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

При прессовании стальных труб часто используют составные матрицы двух типов: с закреплением матричного кольца в обойме с предварительным натягом и со свободно устанавливаемым в обойму матричным кольцом. Преимуществом матриц первого типа является меньший износ обоймы; в матрицах второго типа кольцо извлекает­ ся из обоймы после каждого прессования, что целесообразно при отделении прессостатка пилой [337].

Опыт показывает целесообразность изготовления матриц для прессования простых профилей из стали и труднодеформируемых сплавов составными из обоймы с запрессованным кольцом и кони­ ческой воронки, свободно укладываемой на матрицу. Рабочее коль­ цо можно изготовлять из высокопрочного материала. Такая конст­ рукция матрицы способствует повышению износостойкости.

Общие рекомендации по выбору конструкций матриц, обеспечи­ вающих повышенную износостойкость в конкретных условиях экс­ плуатации, до настоящего времени отсутствуют.

При выборе материала для матриц учитывают:

1) рабочие давления и температуру; 2) продолжительность цик­ ла прессования; 3) материал, форму и размеры прессуемого профи­ ля; 4) конструкцию инструмента и возможности его подогрева и охлаждения; 5) применяемые смазки; 6) требования к прессуемым изделиям.

В табл. 11.3 приведены стали и сплавы, используемые в отечест­ венной промышленности для изготовления матриц при производстве

рицы изготавливают в виде фильер диаметром от 16 до 140 мм и за­ прессовывают в обоймы [342]. Эти сплавы обладают большой изно­ состойкостью при повышенных температурах, но отличаются хруп­ костью и склонны к выкрашиванию.

Основным материалом для матриц при прессовании цветных и черных металлов в отечественной и зарубежной промышленности пока остается инструментальная сталь с 2—5% Cr и 9—18% W. Достаточно распространены также хромомолибдеиованадиевые ста­ ли; Твердость термообработанных матриц для прессования трудно­ деформируемых сплавов должна составлять 52—55 HRC. Матрицы из обычных инструментальных сталей обычно изнашиваются за не­ сколько прессований настолько, что для дальнейшей их эксплуата-

548

ции необходима наплавка или переточка на больший размер. Поэто­ му продолжается разработка и опробование в производственных условиях новых износостойких сталей и сплавов для матриц. Новые материалы для матриц, применяемые или находящиеся в стадии освоения за рубежом, указаны в табл. 11.4.

Изменением содержания хрома, вольфрама, молибдена и вана­ дия в закаливаемых сталях не удается добиться заметного повыше­ ния износостойкости инструмента при повышенных температурах. Введение же в состав стали определенного количества кобальта спо­ собствует повышенной растворимости легирующих элементов в твер­ дом растворе; за счет этого теплостойкость стали заметно повы­ шается.

Сталь с содержанием 10% Cr; 10% Со; 6,5% W и 2% Mo по теплостойкости превосходит обычные стали на 60—70° С.

Высококобальтовые сплавы (стеллиты) при твердости 40— 50 HRC отличаются высокой износостойкостью и пониженной вяз­ костью, поэтому изготовленные из них вставки должны быть защи­ щены высокопрочными сталями от повреждений. Стеллиты применя-

Т а б л и ц а 11.3

Материалы матриц для прессования различных металлов и сплавов

Назначение Материалы матриц '

*ЭИ383 : 0,44-0,5% С; 1—0,6% Si; 0,4—0,8% Мп; 1,2—1,5% Cr; 0,5—1,3% Mo; 0,3—0,8% V; ЭИ431: 0,3—0,35% С; до 0,3% Si; до 0,3% Мп; 2,5—2,8% Cr; 2,5-2,8% Mo; 0,3—0,5% V; ЭИ240 : 0,5% С; 1,3% Si; 0,7% Мп; 13% Cr; 13% Ni; 2,5% W; 1,5% V;

ЖСЗ (сплав на никелевой основе):

0,16% С; 2% Si; 2% Мп; 15% Cr; 5% Mo; ЖС6 (сплав на никелевой основе);

22ХС (керамика): 94,4% А12 03 ; 2,76% Si02 ; 0,49% С г 2 0 3 ; 2,35% МпО; твердый сплав: 1,7% С; 2,45% Si; 0,5% Мп; 25% Cr; 6% W; 33% Со.

