Výroba speciálních materiálů válcováním za studena

Oblast ocelářství v EU a ČR je velmi široká a překračuje rámec tohoto článku. V dalších úvahách se proto zaměříme pouze na problematiku tváření za studena a zejména téma válcování ocelových pásů za studena, které svým charakterem řadíme mezi technologie objemového tváření za studena.

Tvářením ocelových polotovarů se završuje proces hutnického zpracování oceli. Tvářením za tepla a za studena se původní surová ocel přepracovává do širokého sortimentu finálních polotovarů. Cílem je dosažení optimálních rozměrů, požadované kvality povrchu a kombinace mnoha mechanických a fyzikálních vlastností. Rozhodující operací v procesu hutnického tváření je válcování, jemuž se podrobuje až 96 % vyrobené oceli. V počáteční fázi se vždy jedná o válcování za tepla, a to v dosti širokém rozmezí válcovacích teplot. Významná část pásů válcovaných za tepla je následně zpracována technologií válcování za studena, která představuje z pohledu hutnické výroby jeden z produktů s nejvyšší přidanou hodnotou. Široká míra uplatnitelnosti pásů válcovaných za studena vyplývá z mimořádně široké nabídky vnitřních i vnějších vlastností. Zpracovatelé pásů válcovaných za studena oceňují i mimořádnou stabilitu a homogenitu vlastností a možnost velmi produktivního, často automatizovaného zpracování na výrobních linkách.

Pásové oceli válcované za studena se vyznačují neobyčejně pestrým materiálovým spektrem a širokým uživatelským uplatněním, což klade mimořádné nároky na celý proces válcování. Pro většinu pásů válcovaných za studena je charakteristický vysoký stupeň přetvoření od výchozího (obvykle plynule odlévaného) ocelového polotovaru. Typickými výrobními operacemi procesu válcování za studena je: podélné dělení suroviny (širokého pásu válcovaného za tepla), moření svitku v kyselině za účelem odstranění okují (povrchových oxidů) z procesu válcování za tepla, redukční válcování za studena na různých typech válcovacích stolic, žíhání svitku v poklopové nebo průběžné peci, doválcování na finální tloušťku pásu, podélné dělení svitku na konečnou šíři pásu, rovnání a příčné dělení do pruhů (tyčí, popř. plechů), balení, adjustáž pásové oceli a skladování a přeprava materiálu.

Dále je prezentováno několik praktických příkladů výroby pásové oceli, které lze vzhledem ke svému charakteru považovat za speciální či nestandardní. Technologie výroby vychází ze základního schématu procesu válcování za studena (uvedeno výše), je však potřeba modifikovat jednotlivé operace, aby byly zajištěny požadované vlastnosti finálního polotovaru.

Ocelové odporové pásy jsou nezastupitelným materiálem pro výrobu odporníků používaných především v kolejových elektrických vozidlech (obr. 3). Úkolem odporníků v elektrických vozidlech je akumulování energie pohybujícího se vozidla při brzdění, která se z energie kinetické přeměňuje na tepelnou (obr. 4). Tato přeměna bývá v určitých případech velice intenzivní, tak jak se to vyskytuje např. při použití rychlobrzdy nebo při dlouhodobém brzdění vozidla na dlouhém klesání. Odporníky se tak cyklicky zahřívají a ochlazují z teploty okolí až na 700 °C, přičemž jejich životnost se vyžaduje stejná, jako je životnost kolejového vozidla, což je několik desítek let.

Vlastní odporníky jsou meandrovitě nebo spirálovitě složené prolisované pásy různých tlouštěk a šířek. Výroba hotových odporníků vyžaduje kombinaci několika speciálních technologií z oboru tváření a tepelného zpracování. U těchto pásů jsou kladeny speciální požadavky na fyzikální, mechanické i chemické vlastnosti, jako jsou korozivzdornost, žáruvzdornost, tvařitelnost, svařitelnost, určitá teplotní roztažnost a celkový elektrický odpor.

Výroba za studena válcovaných pásů z odporových korozivzdorných ocelí začala v ČR v 80. letech 20. století. Jednalo se o za studena válcovanou feritickou korozivzdornou ocel Poldi Aluterm o jmenovitém chemickém složení 25 % Cr + 5 % Al. Rozhodujícím parametrem kromě korozivzdornosti byly hodnoty celkového elektrického odporu, který musel být dodržován v toleranci ±(5 až 7) % od požadované hodnoty. Obtížnost válcování této oceli spočívala ve vysokém obsahu karbidů a nitridů, a ve vysoké translační (přechodové) teplotě, dosahující hodnoty okolo +60 °C. Podstata úspěšného válcování za studena spočívá v zajištění dostatečně vysoké teploty pásu nad přechodovou teplotou, což se po řadě různých způsobů ohřevu pásů vnějšími zdroji tepla vyřešilo intenzivním tvářením pásu o prvním úběru 25 % až 35 %. Postupem doby byla vyvinuta úspornější pásová odporová korozivzdorná ocel feritického typu Poldi Alkral.

