Celem badań opisanych w artykule było określenie wielkości zużycia matryc do kucia zaczepu budowlanego o nośności 2,5 t metodą nieniszczącą, za pomocą skanera optycznego, oraz na podstawie badań metalograficznych. Całość zrealizowano w ramach projektu „Badania metalograficzne narzędzi do kucia zaczepu budowlanego po różnych cyklach i warunkach ich eksploatacji”.
Przedmiot badań
Przedmiotem badań były matryce: górna i dolna do kucia na gorąco zaczepu budowlanego, które były eksploatowane w procesie ciągłym, po osiem godzin dziennie. Matryce wykonano ze stali Orvar Supreme (odpowiednik stali WCLV wg normy PN-EN ISO 4957:2004) o twardości 56-2 HRC. Wsad nagrzewany był indukcyjnie do temperatury 950+ 20 °C. Matryce nie były chłodzone między poszczególnymi odkuciami. Na matrycach wykonano 18000 odkuwek.
Metodologia badawcza
Badania matryc obejmowały:
- skanowanie nowych matryc przed procesem kucia,
- skanowanie matryc po procesie kucia,
- badania metalograficzne, takie jak: obserwacje powierzchni na SEM, pomiary głębokości pęknięć, obserwacje struktury na przekrojach matryc za pomocą mikroskopu świetlnego i pomiary twardości Vickersa, przy sile obciążającej wynoszącej 0,4903 N (symbol twardości HV 0,1), wg normy PN-EN ISO 6507-1:2007, od powierzchni w głąb matryc.
Stosowane urządzenia pomiarowe i badawcze:
- skaner optyczny ATOS Triple Scan (GOM) oraz oprogramowania GOM Inspect V7.5 SR2,
- skaningowy mikroskop elektronowy Inspect S (FEI),
- mikroskop świetlny Eclipse L150 (Nikon), wyposażony w oprogramowanie do archiwizowania obrazu NIS Elements,
- twardościomierz Vickersa Micrometr 2104 (Wirtz-Buehler).
Wyniki skanowania matryc
Wyniki skanowania matryc górnej i dolnej do kucia kołnierza, po 18000 cykli kucia pokazano na rysunku 1.
Z porównania map topografii powierzchni i profili zużycia powierzchni roboczych matryc górnej i dolnej wynika, że zużycie obu matryc jest podobne (Rys. 1). Największe wartości ubytku materiału matrycy zaobserwowano w obszarze promienia otworu matrycy dolnej o średnicy 14 mm, o wartości 0,3 mm.
Wyniki badań metalograficznych
Wyniki badań na SEM powierzchni matryc do kucia kołnierza po 18000 cykli przedstawiono na rysunku 2.
Badania na SEM wykazały wytarcie materiału w obszarze promienia otworu na średnicy 14 mm, zarówno matrycy górnej, jak i dolnej (Rys. 2) na skutek zużycia ściernego. W matrycy dolnej powstała krawędź w obszarze promienia.
Wyniki badań mikroskopowych za pomocą mikroskopu świetlnego na przykładzie matrycy dolnej do kucia kołnierza po 18000 cykli kucia pokazano na rysunku 3.
W matrycy dolnej do kucia kołnierza po 18000 cykli zaobserwowano, podobnie jak w matrycy górnej, zmianę geometrii promienia otworu o średnicy 14 mm oraz wytarcie materiału w obrębie płaskiej powierzchni roboczej (Rys. 3). W obszarze promienia otworu zauważono pęknięcie o głębokości 0,025 mm. Strukturę matrycy dolnej stanowił odpuszczony martenzyt.
Profile twardości Vickersa HV 0,1 na przekroju matrycy dolnej do kucia kołnierza po 18000 cykli kucia pokazano na rysunku 4a.
W matrycy dolnej do kucia kołnierza eksploatowanej przez 18000 cykli, największemu zmniejszeniu twardości uległy obszary 2 i 3 (Rys. 4b). Twardość w tych obszarach wyniosła odpowiednio: 488 HV 0,1 i 527 HV 0,1. Strefa obniżonej twardości wyniosła ok. 0,4 mm dla obszaru 2 i ok. 0,25 mm dla obszaru 3.
Podsumowanie
Przeprowadzone badania metodą nieniszczącą pozwalają na precyzyjne zlokalizowanie obszarów największego zużycia. Wykonane mapy topografii powierzchni umożliwiają sprawdzenie rzeczywistej linii profilu w określonym miejscu przekroju po przeprowadzeniu 18000 cykli kucia. Równoległe regularne pomiary wymiarów odkuwek oraz matryc do kucia pozwalają na wyznaczenie maksymalnej dopuszczalnej wielkości zużycia matrycy na bazie tolerancji wymiarów i kształtu odkuwki.
Przeprowadzone badania metalograficzne wykazały przede wszystkim występowanie zużycia ściernego w obszarze promienia matrycy, a także skutki procesu odpuszczenia materiału matrycy w tym obszarze. Analiza wyników badań metalograficznych pozwala określić rodzaj zużycia i zachodzących zmian, dzięki czemu można m.in. opracować inną metodę obróbki cieplnej matryc, wprowadzić chłodzenie narzędzi między pojedynczymi cyklami kucia lub zmodyfikować warstwę wierzchnią matrycy, w procesie azotowania.
mgr inż. Jarosław Lulkiewicz
mgr inż. Szymon Szkudelski
dr inż. Beata Pachutko
Instytut Obróbki Plastycznej w Poznaniu
artykuł pochodzi z wydania 3 (90) marzec 2015
