Widok Badania odporności na ścieranie warstw napawanych i stali narzędziowych na matryce kuźnicze

Dr inŜ. Jan TUREK

, dr hab. Stanisław OKOŃSKI, prof. nadzw. PK

,

dr inŜ. Witold PIEKOSZEWSKI

1)

Kuźnia „Glinik” Spółka z o.o., Gorlice, 2) Politechnika Krakowska, Kraków, 3) Instytut Technologii Eksploatacji, Radom

*)

e-mail: okonski@mech.pk.edu.pl

Badania odporności na ścieranie warstw

napawanych i stali narzędziowych

na matryce kuźnicze

Studies of abrasive wear resistance of padding welds

and hot-work tool steels for forging dies

Streszczenie

W artykule przedstawiono wyniki badań odporności na zuŜycie ścierne stali narzędziowych do pracy na gorąco X37CrMoV5-1 i 55NiCrMoV7 i warstw napawanych materiałami UTOP-38, F-812 i F-818. Badania wykonano na urządzeniu T11 produkcji ITE Radom w temperaturze 250 oC. Najlepsze wyniki uzyskano dla stali X37CrMoV5-1 i 55NiCrMoV7 oraz dla materiału F-818.

Abstract

The article features an analysis of the resistance to abrasive wear of X37CrMoV5-1 and 55NiCrMoV7 hot-work tool steels and of padding welds overlaid with UTOP-38, F-812 and F-818 materials. The analysis was con-ducted at the temperature of 250 oC on the T11 testing machine produced by ITE Radom. The best outcome was achieved for X37CrMov5-1 and 55NiCrMoV7 steels and for F-818.

Słowa kluczowe: zuŜycie ścierne, stale narzędziowe do pracy na gorąco, warstwy napawane, matryce kuźnicze

Keywords: abrasive wear, hot-work tool steels, padding welds, hot forging dies

1. WSTĘP

Podstawowymi materiałami stosowanymi

w konstrukcji matryc kuźniczych są stale

na-rzędziowe do pracy na gorąco. Alternatywnym

rozwiązaniem zaproponowanym przez autora

[4] i wdroŜonym w Kuźni ,,Glinik’’ Sp. z o.o.

jest wykonywanie matryc kuźniczych ze stali

konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego i

na-pawanie powierzchni wykrojów odpowiednim

materiałem UTOP-38, F-812 i F-818.

Występuje szereg mechanizmów

zuŜywa-nia się matryc kuźniczych (m.in. ścieranie,

zmęczenie mechaniczne, cieplne i

cieplno-mechaniczne, odkształcenia plastyczne).

1.

INTRODUCTION

The basic materials used in the

construc-tion of hot forging dies are hot-work tool

steels. An alternative solution proposed in [4]

and implemented at the Forging Plant “Glinik''

Ltd. is to make these dies from toughened

structural steels, pad welding the impressions

with suitable materials.

There are numerous mechanisms

respon-sible for the wear and tear of forging dies

(to mention only abrasion, mechanical, thermal

and thermo-mechanical fatigue, and plastic

deformation).

Mechanizmy te występują z róŜną

intensywno-ścią, uzaleŜnioną od konstrukcji wykroju i

wa-runków procesu. Nawet w obrębie jednego

wykroju w róŜnych jego miejscach mogą

do-minować róŜnorodne mechanizmy zuŜycia.

Dlatego celowe jest stosowanie do napawania

powierzchni wykrojów matryc kuźniczych

róŜ-nych materiałów, odpowiednio dobraróŜ-nych.

ZuŜycie ścierne jest jedną z głównych

przyczyn utraty zdolności do pracy narzędzi do

obróbki plastycznej [1, 4]. W artykule

przed-stawiono wyniki badań odporności na zuŜycie

ścierne w podwyŜszonych temperaturach stali

narzędziowych 37CrMoV5-1 i 55NiCrMoV7

oraz wybranych materiałów do napawania

wy-krojów: UTOP38, F-812 i F818.

2. CEL, ZAKRES I METODYKA BADAŃ

Celem badań było określenie odporności

na zuŜycie ścierne wybranych stali

narzędzio-wych do pracy na gorąco oraz warstw

wykona-nych z materiałów wytypowawykona-nych do

napawa-nia powierzchni roboczych wykrojów matryc

kuźniczych. Badania przeprowadzono w

wa-runkach zbliŜonych do rzeczywistych

warun-ków pracy matryc.

Charakterystykę

badanych

materiałów

przedstawiono w tablicy 1 i 2.

All these mechanisms are acting with different

intensity, depending on the impression design

and process conditions. Even in different

places of one and the same impression,

diffe-rent mechanisms of wear can occur. Therefore,

it is advisable to use for pad welding of forging

die impression surfaces different, appropriately

selected materials.

Abrasive wear is one of the major causes

making forming tools lose their initial

opera-ting capability [1, 4]. The paper presents

the results of studies of the high-temperature

abrasive wear behaviour of the 37CrMoV5-1

and 55NiCrMoV7 tool steels and of the

mate-rials selected for pad welding of die

impres-sions, which are UTOP38, F-812 and F-818.