Koncem 90. let se začaly odporové feritické oceli nahrazovat ocelemi austenitickými s výrazně delší dobou životností, přestože jejich rezistivita byla nižší než u dříve používaných feritických ocelí. Přesnost výsledného elektrického odporu pásů byla zpřísněna na ±3 % od jmenovité hodnoty. Tyto pásové oceli je možné označit jako odporové pásové oceli nové generace. Technologie válcování těchto austenitických ocelí byla snazší v tom, že oproti feritickým ocelím dosahují austenitické oceli tranzitní teploty hluboko pod bodem mrazu, čímž válcování při teplotě okolí mohlo probíhat bezproblémově. Je zde však kladen daleko větší důraz na rovinnost pásů, což na první pohled není obtížné zajistit, ve skutečnosti však tento problém je výrazný a je ho nutno řešit úpravou válcovacích úběrů v kombinaci s mezioperačním a finálním žíháním.

Výroba žiletek patří v ČR dlouhá léta k tradičním produktům s požadavkem na vysokou jakost vstupního polotovaru i konečného výrobku (obr. 5). Žiletky se již ve druhé polovině 20. století vyráběly z uhlíkové nástrojové oceli pod označením ČSN 19241. Svitky pásové oceli válcované za tepla byly do válcovny za studena dodávány v tloušťce 2 mm ve vymořeném a vstupně vyžíhaném stavu. Kvalita vstupní suroviny měla významný vliv na další proces válcování za studena.

Pás válcovaný za studena se dodával v typických finálních rozměrech 0,13 x 22,37 mm a 0,10 x 22,37 mm ve velmi úzkých rozměrových tolerancích. Dalším požadavkem bylo dodržení stanoveného rozmezí pevnosti 840–960 MPa, předepsané mikrostruktury, velmi dobrá kvalita povrchu s minimálním výskytem povrchových vad, minimální otřep na hraně v důsledku finálního podélného dělení, dobrá rovinnost a přímost (šavlovitost) pásu.

Technologie zpracování ve válcovně za studena (dříve i v areálu Králodvorských železáren) zahrnovala kombinaci několika válcování na válcovacích tratích typu „kvarto“, dvanáctiválcové nebo dvacetiválcové stolici a tandemové trati sestavené ze dvou kvartostolic. Proces válcování měl pevně stanovené rozložení úběrů, povolené rychlosti válcování a optimalizovaný režim přípravy (broušení) a výměny pracovních válců. Mezi operacemi válcování za studena byl materiál podroben zvláštnímu režimu žíhání v poklopových pecích. Konečné doválcování na požadovanou tloušťku se provádělo v šíři pod 100 mm na tandemové trati sestavené ze dvou kvartostolic. Pro finální podélné dělení byla sestavena speciální dělicí linka, která obsahovala válečkovou rovnačku a kvalita střihu odpovídala náročným požadavkům konečného zpracovatele.

Celý technologický proces prošel dlouhým vývojem, požadavky na jednotlivé výrobní operace se po léta zpřísňovaly a celá technologie se postupně optimalizovala až do nejmenších detailů. Několik desítek let patřil tento náročný výrobek mezi špičkovou ukázku schopností českých valcířů za studena. Bohužel začátkem 21. století vytlačila konkurence z Dálného východu českého dodavatele a výroba čepelkové oceli byla v ČR v této tradiční podobě ukončena.

Tradičním výrobkem válcovny za studena byla pásová ocel na výrobu spárových měrek (obr. 6). Vyráběly se z jakosti ČSN 12 090 nebo obdobných vysokouhlíkových ocelí obvykle v šířce 12 mm v tloušťkách od 0,02 do 2 mm. Zejména válcování tenkých pásů pod 0,10 mm patřilo ke špičkové ukázce profesní zručnosti. Kromě celkově rozsáhlého a náročného technologického postupu, který sestával z několika válcování a mezižíhání, bylo potřeba zvládnout technologii doválcování velmi tenkých tlouštěk pásů (fólií). Ve velmi úzké válcovací mezeře dosedaly kraje pracovních válců na sebe a bylo nutné zajistit speciální tvar broušení pracovních válců. Hlavním kvalitativním parametrem pásové oceli na spárové měrky bylo zajištění velmi úzké tolerance tloušťky pásu. Pásová ocel se dodávala se zaoblenými (arondovanými) hranami a v kaleném stavu.

