Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Production technology and mechanical properties of a new grade of steel for forgings with increased strength and impact strength

Burdek Marek, Marcisz Jarosław, Stępień Jerzy

Journal of Metallic Materials

|

2020

|

Vol. 72, no. 4

15--21

EN

The study involved the development of the basics of production technology and the testing of the mechanical properties of a new grade of steel for forgings with increased strength and impact strength, intended for special products. The scope of the tests included a proposal for a new steel composition along with the production of ingots and its further processing into forgings in industrial conditions, using an input with various dimensions of the cross-section, proposed as a result of numerical calculations, including the performance of heat treatment in two variants. As a result of tests and analyses, it was found that the proposed technology enables the production of semi-finished products with the assumed level of strength and impact strength.

PL

Opracowano podstawy technologii produkcji oraz przeprowadzono badania właściwości mechanicznych nowego gatunku stali na odkuwki o podwyższonej wytrzymałości i udarności z przeznaczeniem dla wyrobów specjalnych. Zakres badań obejmował propozycję nowego składu stali wraz z wykonaniem wlewków i jej dalszym przetwarzaniem na odkuwki w warunkach przemysłowych, wykorzystując wsad o różnych wymiarach przekroju poprzecznego zaproponowanych w wyniku obliczeń numerycznych łącznie z wykonaniem obróbki cieplnej w dwóch wariantach. W wyniku badań i analiz stwierdzono, że zaproponowana technologia umożliwia uzyskanie półwyrobów o założonym poziomie wytrzymałości i udarności.

2

Efekty przeróbki cieplnomechanicznej odkuwek matrycowanych na młocie

Skubisz Piotr

Hutnik, Wiadomości Hutnicze

|

2020

|

Vol. 87, nr 4

114--120

PL

Przedstawiono wyniki przemysłowych prób zastosowania kontrolowanej przeróbki cieplnomechanicznej w odniesieniu do wyrobów kutych na młocie. Ocenę efektów zastosowanych technologii oparto o własności mechaniczne i mikrostrukturę odkuwek wykonanych ze stali mikrostopowej do kucia o średniej zawartości węgla. Testowana technologia polegała na kontrolowanym kuciu na gorąco i następnym chłodzeniu odkuwek w sposób ciągły w specjalnie skonstruowanej linii chłodzącej o elastycznie sterowanej intensywności chłodzenia w poszczególnych strefach chłodzenia, celem wytworzenia drogą kontrolowanej przeróbki cieplnomechanicznej odpowiedniej struktury, zapewniającej uzyskanie własności równoważnych lub korzystniejszych od uzyskiwanych z niestopowych stali konstrukcyjnych poddawanych obróbce cieplnej. Uzyskane własności mechaniczne, tj. wytrzymałość na rozciąganie powyżej 900 MPa w połączeniu z wydłużeniem ok. 20% potwierdzają szerokie możliwości zastosowania cieplnomechanicznej przeróbki plastycznej dla procesów kształtowania odkuwek o złożonych kształtach, nawet w warunkach procesowych niesprzyjających zapewnieniu jednorodności odkształcenia, temperatury oraz prędkości chłodzenia.

EN

Results of experimental tests of implementation of thermomechanical controlled processing into industrial hammer forging process are presented. The efficiency of the applied processing routes was estimated by mechanical properties and microstructure of forged parts made of forging microalloyed medium-carbon steel, being processed so as to achieve mechanical properties equivalent to those of a lean structural medium-carbon steel grade after heat treatment. The processing cycle consisted of hot forging in optimized and controlled regime with direct controlled chilling in a dedicated continuous cooling line with versatile adjustment of cooling rate in consecutive segments. Achievement of tensile strength over 900 MPa with elongation to fracture reaching 20% confirm wide possibilities of application of thermomechanical controlled processing with regard to drop forging, even if manufactured under seemingly unfavourable process conditions from the standpoint of uniformity of temperature and cooling rates in the volume, typical of a hammer forging process.

3

The application of a new, innovative, hybrid technology combining hardfacing and nitriding to increase the durability of forging tools

Kaszuba Marcin

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2020

|

Vol. 20, no. 4

354--366

EN

The article deals with the wear of forging tools used in hot forging processes. The research presented in the work includes analysis of tool life used in a selected industrial hot die forging process. Multiple treatment variants were used to increase wear resistance, including thermo-chemical treatment (nitriding), welding methods (surfacing) and an innovative new hybrid technology combining surfacing and nitriding. First of all, the research focused on determining the impact of the phase structure of the nitrided layers used and the surfacing layer on resistance to destructive factors occurring in the analyzed process. Next, hybrid treated tools combining surfacing and nitriding were also subjected to operational tests. Each of the tools analyzed in this work was operated until it was withdrawn due to excessive wear, and then subjected to comprehensive analysis. The tests of tools after operation included: surface scanning to determine the amount of wear of the analyzed tools after work, microhardness measurement, and microscopic tests. A detailed analysis of changes in the surface layer of tools in selected areas was made using a scanning microscope. The aim of the study was to assess the effectiveness of the hybrid surface treatment process used to increase the wear resistance of the surface layer of tools and thereby improve the durability of the forged tools analyzed. The obtained research results indicate a beneficial effect of using the new technology resulting in 300% increase in the durability of the analyzed tools. The effect of improving durability confirmed by obtained results arises from the use of hybrid layers, which are more resistant to abrasive wear and to cracking due to thermo-mechanical fatigue. Moreover, the study shows that nitriding may have a beneficial influence on improving the lifetime of forging tools, under the condition that the nitrided layer has an α diffusive layer structure, without a larger amount of γ’ and ε nitride precipitates.

