Response of a DIN 18MnCrSiMo6-4 continuous cooling bainitic steel to different plasma nitriding gas mixtures

Continuous cooling bainitic steels has been widely used in industrial processes owing to its excellent mechanical properties and toughness. Although the surface properties of them are acceptable for many purposes, for their use in mechanical components like gears, it is necessary to improve their surface properties. Plasma nitriding treatments was carried out of a DIN 18MnCrSiMo6-4 steel at 500 °C, with three different nitrogen gas composition: 76, 24 and 5 vol.% nitrogen in hydrogen, for 3, 6 and 9 hours. The surfaces were characterized concerning the microstructure, microhardness, fracture toughness, nitrogen concentration and carbon composition, phase composition and residual stress states. Based on the results presented, layer growth constants (k) for different nitrogen gas composition was determined. The carbon profiles of samples indicate that there was decarburization during the plasma nitriding. The nitrided samples with thicker compound layers presented a fracture behavior dominated by the formation of Palmqvist cracks. X-ray phase analysis indicated the formation of biphasic compound layer on the surface of all nitrided samples with 76 and 24 vol.% nitrogen, while the nitrided samples with 5 vol.% nitrogen indicated the formation of monophasic compound layer. The diffusion zone presented compressive residual stresses with highest values near the surface

Numerical simulation of residual stresses generated in the wire drawing process for different process parameters

A trefilação de barras de aço é usualmente utilizada para conferir precisão dimensional e melhores propriedades mecânicas ao material. Por outro lado, um dos problemas do processo é o aparecimento de distorções de forma após a realização do tratamento térmico. Tais distorções estão diretamente relacionadas ao acúmulo de tensões residuais geradas durante as etapas do processo de fabricação. Em função disso, este trabalho visa avaliar a influência de parâmetros, como forma de agarre do fio-máquina, velocidade e lubrificação utilizados na trefilação de barras de aço analisando a distribuição de tensões residuais após esta etapa. A análise das tensões foi realizada através do método de elementos finitos, utilizando dois softwares de simulação numérica computacional: Simufact.formingGP e DeformTM. Através desta análise, verificou-se que a forma como a barra é tracionada ocasiona uma diferença de até 100 MPa nas tensões residuais no centro da barra, o que representa um fator importante no estudo das possíveis causas das distorções. Verificou-se também, que parâmetros como a velocidade e a homogeneidade da lubrificação modificam consideravelmente o perfil das tensões residuais no produto final.The drawing process of steel bars is usually used to check better dimensional accuracy and mechanical properties to the material. In the other hand, the major concern found in manufacturing axes through this process is the appearance of distortion of shape. Such distortions are directly linked to the accumulation of residual stresses generated during the processes. As a result, this paper aims to study the influence of process parameters such as shape of puller, speed and lubrication used in wire drawing analyzing the accumulation of residual stress after the process. The stress analysis was performed by FEM being used two simulation software: Simufact.formingGP and DeformTM. Through these analyzes, it was found that the shape of how the bar is pulled causes a reduction of up to 100 MPa in residual stresses in the center of the bar, which represents an important factor in the study of the possible causes of the distortion. As well as factors speed and homogeneity of lubrication significantly altered the profile of residual stresses in the ba

La Opinión : diario independiente de la mañana: Epoca SEGUNDA Año VI Número 1367 - 1928 Junio 19

