книги из ГПНТБ / Хомяк, Б. С. Износостойкость кузнечно-прессового инструмента и штампов и методы ее исследования [обзор]

центрируется в основном вблизи границ зерен WC, а остальная часть Со ведет себя почти упруго [61].

В твердом сплаве на определенной глубине от поверхности из­ носа (до 10—30 мкм) образуется слой, по своим свойствам отлич­ ный от исходного, полученного после механической обработки.

Выполненные автором обзора исследования позволяют сделать вывод, что на поверхности износа твердосплавных штампов и ин­ струмента имеет место одновременно пластическая деформация и разрушение кобальтовой и карбидной фаз. При износе зерна WC ослабляются, что приводит к ослаблению связей с соседними зер­ нами и кобальтовой связкой. При этом происходит дробление кар­

бидных зерен, течение кобаль­

торое снятие термических фазных напряжений.

На микрошлифах твердосплавных изделий до износа зерна WC имеют формы многоугольников с острыми углами.

Просмотр поверхности износа штампов и инструментов на элек­ тронных (просвечивающих и растровых) микроскопах показывает, что карбидные зерна имеют в основном округлую форму. Это мож­ но объяснить тем, что при пластическом течении сплава при сопри­ косновении зерен WC возникают высокие контактные напряжения, разрушающие острые углы и грани.

При исследовании на поверхности твердосплавных штампов и инструмента на третьей стадии износа в отдельных случаях был об­ наружен плохо травящийся слой (рис. 17), толщиной до 10—\Ъмкм. Структура этого слоя имеет повышенное содержание WC. Можно предположить, что на третьей стадии износа, характеризующейся увеличением шероховатости поверхности износа и некоторым ее разрыхлением, вследствие возникновения усталостных явлений на­ блюдается изменение (дифференциация) микроструктуры твердо­

60

качество мартенсита определяется его химическим составом, а ка­ чество карбидов—природой, составом, количеством и степенью дисперсности. Увеличение размеров карбидов снижает износостой­ кость штамповых сталей.

Стали с большим количеством карбидной фазы имеют наиболь­ шую износостойкость при низкой удельной энергии удара. С увели­ чением удельной энергии удара большое количество карбидной фазы приводит к выкрашиванию поверхности износа.

Важную роль в износостойкости штамповых сталей играет мар­ тенсит, который должен быть износостойким и одновременно проч­ но удерживать мелкие кристаллы карбида [37].

Если твердость мартенсита в износостойких сталях составляет ИВ600, то твердость карбидов значительно выше. Так карбид ти­ тана TiC имеет микротвердость 2580 кгс/мм2, карбид ванадия VC— 2094 кгс/мм2, карбид молибдена МогС — 1479 кгс/мм2 и карбид вольфрама WC — 923 кгс/мм2.

По мнению автора обзора, штамповые и инструментальные ста­ ли имеют скелетную структуру. Связанные между собой-зерна раз­ ных фаз этих сталей при нагревании штампов и инструмента во вре­ мя эксплуатации расширяются, а при охлаждении сжимаются в объеме по-разному, что приводит к возникновению дополнительных напряжений.

В фазах двухфазных или многофазных штамповых сталей при их нагружениях внешними силами во время штамповки возникают напряжения, которые при определенных значениях приводят к микропластической деформации в мягких и твердых составляющих фазах.

Следует отметить, что в ряде случаев имеющая место значитель­ ная макропластическая деформация рабочей поверхности штампов объясняется неправильным выбором штамповых сталей или непра­ вильной их термической обработкой.

В работе [35] отмечается, что интенсивность ударного износа инструментальных легированных сталей, применяемых для изготов­ ления штампов холодного деформирования (6ХС, 9ХС, ХВГ, Х12М, Р18), зависит от энергии удара, пластичности, твердости и их фа­ зового состава.