4

A simulation study on the closed-loop control of screw press forgings using the impact energy as control input

Bambach Markus, Benjamin Sydow Benjamin, Markus Hirtler Markus, Sviridov Alexander

Computer Methods in Materials Science

|

2018

|

Vol. 18, No. 3

98--106

EN

Screw presses are energy-restricted forming machines that use rotational energy stored in a flywheel for forming, which is converted into a linear movement by a threaded screw. Screw presses are widely used for forging steel, aluminum and brass. In a direct-driven electrical screw press, a reversible electric motor is mounted directly on the screw and on the press frame above the flywheel. With directly driven screw presses, the blow energy can be exactly dosed from one blow to the next. However, so far no prior work is known which uses the blow energy as a control input in a targeted manner to influence the properties of the forging. The purpose of the present work is to lay the foundations for property control through blow energy dosing during forging on screw presses. Process control becomes increasingly interesting due to ever increasing customer demands and needs for resource-efficient production. A major challenge is the variation of process parameters, e.g. temperature variations in the furnace, during transport or due to inherent uncertainty in the heat transfer to the dies and the environment. If the process conditions are changing the deviations from the planned process trajectory may lead to an insufficient die filling or undesired final properties. Forged parts require high precision considering the part geometry and material properties. During forming two mechanisms in terms of forming temperature take place: heat conduction due to contact with tools and heat dissipation due to plastic deformation. The heat transfer acts as disturbance, the impact energy can be used as control input. In this work, investigations into process control by impact energy dosing are put forward using FE (finite element) simulations.

5

The Analysis of Deformation and Forecasting Microstructure in the Forging Process of the X6CrNiTi18-10 Austenitic Steel

Kukuryk M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2018

|

Vol. 63, iss. 1

393--401

EN

The paper presents the analysis of the three-dimensional strain state for the cogging process of a forging (type: shaft) of the X6CrNiTi18-10 austenitic steel with the application of the finite element method. The results of the thermal-mechanical simulation of the hot cogging process on flat and shaped anvils, taking under consideration boundary conditions applied in industrial practice, are presented. In the research, a new method of forging, consisting in the introduction of the initial forging of the stock on anvils which have convex work surfaces, and further forging on shaped anvils, was applied. The results of the calculations make it possible to determine effective strain distribution, effective stress, mean stresses and temperature in the volume of a forging. The solution was supplemented by the addition of the model of microstructure development in the course of deformation. The conducted research constitutes the basis for determining the best possible technological process of the initial forging of a cast ingot, and provide the possibility of forecasting the deformations and parameters of the microstructure.

6

Opracowanie i weryfikacja cieplno-mechanicznych parametrów kształtowania na gorąco wyprasek ze stopu Ti-6Al-4V

Wojtaszek M.

Hutnik, Wiadomości Hutnicze

|

2017

|

Vol. 84, nr 4

171--177

PL

Określono korzystne warunki kucia na gorąco w matrycach otwartych stopu Ti-6Al-4V otrzymanego metodą metalurgii proszków. Materiał wyjściowy do badań wytworzono w procesie prasowania na gorąco mieszaniny proszków elementarnych. Otrzymano półwyrób o wysokiej gęstości względnej, co potwierdzono w badaniach metalograficznych i metodą tomografii komputerowej. Modelowanie numeryczne procesu kucia na gorąco w matrycach otwartych wyprasek prowadzono metodą elementów skończonych. Analizowano różne warianty procesu kształtowania wybranej odkuwki, uwzględniono przy tym ograniczenia występujące w przemyśle. Poprawność warunków kucia, wyznaczonych na drodze modelowania jako korzystne, zweryfikowano, wykonując próby technologiczne na linii przemysłowej. Ocenie poddano stan mikrostruktury i twardość odkuwek. Wykazano, że prowadzona w proponowany sposób technologia, obejmująca wykonanie metodą metalurgii proszków wsadu i jego kształtowanie na gorąco, daje możliwość otrzymania pozbawionych wad odkuwek ze stopu Ti-6Al-4V.

EN

The proposed procedures of elaboration and verification of the parameters of deformation of Ti-6Al-4V alloy compacts after open-die forging process were discussed. As the material under investigation, powder compacts obtained from elemental powders were used. The compacts were nearly free from porosity, which was confirmed by metallographic examination and computed tomography nondestructive tests. The numerical modeling of hot forming of the selected forging was performed based on the finite element method (FEM). Various options of forging conditions were simulated, however the range of parameters was in accordance with possibilities and limitations of the industry. Basing on the results of numerical analysis, appropriate conditions of hot forming in open dies of the selected shape of a forging were determined. The results of modeling were verified in the trials conducted in industrial conditions. The quality of the product was estimated by the microstructure examinations as well as hardness measurements. It was found that forging of a billet, manufactured with proposed powder metallurgy technology, leads to obtaining a defect-free forging of Ti-6Al-4V alloy.

7

Synergetic approach to die wear modelling in hot forging process

Wilkus M., Szeliga D., Rauch Ł., Pietrzyk M.