ют для изготовления сплошных и сборных матриц при прессовании никелевых и медных сплавов; однако их не используют при прессо­ вании стали, так как температура линии солидус у стеллитов близ­ ка к температуре прессования стали.

Стареющие сплавы на никелевой основе (нимоник 90 и др.) при­ меняют для изготовления матриц при прессовании медных сплавов, алюминиевых бронз, никеля и его сплавов и т. д. Стойкость матриц при этом достигает 280 прессовок. Сплавы типа нимоник являются основным материалом для матриц на заводе никелевых сплавов фирмы «Генри Уиггин» (Англия).

Положительные результаты получены при испытании матриц из молибдена и его сплавов в процессе прессования профилей различ­ ных сечений из углеродистой стали с коэффициентом вытяжки 16—57. Термическую обработку матриц не производили. Молибде­ новые матрицы вставляли в опорные кольца. Смазкой являлась гра­ фитная суспензия. Стойкость матриц из молибдена была в несколь­ ко раз выше, чем стойкость других испытанных матриц (с учетом переточек и наплавки стойкость матриц из разных сплавов состав­ ляла в среднем 150 прессований). Наиболее удачно прошли испыта­ ния сплава TZM (см. табл. 11.4). Этот сплав характеризуется повы­ шенной прочностью в интервале высоких температур, хорошей теплопроводностью, малым коэффициентом линейного расширения;

вставками из сплавов Mo—Fe и Ti—Fe с добавками окислов цирко­

изготовленных из карбидов вольфрама и хрома. Так, при прессова­ нии прутков из титана с коэффициентом вытяжки 21 хорошие ре­ зультаты показали матрицы, в состав которых входило 83% карби­ да хрома, 2%' карбида вольфрама и 15% никеля. Недавно в США

на матрицах. Методом плазменного напыления на рабочую поверх­ ность матриц, изготовленных из обычной закаливаемой стали, нано­

смотря на хорошую теплостойкость, из-за повышенной хрупкости и высокой стоимости все еще не нашли широкого применения.

550

Î 3 S I

Закаливаемые стали типа:

* M — мартенсит; А— аустенит; Ф феррит; К — карбид; И — интерметаллидные фазы.

3. КОНТЕЙНЕРЫ

Контейнер служит для приема нагретой заготовки. В процессе выдавливания он воспринимает значительные давления и нагрева­ ется до определенных температур. Контейнер является одним из наиболее нагруженных узлов пресса. Несмотря на применение при изготовлении контейнеров высокопрочных сталей, габариты их, оп­ ределяемые главным образом соображениями прочности, значитель­ ны. Это обусловливает сложность изготовления и монтажа, а также высокую стоимость узла. Условия службы контейнерного узла прес­ сов при горячем выдавливании изделий из цветных металлов, сталей и сплавов аналогичны и характеризуются высокими рабочими дав­ лениями, цикличностью, значительной неравномерностью темпера- турно-силового нагружения; причины выхода из строя элементов контейнера во всех случаях примерно одинаковы. В практике отече­

рис. 11.1). По данным ЦНИИТМАШа, при прессовании с рабочими

Практика эксплуатации контейнеров показывает, что, несмотря на соответствующий выбор размеров и материала, определяемый расчетами на прочность, и соблюдение технологических режимов эксплуатации, они выходят из строя до истечения гарантийного сро­ ка службы в связи с хрупким разрушением узла, общим раздутием контейнера, выпрессовкой втулок из-за ослабления натягов. Наибо­ лее часто трещины и поломки узла начинаются в местах концентра­ ции напряжений у технологических пазов, кольцевых проточек, от­ верстий для вакуумирования. Значительное влияние концентрации напряжений на долговечность контейнеров подтверждается тем обстоятельством, что срок службы контейнеров с щелевидным от­ верстием, применяемых при прессовании плоских панелей, более чем в 3—£ раз ниже срока службы круглых. Например, срок служ­ бы щелевого контейнера из стали марки 27Х2Н2МВФ, по данным УЗТМ, в среднем составляет 400—600 прессований. В процессе экс­ плуатации в наиболее напряженных участках контура появляются продольные трещины. Круглые контейнеры из той же стали на за­ воде «Камкабель» имеют среднюю стойкость 4000 циклов.

