книги из ГПНТБ / Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением учеб. пособие для студентов металлург. спец. вузов

П О Б О Ч Н О Г О и нагревательного оборудования. В настоящее время на автозаводе применяют штамповые кубики из стали марок 5ХНМ. или 5ХНВ (сталь марки 5ХГСВФ используют лишь для изготовле­ ния некоторых штампов несложной конфигурации). Штамповку производят на паровоздушных молотах; нагрев заготовок осущест­ вляют в газовых печах; за исключением нескольких случаев, смаз­ кой является пересыщенный водный раствор поваренной соли.

Для подавляющего большинства поковок установлен единый

промежуточного нагрева) — при 1050± 5 0 °С. С точки зрения влияния на температурный режим штампов эти незначительные колебания конечной температуры штамповки не существенны.

При определении сопротивления металлов горячему деформи­ рованию все поковки по маркам стали в зависимости от химическо­ го состава были разбиты на пять групп. Установлены средние зна­ чения предела прочности сталей в пределах групп при ковочной температуре.

С увеличением массы падающих частей молота изменяются скорость деформирования, энергия удара и исходная твердость штампового кубика, а следовательно, вид ведущего износа. Влия­ ние скоростных параметров штамповки и кинематических особенно­ стей оборудования сказывается на причинах выхода штампов из строя, что позволяет их классифицировать на три группы (см. табл. 10.2).

Рассмотрим зависимость между стойкостью штампов для каж­ дой из 3 групп (в качестве функции) и эксплуатационными пара­ метрами: массой заусенца и заготовки и материалом поковки, яв­ ляющимися аргументами. Указанные параметры корреляционно связаны между собой (масса заусенца, например, корреляционно зависит от массы и материала поковки), поэтому между ними и стойкостью существует множественная корреляционная зависи­ мость. Прочие параметры могут изменяться в определенных преде­ лах; учесть их сложно.

Анализ показателей стойкости штампов с окончательными ручь­ ями, полученных при штамповке на паровоздушных молотах авто­

Рзг

усенца и заготовки; а — показатель степени, равный 0,5.

488

Иными словами, величина износа истиранием определяется объемом металла, вытесняемого в заусенец, и его сопротивлением горячему деформированию; интенсивность износа крупных штам­ пов находится в зависимости от массы заготовки, влияющей на тем­

Высокие значения Roi для трех критериев показывают, что влияние указанных параметров на стойкость молотовых штампов покрыва­

приведена на рис. 10.29. Здесь представлены данные по исследова­ нию более 4500 штампов, полученные при штамповке поковок 28 наименований и различных конфигураций, охватывающие все груп­ пы [270].

489

Из рисунка видно, что естественный износ штампов истиранием занимает наиболее широкий диапазон стойкости изучаемых штам­ пов и в наименьшей мере зависит от критерия интенсивности изно­ са; картина противоположного характера наблюдается при износе крупных штампов. Значительный разброс показателей наблюдается

для группы мелких молотовых штампов. Лучше ложатся на кривую точки с большими массами (зачерненные).

Полученные результаты позволяют предложить рассмотренные критерии для оценки интенсивности износа штампового инстру­ мента.

М а т е р и а л ы и у п р о ч н я ю щ а я о б р а б о т к а ш т а м п о в

Материал горячих штампов в рабочем интервале температур должен обладать повышенными прочностью, разгаростойкостью, износостойкостью, окалиностойкостью, малой чувствительностью к концентрации напряжений. Помимо этого, штамповые стали долж­ ны обладать достаточной прокаливаемостью, отличаться высоким расположением критических точек, хорошей теплопроводностью, малым коэффициентом теплового расширения и др. Многие из этих свойств взаимосвязаны. Практически невозможно создание универ­ сальной стали, которая бы в полной мере удовлетворяла всем пе­ речисленным требованиям; в этом и нет необходимости. Конкрет­ ные условия работы штампового инструмента выдвигают на первый план одновременно лишь несколько основных характеристик штам­ пового материала.

