Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije
- Članica UL: UL Fakulteta za strojništvo
- Šifra projekta: J2-2511
- Veda: Tehnika
- SICRIS: Prilagodljivo utrjevanje površin avstenitnih jekel s procesi kriogenega preoblikovanja (cobiss.net)
Povzetek projekta
Pogosto se pri jeklenih izdelkih pojavlja potreba po žilavem jedru in trdi površini, ki jo zagotavlja martenzitna struktura dosežena s kaljenjem in se je pri nerjavnih avstenitnih jeklih ne da doseči. Martenzitno strukturo tu dobimo le s kriogeno plastično deformacijo strukturne spremembe γ -> α’. Zato smo v projektu raziskali načine in strategije kriogenega ohlajanja in preoblikovanja nerjavnih avstenitnih jekel za deformacijsko utrjevanje površine.
Pri strukturni spremembi zaradi kriogene plastične deformacije materiala je nujno opredeliti nivo tehnoloških parametrov. Pri tem so ključnega pomena hitrost in velikost plastične deformacije ter temperatura izvedbe. Zato smo izvedli nadzorovan potek plastične deformacije ob spremljanju temperaturnih in deformacijskih vplivov na martenzitno transformacijo ter analizirali globino utrjenega sloja.
Med preoblikovanjem je z dotičnimi zaznavali nemogoče izvesti sprotno merjenje temperature obdelovanca pred in v obdelovalni coni. Postavili smo numerični model za izračun temperaturnega polja v obdelovancu in ga eksperimentalno verificirali. Izdelali smo merilni sistem za analizo temperatur na različnih mestih in globinah merjene palice v odvisnosti od temperature okolice (sobna temperatura in kopel tekočega dušika). Zaradi vpliva plastične deformacije na temperaturno polje smo postavili tudi numerični model preoblikovanja in v njem upoštevali med preoblikovanjem generirano toploto. Takšno preoblikovanje predstavlja termo-elasto-plastičen problem kriogenega ohlajanja in deformacijskega segrevanja, ki smo ga zajeli v numeričnih analizah preoblikovalnega procesa.
Modeliranje kriogenega preoblikovanja je v znanstveni literaturi slabo raziskano. Rezultate simulacij vleka palice smo uporabili za določitev optimalnih deformacij za doseganje obrabno odporne površine in žilave sredice, ki so bili eksperimentalno določeni s strukturnimi analizami materiala po preseku preobloikovane palice. Ugotovili smo, da je vpeti del palice pod matrico od 21% do 32% mehkejši od meje plastičnosti materiala pri kriogenih temperaturah in omejuje velikost preoblikovalnost pri vleku.
Za celovito obravnavanje preoblikovalnega procesa ne moremo zaobiti analiz triboloških parametrov. Glede na kriogene delovne temperature smo izbrali potencialna maziva za preoblikovanje, ovrednotili njihovo obnašanje v temperaturnem območju pod -150°C ter postavili tribološke modele za popis njihovega obnašanja med preoblikovanjem.
Za optimalne pogoje vlečenja palic potrebujemo koncept prilagodljivega preoblikovalnega orodja. Ker takšnih sistemov še ni, smo v okviru projekta raziskali nove možnosti vpeljave naprednih krmilnih konceptov ob podpori analitičnih in simulacijskih modelov in tako rezultate temeljnega projekta približali potencialnim aplikacijam v slovenski industriji. Velik potencial te tehnologije se kaže pri izdelavi batnic, kjer lahko poleg utrjevanja površine dosežemo tudi periodične strukturne spremembe, ki služijo kot dajalnik položaja.
Abstract
Often, steel products need a tough core and hard surface, provided by the martensitic structure achieved by quenching and cannot be achieved in austenitic stainless steel. The martensitic structure here is obtained only by cryogenic plastic deformation of the structural change γ -> α’. Therefore, in this project, we investigated methods and strategies for the cryogenic cooling and deformation of austenitic stainless steels for strain hardening of the surface.
In the case of structural change due to the cryogenic plastic strain of the material, it is necessary to define the level of the technological parameters. The rate and magnitude of plastic deformation and the temperature of the process are crucial. Therefore, a controlled plastic deformation process was carried out, monitoring the temperature and deformation effects on the martensitic transformation, and the depth of the hardened layer was analysed.