Из деталей контейнера в наиболее сложных условиях эксплуати­ руется внутренняя втулка. Для ее изготовления используют обычно наиболее теплостойкие и высокопрочные стали. Циклический нерав­ номерный нагрев в результате непосредственного контакта с прессу­ емым металлом, высокие рабочие давления, значительные силы трения, возникающие в процессе истечения заготовки из контейнера, вызывают высокие термические и механические напряжения во внут­ ренней втулке. Втулки часто выходят из строя из-за развития разгарных трещин и вытекания поверхностного слоя передней части втулки в зону , прилегающую к матрицедержателю.

553

При прессовании тугоплавких металлов и сплавов на их основе внутренняя втулка успевает прогреться до значительных темпера­ тур. Поданным ЦНИИТМАШа, температура на внутренней поверх­ ности втулки может доходить до 600—650° С [337]. Рекомендуется втулку изготовлять тонкостенной; ее толщину в расчете контейнера на прочность учитывать не следует.

Стойкость внутренних втулок значительно повышается при раз­ грузке от растягивающих напряжений путем создания предвари­ тельных натягов в контейнерном узле многослойной конструкции. Это позволяет полнее использовать материал втулок и увеличить рабочие давления при прессовании. Во время работы внутренняя втулка разогревается; первоначальные напряжения от горячей по­ садки в ней постепенно снимаются. Благодаря первоначальной по­ садке и вследствие местной пластической деформации внутренняя втулка наружной поверхностью плотно прилегает к промежуточной втулке и испытывает в дальнейшем растягивающие напряжения в пределах, допускаемых расширением отверстия промежуточной втулки [337].

Срок службы контейнерного узла зависит от величины удельного давления. Так, контейнеры из стали марки 5ХНМ, работающие при

ность контейнеров, работающих при одинаковом давлении с продол­ жительностью цикла до 1 мин, составляет 4000—5000 циклов, с про­

висимости от свойств материала, из которого они изготовлены. По данным ВНИИМЕТМАШа *, контейнеры из стали марок 4ХНВ, 4ХНМ, 5ХНВ, 38Х2НЗМ раздуваются, а контейнеры из стали ЗХ2В8Ф выходят из строя вследствие образования трещин. На за­ воде «Москабель» контейнеры кабельных прессов из стали марки 6ХНМФ раздуваются, а из стали марки ЗХВ4СФ разрушаются пос­ ле «ебольшой пластической деформации узла. Контейнеры из стали марки 27Х2Н2МВФ выходят из строя преимущественно в результа­ те хрупкого разрушения **.

По данным завода «Камкабель», за 2,5 года в эксплуатации на­ ходилось 16 контейнеров; 14 из них вышло из строя в результате по­ ломок, причем гарантийный срок службы 6 месяцев во многих слу­ чаях не выдерживался. Контейнеры эксплуатировались на горизон­ тальном прессе усилием 100 000 кн (10 000 т), используемом для наложения алюминиевой оболочки на кабель. Температура прессо­ вания 500° С, продолжительность цикла 3—10 мин, рабочие давле-

554

ния в пределах 770—820 Мн/м2 (77—82 кГ/мм2). Разрушение кон­ тейнеров, как правило, носило усталостный характер, иногда отме­ чалось незначительное раздутие. Линия излома проходила вдоль образующей контейнера перпендикулярно направлению растягива­ ющих тангенциальных напряжений. В ряде случаев разрушение про­ исходило в нескольких местах: число изломов доходило до четырех. Наиболее часто разрушение наступало в зоне концентрации напря­ жений; в этом случае стойкость контейнера была обычно близка к нижнему пределу.

Величина стойкости разрушенных контейнеров колебалась в пре­ делах 165—10 750 циклов при средней величине 5000 прессовок. У восьми из четырнадцати разрушенных контейнеров излом прохо­ дил по сквозному отверстию, служащему для отсоса воздуха из по­

можно объяснить следующим образом. Распределение действия на­ грузки по длине контейнера неравномерно и зависит от условий прессования. Момент наступления скачка рабочего давления прес­ сования, возникающего при контакте торца нового слитка с прессостатком, зависит от размеров прессостатка. При соответствующей его длине отверстие для вакуумирования попадает в зону действия максимального давления, что может привести к выходу контейнера из строя; сроки его службы будут зависеть от частоты попадания' данного концентратора напряжений в область максимального давления. Практика показала, что сталь марки 27Х2Н2МВФ чувст­ вительна к перегрузкам. При эксплуатации одного из контейнеров слитки подавались с заниженной температурой нагрева. Вследствие повышенных рабочих давлений контейнер разрушился, проработав 293 цикла.