У крупных молотовых штампов материал в первую очередь дол­ жен обладать малой чувствительностью к концентрации напряже­ ний и высокой прокаливаемостью, у мелких и средних — повышен­ ным сопротивлением малой пластической деформации и способно­ стью сохранять высокую твердость в эксплуатационных условиях;

490

в Швеции сталь типа ЗХ2В8Ф содержит никель до 2%, а в Ф Р Г —

на нецелесообразность увеличения в штамповых сталях содержа­ ния вольфрама свыше 12%; введение никеля в стали, легирован­ ные большим количеством вольфрама и хрома, также не рекомен­ дуется [296]. Легирование карбидообразующими элементами и соз­ дание вторично твердеющих штамповых сталей остается наиболее эффективным методом повышения стойкости инструмента.

Одновременно при разработке новых материалов делаются по­ пытки применения безуглеродистых мартенситно стареющих сталей (типа ОН12М5К4ТЮ) и сталей с карбидным и интерметаллидным упрочнением (типа ЗХ2Н8МФСЮ). Однако эти стали по общему уровню механических свойств продолжают пока отставать от тра­ диционных штамповых сталей с карбидным упрочнением.

В некоторых странах для изготовления инструмента, восприни­ мающего значительные тепловые нагрузки, применяют аустенитные дисперсионно твердеющие стали. Применение их способствует уве­ личению износостойкости инструмента для протяжки, штамповки и прессования труднодеформируемых сплавов. К подобному клас­ су относится сталь марки NiCrW1313 (ФРГ), содержащая 13%' Сг

и13% Ni [290].

Втабл. 10.9 указаны области применения некоторых марок оте­ чественных штамповых сталей. Эти данные носят ориентировочный характер, так как при назначении штамповой стали в первую оче­ редь необходимо учитывать температуры и напряжения, возникаю­ щие в штампах при данных конкретных условиях эксплуатации и характер их износа.

Ю.А. Г е л л е р на основании выполненных исследований [297] предлагает классифицировать все штамповые материалы для прес­ сового инструмента в зависимости от назначения на следующие группы:

1) стали повышенной разгаростойкости и вязкости при доста­ точной теплостойкости (до 550—600°) — для штамповки алюми­ ниевых и магниевых сплавов при динамических нагрузках и резких

ных температурах, но без резких динамических нагрузок (стали марок 4Х2В5ФМ, ЗХ2В8Ф, 4ХЗВ5МЗФ);

3) стали промежуточного типа, сочетающие повышенную разга- ростойкость и теплостойкость, обладающие хорошей закаливаемо­ стью и прокаливаемостью, — для крупных штампов ( З Х 4 В 2 М 2 Ф , 4ХЗВ2М2Ф и др.).

Указанная классификация имеет несколько общий характер. Обоснованные рекомендации областей применения отдельных штамповых сталей до настоящего времени отсутствуют.

Существуют разнообразные методы упрочняющей обработки штампов. К ним относятся методы пластической обработки гравю-

494

Т а б л и ц а 10.9

Области применения сталей для инструмента горячего деформирования

ком, гидроабразивная обработка. Эффективность этих методов по­

казана в работах [298 и др.].

Широкое распространение получили методы химико-термичес­ кой обработки прессовых штампов: азотирование, хромирование [287, 298], в последнее время делаются попытки применить бориро- вание [299, 300]. В работе [301] предлагается производить упрочне­ ние штампов местной термической обработкой с применением ин­ дукционного нагрева и наплавкой мартенситно стареющими спла­ вами. С. А. К а д н и к о в ы м [302] исследована возможность неоднородного термического упрочнения штампов, заключающего­ ся в последовательном применении объемной термической обработ­ ки и локального отпуска в результате соответствующего нагрева основания штампа. Такая обработка обеспечивает необходимое распределение свойств по гравюре, способствующее повышению износостойкости инструмента. Эффективно применение высокотем­ пературной термомеханической обработки, способствующей значи-

495

тельному повышению стойкости штампов для горячего деформиро­ вания [303—305].

Большое влияние на стойкость оказывает метод выплавки ста­ ли. Известно, что применение вакуумно-дугового и электрошлаково­ го переплава позволяет существенно улучшить ее свойства. Весьма эффективно применение электрошлаковой наплавки, позволяющее значительно повысить стойкость штампов [306, 307].