A trefilação de barras é um dos mais antigos processos de conformação mecânica e pode ser definido como um processo de manufatura por deformação plástica, onde o fio-máquina (matéria-prima) é tracionado passando através de uma ferramenta cônica, causando uma redução da área da seção transversal e, aumentando o comprimento total. Este processo introduz tensões residuais no produto final. Parâmetros como ângulo de fieira, coeficiente de atrito e redução, bem como a anisotropia do material tem grande influência nestas tensões. Neste trabalho avaliou-se a influência dos parâmetros citados nas tensões residuais resultantes do processo de trefilação de barras redondas de aço AISI 1045 com diâmetro inicial de 20,46 mm e final, após trefilação, de 20,25 mm, através de simulação numérica, comparando os resultados obtidos numericamente com dados experimentais. Além disso, inseriram-se heterogeneidades nos modelos computacionais de trefilação para que fossem verificados seus efeitos sobre a distorção (empenamento) das barras. Foram criados seis modelos para simular as tensões residuais e para estes, realizadas diferentes validações numéricas, as quais sugerem uma grande proximidade entre o problema físico e o modelo computacional. O atrito teve uma maior influência na força de trefilação do que nas tensões residuais após trefilação. A utilização de duas fieiras para realizar a trefilação mostrou uma redução das tensões residuais trativas na superfície, sendo que reduzindo a distância entre as mesmas, observou-se uma redução ainda maior destas. A consideração da anisotropia do material também mostrou influência considerável no valor das tensões e deve ser levada em conta nas simulações. Observou-se também, pelas comparações entre as simulações, que pelas variações realizadas, os valores das tensões residuais simulados aproximaram-se dos valores experimentais medidos por difração de Nêutrons, porém os resultados ainda não foram satisfatórios. Neste trabalho também são discutidas as possíveis razões das diferenças observadas.The wire drawing is one of the oldest mechanical forming processes and it may be defined as a manufacturing process for plastic deformation, where the wire rod (raw material) is pulled passing through a conical tool, causing a reduction in cross section area and increasing the total length. This process introduces residual stresses in the final product. Parameters such as die angle, friction coefficient, area reduction and the anisotropy of the material has great influence on these stresses. In this study was evaluated the influence of the parameters mentioned in the residual stresses resulting from the drawing process of round bars of AISI 1045 steel with initial diameter of 20.46 mm and final, after drawing, of 20.25 mm. Through numerical simulation, a comparison of numerical results and experimental data was carried out. Furthermore, heterogeneities were inserted in the drawing computational models to check their effects on distortion (warpage) of the bars. Six models were created to simulate the residual stresses with following numerical validations, showing good approximation between the physical problem and the computational model. Friction had a greater influence on the drawing force than in residual stresses after drawing. The use of two dies to perform the drawing showed a reduction of residual stresses, however if the distance between two dies is reduced, lower levels of resulting tensile residual stresses in the surface are seen. The consideration of the material anisotropy also showed considerable influence on the value of the residual stresses and it should be taken into account in the simulations. Concerning the comparison of simulated and measured residual stresses by the neutron diffraction method, the results approach similar profiles, however the results were still not satisfactory. This work discusses the possible reasons for the observed difference in terms of residual stresses

Untersuchung und Analyse des Einflusses eines Vorrichtens auf gezogene Stäbe aus dem Stahl AISI 1045