Real-time measurement of workpiece temperature during forming with bi-metal sensors is impossible. A numerical model was created and experimentally verified to calculate the temperature field. A measurement system was developed to analyze temperatures at different positions and depths of the measured bar at different ambient temperatures (273K and 77K). A numerical model was also built for the forming process to consider the thermo-elastic-plastic domain of the problem.
The modelling of cryogenic forming is poorly studied in the scientific literature. The results of the bar drawing simulations were used to determine the optimum strains to achieve a wear-resistant surface and a tough core, which were experimentally determined by structural analyses of the material along the cross-section of the formed bar. We found that the clamped part of the bar below the drawing die is 21% to 32% softer than the yield strength of the material at cryogenic temperatures, limiting the magnitude of the formability at the bar drawing.
To address the forming process comprehensively, the analysis of tribological parameters cannot be bypassed. Given the cryogenic operating temperatures, we have selected potential lubricants for forming, evaluated their behaviour in the temperature range below -150°C, and set up tribological models to characterize their behaviour during forming.
For optimum bar drawing conditions, we need the concept of a flexible forming tool. As such systems do not yet exist, the project explored new possibilities for introducing advanced control concepts supported by analytical and simulation models, thus bringing the results of the core project closer to potential applications in the Slovenian industry. The great potential of this technology is seen in the manufacture of piston rods, where, in addition to surface hardening, periodic structural changes can be achieved, serving as a position encoder.
Pomen za razvoj znanosti:
V projektu smo raziskali načine in strategije ciljnega inovativnega kriogenega ohlajanja s pršenjem s tekočim dušikom in preoblikovanja nerjavnih avstenitnih jekel za doseganje deformacijsko utrjene martenzitne površine. Zaradi kompleksnosti tematike raziskave vključujejo področja preoblikovanja, materialov, pojavov strukturnih sprememb za ciljno spreminjanje izdelkov, kriogenike, triboloških pojavov v podhlajenem stanju in prilagodljivih izdelovalnih sistemov.
Doprinosi k znanosti:
Modeliranja preoblikovalnih procesov: Analize v kriogenem področju z upoštevanjem prenosov toplote, generacije toplote pri preoblikovanju in analizi časov in intenzivnosti ohlajanja plastično deformiranih palic s pršenjem tekočega dušika na površino surovca neposredno pred samopreoblikovalno cono.
Razvoj inovativne tehnologije za krmiljenje kriogenih ventilov: Razvoj generatorja signala, ki omogoča generiranje PWM krmilnega signala z določenimi frekvencami za doseganje pulzirane tekočega dušika, ter konstrukcija za namestitev ventilov s šobami predstavljata inovativni pristop k krmiljenju kriogenih ventilov. Ta tehnologija omogoči bolj natančno in učinkovito krmiljenje, kar je ključno za številne aplikacije v znanosti in tehnologiji.
Karakterizacija lastnosti kriogenih ventilov: Testiranje možnosti uporabe PWM modulacije za krmiljenje pretoka oz. pulziranja tekočega dušika preklopnega kriogenega ventila (glede na hitrost odzivnost preklopnega ventila) in uporaba različnih frekvence vzbujanja pri različnih tlakih tekočega dušika za določitev kako natančen popis karakteristik ventila in izdelava primernega krmilnega algoritma, ki za krmiljenje uporablja PWM metodo. To znanje je ključno za optimizacijo delovanja krmilne zanka preklopnega ventila in s tem kriogenega preizkuševališča in izboljšanje učinkovitosti sistema, ki smo ga postavili.
Praktična uporaba na preizkuševališču: Uporaba preizkuševališča za določitev možnosti krmiljenja preklopnih kriogenih ventilov s PWM modulacijo ter nadaljnje testiranje in merjenje hitrosti ohlajanja palic pod različnimi pogoji prispeva k praktičnemu znanju. Ta empirična potrditev omogoča prehod iz teoretičnih raziskav v uporabno prakso, kar je ključno za implementacijo novih kriogenih tehnologij v realni svet.
Razvoj hitro odzivnega sistema za določanje temperaturnih profilov na različnih globinah preoblikovanca: vzpostavljena merilna veriga za določanje temperatur na različnih globinah v jekleni palici za preoblikovanje, služi kot povratna zanka. Zaradi majhne velikosti temperaturnih zaznaval je njihov odziv zelo hiter kar je pomembno za natančno krmiljenje kriogenih ventilov uporabljenih za nadzorovano kriogeno ohlajanje. Sistem je tako ključnega pomena za doseganje natančnega nadzora nad mikrostrukturo materiala preoblikovanca. Podatki so pomembni tudi za validacijo numeričnih modelov temperaturnih stanj v preoblikovancu.
