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