Computer Methods in Materials Science

|

2017

|

Vol. 17, No. 4

193--204

EN

A proposition of the hybrid model of the tool wear in hot forging is described in the paper. The idea of the model was based on distinguishing various mechanisms of the tool wear and evaluation of the mutual influence of these mechanisms. The analysis of factors, cumulative wear of which is mutually dependent, confirmed that all mechanisms influence each other in some way. To cover this, the hybrid die wear model was proposed which includes significance of each mechanism and the mutual relation between them. Additionally, to include change of material parameters, modification of these parameters was account for by a feedback, passing modified die geometry and optionally material parameters into the next iteration of die wear modelling. Developed model consists of the FE simulation to which the following process parameters are supplied by the user: wear mechanisms blocks containing adequate models, significance models and extrapolation routines for results or input parameters, component to apply computed wear value as a die geometry and control the computation of multi-iteration wear prediction. Some mechanisms blocks contain additional components for computing correction of surface parameters altered by thermomechanical fatigue, cracks or increased porosity. Numerical tests of the model were performed for the second operation in the forging of clutch wheel. Comparison of predictions and measurements confirmed improvement of the model predictive capability when synergy of the three mechanisms was accounted for.

PL

W pracy opisano hybrydowy model zużycia narzędzi w procesie kucia na gorąco. Idea modelu bazuje na rozróżnieniu mechanizmów degradacji narzędzi i ocenie ich wpływu na siebie. Analiza czynników, których sumaryczne zużycie jest wzajemnie zależne, wykazała, że wszystkie mechanizmy wpływają na siebie. Aby to wziąć pod uwagę, opracowano hybrydowy model uwzględniający istotność każdego z mechanizmów oraz ich synergię. Dodatkowo uwzględniono zmianę własności materiału narzędzia w czasie kucia kolejnych odkuwek. Zrealizowano to poprzez sprzężenie zwrotne przekazujące nowy kształt narzędzia i własności materiału do następnej iteracji. Opracowany model obejmuje symulację metodą elementów skończonych z następującymi parametrami wprowadzanymi przez użytkownika: blok mechanizmów zużycia zawierający odpowiednie modele, procedury ekstrapolacji dla parametrów wejściowych i wyjściowych, modele istotności, komponenty' przeliczające zużycie na kształt narzędzia oraz blok sterowania iteracyjnymi obliczeniami zużycia. Niektóre bloki dla mechanizmów zużycia zawierają dodatkowe składniki pozwalające korygować parametrów powierzchni uwzględniając wpływ termomechanicznego zmęczenia, mikro- pęknięć i wzrostu porowatości. Numeryczne testy modelu zostały przeprowadzone dla drugiej operacji kucia kola czołowego sprzęgła. Porównanie wyników obliczeń i pomiarów potwierdziło poprawę dokładności kiedy zastosowano model uwzględniający synergię trzech mechanizmów.

8

On the applicability of JMAK-type models in predicting IN718 microstructural evolution

Stefani N., Bylya O., Reshetov A., Blackwell P.

Computer Methods in Materials Science

|

2017

|

Vol. 17, No. 1

59--68

EN

Nickel-based superalloys are widely used in the aerospace sector for their mechanical properties, which are directly related to the microstructural and physical properties of these materials. JMAK-type models have been applied to this class of superalloys for the prediction of microstructural evolution phenomena such as recrystallisation. However, these models often lack a clear range of applicability. The majority of the successful applications normally address rather idealised processes (relatively slow forging, simple geometry). However, the real-world production environment generally involves complex strain paths and thermal histories. Thus, there arises the question of whether the JMAK-type models can be applied to such cases. This paper’s research focus is to investigate the applicability of JMAK-type models for such processes. To do this, screw press forging of disks was used to validate the in-built JMAK-type model of Inconel 718® available in DEFORMTM. In particular, the applicability of the model was examined using a comparison between the results from simulation and from metallographic analysis. At first, the appropriateness of the JMAK outputs in describing the observed microstructures was investigated and then quantitative results were evaluated. The model’s outputs were found to be insufficient in describing the observed microstructural states and additional parameters were deemed necessary. The model’s predictions ranged from a broadly good match, for which the model could be calibrated with a proposed new methodology, to a qualitative mismatch that highlights the limits of the model’s applicability.

PL

Ze względu na swoje wysokie własności mechaniczne, ściśle związane z mikrostrukturą i własnościami fizycznymi, stopy na bazie niklu są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym. Modele typu JMAK są powszechnie wykorzystywane do opisu rozwoju mikrostruktury w tych stopach. Należy jednak zdawać sobie sprawę z faktu, że te modele mają czasem ograniczone zastosowanie. Większość udanych przykładów wykorzystania modelu JMAK dotyczy wyidealizowanych procesów charakteryzujących się prostą geometrią i małymi prędkościami odkształcania. Z drugiej strony, w przemysłowych procesach kucia mamy często do czynienia ze złożonymi drogami odkształcenia i złożonymi cieplnymi historiami odkształcenia. Powstaje zatem pytanie na ile modele JMAK mogą być zastosowane do analizowanego w pracy przypadku kucia stopu IN718. Aby odpowiedzieć na to pytanie przeprowadzono badania zmierzające do oceny przydatności modeli JMAK. Ten cel osiągnięto przeprowadzając symulacje procesu prasowania dysku ze stopu Inconel 718®, stosując model JMAK wbudowany w program z metody elementów skończonych. Parametry modelu pobrano z bazy danych programu DEFORMTM. Przydatność modelu oceniano na podstawie porównania wyników symulacji numerycznej z analizą metalograficzną próbek po symulacji fizycznej. W pierwszej kolejności oceniono poprawność jakościową modelu w opisie rozwoju mikrostruktury, a następnie porównano wyniki ilościowe. Analiza wszystkich wyników wykazała, że przewidywania modelu nie były satysfakcjonujące i konieczne było uwzględnienie dodatkowych parametrów procesu. Uzyskiwane wyniki wahały się od bardzo dobrej zgodności z doświadczeniem, i dla tych warunków możliwa była kalibracja modelu, do dużych rozbieżności które wyznaczały zakres stosowalności modelu.