The drawn bars are the raw material for manufacturing of automotive shafts for presenting high mechanical properties, good dimensional quality and surface finish. The residual stress generated in the manufacturing process can potentially lead to distortion and dimensional variations in mechanical components. Process parameters such as pressure and distance between the pre-straightening rollers, material properties, friction between the tool and the workpiece, as well as wire drawing parameters like reducing and die angle, influence the residual stresses induced in the final product. Numerical simulation is a resourceful tool to evaluate the level of influence of each parameter involved in the process: it does not require the manufacture of prototypes and it eliminates the "try-out" process which is very common in experimental procedures. The work presented herein mainly aims at investigation and improvement of the pre-straightening influences in the wire drawing process chain by investigating the behavior of residual stresses generated in the process of AISI 1045 steel bars. Besides, the variation of process parameter such distance of pre-straightening rolls, through numerical simulation and subsequent comparison with results from experimental measurements were performed. The numerical simulations of the pre-straightening process have shown heterogeneous profiles of deformation and, consequently, heterogeneous profiles of residual stress at both the surface and in the section of the simulated bars. This heterogeneity of deformation can be noted after drawing on specific areas of the workpiece, and it leads to the conclusion that the deformations are carried from one process to the next one. The changes in the distance of the rolls have shown that the first couple of the horizontal rolls has more significant influence in the distribution of stress and strains after wire drawing.Barras trefiladas são utilizadas como matéria prima para a fabricação de eixos automotivos por apresentarem propriedades mecânicas elevadas, boa qualidade dimensional e um bom acabamento superficial. As tensões residuais geradas no processo de fabricação podem causar distorção de forma e variações dimensionais nos componentes mecânicos. Parâmetros de processo como pressão e distância entre os rolos de pré-endireitamento, propriedades do material, atrito entre ferramenta/peça, bem como parâmetros da trefilação como redução e ângulo de fieira tem influência nas tensões residuais geradas no produto final. A simulação numérica é uma ótima ferramenta para a verificação da influência de todos estes parâmetros envolvidos no processo, pois é uma ferramenta que não exige a fabricação de protótipos e reduz a quantidade de “tentativa e erro”, muito comum em procedimentos experimentais. Este trabalho tem por principal objetivo avaliar o comportamento das tensões residuais e distorções geradas no pré-endireitamento e trefilação do fio-máquina de aço AISI 1045 em função da variação de parâmetros do processo como pressão, distância e número de rolos de pré-endireitamento via simulação numérica e posterior comparação com resultados de medições experimentais. As simulações do processo de pré-endireitamento, mostraram perfis heterogêneos de deformações e consequentemente de tensões residuais tanto na superfície quanto na seção das barras simuladas. Essa heterogeneidade das deformações pode ser percebida após a trefilação ao longo de toda a barra e com isso, pode-se dizer que as deformações são carregadas de um processo a outro. As mudanças na distância entre os rolos de endireitamento mostraram que a primeira dupla de rolos do endireitamento horizontal influenciam na distribuição das tensões residuais após a trefilação.Die gezogenen Stangen sind der Rohstoff für die Herstellung von Fahrzeugwellen, um hohe mechanische Eigenschaften, gute Maßhaltigkeit und Oberflächengüte zu erzielen. Die im Herstellungsprozess entstehenden Eigenspannungen können möglicherweise zu Verformungen und Maßabweichungen bei mechanischen Bauteilen führen. Prozessparameter wie Druck und Abstand zwischen den Richtwalzen, Materialeigenschaften, Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück sowie Drahtziehparameter wie Durchmesserreduzierung und Matrizenwinkel beeinflussen die im Endprodukt induzierten Eigenspannungen. Die numerische Simulation ist ein nützliches Werkzeug zur Bewertung des Einflussniveaus der einzelnen am Prozess beteiligten Parameter: Sie erfordert nicht die Herstellung von Prototypen und eliminiert den bei experimentellen Verfahren üblichen "Try-out" -Prozess. Die hier vorgestellte Arbeit zielt hauptsächlich auf die Untersuchung und Verbesserung der Vorrichteinflüsse in der Prozesskette des Drahtziehens durch Untersuchung des Verhaltens von Eigenspannungen, die im Prozess von AISI 1045-Stahlstäben erzeugt werden. Außerdem wurde die Variation von Prozessparametern wie Abstand der horizontalen Richtwalzen durch numerische Simulation und anschließenden Vergleich mit Ergebnissen aus experimentellen Messungen durchgeführt. Die numerischen Simulationen des Vorrichtprozesses haben heterogene Verformungsprofile und folglich heterogene Eigenspannungsprofile sowohl an der Oberfläche als auch im Querschnitt der simulierten Stäbe gezeigt. Diese Heterogenität der Verformung lässt sich nach dem Ziehen auf bestimmte Bereiche des Werkstücks feststellen und lässt den Schluss zu, dass die Verformungen von einem Prozess zum nächsten übertragen werden. Die Änderungen im Abstand der Walzen haben gezeigt, dass das erste Paar der horizontalen Walzen die Verteilung der Spannungen und Dehnungen nach dem Drahtziehen maßgeblich beeinflussten

