). Navíc mohl vhodným způsobem zpracován ovlivnit kovář množství uhlíku ve výsledné oceli. Nicméně s nástupem plávkového způsobu výroby oceli tato nezbytnost kovářského zpracování zaniká. Plávková ocel poskytuje ocel rovnoměrného složení v celé vsázce, navíc umožňuje přesné legování – výstupem je ocel s přesným složením a tedy definovanými vlastnostmi. U těchto ocelí tedy nutnost kovářského zpracování z důvodu ovlivnění vlastností výsledného výrobku odpadá.

Při použití nástrojových ocelí se v současné nástrojařské výrobě v malosériové výrobě používá převážně třískové obrábění pro výrobu nástrojů. Hromadná výroba pak používá jak kovářských postupů (hlavně pro výrobu polotovarů složitějších tvarů či velkých rozměrů – volné a zápustkové kování) tak metod třískového obrábění. Z rozdílného přístupu k výrobě řezných nástrojů (nožů) v současnosti vznikají spory, zda jsou kovářské postupy vhodnější či výsledné vlastnosti nože vyrobeného třískovým obráběním (frézování, broušení) jsou srovnatelné. V těchto sporech je kováři většinou argumentováno tím, že velmi namáhané součásti se vyrábí kováním (např. klikové hřídele velkých motorů). Naopak příznivci třískového obrábění argumentují specifickými vlastnostmi moderních nástrojových ocelí, které se kováním již nijak nezlepšují, a výsledek je tedy stejný.

Cílem této práce je tedy provést srovnání pevnosti tříbodovým ohybem klínového profilu čepele nože vyrobeného kováním resp. vybrušováním z ploché oceli. Namáhání klínového profilu tříbodovým ohybem má simulovat boční namáhání čepelí, což je velmi častý způsob zatěžování čepelí (páčení, nastává například i při sekání). V předchozím článku bylo ukázáno, že výsledná tvrdost kovaných a vybrušovaných profilů se po tepelném zpracování prakticky neliší a užitné vlastnosti ostří budou prakticky identická (trvanlivost ostří, řezivost).

2.    Experimentální část

Základním materiálem pro zkoušky byla ocel 1.2842 (ekv. ČSN 19 312 / 19 314). Výchozím polotovarem byl za tepla válcovaných plech o tloušťce 6 mm. Výchozí stav byl žíhaný na měkko.

Ohřev na kovací teplotu byl prováděn v plynové výhni s atmosférickým hořákem, topným plynem byl čistý propan. Kovář byl studentem SŠ s malými zkušenostmi s kováním. Smyslem tohoto přístupu byla velká pravděpodobnost rozdílných postupů a vzniku chyb při kování, které sloužilo jako možné odchylky různých kovářů či náhodných vad.

Kované polotovary a výchozí plochá ocel byly vybroušeny do konečného tvaru na pásové brusce. U kovaných profilů byla odstraněna pouze povrchová vrstva okují na čistý povrch. Povrch před kalením byl broušen pásem o zrnitosti P120.

Tepelné zpracování bylo provedeno v elektrické odporové peci dle materiálového listu. Kalení bylo provedeno do oleje. Výsledná tvrdost po pouštění dosahovala u všech profilů 61±1 HRC.

Hodnocení mikrostruktury bylo provedeno na optickém mikroskopu Neophot 32 s kamerou Olympus ColorView III. Lomové plochy byly hodnoceny na rastrovacím elektronovém mikroskopu TESCAN VEGA Easy Probe.

Měření pevnosti tříbodovým ohybem bylo prováděno na univerzálním zkušebním stroji ZD 10/90 se záznamem dat v PC. Vzdálenost opěr byla 100 mm.

Vzhledem k tomu, že jednotlivé profily vzniklé volným kováním se mírně lišily svými rozměry, bylo skutečné ohybové napětí ve vzorcích přepočítáno dle vzorce

                                                                     


kde σ – ohybové napětí; M – moment v ohybu; F – síla; x – vzdálenost opěr; b – šířka vzorku (čepele); a – tloušťka vzorku.

 

Obrázek 1 Uspořádání experimentu - tříbodový ohyb

3.    Výsledky měření, diskuse

Mikrostruktura nevykazovala žádné pozoruhodnosti. Mikrostruktura byla tvořena popuštěným martenzitem v celém průřezu profilu u vzorků kovaných i vybrušovaných.

Lomové plochy obou typů vzorků odpovídaly lomu řádně tepelně zpracované nástrojové oceli. Typickou lomovou plochu ukazuje obrázek 2. Obdobná lomová plocha byla u obou typů vzorků. U jednoho kovaného vzorku se na lomové ploše ukázala oblast s makroskopicky viditelným hrubým zrnem. Tato oblast je dokumentována na obrázku  3. Zde je již při malém zvětšení vidět interkrystalický lom. Křehký mód lomu byl potvrzen při větších zvětšeních.