9

Behavior of triplex steel containing different aluminum content

Masoud M. I., Tashkandi M., Al-Jarrah J., Farahat A. I. Z.

Advances in Materials Science

|

2017

|

Vol. 17, nr 1(51)

34--43

EN

Medium-carbon alloy steels containing different aluminum contents were hot forged by 95% reduction at 1200°C followed by air cooling. Optical and scanning electron microscopes were used to investigate the morphologies of the different phases present. An austentizing process followed by water quenching (after hot forging) was carried out to obtain different hardness values. The intensity of the different planes was investigated using X-ray diffraction. The mechanical properties were characterized using tensile and hardness tests. Optical and scanning electron micrographs revealed a great effect of aluminum content on the steel properties. A matrix of bainite and pearlite and traces of ferrite was revealed for hot forged steel type 1 containing 1% Al. Steel type 2 containing 2% Al showed a matrix of pearlite and ferrite with the absence of bainite. The hardness increased with increasing the temperature to a maximum value then decreased for steel containing 1 and 2% aluminum. After austentizing at 925°C, the maximum hardness of 649Hv was recorded for hot forged steel type 2 of 2% aluminum, while steel type 1 of 1% aluminum showed a maximum hardness of 531Hv after austentizing at 1000°C. Thus, the maximum hardness of hot forged steels decreased with increasing aluminum content. In addition, the maximum tensile and yield strength were decreased by increasing the aluminum content in the steel. The changes in microstructure and mechanical properties of these steels could be explained by the effect of aluminum as a ferrite forming element.

10

Study of microstructure and mechanical properties of 14% Cr ODS steel produced by hot isostatic pressing followed by hot forging

Oksiuta Z.

Inżynieria Materiałowa

|

2016

|

Vol. 37, nr 3

126--130

EN

Consolidation by hot isostatic pressing followed by hot forging of a mechanically alloyed ODS Fe–14% Cr–2% W–0.3% Ti–0.3% Y2O3 (in wt %) ferritic steel powder was applied to find the effect of those methods on the microstructure and mechanical properties of the alloy. Microstructure investigations of the ODS steel revealed that after hot isostatic pressing bimodal-like microstructure with fine and coarse grains up to a few microns was observed. Hot forging process, performed at about 900°C with 50% of deformation, did not improved microstructure homogeneity and grains elongated towards radial direction were observed. High temperature tensile tests revealed that hot forging improves the tensile strength of the as-HIPped ODS steel. However, the ductility and upper shelf energy decreased. This can be related to the microstructure of the ODS steel observed for both consolidation methods and emphasises a necessity of further optimization of hot forging parameters.

PL

Artykuł przedstawia problematykę związaną z otrzymywaniem nowej generacji stali ferrytycznych umacnianych nanocząstkami tlenku itru (Oxide Dispersion Strengthened, ODS). Produkowane metodą mechanicznego stopowania (MS) stale ODS ze względu na swoje właściwości: żarowytrzymałość, odporność na pełzanie, mały współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz odporność na pęcznienie podczas promieniowania jonizującego są uważane za atrakcyjny materiał strukturalny do budowy reaktora termojądrowego. Zasadniczym problemem dotyczącym otrzymywania stali ODS jest to, że do ich produkcji można użyć tylko pierwiastków, których czas połowicznego rozpadu jest krótki (Reduced Activation Elements). Do grupy pierwiastków stanowiących podstawę do produkcji stali należy zaliczyć: żelazo, chrom, wolfram, tytan, wanad, krzem i węgiel oraz stabilne temperaturowo tlenki Y i Ti. Użycie innych pierwiastków, np.: Mn, Ni, Al, Co, Cu i B, stosowanych powszechnie do produkcji innych gatunków stali nie jest wskazane. Dodatek tlenku itru oraz zanieczyszczenia pochodzące z procesu MS powodują pogorszenie udarności i plastyczności stali. Ponadto stale ferrytyczne o strukturze regularnie przestrzennie centrowanej (RPC) mają wysoką temperaturę progu kruchości (Ductile to Brittle Transition Temperature, DBTT), która jest znacznie powyżej temperatury pokojowej. Na przykład w żaroodpornych stalach ferrytycznych typu PM2000 lub MA957 stwierdzono, że temperatura przejścia ze stanu kruchego w stan plastyczny jest rzędu 100°C. Jednym ze sposobów obniżenia temperatury progu kruchości jest zastosowanie dodatkowej obróbki cieplno-plastycznej. Dlatego celem pracy było otrzymanie przez MS i konsolidację (metodą HIP) stali ODS oraz zastosowanie dodatkowej obróbki cieplno-plastycznej, kucia na gorąco, w celu określenia wpływu tej metody na wybrane właściwości stali.

11

Wymiana ciepła przy przeróbce plastycznej metali – porównanie modeli

Rywotycki M., Malinowski Z., Szajding A., Falkus J., Sołek K., Miłkowska-Piszczek K.