Untersuchung und Analyse des Einflusses eines Vorrichtens auf gezogene Stäbe aus dem Stahl AISI 1045

The drawn bars are the raw material for manufacturing of automotive shafts for presenting high mechanical properties, good dimensional quality and surface finish. The residual stress generated in the manufacturing process can potentially lead to distortion and dimensional variations in mechanical components. Process parameters such as pressure and distance between the pre-straightening rollers, material properties, friction between the tool and the workpiece, as well as wire drawing parameters like reducing and die angle, influence the residual stresses induced in the final product. Numerical simulation is a resourceful tool to evaluate the level of influence of each parameter involved in the process: it does not require the manufacture of prototypes and it eliminates the "try-out" process which is very common in experimental procedures. The work presented herein mainly aims at investigation and improvement of the pre-straightening influences in the wire drawing process chain by investigating the behavior of residual stresses generated in the process of AISI 1045 steel bars. Besides, the variation of process parameter such distance of pre-straightening rolls, through numerical simulation and subsequent comparison with results from experimental measurements were performed. The numerical simulations of the pre-straightening process have shown heterogeneous profiles of deformation and, consequently, heterogeneous profiles of residual stress at both the surface and in the section of the simulated bars. This heterogeneity of deformation can be noted after drawing on specific areas of the workpiece, and it leads to the conclusion that the deformations are carried from one process to the next one. The changes in the distance of the rolls have shown that the first couple of the horizontal rolls has more significant influence in the distribution of stress and strains after wire drawing.Barras trefiladas são utilizadas como matéria prima para a fabricação de eixos automotivos por apresentarem propriedades mecânicas elevadas, boa qualidade dimensional e um bom acabamento superficial. As tensões residuais geradas no processo de fabricação podem causar distorção de forma e variações dimensionais nos componentes mecânicos. Parâmetros de processo como pressão e distância entre os rolos de pré-endireitamento, propriedades do material, atrito entre ferramenta/peça, bem como parâmetros da trefilação como redução e ângulo de fieira tem influência nas tensões residuais geradas no produto final. A simulação numérica é uma ótima ferramenta para a verificação da influência de todos estes parâmetros envolvidos no processo, pois é uma ferramenta que não exige a fabricação de protótipos e reduz a quantidade de “tentativa e erro”, muito comum em procedimentos experimentais. Este trabalho tem por principal objetivo avaliar o comportamento das tensões residuais e distorções geradas no pré-endireitamento e trefilação do fio-máquina de aço AISI 1045 em função da variação de parâmetros do processo como pressão, distância e número de rolos de pré-endireitamento via simulação numérica e posterior comparação com resultados de medições experimentais. As simulações do processo de pré-endireitamento, mostraram perfis heterogêneos de deformações e consequentemente de tensões residuais tanto na superfície quanto na seção das barras simuladas. Essa heterogeneidade das deformações pode ser percebida após a trefilação ao longo de toda a barra e com isso, pode-se dizer que as deformações são carregadas de um processo a outro. As mudanças na distância entre os rolos de endireitamento mostraram que a primeira dupla de rolos do endireitamento horizontal influenciam na distribuição das tensões residuais após a trefilação.Die gezogenen Stangen sind der Rohstoff für die Herstellung von Fahrzeugwellen, um hohe mechanische Eigenschaften, gute Maßhaltigkeit und Oberflächengüte zu erzielen. Die im Herstellungsprozess entstehenden Eigenspannungen können möglicherweise zu Verformungen und Maßabweichungen bei mechanischen Bauteilen führen. Prozessparameter wie Druck und Abstand zwischen den Richtwalzen, Materialeigenschaften, Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück sowie Drahtziehparameter wie Durchmesserreduzierung und Matrizenwinkel beeinflussen die im Endprodukt induzierten Eigenspannungen. Die numerische Simulation ist ein nützliches Werkzeug zur Bewertung des Einflussniveaus der einzelnen am Prozess beteiligten Parameter: Sie erfordert nicht die Herstellung von Prototypen und eliminiert den bei experimentellen Verfahren üblichen "Try-out" -Prozess. Die hier vorgestellte Arbeit zielt hauptsächlich auf die Untersuchung und Verbesserung der Vorrichteinflüsse in der Prozesskette des Drahtziehens durch Untersuchung des Verhaltens von Eigenspannungen, die im Prozess von AISI 1045-Stahlstäben erzeugt werden. Außerdem wurde die Variation von Prozessparametern wie Abstand der horizontalen Richtwalzen durch numerische Simulation und anschließenden Vergleich mit Ergebnissen aus experimentellen Messungen durchgeführt. Die numerischen Simulationen des Vorrichtprozesses haben heterogene Verformungsprofile und folglich heterogene Eigenspannungsprofile sowohl an der Oberfläche als auch im Querschnitt der simulierten Stäbe gezeigt. Diese Heterogenität der Verformung lässt sich nach dem Ziehen auf bestimmte Bereiche des Werkstücks feststellen und lässt den Schluss zu, dass die Verformungen von einem Prozess zum nächsten übertragen werden. Die Änderungen im Abstand der Walzen haben gezeigt, dass das erste Paar der horizontalen Walzen die Verteilung der Spannungen und Dehnungen nach dem Drahtziehen maßgeblich beeinflussten