При ударном износе у легированных сталей одновременно с упрочнением поверхностных слоев от пластического деформирова­ ния происходит упрочнение их от превращения остаточного аусте­ нита в мартенсит.

В ряде случаев при горячей, а также холодной штамповке на­ блюдается изменение структуры в процессе износа штампов и ин­ струмента. Так, при исследовании износа холодновысадочного инст­ румента наблюдался переход исходной структуры троостомартенсита в троостит и т. д.

При износе штамповых сталей наблюдается изменение микро­ твердости. Так, при испытаниях гаечных секторных матриц из ста­ ли У10А с HRC 59—60 для холодной высадки гаек М10 из стали 10

62

наблюдались следующие изменения микротвердости (рис. 18): с первых минут работы матрицы происходит упрочнение поверхно­ стных слоев, вместо исходных 520—650 кгс/мм2 (кривая /), микро­ твердость достигает 820—970 кгс/мм2 (кривая 4). В дальнейшем происходит некоторое разупрочнение — в период установившегося

Рис. 18. Изменение микротвердости поверхностных слоев в сечении сектора в различные периоды работы матрицы:

В отдельных случаях на поверхности износа штамповых сталей наблюдается образование «белых слоев», плохо подвергающихся травлению. Белые зоны на поверхности штампов представляют со­ бой мелкодисперсные вторичные структурные фазы, образующиеся под воздействием температурных вспышек и циклических дефор­ маций при трении.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРА ИЗНОСА И УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ИНСТРУМЕНТА И ШТАМПОВ

Измерения остаточных напряжений. Для определения остаточ­ ных напряжений в деталях широкое применение находит известный механический метод, основанный на снятии напряженных слоев стравливанием или обточкой и разрезкой (например, при исполь­ зовании кольцеобразных образцов) с последующим измерением деформации и определением с помощью методов теории упругости величины и характера распределения остаточных напряжений.

Применяется также рентгенографический метод. Его преимуще­ ством является возможность определения только упругих напряже­ ний в поверхностном слое, в то время как с помощью механического метода выявляется суммарный эффект от упругих и пластических деформаций. Кроме того, рентгеновский метод определения остаточ-

63

ных напряжений позволяет проследить за состоянием каждой фазы исследуемого образца в отдельности, что нельзя выполнить с по­ мощью механического метода.

Высказывается предположение, что рентгенографическое изме­ рение определяет не абсолютное напряженное состояние, а лишь преобладание напряжений одного знака над напряжениями проти­ воположного знака в единице объема.

Р е н т г е н о г р а ф и ч е с к и й ме т од . При исследовании оста­ точных напряжений автор обзора применил способ многократных наклонных съемок (sin2i|)-onoco6), с помощью которого проводилось рентгенографическое определение остаточных напряжений по кар­ бидной и кобальтовой фазам (предполагалось двухосное напряжен­ ное состояние) в твердосплавных вставках марки ВК20 гаечных секторных шестигранных матриц после шлифования их кругами из карбида кремния зеленого, алмазного шлифования и в дальнейшем при износе после выполнения последовательно 500 тыс., 800 тыс., 2 млн., 3 млн. штампоударов при холодной высадке гаек М12 из стали 10 на автомате А-412. При этом определялась остаточная ориентированная деформация. Съемки производили на дифракто­ метре ДРОН-1 в излучении железного и кобальтового анодов. Ре­ гистрировали линии (112) WC и (311) р-Со.

По результатам определения углов отражения # и межплоскост­ ных расстояний d, полученных при наклонных съемках, строили гра­

М -р

чистого кобальта.

64

В связи с отсутствием в литературе рентгеновских значений Е и ц приняты их механические значения.

Максимальная погрешность при определении компоненты ai или 02 составляла ~ ± 10 кгс/мм2.

Из-за двухфазностм сплава возникающие напряжения являются межфазными микронапряженйямн, однако механизм их образова­ ния следует считать макроскопическим.