Hutnik, Wiadomości Hutnicze

|

2016

|

Vol. 83, nr 1

13--17

PL

W artykule zostały porównane wyniki obliczeń pola temperatury wsadu uzyskane z wykorzystaniem modeli zaczerpniętych z literatury oraz własnym modelem wymiany ciepła. Wartość współczynnika wymiany ciepła została uzyskana z badań własnych z zastosowaniem nowej metodyki określania strumienia ciepła przepływającego między powierzchniami wymieniającymi ciepło. Składa się ona z dwóch etapów: eksperymentu i obliczeń numerycznych. Badania eksperymentalne zawierają pomiary zmian temperatury w określonych punktach w dwóch próbkach pozostających w kontakcie. Część numeryczna wykorzystuje rozwiązanie odwrotne i metodę elementów skończonych do obliczania strumienia ciepła na powierzchni styku.

EN

The results of calculations of the temperature field of the deformed material conducted using heat transfer coefficient form literature are compared with that obtained for developed heat transfer boundary condition model. The developed heat transfer boundary condition model has been obtained using a new methodology for determining heat flux transferred between two solid surfaces. The methodology consists of two parts: experimental and numerical one. The experimental part involves measurements of temperature at specific points in the two samples brought into contact. The numerical part uses an inverse method and the finite element method to calculate the heat flux at the interface.

12

Hot Processing of Cast and PM Ti-6Al-4V Alloy

Wojtaszek M., Śleboda T., Korpała G.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2016

|

Vol. 61, iss. 2B

1115--1120

EN

Quantitative and qualitative evaluation of the influence of the applied sample morphology as well as parameters of deformation on the microstructure and selected properties of Ti-6Al-4V alloy after deformation was presented. Both cast Ti-6Al-4V alloy and powder compacts were used as the material under investigation. P/M preform was produced from the mixture of elemental powders, by hot compaction. The samples of compacts as well as cast alloy were subjected to plastometric tests under various conditions. The influence of the state of the investigated Ti-6Al-4V alloy on the character of flow curves was determined. The microstructure and hardness after deformation were evaluated and compared. Basing on the results of plastometric tests, the suitable thermo-mechanical parameters of forging of Ti-6Al-4V alloy were determined. The charge was machined from the compacts and from cast material, and both types of forging stock were hot-forged. The microstructure as well as hardness of the forgings were compared.

13

Stworzenie podstaw do budowy hybrydowego modelu zużycia narzędzi do kucia na gorąco

Wilkus M., Rauch Ł., Polak S., Gronostajski Z., Pietrzyk M

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Mechanika

|

2015

|

z. 267

103--108

PL

Motywacją dla wykonanych badań była próba stworzenia podstaw dla modelu zużycia narzędzi do kucia uwzględniającego różne mechanizmy zużycia. Bazą dla koncepcji modelu były symulacje metodą elementów skończonych procesu kucia. Obliczone parametry sklasyfikowano w aspekcie wpływu na różne mechanizmy zużycia. Następnie na etapie post-processingu wykonano analizę wrażliwości i oceniono wpływ tych parametrów na zużycie narzędzi, a wyniki porównano z pomiarami ubytku materiału i głębokości pęknięć dla wybranej odkuwki. Przeprowadzono analizę porównawczą dla różnych fragmentów powierzchni i wyznaczono jakościową korelację między tymi pomiarami i obliczonymi parametrami. Na tej podstawie stworzono koncepcję budowy hybrydowego modelu zużycia narzędzi do kucia.

EN

An attempt to build the tool wear model, which accounts for various mechanisms of wear, was the motivation. Finite element simulations created the basis for this analysis. Calculated parameters were classified according to their influence on various wear mechanisms. Following this during post-processing sensitivity analysis was performed and influence of these parameters on the tool wear was evaluated. The results were compared with the measurements of wear and cracks depth at various points of the die. Qualitative correlation between measurements and calculated parameters was assessed and the basis for the hybrid tool wear model was proposed.

14

Analysis Of Deformation And Microstructural Evolution In The Hot Forging Of The Ti-6Al-4V Alloy

Kukuryk M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2015

|

Vol. 60, iss. 2A

597--604

EN

The paper presents the analysis of the three-dimensional strain state for the cogging process of the Ti-6Al-4V alloy using the finite element method, assuming the rigid-plastic model of the deformed body. It reports the results of simulation studies on the metal flow pattern and thermal phenomena occurring in the hot cogging process conducted on three tool types. The computation results enable the determination of the distribution of effective strain, effective stress, mean stress and temperature within the volume of the blank. This solution has been complemented by adding the model of microstructure evolution during the cogging process. The numerical analysis was made using the DEFORM-3D consisting of a mechanical, a thermal and a microstructural parts. The comparison of the theoretical study and experimental test results indicates a potential for the developed model to be employed for predicting deformations and microstructure parameters.

PL

W pracy przedstawiono analizę przestrzennego stanu odkształcenia dla procesu kucia wydłużającego stopu tytanu Ti-6Al-4V z wykorzystaniem metody elementów skończonych z założeniem sztywnoplastycznego modelu odkształcanego ciała. Przedstawiono wyniki prac związanych z symulacją schematu płynięcia metalu i zjawisk cieplnych w procesie kucia na gorąco w trzech rodzajach narzędzi kuźniczych. Rezultaty obliczeń umożliwiają określenie rozkładu intensywności odkształcenia, intensywności naprężeń, naprężeń średnich i temperatury w objętości odkuwki. Rozwiązanie uzupełniono o model rozwoju mikrostruktury podczas kucia. Analizę numeryczną wykonano z wykorzystaniem programu DEFORM-3D, składającego się z części mechanicznej, termicznej i mikrostrukturalnej. Porównanie teoretycznych i eksperymentalnych rezultatów badań wskazuje na możliwość zastosowania opracowanego modelu do prognozowania odkształceń i parametrów mikrostruktury.

