زبان خود را انتخاب کنید

086-42344006
09100517935

info@petrofond.it

دانلود بروشور

تمامی حقوق محفوظ است.

تأثیر پارامترهای روان کننده و روانکاری بر اصطکاک در طول عملیات فورج فولاد داغ

 انتخاب یک روان کننده کارآمد، هنوز هم به عنوان یک نقطه مهم در توسعه فرآیند شکل دهی فلزات است. یک روان کننده بد یا یک روان کننده خوب که بر اساس شرایط بد اعمال می شود ، ممکن است منجر به سایش زودرس ابزار شود و در نتیجه تأثیر چشمگیری بر تولید داشته باشد. هدف از کار حاضر، بهبود درک پدیده سایش در هنگام جعل فولاد داغ با روان کننده های اسپری شده است. این مطالعه از یک دستگاه آزمایش سطح شناسی خاص استفاده می کند: آزمون کشویی تنظیم گرم کردن( WHUST). 

ترجمه:مهسا میرزایی

1.  معرفی
 انتخاب یک روان کننده کارآمد، هنوز هم به عنوان یک نقطه مهم در توسعه فرآیند شکل دهی فلزات است. یک روان کننده بد یا یک روان کننده خوب که بر اساس شرایط بد اعمال می شود ، ممکن است منجر به سایش زودرس ابزار شود و در نتیجه تأثیر چشمگیری بر تولید داشته باشد. هدف از کار حاضر، بهبود درک پدیده سایش در هنگام جعل فولاد داغ با روان کننده های اسپری شده است.
این مطالعه از یک دستگاه آزمایش سطح شناسی خاص استفاده می کند: آزمون کشویی تنظیم گرم کردن(  WHUST).
 این آزمون شرایط تماسی فورج داغ را بین نمونه هایی که تا 1100 درجه سانتیگراد گرم شده و کنتاکتور تا 200 درجه سانتی گراد گرم شده است ، شبیه سازی می کند. آزمایشات اصطکاکی به گونه ای انجام می شود که فشار تماس ، سرعت لغزش ، سرعت لغزش کنتاکتور ، دمای کنتاکتور و نمونه ، مشابه نمونه های صنعتی باشد. قبل از انجام آزمایش های اصطکاک ، روان کننده روی سطح کنتاکتور اسپری می شود. سپس کنتاکتور با نفوذ ثابت به سمت نمونه می لغزد و ترک تغییر شکل یافته ای را در سطح آن باقی می گذارد.
نتایج اصلی WHUST عبارتند از بارهای مماسی و معمولی بر روی کنتاکتور ، زبری سطح و ترکیبات شیمیایی در هر دو سطح نمونه و کنتاکتور. یک روش برای تجزیه و تحلیل این نتایج و ارائه "نشانگرهای سایش" که مشخص کننده سایش کنتاکتور در مقیاس های میکروسکوپی و ماکروسکوپی است ، پیشنهاد شده است.  این روش برای فورج داغ سه پایه فولادی با استفاده از روان کننده های گرافیتی بر پایه آب کاربرد دارد. تأثیربر بر اصطکاک ضخامت فیلم روان کننده و اندازه ذرات روان کننده جامد مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد.
2. اصول WHUST
در طول آزمایش ، کنتاکتور در نمونه نفوذ می کند و در امتداد سطح نمونه با نفوذ و سرعت لغزش ثابت حرکت می کند. پارامترهای WHUST  عبارتند از دمای نمونه و کنتاکتور ، سرعت کنتاکتور ، هندسه کنتاکتور و نفوذ کنتاکتور در داخل نمونه (شکل 1). این پارامترهای آزمایش به گونه ای تنظیم می شوند که دمای آزمایش ، فشار تماس در سطح تماس کنتاکتور/نمونه ، کرنش پلاستیکی نمونه و سرعت لغزش ، به پارامترهای فرایندهای مورد مطالعه نزدیک شود.

شکل 1. مروری بر W.H.U.S.T
کنتاکتورها از ابزارهای صنعتی واقعی ساخته می شوند و نمونه ها قطعاتی از قطعات کار واقعی صنعتی هستند. این ویژگی WHUST را قادر می سازد تا شرایط تماس فیزیکی و شیمیایی را که در فرایند شکل گیری مورد مطالعه مشاهده می شود ، شبیه سازی کند:  روان کننده ، زبری سطح ، خواص شیمیایی دخیل در آزمایش با خصوصیات فرآیند یکسان است.
 