При шлифовании на поверхность твердосплавных изделий дей­ ствуют термический и механический факторы, которые приводят к возникновению напряжений противоположных знаков. Известно,- что остаточные напряжения, возникающие в поверхностном слое твердых сплавов в процессе механической обработки, распростра­ няются на глубину до 50—90 мкм. При шлифовании вольфрамоко­ бальтовых твердых сплавов кругом из карбида кремния зеленого в связи с преобладающим действием термического фактора на по­ верхности выявлены остаточные растягивающие напряжения, до­ стигающие ~80 кгс/мм2.

После алмазного шлифования на рабочей поверхности сектор­ ных твердосплавных вставок были обнаружены сжимающие оста­ точные напряжения в фазе WC до 140 кгс/мм2, а в фазе Со — сжи­ мающие остаточные напряжения до 50 кгс/мм2. Максимальный из­ нос матриц после 3 млн. штампоударов был равен 65 мкм. Линин кобальта на изношенных поверхностях выявлялись плохо, поэтому от измерения их положения отказались.

На рис. 20 представлены зависимости межплоскостных расстоя­

4

результаты измерения остаточных напряжений. Приведенные зна­ чения остаточных напряжений в зависимости от различных условий алмазной обработки относятся к слою толщиной 3—-4 мкм, соответ­ ствующему глубине отражающего слоя при рентгеновском исследо­ вании твердых сплавов.

При износе гаечных матриц, секторные вставки которых были подвергнуты алмазному шлифованию, после выполнения 2 млн.

В работе[70] описана методика и приведены результаты рентге­ нографического определения внутренних напряжений в сталях типа 10006 и 16МпСг5 после закалки и низкого отпуска. Измерение про­ водили на дифрактометре по линиям (211) и (220) с использовани­ ем Mo-излучения, а расчеты выполняли по методу определения

а.\ — напряжения в аустените, а д — содержание остаточного аусте­ нита.

Для исследования остаточных напряжений применяют также ме­ тод тензометрирования с помощью электрических датчиков сопро­ тивления, основанный на изменении электросопротивления прово­ лочного тензодатчика вследствие его деформации.

Вработе[4] рассмотрены результаты применения поляризацион­ но-оптического метода исследования остаточных напряжений в штампах горячей штамповки, изготовленных из стали ЗХ2В8, 5ХГСВф^5ХНВ, 5ХНТ, 7X3.

Остаточные напряжения можно изменять. Как указано выше, .на их вид и величину влияет характер применяемого технологического процесса. Так, Hanptmep, обработка холодом способствует возник­

66

новению сжимающих остаточных .напряжений в закаленной стали; при отпуске снимаются как сжимающие, так и растягивающие ос­ таточные напряжения. Остаточные напряжения, возникающие в по­ верхностных слоях металла, могут быть сняты при озвучивании его в ультразвуковом поле.

Измерение температур. В зависимости от характера выполняе­ мого технологического процесса и соответственно температуры за­ готовки рабочая поверхность штампов в процессе штамповки име­ ет разную температуру, оказывающую влияние на процесс износа штампов.

В процессе штамповки вследствие трения заготовки о рабочую поверхность штампа выделяется тепло, которое передается в тело штампа, в тело деформируемой заготовки и в окружающую среду (теплопроводность, радиация, излучение). Так, температура поверх­ ности рабочих частей штампов для холодного прессования и выруб­ ки достигает 300—450° С. Согласно выполненным автором обзора исследованиям, температура инструмента при холодной высадке не превышает 300—330° С. При холодном выдавливании температура инструмента может достигнуть 400° С, а при горячей штамповке по­ верхность ручьев штампов горячей штамповки в процессе работы нагревается до температуры 600—700°С [1].

У нетеплостойких закаленных сталей типа У10А износостойкость

стали выделяющееся тепло может вызвать структурные измене­ ния— отпуск рабочей поверхности штампа, что приводит к ускорен­ ному ее износу.