15

Analysis of Deformation and Microstructural Evolution in the Hot Forging of the Ti-6Al-4V Alloy

Kukuryk M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2015

|

Vol. 60, iss. 3A

1639--1647

EN

The paper presents the analysis of the three-dimensional strain state for the cogging process of the Ti-6Al-4V alloy using the finite element method, assuming the rigid-plastic model of the deformed body. It reports the results of simulation studies on the metal flow pattern and thermal phenomena occurring in the hot cogging process conducted on three tool types. The computation results enable the determination of the distribution of effective strain, effective stress, mean stress and temperature within the volume of the blank. This solution has been complemented by adding the model of microstructure evolution during the cogging process. The numerical analysis was made using the DEFORM-3D consisting of a mechanical, a thermal and a microstructural parts. The comparison of the theoretical study and experimental test results indicates a potential for the developed model to be employed for predicting deformations and microstructure parameters.

PL

W pracy przedstawiono analizę przestrzennego stanu odkształcenia dla procesu kucia wydłużającego stopu tytanu Ti-6Al-4V z wykorzystaniem metody elementów skończonych z założeniem sztywnoplastycznego modelu odkształcanego ciała. Przedstawiono wyniki prac związanych z symulacją schematu płynięcia metalu i zjawisk cieplnych w procesie kucia na gorąco w trzech rodzajach narzędzi kuźniczych. Rezultaty obliczeń umożliwiają określenie rozkładu intensywności odkształcenia, intensywności naprężeń, naprężeń średnich i temperatury w objętości odkuwki. Rozwiązanie uzupełniono o model rozwoju mikrostruktury podczas kucia. Analizę numeryczną wykonano z wykorzystaniem programu DEFORM-3D, składającego się z części mechanicznej, termicznej i mikrostrukturalnej. Porównanie teoretycznych i eksperymentalnych rezultatów badań wskazuje na możliwość zastosowania opracowanego modelu do prognozowania odkształceń i parametrów mikrostruktury.

16

Problemy jakościowe w procesie kucia na gorąco odkuwki typu widłak

Gronostajski Z., Hawryluk M., Jakubik J., Kaszuba M., Kondracki P., Niechajowicz A., Nowak B.

Hutnik, Wiadomości Hutnicze

|

2014

|

Vol. 81, nr 1

68--71

PL

W artykule przedstawiono trudności związane z przemysłowym procesem kucia na gorąco widłaków w Kuźni Jawor S.A. Głównym problemem występującym podczas kucia tego typu elementów są duże straty materiałowe (sięgające ponad 30%), zmniejszenie objętości materiału wsadowego wiąże się natomiast z ryzykiem niewypełnienia wykroju. Kolejnym problemem jest niska trwałość matryc do kucia wstępnego i wykańczającego. W pracy przedstawiono wyniki symulacji numerycznej procesu kucia na gorąco wybranego widłaka. Na podstawie wyników otrzymanych z symulacji zaproponowano zmianę geometrii narzędzi, dzięki czemu będzie można zmniejszyć objętość materiału wsadowego przy pełnym wypełnieniu wykroju oraz jednoczesnym spadku sił kucia.

EN

This paper presents difficulties involved in industrial hot forging process of jokes made in Forge Jawor SA. The main problem is large material loss (amounting to over 30%), reducing the volume of billet is associated with the risk of non-fulfilment of dies. Another problem is the low durability of dies to pre-forging and finishing forging. The results of numerical simulation of hot forging analysis are presented. Based on the results obtained from the simulation, the authors proposed changes of the tools geometry to reduce volume of the billet, ensure complete filling of dies and to decrease the forging force.

17

Possibilities of investigating abrasive wear in conditions close to those prevailing in industrial forging processes

Hawryluk M., Marciniak M., Misiun G.

Eksploatacja i Niezawodność

|

2014

|

Vol. 16, no. 4

600--607

EN

This paper presents aTriboForge – a prototype test stand for investigating abrasive wear, which unlike conventional tribometers, makes it possible to study wear under high pressures (500 MPa), i.e. in conditions close to those prevailing in industrial forging processes. The idea behind the designed and constructed prototype test stand was to most accurately reproduce the phenomena and processes acting on the surface layer of forging tools during their contact with the material being deformed. Preliminary tests were carried out on a tool material/selected forged material combination. A rotating disc made of tool steel (WCL) and a rectangular counter-sample made of the forged material (QS19-20), pressed against the disc constituted the friction pair. Thanks to a special control-measuring system integrated with the test stand it is possible to measure in real time several major parameters, such as: temperature distribution, the rotational speed of the sample, the pressure exerted by the counter-sample, the amount of wear, the sliding distance and changes in the friction coefficient value. The friction pairs would work for a fixed time of 4 hours at a constant counter-sample pressure of 10 kN (which for an average contact area amounted to about 220 MPa) at an average speed of 5 rpm (1 full rotation took about 12 s). Assuming that the key parameters describing abrasive wear are sliding distance and pressure per unit area, it has been shown that the magnitude of wear (material loss) depending on the cycle length is close to that in the actual industrial forging process. This proves the suitability of the test stand for the comprehensive analysis of the abrasive wear of forging dies.