3. نتایج
نتایج مستقیم نیروهای عادی و مماسی بر روی پروفایل های کنتاکتور ، نمونه و کنتاکتور هستند. از این نتایج می توان "نشانگرهای سایش" ماکروسکوپی یا میکروسکوپی را تعریف کرد
. 3.1 نشانگرهای ماکروسکوپی
 سه پارامتر تعریف شده است: شاخص روانکاری Li ، زبری کنتاکتور Ra و طول بحرانی Lc 
3.1.a  شاخص روغنکاری Li
شاخص روانکاری با نسبت نیروهای مماسی و عادی مطابقت دارد:  Li = Ft/Fn
 این شاخص اطلاعات سریع و قابل اطمینان در مورد تکامل اصطکاک را ارائه می دهد. رابطه بین شاخص روانکاری Li و ضریب اصطکاک کولن را می توان دریافت.  
3.1.b  زبری کنتاکتور Ra
میانگین زبری سطح Ra قبل و بعد از هر آزمایش بر روی سطوح تماس کنتاکتور اندازه گیری می شود. این اطلاعات در مورد وقوع سایش چسبنده و/یا ساینده را ارائه می دهد
. 3.1.c طول بحرانی Lc
 کرنش هاي پلاستيكي در طول آزمايشها يك رد باقيمانده بر روي سطح نمونه ايجاد مي كنند. هنگامی که فیلم روان کننده خراب می شود ، می توان خراش هایی را در این مسیر مشاهده کرد. طول بحرانی Lc ، مربوط به فاصله بدون بعد اندازه گیری شده در طول مسیر ، از ابتدای تماس تا نقطه ای است که اولین خراش مشاهده می شود. Lc  برابر صفر است هنگامی که خطوط به محض تماس با کنتاکتور با نمونه ظاهر می شود، Lc برابر 1 است وقتی هیچ خط و خشی مشاهده نمی شود. این نشانگر توانایی روان کننده را در به تأخیر انداختن اولین تماس فلزی-فلزی بین ابزار و قطعه کار مشخص می کند.
3.2 نشانگر میکروسکوپی
نشانگرهای میکروسکوپی بر روی سطوح تماس با کنتاکتور مشاهده می شوند. آنها از تجزیه و تحلیل SEM-EDS مشتق می شوند
. 3.2.a تجزیه و تحلیل SEM
تصاویر SEM روی سطح کنتاکتور با بزرگنمایی 200 گرفته می شود. این تصاویر وجود یا عدم وجود رسوبات مواد روی سطح کنتاکتور را نشان می دهد (وجود ناحیه سایش چسب ، مقیاس اکسید ...). این امکان اندازه گیری اندازه این رسوبات را فراهم می کند.
. 3.2.b تجزیه و تحلیل EDS
مشاهدات SEM توسط تجزیه و تحلیل EDS به منظور تعیین ترکیب شیمیایی رسوبات مواد تکمیل می شود. ابتدا ، نقشه ای قبل از آزمایش اصطکاک به منظور بررسی ساختار روان کننده گرفته می شود. سپس ، دو نگاشت پس از آزمایش انجام می شود ، یکی برای تعیین وجود و ماهیت مقیاس اکسید و دیگری برای تعیین کمی روان کننده باقی مانده بر روی سطح کنتاکتور.
4. کاربرد
 4.1  فرآیند شکل دهی: فورج داغ سه پایه
فورج داغ یک سه پایه (قطعه کار با سه صفحه تقارن در 120 درجه) در کار حاضر مورد مطالعه قرار گرفته است. این فرایند شامل دو دنباله تشکیل می شود: یک پیش شکل دهی پس از اتمام.  