Отдельные методы упрочняющей обработки могут быть исполь­ зованы с наибольшей эффективностью лишь для определенных ус­ ловий нагружения и изнашивания штампов. Однако отсутствие обоснованной классификации штампов по группам в зависимости от вида ведущего износа и температурно-силового нагружения за­ трудняет определение области их рационального применения.

2. И С С Л Е Д О В А Н И Е Т Е М П Е Р А Т У Р Н О Г О Р Е Ж И М А Э К С П Л У А Т А Ц И И К У З Н Е Ч Н Ы Х Ш Т А М П О В

Все основные явления, происходящие в поверхностных слоях штампа и вызывающие износ и разрушение, непосредственно свя­ заны с циклическим тепловым воздействием на штамп деформируе­ мого металла в процессе штамповки. Во многих случаях долговеч­ ность штампа предопределяется температурными условиями его работы, поэтому изучению этого вопроса посвящено значительное количество исследований. Большинство опубликованных работ со­ держат результаты экспериментального исследования температур­ ных полей, возникающих в штампе при эксплуатации [308—313 и др.].

Аналитическое исследование температуры штампа представляет значительные трудности, связанные не только со сложностью мате­ матического расчета, но и с отсутствием достаточного количества данных, характеризующих условия теплообмена на границе поков­ ка—-'штамп, в частности теплофизических параметров погранично­ го слоя. Одна из первых попыток расчета была предпринята авто­ рами работы [314]. Ими предложены формулы для определения температуры поверхности штампа в зависимости от исходных тем­ ператур заготовки и штампа и продолжительности контакта. Теп­ ловой поток от штампуемого изделия к поверхности штампа пред­ полагался одномерным и направленным перпендикулярно к его рабочей поверхности. Влияние пограничного слоя на теплопередачу учитывалось введением в расчетные величины поправочного коэф­ фициента, характеризующего разницу в температуропроводности штампового материала и образующейся на заготовке окалины (вюстита).

По мнению Б. Ф. Т р а х т е н б е р г а [264], подобная методика расчета может быть оправдана лишь применительно к простейшей операции — осадке. Для реальных штампов различной конфигура­ ции наблюдаются расхождения между экспериментальными и рас­ четными данными, вызванные тем, что в данной методике не учи-

496

ратурной задачи они использовали метод мгновенных сосредото­ ченных источников [32, 317]. Путем замены сложной гравюры штампа сочетанием простых геометрических фигур и вывода теоре­ тических зависимостей для источников тепла осесимметричной •формы, описываемой поверхностями второго порядка, решалась задача в объемной постановке. Ими же был предложен метод мо­ делирования стационарных температурных полей в инструменте горячего деформирования и разработана его методика. Сопостав­ ление результатов, полученных для температурного поля матрицы этим методом и аналитическим расчетом, показывает удовлетвори­ тельное совпадение.

Следует, однако, иметь в виду, что приведенные в литературе данные носят разобщенный характер и зачастую не поддаются сопоставлению. Недостаточны сведения о влиянии основных техно­ логических параметров на температурный режим работы инстру­ мента. Ниже приводятся результаты аналитического и эксперимен­ тального исследования температурного поля штампов горячего деформирования, в определенной мере позволившие выявить эле­ менты, подвергающиеся наиболее интенсивному тепловому нагружению, и наметить температурные условия испытания штамповых

.материалов на термическую усталость и износостойкость [318—320].

Предположим, что изучаемый участок штампа можно предста­ вить как часть неограниченной пластины, на одну поверхность ко­ торой действует периодически изменяющийся тепловой поток, а другая поверхность теплоизолирована. Считаем также, что теплооб­ мен между поверхностью штампа, окружающей атмосферой и штампуемым изделием осуществляется по закону Ньютона со зна­ чениями коэффициентов теплоотдачи си в период штамповки и а 2 в течение паузы (в действительности при штамповке между штампом и изделием происходит контактный теплообмен, а в течение паузы от поверхности штампа в окружающую атмосферу идет конвектив­ ная и лучистая теплоотдача). В этом случае для описания темпе­ ратурного поля штампа можно применить аналитические зависи­ мости, найденные в гл. V для пластины. Используя эти зависимости, рассчитали изменение температуры на поверхности штампа за пер­

497