Povečana stopnja ohlajanja z uporabo razpršilnih šob: sistem za nadzorovano ohlajanje preoblikovanca smo opremili z razpršilnimi šobami za hladilni medij s ploščatim stožcem in tako zaobšli problem nastanka parne obloge (Leidenfrost pojav), ter tako povečali stopnjo prehoda toplote. To je pomembno za doseganje visoke hitrosti ohlajanja in nadzor nad temperaturami po preseku palice za preoblikovanje. Za doseganje visoke stopnje ohlajanja ob minimalni porabi hladilnega medija smo optimizirali smo velikost šob in kot razprševanja.
Tribološke analize kriogenih kontaktov: Razvili smo inovativen koncept predelave standardnega preizkuševališča, ki omogoča izvajanje standardnih triboloških testov na Load-scannerju pri kriogenih temperaturah ob sošasni analizirali temperatur objektov v kontaktu med tribološkim testom. S simulacijo vlečenja in meritve koeficienta trenja kontakta vzorca iz kaljenega orodnega jekla 1.2379 (sobna temperatura) in vzorca iz jekla 316L (ohlajen v tekočem dušiku) se je ovrednotilo primernost različnih maziv za preoblikovanje pri kriogenih pogojih.
Pomen za razvoj Slovenije
Pomen raziskav za razvoj Slovenije vidimo predvsem v skladnosti opravljenih znanstvenih dognanj, ki so skladna s strategijo pametne specializacije S5 in področij tovarn prihodnosti ter materialo kot končnih produktov. Opravljene bazične raziskave so tudi skladne s proiritetnima področjema digitalni prehod in zeleni prehod strateškega plana Obzorja Europa 2025-2027 ter se usmerjajo predvsem v področje gradiranih materialov in zelenih tehnologij.
Vplive v Sloveniji vidimo na področjih:
Inovacij in raziskav: Uvajanje in uporaba naprednih tehnologij spodbujata raziskovalno dejavnost v Sloveniji in krepijo sodelovanje med univerzami, raziskovalnimi institucijami in industrijo.
Kriogeno preoblikovanje s kontroliranim ohlajanjem z nadzorovano pretvorbo avstenita v martenzit v površinskih slojih izdelka v neposredni bližini preoblikovalkne cone ali pa v coni sami omogočata opredelitev v digitalnem okolju vnaprej predvidljivih lastnosti izdelka z utrjenimi površinskimi sloji. Prilagodljivo ohlajanje omogoča specifično usmerjanje procesov utrjevanja na želene dele preoblikovanca.
Gospodarski razvoj in konkurenčnost: Razvoj naprednih tehnologij, kot sta hitro odzivni sistem za merjenje temperatur, prilagodljivo kriogeno ohlajanje, ciljno deformacijsko utrjevanje v kriogenem mediju, digitalni ventil za kriogeni medij, PWM krmiljenje hitrega digitalnega ventila za pretoke kriogenega medija, prilagodljivi sistemi preoblikovalnih orodij, tribološke raziskave maziv za delo v kriogenih stanjih … okrepijo gospodarski potencial Slovenije s povečanjem konkurenčnosti slovenske industrije na globalnem trgu. To prispeva k izboljšanju kakovosti izdelkov in procesov, kar omogoča slovenskim podjetjem, da se usmerijo v izdelave proizvodov z visoko dodano vrednostjo ter uveljavijo kot vodilni na področju visokotehnološke proizvodnje.
Trajnostni razvoj: Sistem za natančno in prilagodljivo kriogeno ohlajevanje neposredno pred preoblikovalno cono v sklopu s kriogenim preoblikovanjem in doseganjem lokalnega povečevanja trdot izdelkov predstavlja tehnološki inovativen koncept, ki zmanjšuje potrebo po energiji in materialih, kar je v skladu s cilji trajnostnega razvoja. Poleg tega razvita tehnologija predstavlja alternativo klasičnemu kaljenju, ki je pogosto ekološko oporečno. Predstavljeni pristop pomaga zmanjšati okoljski odtis industrijskih procesov in prispeva k uresničevanju ciljev Slovenije na področju zmanjševanja emisij in varovanja okolja.