Для измерения температур обычно применяют методы искусст­ венной и полуискусственной термопары, естественной термопары.

В проводимых автором исследованиях температуры стального и твердосплавного инструмента холодновысадочных автоматов, тем­ пературу в теле высадочного инструмента определяли с помощью нихромконстантановых искусственных термопар с сечением прово­ лочек 0 0,1 мм, покрытых электроизоляционным лаком и закре­ пленных на расстоянии 0,5 мм и более от рабочей поверхности

(рис. 22).

Сваривали свободные концы термопары с компенсационными проводами и приваривали термопару в тело инструмента на кон­ денсаторной электросварочной машине. При измерениях использо­ вали 14-шлейфовый осциллограф Н-700 с одновременным фотогра­ фированием получаемых осциллограмм.

Проводилось также определение температуры в зоне контакти­ рования штампуемой заготовки и инструмента. Например, для опре­ деления температуры в зоне контакта отрезного инструмента хо­ лодновысадочного автомата с прутком в последнем в паз шириной 0,5 мм и глубиной, соответствующей величине максимального уси­

67

лия резания соответствующего металла, зачеканивали нихромконстантановую термопару с сечением проволочек 0,1 мм и покрытых электроизоляционным лаком.

Место закладки термопары в пруток и длина последнего выбира­ лись таким образом, чтобы нож, отрезая заготовку, замыкал тер-

Рис. 23. Пруток, оснащенный термопарой для определе­ ния температуры в зоне резания;

/ — искусственная термопара (нихром, константан); 2 — заливка клеем БФ

68

вали — контакт осуществлялся непосредственно ножом в процес­ се резания.

Применяются и другие способы измерения температур. Так, в работе [69] при исследовании температурного режима штампов го­ рячей штамповки термопары устанавливали в заготовке специаль­ ной формы и в штампе непосредственно под заготовкой вблизи ра­ бочей поверхности штампа.

Для измерения температуры штампов могут также применяться термокарандаши.

Приближенно температуру штампа можно определять косвен­ но по изменению структуры закаленной стали рабочей поверхности при износе.

С целью выявления возможных структурных изменений для ис­

а н а л и з .

Измерение износа и шероховатости рабочей поверхности ин­ струмента и штампов. Для измерения износа рабочей поверхности штампов и инструмента применяется метод микрометража, осно­ ванный на измерении на приборах со специальными приспособле­ ниями одних и тех же размеров до и после износа. Разность пока­ заний определяет величину линейного износа [46].

Радиусы притупления стальных штампов измеряют на инстру­ ментальном микроскопе и большом проекторе БП со слепков из гуттаперчевой мастики, а твердосплавных штампов на микроскопе МИС-11 с использованием метода светового луча. Износ плоских поверхностей штампов измеряют на микроскопе МИС-11 или с по­ мощью профилографа-профилометра завода «Калибр». В отдель­ ных случаях для измерения износа штампов применяются специаль­ ные приборы.

При измерении износа штампов широко применяют метод отпе­ чатков, с помощью которого можно сохранить первоначальную фор­ му и топографию поверхности штампов, получить отпечатки на про­ межуточных стадиях износа, в различных, часто трудно доступных зонах рабочей поверхности. По полученным отпечаткам легко про­ извести замеры. В качестве материалов для изготовления отпечат­ ков применяют пластмассы, например стиракрил и другие, реже— свинец, воск.

Применяют также для исследования износа штампов метод фо­ тографии, заключающийся в неоднократном фотографировании из­ нашиваемой поверхности; это дает информацию как о характере износа, так и о параметрах линейного износа.

Шероховатость плоских и цилиндрических поверхностей штам­ пов по образующей измеряют профилографом-профилометром за­ вода «Калибр», а также при помощи микроскопа МЙС-11 и фото­ графирования профилограмм.