Obvyklou snahou při válcování za studena je dosáhnout příčného průřezu pásu ve tvaru ideálního obdélníku. Mezi nestandardní požadavky na výrobu pásové oceli válcováním za studena však patří i výroba pásů se speciálním příčným profilem. Typickým zástupcem je např. polotovar pro výrobu lamel variátorových řetězů. Speciální profilová pásová ocel určená na lamely variátorových řetězů se vyrábí z jakosti ČSN 14 260. Tato pružinová pásová ocel je typická svým chemickým složením C = 0,50 – 0,60 %, Si = 1,30 – 1,60 % a Cr = 0,50 – 0,70 %. Hlavní odlišností od běžných dodávek je profil pásové oceli ve tvaru jednostranné čočky (obr. 7). Pro technologický postup výroby profilového pásu je rozhodující konečné doválcování jednotlivých střihů. Válcování profilu se provádí dvěma průchody na válcovací stolici Kvarto. Pro docílení tvaru profilu jsou v horním pracovním válci vytvořeny kalibry pro jednotlivé profily. Finální profil pásu je vytvořen dodržením předepsaných úběrů a použitím správných kalibrů. Na rozdíl od běžného válcování za studena dochází v tomto případě i k šíření pásu. Režim konečného doválcování musí být optimalizován z pohledu dodržení požadovaných tolerancí tloušťky, tvaru profilu, tolerancí šířky a přímosti pásu. Konečnou výrobní operací je kalení pásu v průběžné kalicí lince na požadovanou tvrdost.

Podobným způsobem jako profilová pásová ocel pro výrobu lamel variátorů se vyrábí i speciální pásová ocel určená pro výrobu vysekávacích či jiných nožů („nožovina“).

Rychlořezné oceli patří mezi nejpoužívanější nástrojové oceli pro výrobu vysoce výkonných nástrojů, většinou určených pro strojní obrábění kovových materiálů. Jejich charakteristické vlastnosti, jako je velká odolnost proti popouštění, vysoká tvrdost za tepla i za studena, vysoká odolnost proti opotřebení a přiměřená houževnatost, umožňují vyrábět nástroje o velké výkonnosti, řezivosti a trvanlivosti. Rychlořezné oceli patří mezi nejobtížněji tvařitelné oceli, a to jak za tepla, tak i za studena.

Jedním z výrobků z rychlořezné oceli jsou strojní a ruční pilové listy z úsporné oceli ČSN 19 820. Tloušťka těchto výrobků je od 0,6 mm až do cca 5 mm. Pily o tloušťce pod 3 mm se většinou vyrábějí z pásů válcovaných za tepla dalším zpracováním technologií válcování za studena. Strukturu rychlořezné oceli je nutno upravit před válcováním za studena tak, aby neobsahovala lamelární formy perlitu, který ještě více zhoršuje tvařitelnost za studena. Toho se dosáhne dokonalým žíháním naměkko v ochranné atmosféře o stejném uhlíkovém ekvivalentu, jako má žíhaná ocel. Tím se lamelární perlit bez vzniku oduhličeného nebo nauhličeného povrchu přemění na perlit globulární. Toto žíhání tak nahrazuje žíhání rekrystalizační, prováděné za účelem obnovení tvařitelnosti po tváření za studena.

Tvařitelnost naměkko vyžíhané rychlořezné oceli ČSN 19 820 umožňuje provádět celkový úběr pásů mezi jednotlivými žíháními ve výši 30 až 35 %. Ve všech případech musí být udržen perlit v globulární formě. Konečným zpracováním pilových listů z rychlořezné oceli je kalení a několikanásobné popouštění na teploty cca 500 °C.

Hybnou silou pro další pokrok aplikovaného výzkumu a vývoje v oblasti zpracování ocelových výrobků je zejména prudký rozvoj automobilového průmyslu v regionu střední Evropy (významně je zastoupen rovněž letecký a železniční průmysl). Požadavky na užitné vlastnosti ocelových výrobků a kvalitu dodávek jsou v těchto oblastech průmyslové výroby vysoce nadstandardní oproti běžné průmyslové produkci. Zejména koncentrace automobilového průmyslu v české kotlině tak poskytuje neustálé výzvy k dalšímu zlepšování kvality materiálů i výrobních technologií.

Nezbytnou součástí procesu inovace v oblasti spolupráce materiálového inženýrství a tváření za studena je výchova nových odborníků jak pro oblast výzkumu a vývoje, tak zejména pro aplikaci nových poznatků do průmyslové praxe. Tuto roli plní například Ústav strojírenské technologie Fakulty strojní ČVUT v Praze, kde vznikla řada projektů úspěšné spolupráce průmyslové sféry s akademickým prostředím. Potenciál rozvoje technických oborů se v EU a ČR nejen ani zdaleka nevyčerpal, ale prosazováním nových technologických trendů nabývá stále více na významu a je výzvou i pro nastupující generaci.

Ing. Václav Machek

vmachek@volny.cz