Технология термической обработки штампов для холодного деформирования

Условия работы характеризуются величиной удельных давлений, характером нагружения и температурой разогрева рабочих частей.

В отличие от штампов горячего деформирования инструмент для холодного деформирования работает при более высоких удельных давлениях и меньших температурах разогрева. Однако при деформировании высокопрочных материалов и высокой интенсивности штамповки температура разогрева может достигать 400-500 ⁰С за счет выделения тепла в процессе деформирования.

В зависимости от операции холодного деформирования (резка гибка, формовка, вытяжка, объемная штамповка) и применяемого оборудования условия работы штампового инструмента существенно различаются. В наиболее тяжелых условиях инструмент работает при операциях объемной штамповки и вырубки.

Основные причины выхода штампов из строя: 1. Хрупкое разрушение от высоких циклических напряжений (усталость)

2. Изменение геометрических размеров инструмента вследствие износа и смятия;

Требования к сталям: 1. Высокое сопротивление пластической деформации (смятию) и износостойкостью;

2. Высокая твердость за счет наличия в структуре избыточной карбидной фазы;

3. Достаточная вязкость, обеспечивающая высокое сопротивление хрупкому и усталостному разрушению при динамических нагрузках;

4. Теплостойкостью (до 400-500 ⁰С ) при тяжелых условиях штамповки.

5. Технологические характеристики: - хорошая обрабатываемость резанием;

- шлифуемость;

- закаливаемость и прокаливаемость;

- устойчивость против обезуглероживания;

- малая деформируемость при термической обработке.

Применяют для изготовления штампов холодного деформирования четыре группы сталей: 1. стали повышенной (высокой) износостойкости (Х12М, Х12Ф1, Х12ВМ; Х6ВФ, 9Х5ВФ);

2. вторично твердеющие стали с высоким сопротивлением смятию(8Х4В2С2МФ, 8Х4В3М3Ф2; 11Х4В2СФ3М, Х5С4В2Ф2НМ);

3. высокопрочные стали с повышенной вязкостью (7ХГ2НМ, 7Х3ВМФС; 6Х6В3МФС, 6Х4М2ФС).

4. для вытяжных и вырубных штампов небольших размеров и без резких переходов по сечению применяют стали марок У7, У8, У12, 7ХФ, Х.

Стали поставляют в виде кованых и горячекатаных заготовок круглого и квадратного сечения, а также в виде полос и калиброванных заготовок.

Особенности технологии термообработки штампов холодного деформирования

Штамповые стали для холодного деформирования упрочняют при термообработке двумя способами: 1. непосредственно в результате мартенситного превращения (закалка на первичную твердость с последующим низким отпуском);

2. путем мартенситного превращения и дисперсионного твердения (закалка с повышенных температур на вторичную твердость с последующим отпуском при достаточно высоких температурах, обеспечивающих эффект вторичного твердения).

Штампы из сталей повышенной износостойкости подвергают закалке на первичную твердость и низкому отпуску, согласно схеме, приведенной на рисунке 2.6.

1- твердость; 2- балл аустенитного зерна; 3- количество остаточного аустенита;

4- ударная вязкость; 5- прочность при изгибе

Рисунок 2.6- Схема выбора температур нагрева под закалку

и отпуск стали Х12Ф1.

Теплостойкость сталей Х12Ф1 и Х12М может быть повышена путем закалки с повышенных температур и последующего дисперсионного твердения при многократном отпуске в интервале 490-530 ⁰С. Такая обработка вызывает укрупнение аустенитного зерна, что вызывает снижение прочности и ударной вязкости стали. Поэтому рекомендуется применять стали повышенной теплостойкости.

Учитывая трудности доводки штампового инструмента сложной конфигурации, термически обработанного на высокую твердость необходимо предусматривать меры для уменьшения деформации инструмента при термообработке:

1. Перед окончательной термообработкой целесообразно проведение отжига (для уменьшения внутренних напряжений) или предварительной термообработки, включающей закалку из межкритических температур и высокий отпуск;

2. Для штампов из сталей Х12М и Х12Ф1 возможно применение ступенчатой закалки с температурой ступени 400-500 ⁰С (область наибольшей устойчивости аустенита). Для этого штампы небольших размеров переносят в печь с этой температурой, более массивные- в соляную ванну и выдерживают не менее 30-40 мин для полного выравнивания температуры по сечению. Охлаждение на воздухе.

3. Для штампов сложной формы рекомендуется тепловая доводка. Для этого закалку проводят с температур на 20-30 ⁰С выше оптимальных при обработке на первичную твердость. За счет повышенного количества остаточного аустенита размеры штампов уменьшаются по сравнению с отожженным состоянием. Увеличение размеров до требуемого уровня достигается за счет распада остаточного аустенита при одно- трехкратном отпуске при 450-480 ⁰С. После каждого отпуска необходимо определять размеры.

Для достижения максимальной твердости штампы после закалки в масле иногда подвергают обработке холодом с последующим отпуском, однако при этом снижаются прочность и вязкость стали.