Evaluation of experimentally observed asymmetric distributions of hardness, strain and residual stress in cold drawn bars by FEM-simulation

The purpose of this paper is to investigate the correlation of strain and hardness parameters in a drawing process chain of an SAE 1045 steel bar. The present work discusses the application of the experimental and numerical method of analysis, based on hardness measurements, which allows evaluation of the strain distribution and mechanical properties in drawn products. The influence on the strain, hardness and residual stress distributions of cold drawing parameter variations were investigated by numerical simulation. A misalignment between bar and drawing tool was evaluated in the models, as well as variation of friction at different regions of the bar. Compression tests were carried out at different reductions to determine the flow curve and analyze the material behavior during a cold hardening process. The microstructural analysis has shown a potential influence of material segregation in the characteristics of the final products. Simulation results validate the assumption of die misalignment and inhomogeneous lubrication influences on residual stresses profiles after wire drawing. Taking into account effects of misalignment and friction at the same time, in a so-called combination model, a better agreement between numerical simulation and experimental results for cold drawing process was achieved. Keywords: Hardness, Plastic strain deformation, Residual stresse

Response of a DIN 18MnCrSiMo6-4 continuous cooling bainitic steel to different plasma nitriding gas mixtures

Continuous cooling bainitic steels has been widely used in industrial processes owing to its excellent mechanical properties and toughness. Although the surface properties of them are acceptable for many purposes, for their use in mechanical components like gears, it is necessary to improve their surface properties. Plasma nitriding treatments was carried out of a DIN 18MnCrSiMo6-4 steel at 500 °C, with three different nitrogen gas composition: 76, 24 and 5 vol.% nitrogen in hydrogen, for 3, 6 and 9 hours. The surfaces were characterized concerning the microstructure, microhardness, fracture toughness, nitrogen concentration and carbon composition, phase composition and residual stress states. Based on the results presented, layer growth constants (k) for different nitrogen gas composition was determined. The carbon profiles of samples indicate that there was decarburization during the plasma nitriding. The nitrided samples with thicker compound layers presented a fracture behavior dominated by the formation of Palmqvist cracks. X-ray phase analysis indicated the formation of biphasic compound layer on the surface of all nitrided samples with 76 and 24 vol.% nitrogen, while the nitrided samples with 5 vol.% nitrogen indicated the formation of monophasic compound layer. The diffusion zone presented compressive residual stresses with highest values near the surface