PL

W pracy autorzy przedstawili prototypowe stanowisko do badania zużycia ściernego – TriboForge, które w odróżnieniu od klasycznych tribometrów pozwala na analizę zużycia w warunkachwysokich nacisków (500 MPa), czyli w warunkach zbliżonych do panujących w przemysłowych procesach kucia. Koncepcją zaprojektowanego i zbudowanego prototypowego stanowiska jest jak najdokładniejsze odwzorowanie zjawisk i procesów oddziałujących na warstwę wierzchnią narzędzi kuźniczych w kontakcie z odkształcanym materiałem odkuwki. Autorzy przeprowadzili wstępne badania dla skojarzenia: materiał narzędziowy i wybrany materiał odkuwki. Parę trącą stanowiły: obracający się krążek wykonany ze stali narzędziowej (WCL) oraz dociskana do niego próbka prostokątna z materiału odkuwki (QS19-20). Dzięki specjalnemu systemowi sterująco-pomiarowemu zintegrowanemu ze stanowiskiem możliwy jestpomiar on-line wielu istotnychparametrów(rozkładu temperatury, prędkości obrotowej próbki, siłydocisku przeciwpróbki, wielkości zużycia, drogi tarcia oraz zmianywartości współczynnika tarcia). Skojarzone próbki pracowały przez ustalony wcześniej czas 4 h przy docisku (stałą siłą około 10 kN, co przy średniej wielkości pola kontaktu wynosiło około 220 MPa), ze średnią prędkością obrotową 5obr/min (1 pełny obrót wynosił około 12 s). Przy założeniu, że najważniejszymi parametrami opisującymi zużycie ścierne są droga tarcia oraz nacisk jednostkowy wykazano, że wielkość zużycia (ubytku materiału) w zależności od długość cyklu jest zbliżonado procesu przemysłowego. Potwierdzato przydatność opracowanego stanowiska badawczego do kompleksowej analizy zużycia ściernego matryc kuźniczych.

18

Effect of Technical Quality of Thermomechanical Die Forging of AA2099 Alloy

Łukaszek-Sołek A.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2014

|

Vol. 59, iss. 3

997--1003

EN

The paper presents the results of investigations of a multicomponent third-generation aluminium alloy, classified as AA2099. The actual forging conditions were determined basing on the assessment of the quality of side surface of specimens subjected to compression in Gleeble 3800 simulator and on flow curves of the alloy, as well as numerical modelling of forging process performed with application of QForm 3D v.7 software. Compression tests were realized at temperatures 400-500°C, with a strain rate of 0.001-100 s-1 , up to a specified constant true strain value of 0.9. Microstructure examination in as-delivered state was performed with application of Leica DM 4000M optical microscope. The obtained results of isothermal deformation of specimens were correlated with the analysis of a characteristic layered pancake-type microstructure. The simulation of die forging of a complex-shape forging (high-current contact tip used in power engineering) at the temperature 500°C, was performed. The shape of a forging makes it possible to fully analyse the influence of thermomechanical process conditions on technical quality of a product. The simulation of forging process showed full correctness of material flow, with no signs of instability. At the same time, the analysis of investigations allowed to prepare and realize the industrial forging trials for a forging of a very complex shape, in a single step, at the temperature 500°C, with application of thermomechanical treatment. The forging attained high quality of shape and surface. Directional specimens were taken, in order to be subjected to microstructure examination and hardness testing. The data obtained from industrial tests, combined with the results of testing using Gleeble simulator as well as from numerical modelling, make up the guidelines for mechanical processing of AA2099 alloy at the temperatures 470-500°C.

PL

W pracy analizowano wyniki badań wykonanych na wieloskładnikowym, trzeciej generacji stopie aluminium, klasyfikowanym jako AA2099. na podstawie oceny stanu powierzchni pobocznicy próbek ściskanych w symulatorze odkształceń rzeczywistych Gleeble 3800 i krzywych płynięcia stopu, modelowania numerycznego procesu kucia w programie QForm 3D v. 7 ustalono warunki przemysłowej próby kucia stopu. Badania ściskania przeprowadzono w temperaturze 400-500°C z szybkością odkształcania 0.001 – 100 s-1 do stałej wartości odkształcenia rzeczywistego 0.9. Wykonano badania mikrostruktury w stanie dostawy na mikroskopie świetlnym Leica DM 4000M. Uzyskane wyniki odkształcenia izotermicznego próbek skorelowano z badaniami charakterystycznej warstwowej mikrostruktury typu „naleśnik”. Dokonano symulacji procesu kucia matrycowego odkuwki o bardzo złozonym kształcie (nakładka wysokoprądowa dla energetyki) w temperaturze 500°C. Kształt odkuwki umożliwia pełną ocenę wpływu warunków termomechanicznych procesu na jakość techniczną wyrobu. Symulacja procesu kucia wykazała pełną poprawność płynięcia stopu bez żadnych efektów niestabilności. Jednocześnie analiza badań pozwoliła na opracowanie i przeprowadzenie prób kucia przemysłowego odkuwki o bardzo złożonym kształcie w jednym wykroju w temperaturze 500°C z zastosowaniem obróbki cieplnoplastycznej. Odkuwka uzyskała wysoką jakość kształtu i powierzchni. Pobrano próbki kierunkowe do badań mikrostruktury i twardości. Uzyskane dane z prób przemysłowych w połączeniu z wynikami uzyskanymi z symulatora Gleeble i modelowania numerycznego stanowią wytyczne do kształtowania plastycznego stopu AA 2099 w zakresie 470 – 500°C.

19

Opracowanie i weryfikacja parametrów kucia matrycowego na gorąco wyprasek ze stopu Ti10V2Fe3Al

Wojtaszek M., Śleboda T., Łukaszek-Sołek A.