Штампы из вторичнотвердеющих сталей с высоким сопротивлением смятию закаливают с повышенных температур (выше 1050 ⁰С). Комплексное легирование вольфрамом, молибденом, ванадием и кремнием способствует уменьшению карбидной фазы и увеличению ее дисперсности, по сравнению со сталью Х12, что обеспечивает сохранение аустенитного зерна не крупнее 10 балла при закалке с 1070-1100 ⁰С. В процессе многократного отпуска при 520-560 ⁰С обеспечивается высокая твердость, сопротивление малым пластическим деформациям и теплостойкость. Это позволяет использовать штампы для работы при повышенных давлениях и разогреве. Однако для сталей этой группы характерны несколько меньшие значения вязкости.

Штампы из высокопрочных сталей с повышенной вязкостью характеризуются высокой прочностью и ударной вязкостью при более низкой теплостойкости по сравнению со штампами из вторичнотвердеющих и износостойких.

Стали типа 7ХГ2ВМ подвергают закалке на первичную твердость с последующим низким отпуском. Особенностью сталей является возможность закалки при охлаждении на воздухе, высокие прокаливаемость и закаливаемость, малые деформации при закалке за счет сохранения повышенного (18-20 %) количества остаточного аустенита.

Стали типа 6Х6В3МФС и 6Х4М2ФС являются вторичнотвердеющими. Оптимальное сочетание основных свойств достигается в этих сталях путем закалки с повышенных температур (на вторичную твердость) и последующего отпуска при 520-560 ⁰С.

Для всех штампов, обрабатываемых на вторичную твердость, после шлифования обязателен отпуск при 400 ⁰С в течение 1ч.

Штампы из углеродистых инструментальных сталей для уменьшения коробления и опасности появления трещин при закалке охлаждают в воде до 180-150 ⁰С, что устанавливают экспериментально по прекращению сильного дрожания штампа в закалочном баке, после чего переносят в масло и вынимают из масла тогда, когда масло на поверхности штампа перестает дымить. Низкий отпуск выполняют при 170-180 ⁰С в течение 3-4ч. (для штампов диаметром до 50 мм) и 6-7ч. (для штампов диаметром до 100мм). Твердость рабочей поверхности после отпуска HRC 57-61. При струйчатой закалке толщина закаленного слоя по рабочей поверхности достигает 1,5-2 мм (для стали У10А) и 6-7 мм (для стали Х).

Химико-термическая обработка штампов для холодного деформирования

Для штампового инструмента холодного деформирования в основном применяют цементацию, азотирование, цианирование и борирования.

Цементация обеспечивает повышение твердости и износостойкости штампов (за счет увеличения количества карбидов), а также усталостной прочности вследствие создания сжимающих остаточных напряжений в поверхностных слоях штампов. Прочность и вязкость сталей при этом существенно уменьшается.

Цементацию применяют для просечных, вырубных, вытяжных матриц и пуансонов и осуществляют в твердых и газообразных карбюризаторах перед закалкой или совмещая с ней.

Для инструментов из низколегированных сталей типа Х, 9ХС, цементацию выполняют при 900-910 ⁰С в течение 9-12 ч. Закалку проводят с повторного нагрева до температур 800-810 ⁰С с охлаждением водо- воздушной струей до 100-150 ⁰С, окончательное охлаждение - в масле. За счет повышения содержания углерода до 1,5-1,7 % твердость инструмента возрастает до HRC 63-65.

Штампы из сталей Х12М, Х12Ф1 подвергают цементации в твердом карбюризаторе при 980-1025 ⁰С в течение 2-5 ч и закаливают в масле.

Во всех случаях отпуск осуществляют при 150-180 ⁰С.

Азотирование. В качестве окончательной операции азотирования применяют после отпуска и шлифования для инструментов из теплостойких сталей, работающих с небольшими динамическими нагрузками, а также для вальцев и накатных инструментов. В этом случае азотирование высокохромистых сталей проводят при 510-520 ⁰С в течение 8-12ч.

Для менее теплостойких сталей типа 7ХГ2ВМ азотирование выполняют перед закалкой при 540-600 ⁰С. Использование азотирования исключает доводку (шлифование) рабочих поверхностей штампов после термической обработки.

Низкотемпературное цианирование. Из-за меньшей толщины слоя -фазы и в связи с этим повышенной вязкостью и пластичностью стали цианирование более эффективно, чем азотирование, для инструментов, работающих в условиях ударного нагружения. Цианирование рекомендуется для штампов холодной штамповки, вытяжных и обрезных штампов. Цианирование применяют для теплостойких сталей типа Х6ВФ, Х12М после закалки и отпуска и выполняют при 500-520 ⁰С в жидких, газовых или твердых средах (толщина слоя 0,02-0,07 мм).

Борирование. Эту операцию применяют для штампов простой конфигурации, работающих при повышенном износе без ударных нагрузок. При этом инструменты из углеродистых и низколегированных сталей показывают более высокую стойкость по сравнению со штампами из более легированных сталей. Борирование обеспечивает наибольшую твердость поверхности (16000-18000 МПа) для углеродистых и низколегированных сталей и до 20 000-22 000 МПа для высоколегированных сталей), более высокую износо- и теплостойкость по сравнению с другими методами ХТО. Его проводят перед закалкой при 850-1100 ⁰С в течение 2-6ч. в жидких средах (в расплаве буры) или в порошке технического карбида бора. Борирование применяют для штамповых сталей, закаливаемых с 850-1050 ⁰С, ввиду возможного оплавления боридного слоя с образованием хрупкой эвтектики при нагреве свыше 1050 ⁰С.