Computational simulations of a wire-drawing process in the production of AISI 1045 steel bars

Nesse trabalho foi simulada a etapa de trefilação na produção de barras redon- das do aço AISI 1045 através do processo de trefilação combinada. Foram determi- nados diversos parâmetros para a simulação com base em processos industriais de trefilação combinada. Foi realizado o teste do anel, e sua simulação, a fim de obter-se o valor de atrito para utilização na simulação numérica e cálculos analíticos. Dos resul- tados da simulação numérica, através da comparação desta com equações empíricas e analíticas, foi avaliada a capacidade da simulação de prever a força de trefilação. Além disso, foi realizado um esforço no sentido de determinar as tensões residuais após a trefilação. Os valores simulados de tensões residuais foram comparados com valores experimentais obtidos através de análise de tensões residuais por difração de Nêutrons realizada em amostras trefiladas da industria. Com base neste trabalho, foi discutida a possibilidade de usar-se a simulação para prever quantitativamente as tensões residuais após o processo de trefilação. As análises poderão ser utilizadas para o desenvolvimen- to de futuros melhoramentos no processo de trefilação.In this work, the wire-drawing production step for the production of AISI 1045 steel bars was numerically simulated. Different parameters necessary for the simula- tion were estimated based on current combined industrial drawing processes. Ring compression tests were carried out and simulated aiming at the determination of the friction value to be used in the simulation. From the numerical simulation results, the capacity of the simulation for estimating the drawing forces by comparison with analytical and empirical equations was evaluated. Besides this, an effort was made to simulate the residual stresses after drawing. The simulated residual stress profiles were then compared to experimental residual stresses profiles, which were obtained in a Neutron Diffraction experimental analysis carried out on industrial samples. Based on this work, the possibility of using simulation to quantitatively calculate residual stresses after the cold drawing was discussed. The carried out analysis will be used to implement improvements in the drawing process

Computational simulations of a wire-drawing process in the production of AISI 1045 steel bars

Nesse trabalho foi simulada a etapa de trefilação na produção de barras redon- das do aço AISI 1045 através do processo de trefilação combinada. Foram determi- nados diversos parâmetros para a simulação com base em processos industriais de trefilação combinada. Foi realizado o teste do anel, e sua simulação, a fim de obter-se o valor de atrito para utilização na simulação numérica e cálculos analíticos. Dos resul- tados da simulação numérica, através da comparação desta com equações empíricas e analíticas, foi avaliada a capacidade da simulação de prever a força de trefilação. Além disso, foi realizado um esforço no sentido de determinar as tensões residuais após a trefilação. Os valores simulados de tensões residuais foram comparados com valores experimentais obtidos através de análise de tensões residuais por difração de Nêutrons realizada em amostras trefiladas da industria. Com base neste trabalho, foi discutida a possibilidade de usar-se a simulação para prever quantitativamente as tensões residuais após o processo de trefilação. As análises poderão ser utilizadas para o desenvolvimen- to de futuros melhoramentos no processo de trefilação.In this work, the wire-drawing production step for the production of AISI 1045 steel bars was numerically simulated. Different parameters necessary for the simula- tion were estimated based on current combined industrial drawing processes. Ring compression tests were carried out and simulated aiming at the determination of the friction value to be used in the simulation. From the numerical simulation results, the capacity of the simulation for estimating the drawing forces by comparison with analytical and empirical equations was evaluated. Besides this, an effort was made to simulate the residual stresses after drawing. The simulated residual stress profiles were then compared to experimental residual stresses profiles, which were obtained in a Neutron Diffraction experimental analysis carried out on industrial samples. Based on this work, the possibility of using simulation to quantitatively calculate residual stresses after the cold drawing was discussed. The carried out analysis will be used to implement improvements in the drawing process