Большая работа по определению работоспособности различных сталей в качестве материалов втулок контейнеров выполнена в ІДНИИТМАШе [341]. Испытания втулок двух диаметров из опытных сталей проводили на промышленных прессах для выдавливания труб из алюминиевых сплавов при температурах 250—450° С. Для втулок диаметром 85 мм смазкой служила смесь масла с графитом. Втулки диаметром 100 мм не смазывали. Результаты испытаний приведены на рис. 11.13.

Основной причиной выхода втулок из строя явилось увеличение диаметра; во многих случаях отмечалось появление радиальных и продольных трещин, а также хрупкое разрушение. Так, все испытан­ ные втулки из стали марки 4Х5В4ФСМ вышли из строя в результате потери размеров; из восьми втулок из стали марки 4ХЗВФА три лопнули, из трех втулок из стали марки 4Х2В5ФМ разрушилась одна. Поломки втулок из стали марок 4Х2В5ФМ~и 4ХЗВФА приве­ ли к значительному разбросу показателей стойкости; они свидетель­ ствуют о нестабильности свойств этих сталей в условиях длительной работы при невысоких температурах. Наиболее высокая стойкость отмечается у втулок из стали марки ЗХ2Н2МВФ. Втулки из стали марок 4ХЗВФА и 4Х5В4ФСМ имеют, примерно, одинаковую сред-

555

нюю стойкость. Более низкая стойкость отмечалась у втулок из ста­ ли марок ЗХВ4СФ, 4Х5В2ФС и 4Х2В5ФМ.

Количество npeccobox

Рис. 11.13. Стойкость втулок с внутренним диаметром 85 мм (а) и 100 мм

тейнеров прежде всего должны обладать высоким пределом текучес­ ти. Важным показателем является малая чувствительность к кон­ центрации напряжений в эксплуатационных условиях. Поскольку работоспособность многослойных контейнеров во многом определя­ ется сохранностью натягов при эксплуатации, то при изыскании новых высокопрочных сталей следует учитывать их релаксационную стойкость.

5 5 6

В настоящее время в отечественном контейнеростроении приме­ няют следующие стали: 4ХНВ, 5ХНМ, ЗХ2В8Ф, ЗХВ4СФ, 6ХНМФ, 27Х2Н2МВФ, 4Х5В2ФС, 4Х2В5ФМ, 40Х5МФ. Работами ЦНИИТМАШа показано, что при использовании стали марки 5ХНВ (5ХНМ) нельзя получить надежных натягов при рабочих темпера­ турах свыше 400° С, так как после нагрузки в течение 120 ч, соответ­ ствующей по продолжительности времени нагрева крупных контей­ неров перед работой за период эксплуатации, релаксация напряже­ ний составляет 65%. Следовательно, эти стали не следует применять для изготовления крупных контейнеров. В контейнерах, изготовлен­ ных из более прочных сталей, начальные натяги сохраняются на 50—70%, и через 1000 ч.

Практика показывает, что, несмотря на повышенную релаксаци­ онную стойкость стали марки 27Х2Н2МВФ (в несколько раз по сравнению со сталями типа 5ХНВ), при применении ее для втулок также происходит выпрессовка внутренних втулок из наружных в многослойных контейнерах вследствие несохранения натягов. Вмес­ те с тем, по данным Г. Я. З а б о л о т с к о й , характер поведения контейнеров из стали марок 5ХНМ и 27Х2Н2МВФ различен; в пер­ вом случае выпрессовка втулок часто начинается раньше и достига­ ет больших значений.

тивными являются также стали аустенитного класса, высокая проч­ ность которых достигается деформационным старением.

4. ИГЛЫ, ШПЛИНТОНЫ И ПРЕСС-ШАЙБЫ

Образуя внутреннюю форму изделия при прессовании, иглы в течение цикла испытывают высокие удельные нагрузки и значи­ тельные температурные воздействия. Температурный режим игл характеризуется продолжительным нагревом при внедрении в прес­ суемый металл с последующим выдавливанием и резким охлажде­ нием после осуществления рабочего цикла. В процессе прошивки сплошных заготовок игла подвергается сжатию с продольным изги-

557