2.

PURPOSE, SCOPE AND

METHODO-LOGY OF STUDIES

The aim of the studies was to determine

the abrasive wear resistance of selected

hot-work tool steels and of the layers made from

materials selected for pad welding of the

wor-king surfaces of the forging die impressions.

The important issue was to carry out tests

under conditions similar to the real die

opera-ting conditions.

The characteristics of the tested materials

are presented in Tables 1 and 2.

Tablica 1.Skład chemiczny i obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco

Table 1. Chemical composition and heat treatment of hot-work tool steels

Skład chemiczny, % Chemical composition, % Materiał Material C Mn Si P S Cr Ni Mo V W 55NiCrMoV7 0,52 0,56 0,19 0,18 0,02 0,67 1,45 0,45 0,15 - 37CrMoV5-1 0,34 0,39 0,91 0,01 0,02 4,62 0,26 1,25 0,35 0,01 Obróbka cieplna Heat treatment

Twardość po obróbce cieplnej, HRC Hardness after heat treatment, HRC

Analiza składu chemicznego Chemical composition analysis 55NiCrMoV7 Hartowanie Hardening 860 oC Odpuszczanie Tempering 1) 460 oC 2) 440 oC 46÷49 37CrMoV5-1 Hartowanie Hardening 1020 oC Odpuszczanie Tempering 1) 550 oC 2) 510 oC 50÷53 Analizator spektralny Spectral analyser BAIRD 750FSQ

Tablica 2.Skład chemiczny materiałów do napawania wykrojów matryc

Table 2. Chemical composition of materials for padding of die engravings

Skład chemiczny, % Chemical composition, % Materiał Material C Si Mn P S Cr Mo Ni V W Ti UTOP38 0,15 0,35 0,90 - - 5,05 4,0 - 0,20 0,15 - F-812 0,10 0,5 0,70 - - 9,65 2,15 0,80 - - 0,20 F-818 0,24 0,70 0,60 - - 10,0 3,01 1,70 0,25 1,40 0,25 Twardość po napawaniu, HRC Hardness after padding, HRC

UTOP-38 36÷38

F-812 42÷44

F-818 53÷55

Tablica 3. Warunki badań odporności na zuŜycie ścierne

Table 3. Conditions of resistance to abrasive wear research

Urządzenie Device T-11 ObciąŜenie Load 50 N Droga tarcia Track of friction 1000 m Promień r Radius r 7,5 mm Średnica kulki Ball diameter 6,35 mm Materiał kulki

Material of the ball ŁH15

Prędkość poślizgu Sliding velocity 0,15 m/s Smarowanie Lubrication - Temperatura Temperature 250 o C Próbki Specimens

a) próbka ze stali 55NiCrMoV7 lub X37CrMoV5-1, b) próbka z warstwą napawaną (UTOP-38, F-812, F-818) na stali 42CrMo4

a) specimen from 55NiCrMoV7 or X37CrMoV5-1 steel, b) specimen with padding weld (UTOP-38, F-812, F-818) on 42CrMo4 steel

Badania odporności na zuŜycie ścierne

zrealizowano w Zakładzie Tribologii ITE

w Radomiu wg metodyki polegającej na

mie-rzeniu przekrojów poprzecznych rowków

wy-tartych przez kulkę na powierzchniach próbek

i opisanej szczegółowo w [2]. Stosowano

urzą-dzenie badawcze T11 z komorą temperaturową

produkcji ITE Radom. Badania

przeprowadzo-no w warunkach podanych w tablicy 3.

Napa-wanie i obróbkę mechaniczną wykrojów

wy-konano w Kuźni Glinik Sp. z o.o.

Tests of abrasive wear resistance were

carried out at the ITE Department of Tribology

in Radom by a method involving the

measure-ment of cross-sections of the grooves left by

a ball on the specimen surface; the method was

described in detail in [2]. The test unit, model

T11, with temperature chamber designed

by ITE Radom and test conditions given in

Table 3 were applied. The operations of pad

welding and machining of impressions were

commissioned to the Forging Plant “Glinik''

Ltd.

3. WYNIKI BADAŃ

Zmierzone powierzchnie przekrojów

po-przecznych rowków wytartych przez kulkę na

powierzchniach próbek przedstawiono w

tabli-cy 4 i na rys. 1. Przykładowe profilogramy

przekrojów rowków pokazano na rys. 2–6.

3. RESULTS OF STUDIES

The measured areas of cross-sections

of the grooves left by a ball on the specimen

surface are presented in Table 4 and in Figure

1. Examples of profilograms of the groove

cross- sections are shown in Figs. 2–6.

Tablica 4. ZuŜycie ścierne badanych materiałów

Table 4. Abrasive wear of tested materials

Lp. No.