هر دو با استفاده از پرس مکانیکی با حداکثر سرعت m/s 1 انجام می شوند. مطالعه حاضر بر رفتار روان کننده در منطقه فلاش ، در انتهای دنباله پیش ساخته تمرکز دارد. قالبها از فولاد ابزار نیترید شده و سه پایه از فولاد آلیاژی متوسط ​​است. دمای  قالب و قطعات کار به ترتیب برابر 200 درجه سانتی گراد و 1100 درجه سانتی گراد هنگام تماس است. یک سوسپانسیون گرافیتی در روان کننده آب قبل از تشکیل روی قالب ها پاشیده می شود تا اصطکاک را کاهش داده و سایش را محدود کند. اندازه گیری های انجام شده بر روی قالب های صنعتی نشان می دهد که ضخامت فیلم گرافیت بسته به زاویه بین نازل اسپری روان کننده و سطح ابزار از 10 تا 40 میکرومتر متغیر است. شبیه سازی اجزای محدود این فرایند فشارهای تماس برابر با 190 مگاپاسکال و سرعت لغزش برابر با 60 میلی متر بر ثانیه در منطقه فلاش را نشان می دهد .  هر شرط آزمایش سه بار با سه کنتاکتور "جدید" انجام می شود.
4.2 اثر ضخامت فیلم روان کننده
چهار ضخامت فیلم در WHUST شبیه سازی شده است
0 •   میکرومتر: روانکاری خشک ، 10•   میکرومتر و 40 میکرون ، که مربوط به حداقل و حداکثر ضخامت اندازه گیری شده در ابزارهای صنعتی است ، •   30 میکرومتر که میانگین ضخامت فیلم اندازه گیری شده در منطقه فلاش قالب ها است. جدول یک نتایج اصلی نشانگرهای سایش ماکروسکوپی را خلاصه می کند.
سطوح کنتاکتور قبل و بعد از آزمایش اصطکاک در شکل 2 و 3 نشان داده شده است. عناصر چسبنده مورد استفاده در فرمولاسیون روان کننده تأثیر زیادی بر ساختار لایه گرافیت روی سطح ابزار دارند. در مطالعه حاضر ، برای ضخامت روان کننده نازک ، لایه گرافیت تقریباً فقط از پودر ، بدون ساختار خاصی تشکیل شده است (شکل 2 ب). هنگامی که ضخامت فیلم برابر 30μm  (شکل c 2 )، ساختار لایه به یک ساختار لانه زنبوری تبدیل می شود و برای لایه های ضخیم تر به یک لایه طبقه (شکل d2) تبدیل می شود.
 WHUST  بدون روان کننده منجر به رسوب مواد قوی روی سطح کنتاکتور می شود. سپس شاخص روانکاری بسیار زیاد است و خراشها پس از یک فاصله کوتاه لغزش روی سطح قطعه کار ظاهر می شوند (Lc = 0.5) . تجزیه و تحلیل SEM-EDS نشان می دهد که رسوب مواد مقیاس اکسید است که از سطح نمونه بدست می آید.  هنگام انجام آزمایش با ضخامت فیلم روان کننده 10 میکرومتر ، ذرات مقیاس بزرگ اکسید روی سطح کنتاکتور مشاهده می شود (شکل 3 ب). شاخص روانکاری Li 28 درصد کمتر از شرایط تماس خشک است و طول بحرانی Lc از 0.5 به 0.87 افزایش می یابد. لایه گرافیت اصطکاک را کاهش داده و اولین تماس مستقیم فلز با فلز را به تأخیر می اندازد ، اما به اندازه کافی به سطح متصل نشده است تا از بروز خط و خش جلوگیری شود. آزمایش های اصطکاکی که روی فیلم های روان کننده ضخیم تر انجام شده اند ، رسوب مواد کمتری را روی سطح کنتاکتور نشان می دهند شکل c-d) 3 (.
SEM-EDS نشان می دهد که سطح بیشتر با گرافیت باقی مانده پوشانده شده است. هیچ خراشی روی سطوح نمونه مشاهده نمی شود و با افزایش ضخامت فیلم ، شاخص روانکاری کاهش می یابد. در نتیجه ، ضخامت فیلم در ناحیه فلاش باید بیشتر یا مساوی 30 میکرومتر باشد تا سایش ابزار را محدود کرده و اصطکاک را کاهش دهد. با این وجود ، باید توجه داشت که هدف فلاش کند کردن جریان مواد به منظور تضمین پر شدن خوب قالب ، کاهش شدید اصطکاک همیشه مورد نیاز نیست. بنابراین ، برای فرآیند مورد مطالعه ، ضخامت فیلم معادل μm 30 ایجاد کننده سازگاری بهتر بین حفاظت از نقص سطح و کنترل اصطکاک است.