Rudy i Metale Nieżelazne

|

2013

|

R. 58, nr 11

673--679

PL

W artykule podjęto próbę wykorzystania technologii metalurgii proszków do wytwarzania wysokiej jakości wyrobów ze stopu Ti10V2Fe3Al. Do realizacji tego celu zastosowano procesy izostatycznego prasowania na gorąco proszku oraz kucia matrycowego na gorąco wyprasek. W roli materiału wyjściowego użyto mieszaninę proszków elementarnych tytanu, wanadu, żelaza oraz aluminium, co prowadzi do obniżenia kosztów otrzymywania wyrobów, w porównaniu do produktów formowanych z proszku stopowego o tym samym składzie chemicznym. W wyniku realizacji procesu zagęszczania na gorąco proszku w ściśle kontrolowanych warunkach, przy zaproponowanych parametrach otrzymano półwyrób o gęstości względnej zbliżonej do litego materiału. Dało to podstawę do wykorzystania do opisu materiału podczas symulacji numerycznej MES charakterystyk płynięcia litego tworzywa o tym samym składzie chemicznym, otrzymanych przy wykorzystaniu symulatora termomechanicznego Gleeble. W oparciu o dane otrzymane na podstawie analizy numerycznej oszacowano dla badanego stopu korzystne parametry termomechaniczne procesu kucia matrycowego wyrobu o wytypowanej geometrii. Ich weryfikacji dokonano w oparciu o eksperyment, próbę kucia przeprowadzono w warunkach przemysłowych. Określono wybrane własności materiału w stanie po kuciu, jakość odkuwki oceniono na podstawie wyników badań metalograficznych.

EN

This research work was focused on the application of powder metallurgy technology for producing high quality product from Ti10V2Fe3Al alloy. For the purpose of the investigations hot compaction and hot close-die forging processes were used. As an initial material a mixture of elemental powders of titanium, vanadium, iron and aluminum was applied. The application of the mixture of elemental powders as initial material leads to reduction of production costs as compared to the manufacturing the parts from prealloyed powders. The process of the hot compaction of Ti10V2Fe3Al was realised at the temperature of 1200 °C under pressure of 25 MPa at argon atmosphere. The time of the sintering was 3 hours. As the result of hot densification under precisely controlled conditions, fully densified semi-products were obtained. The description of thermo-mechanical behavior of the investigated material for numerical simulation was determined during compression tests on Gleeble simulator performed on solid Ti10V2Fe3Al alloy samples having the same chemical composition as the investigated P/M alloy. Numerical modeling of forging of the selected forging was performed using FEM (Finite Element Method) QForm 2D/3D commercial software. Various options of heating the billet as well as various mechanical conditions of forging process were applied, however the range of parameters was strictly in accordance with possibilities of the industry. Basing on the results of the numerical analysis, appropriate thermo-mechanical conditions of hot forging of gear wheel were determined. Designed parameters of forging technology were verified by the trials performed at industrial conditions. Cylindrical specimens with a height of 30 mm and a diameter of 70 mm, made of Ti10V2Fe3Al alloy powder compacts, were used as a billet for forging. The specimens were heated up to 1000 °C for 15 minutes in a gas furnace, then cooled down to 900°C and forged in two stages. Chosen properties of the forgings were specified, the quality of the product were estimated by microstructure observations conducted at several chosen areas of the forging. It was found, that hot forging of compacted mixture of elemental powders resulted in obtaining defect-free Ti10V2Fe3Al gear wheel.

20

Numerical modelling of the thermal fatigue of steel WCLV used for hot forging dies

Gronostajski Z., Hawryluk M., Krawczyk J., Marciniak M.

Eksploatacja i Niezawodność

|

2013

|

Vol. 15, no. 2

129-133

EN

The paper presents an analysis of a numerical simulation of the low-cycle thermal fatigue of steel WCLV (X40CrMoV511) used in hot forging. As part of experimental studies a special test rig based on the rotating disc method was built and tests were carried out. Their results showed that the method can be used to reproduce the thermal fatigue conditions prevailing in the industrial forging process. For the given experimental conditions the instant when fatigue cracks appear was determined. A numerical model was built and the obtained finite element analysis results were compared with the laboratory test results in order to determine the amplitude of plastic strains at which a crack appears. As part of further research in the future the Coffin-Manson low-cycle fatigue model will be verified for other conditions and a low-cycle fatigue curve for steel WCLV will be determined.

PL

W pracy przedstawiono analizę symulacji numerycznej niskocyklowego zmęczenia cieplnego stali WCLV stosowanej podczas kucia na gorąco. W ramach badań doświadczalnych zostało zbudowane specjalne stanowisko bazujące na metodzie "wirującego krążka" [13], przeprowadzone zostały próby, które potwierdziły możliwość stosowania tej metody do odwzorowania warunków zmęczenia cieplnego panujących w przemysłowym procesie kucia. Dla danych warunków eksperymentu określono moment pojawienia się pęknięć zmęczeniowych. Następnie zbudowano model numeryczny, po czym porównano uzyskane wyniki z MES i prób laboratoryjnych w celu określenia amplitudy odkształceń plastycznych, przy których pojawia się pęknięcie. Dalsze prace pozwolą w przyszłości na weryfikację niskocyklowego modelu zmęczenia Coffina-Mansona dla innych warunków oraz pozwolą stworzyć krzywą niskocyklowego zmęczenia stali WClV.