Obrázek 2 Lomová plocha vybrušovaného profilu. Typický vzhled. SEM, zvětšení cca 5 700X

 

Obrázek 3 Interkrystalický lom v místě lokálního zhrubnutí zrna během kování. SEM, zvětšení cca 100x

Na základě provedených mikroskopických analýz je tedy možno konstatovat, že u zkoumaných vzorků bylo tepelné zpracování provedeno správně. Zjištěná mikrostruktura i fraktografie lomových ploch ukazuje na správné tepelné zpracování. Ukázalo se, že provedené kovací operace neměly negativní vliv na mikrostrukturu. Jedinou výjimkou byl kovaný vzorek č. 5. u něho došlo k lokálnímu zhrubnutí zrna, ale jak ukázáno dále, na celkovou pevnost v ohybu to nemělo fatální vliv.

Výsledky měření pevnosti v ohybu shrnuje Tabulka 1 a Tabulka 2. Vzorky 1 až 6 jsou kovány, 7 až 10 vybrušovány z ploché oceli. Vzorek č. 5 vykázal na lomové ploše výrazné zhrubnutí zrna. Nicméně ani v tomto případě neměla tato lokální degradace mikrostruktury na pevnost v ohybu fatální vliv – vzorek č. 3 vykázal ještě nižší pevnost bez porovnatelné změny lomové plochy.

Tabulka 1 Výsledky měření pevnosti profilů tříbodovým ohybem; vz. 1 až 6 kovány, 7 až 10 vybroušeny

č. vzorku

1

2

3

4

5*)

6

7

8

9

10

σ [kPa]

1756

581

604

1477

773

943

1541

851

833

915

(* lomová plocha lokálně vykazovala výrazné zhrubnutí zrna

Tabulka 2 Souhrn výsledné pevnosti profilů

průměr s

směrodatná odchylka

variační koef.

kovaný profil

1022,4

444,2

0,434

vybrušovaný profil

1035,1

293,5

0,284

 

V předchozím článku bylo ukázáno, že v případě kovaných profilů se po tepelném zpracování výrazněji neliší hodnoty tvrdosti. Ze zjištěných hodnot pevnosti v ohybu je možné usoudit, že ani v tomto případě nedochází k výraznějším rozdílům v celkové pevnosti v ohybu. Nicméně z výsledků měření je zřejmé, že u kovaných vzorků je vyšší variační koeficient. Z toho je zřejmé, že v případě kování málo zkušeným kovářem hrozí zvýšené riziko vzniku vad, které vedou ke snížení ohybové pevnosti. V případě správného technologického postupu je možné očekávat mírné zvýšení ohybové pevnosti.

Vzhledem ke zjištěným skutečnostem je možno konstatovat, že v případě výroby profilu kovářským způsobem je nutné dodržení technologického postupu. Pro toto je také nutné mít značné zkušenosti s kováním. V případě nedodržení technologické kázně při kování je značné riziko vzniku vad v materiálu (např. přeložky, lokální oduhličení, zhrubnutí zrna), které vedou ke snížení pevnosti v ohybu pod úroveň třískově obráběných profilů.

Na druhou stranu se ukázalo jako velmi výhodné použití plynové pece s atmosférickým hořákem. V případě tohoto způsobu ohřevu nedošlo k pozorovatelné degradaci materiálu ani při relativně dlouhých dobách ohřevu, resp. při ponechání materiálu na kovací teplotě v peci.

Zjištěné poznatky je možno zobecnit na nelegované a nízkolegované nástrojové oceli. V případě vysokolegovaných ocelí je pak velmi pravděpodobné, že nedodržením technologické kázně při kování by došlo k výraznějšímu snížení pevnosti v ohybu. U těchto ocelí je značné riziko vzniku nevhodné mikrostruktury i při nedodržení (poměrně úzkého) rozmezí kovacích teplot. V tomto ohledu bude zajímavé provedení zkoušek na vzorcích kovaných zkušeným kovářem v porovnání třískově vyrobenými profily.

4.    Závěr

Na základě provedených měření je možno konstatovat, že kování nutně nemusí vést ke zvýšení pevnosti za ohybu pro klínové profily. Vzhledem k možnosti lokálního porušení (mikro)struktury může dojít k výraznému snížení pevnosti v ohybu.

Vzhledem k dosaženým výsledkům je nutné přijmout závěr, že pokud má kování vést k mírnému zvýšení pevnosti v ohybu, je nutné velmi pečlivě dbát na technologickou kázeň. jakékoliv její nedodržení (záměrné, přehlédnutí či nezkušenost kováře) může vést k podstatnému snížení celkové pevnosti v ohybu (až na méně než ½).

Proto je vhodné doporučit pro běžné aplikace použít třískové obrábění, kde je snazší dodržení správných technologických postupů. Kování má pak opodstatnění pro aplikace, kde je požadována velká odolnost proti únavě. V tomto případě je však nezbytné přesné dodržené technologických postupů kovářského zpracování.

Pavel Švanda
KMMČS/DFJP, Univerzita Pardubice
Petr Svoboda
SPŠ Chrudim


  
Podmínky používání | Prohlášení o soukromí | Copyright 2006 by Milan Pokorný | Vaše připomínky pište na info@knife.cz Powered by Progris