Materiał Material

Przekrój poprzeczny rowka Fr, µm2*

Cross-section of the groove

Fr, µm2 1 X37CrMoV5-1 500 ± 64 2 F-818 5546 ± 860 3 55NiCrMoV7 7646 ± 2484 4 UTOP38 27222 ± 3822 5 F-812 42817 ± 12872

* Średnie arytmetyczne z przedziałami ufności (3 próbki), poziom istotności α = 0,1.

* Arithmetics means with confidence intervals (3 specimens),

significance level α = 0,1. 500 5546 7646 30793 42817 0 10000 20000 30000 40000 50000 1 2 3 4 5 Fr [µµµµ m 2]

Rys. 1. ZuŜycie ścierne badanych materiałów: 1 - X37CrMoV5-1, 2 - F-818, 3 - 55NiCrMoV7, 4 - UTOP38, 5 - F-812

Fig. 1. Abrasive wear of tested materials: 1 - X37CrMoV5-1, 2 - F-818, 3 - 55NiCrMoV7, 4 - UTOP38, 5 - F-812

Rys. 2. Przekrój poprzeczny rowka – profilogram (stal X37CrMoV5-1, Fr = 599 µm2)

Rys. 3. Przekrój poprzeczny rowka – profilogram (materiał F-818, Fr = 5412 µm2)

Fig. 3. Cross-section of the groove - profilogram (material F-818, Fr = 5412 µm2)

Rys. 4. Przekrój poprzeczny rowka – profilogram (stal 55NiCrMoV7, Fr = 8913 µm2)

Fig. 4. Cross-section of the groove - profilogram (steel 55NiCrMoV7, Fr = 8913 µm2)

Rys. 5. Przekrój poprzeczny rowka – profilogram (materiał: UTOP38, Fr = 27928 µm2)

Fig. 5. Cross-section of the groove - profilogram (material: UTOP38, Fr = 27928 µm2)

Rys. 6. Przekrój poprzeczny rowka – profilogram (materiał: F-812, Fr = 36298 µm2)

4. PODSUMOWANIE

Przeprowadzone badania pozwoliły na

określenie odporności na zuŜycie ścierne

wy-branych materiałów narzędziowych i warstw

napawanych stosowanych w budowie matryc

kuźniczych. Warunki, w których

przeprowa-dzono badania (temperatura, względna

pręd-kość poślizgu, droga tarcia) odpowiadają

w przybliŜeniu warunkom pracy matryc do

kucia na prasach.

Łącznie z wynikami badań własności

me-chanicznych oraz badań metalograficznych

[3, 4] uzyskane dane mogą być przydatne

w opracowaniu zaleceń odnośnie doboru

mate-riałów do napawania wykrojów matryc.

Materiał F-818 nadaje się szczególnie do

napawania wykrojów matryc (lub ich

fragmen-tów) naraŜonych na wysokie naciski

jednost-kowe. Natomiast materiały UTOP38 i F-812

winny być stosowane gdy dominującym

me-chanizmem zuŜycia jest zmęczenie

cieplno-mechaniczne.

Odporność na zuŜycie ścierne warstw

wy-konanych z materiałów UTOP38 i F-812 jest

wprawdzie niŜsza w porównaniu ze stalami

narzędziowymi X37CrMoV5-1 i 55NiCrMoV7

oraz materiałem F-818, lecz wystarczająca do

osiągnięcia trwałości matryc rzędu 10000 szt.

odkuwek [4].

4. SUMMARY

The study allowed the determination of

the abrasive wear resistance of selected tool

materials and padding welds applied in

the construction of forging dies. The conditions

under which the studies were performed

(tem-perature, relative slip velocity, friction path)

approximately corresponded to the service

conditions of press forging dies.

Together with the results of mechanical

tests and metallographic studies [3, 4], the

ob-tained data may be useful in the development

of recommendations for the selection of

mate-rials for pad welding of the die impressions.

The F-818 material is particularly suitable

for pad welding of the die impressions (or their

fragments), when exposed to high unit

pre-ssures. On the other hand, UTOP38 and F-812

materials should be used when the

predomi-nant wear mechanism is thermo-mechanical

fatigue.

The resistance to abrasive wear of padding

welds overlaid with UTOP38 and F-812

mate-rials is indeed lower when compared with

the X37CrMoV5-1 and 55NiCrMoV7 tool

steels and F-818 material, but still sufficient

to achieve the die life of 10,000 pieces of

for-gings [4].

LITERATURA/REFERENCES

[1] Behrens B.A., Shafer F., Hundertmark A., Bouguecha A.: Numerical analysis of tool failure in hot forging pro-cesses. Proc. of 17th International Scientific and Technical Conference: Design and technology of drawpieces and die stamping. Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań 2008.

[2] Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W.: A method for the tribological testing of thin, hard coatings. Tribotest Journal 9 – 2, 2002.

[3] Pytel S., Turek J., Okoński S., Zarębski K.: The properties and microstructure of padding welds built up on the surface of forging dies. Archives of Foundry Engineering, Vol. 10, Special Issue 3/2010.

[4] Turek J.: Trwałość matryc kuźniczych z wykrojami napawanymi. Praca doktorska. Politechnika Krakowska, Kraków 2010.