شکل 2. تصاویر SEM از سطح کنتاکتور قبل از آزمایش اصطکاک a) اصطکاک خشک ، ب) 10 میکرومتر ، ج) 30 میکرومتر ، د) 40 میکرومتر

شکل 3. تصاویر SEM از سطح کنتاکتور پس از آزمایش اصطکاک a) اصطکاک خشک ، ب) 10 میکرومتر ، ج) 30 میکرومتر ، د) 40 میکرومتر
جدول 1. تکامل نشانگرهای ماکروسکوپی Li و Lc در عملکرد ضخامت فیلم روان کننده

اندازه ذرات رایج در روان کننده های گرافیتی بین 2 تا 50 میکرومتر است . برای مطالعه اثر درجه بندی روان کننده ، دو روان کننده مورد آزمایش قرار می گیرند ، یکی با اندازه ذرات متوسط ​​(25-30 میکرومتر) ، دیگری با اندازه ذرات بزرگ (μm 50 .( هر دو روان کننده ترکیب یکسانی دارند (عامل اتصال دهنده یکسان) و بر روی کنتاکتور اسپری می شوند تا ضخامت آنها برابر 30 میکرومتر باشد. جدول 2 تغییر رفتار تریبولوژیکی را هنگام افزایش اندازه ذرات روان کننده نشان می دهد:  شاخص روانکاری از 0.39 به 0.48 افزایش می یابد و طول بحرانی کمتر از 1 می شود. شکل 4 سطح کنتاکتور را درست قبل از آزمایش نشان می دهد. مناطق آبی برای کربن و قرمز برای آهن است. روان کننده با اندازه ذرات متوسط ​​پوشش همگن تری روی سطح ابزار دارد. مناطقی که تقریباً هیچ گرافیت در آن وجود ندارد روی سطوح کنتاکتور مشاهده می شود که با روان کننده اندازه ذرات بزرگ اسپری می شوند. در نتیجه ، کل سطح کنتاکتور محافظت نمی شود ، تماس مستقیم فلز و فلز بین نمونه ها و کنتاکتورها رخ می دهد و خراش هایی روی سطح نمونه ظاهر می شود. خراش ها منجر به افزایش نیروی اصطکاک می شوند. در نتیجه این آزمایشها ، هنگامی که از اندازه ذرات بزرگ استفاده می شود ، لایه فیلم روان کننده باید ضخیم تر باشد تا عامل پیوندی بتواند واکنش نشان داده و یک لایه گرافیتی همگن ایجاد کند.
5.  نتیجه گیری ها
یک روش اصلی متمرکز بر تجزیه و تحلیل پدیده های سایش در فورج گرم فولاد ارائه شده است. یک دستگاه آزمایش اولیه به نام WHUST شرایط تماس فورج داغ صنعتی را تولید می کند. نتایج WHUST با استفاده از نشانگرهای سایش میکروسکوپی و ماکروسکوپی تجزیه و تحلیل می شود. آزمایشات با ضخامت های مختلف فیلم روان کننده و اندازه ذرات مختلف روان کننده نشان داده است که کارایی فیلم روان کننده بیشتر از ضخامت روان کننده با ساختار لایه گرافیت مرتبط است. این نتایج بسیار امیدوار کننده است و به درک مکانیسم های سایش در آینده نزدیک کمک می کند. مراحل بعدی این مطالعه درک رفتار روان کننده بدون گرافیت برای فورج گرم و آزمایش قالبهای صنعتی در پایان چرخه عمر آنها خواهد بود.
 
 
جدول 2. تکامل نشانگرهای ماکروسکوپی Li و Lc در عملکرد ضخامت فیلم روان کننده



شکل 4. تصاویر SEM-EDS از سطح کنتاکتور قبل از آزمایش اصطکاک EDS ، a) درجه بندی متوسط ، EDS( b ، درجه بندی بزرگ