Штампи холодного деформування

Міністерство освіти, науки, молоді та спорту України

Національний університет  «Львівська політехніка»

           Кафедра зварювального 

виробництва,

          діагностики та відновлення                      

    металоконструкцій

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконав:

Студент групи ЗВ-41

Керекеза А.С.

Перевірив

Дзюбик А.Р.

 

 

 

 

 

Львів - 2013 

 

1.Аналітичний  розділ.

1.1. Умови роботи та основні причини виходу з ладу штампів гарячого деформування.

Коротко про призначення  штампів та умови їх роботи: тиск , температура і.т.д.

  Низька стійкість штампів для гарячого деформування жароміцних і нержавіючих сталей і сплавів пояснюється важкими умовами їх роботи і жорсткими допусками на поковки з таких матеріалів.

   Вимоги до роботи  штампового інструмента характеризуються  швидкістю деформування, величиною  виникаючих тисків і температурою  розігрівання його робочої гравюри. Для гарячої об’ємної штамповки важко деформуючих матеріалів найбільш часто використовуються  кривошипні  гаряче штампувальні преси, а останнім часом швидкісні пневматичні молоти, швидкість деформування на котрих складає: 0,5-1,5 м/сек; 5,0-8,0 м/сек і 10-30 м/сек відповідно. Величина  виникаючих тисків і температура розігріву робочої гравюри інструмента залежить від цілого ряду технологічних факторів, важливішими з яких являються: властивості штампуючого матеріалу, швидкість і схема деформування, спосіб нагрівання заготовки, температура підігріву інструмента перед роботою, використання змазки і ін.

    При штампуванні  жароміцних і нержавіючих сталей  і спалавів, опір деформуванню яких приблизно в 5-8 разів вище, ніж конструкційних сталей, характерний високий тиск, досягаючий 80-120 кгс/    при штамповці на КГШП і 150-180 кгс/ – на високошвидкісних молотах. Поверхневі шари такого інструменту, згідно експериментальним даним і аналітичним розрахункам, в процесі роботи розігріваються до  температур порядку 650-, а в окремих випадках до 800-. У поєднанні з напруженнями останній фактор означає інтенсивне знеміцнення (зниження твердості) матеріалу штампу, і приводить до його швидкого виходу з ладу. По даним,наприклад, твердість вставок, які виготовляються з сталі 4Х5В24С, при штампуванні фрез із сплаву 3И437Б, після 400-500 штамповок знизилась від 46-49 HRC до 41-43 HRC (табл. 1).

Таблиця 1

Стійкість і причини виходу із ладу вставок з стандартних  сталей при штамповці заготовок  фрез із сплаву 3И437Б.

Марка штампової сталі	Вид вставки	Вихідна твердість, HRC	Твердість після ,HRC,	Стійкість,шт..	Причини виходу із ладу
5ХНМ	Нижня	52	43	300	Тріщина
		52	40	100	…-…
		46	39	210	Просідання фігури
		49	39	400	…-…
	Верхня	49	43	210	Знос
		43	43	4	Просідання фігури
		49	43	400	Знос
4Х5В2ФС	Нижня	56	36	500	Тріщина
		52	39	650	…-…
		46	39	500	Знос
		46	41	400	…-…
		40	40	100	Просідання фігури
	Верхня	46	41	400	Тріщина
		49	43	500	Знос
3Х3В8Ф	Нижня	56	49	120	Тріщина
		56	49	127	…-…

^х) в зонах найбільшого розігріву.

  Основними видами  руйнування штампів при деформуванні  жароміцних і нержавіючих сталей  і сплавів, виключаючи випадки  завчасної поломки, пов’язані  з неправильним вибором конструкції,  технології заготовлення і термічної  обробки або не виконання правил  експлуатації  інструменту, являється:

1. Зминання робочих частин і приєднання  фігури штампа;
2. Підвищений знос в місцях інтенсивного руху деформуючого металу;
3. Крихке руйнування штампів (без видимих слідів зносу);
4. Виникнення і розвиток тріщин термічної втоми;
5. Налипання штампового металу на робочу поверхню інструменту.

Перші два види руйнування характерні для штампів із стандартних  сталей типу 5ХНМ, 4Х5В2ФС і обумовлені при правильному виборі норм вихідної твердості їх недостатньою теплостійкістю і зносостійкістю при підвищених (робочих) температурах.

Знос інструмента визначається як умовами роботи, так структурою і властивостями сталі, використаної для його виготовлення: твердістю її металічної основи, а також твердістю, формою, дисперсністю і характером розподілу надлишкових карбідів.

Внаслідок того, що в структурі штампових сталей для гарячого деформування містится незначна кількість карбідів (3-12%), їх зносостійкість залежить, таким чином, від твердості металічної основи сталі при підвищених (робочих) температурах. Остання характеристика сталей на основі α-заліза (з карбідним зміцненням) в свою чергу визначається їх теплостійкістю. Про це засвідчує досвід експлуатації штампових вставок, які виготовляються із сталей  4Х4М2В4С і 45Х3В3М4С, характеризуючихся, як було зазначено вище, при міцних рівних властивостям пониженої теплостійкості в порівнянні зі стандартними сталями 4Х5В2ФС і 4Х5В4МФС і забезпечуючи підвищення стійкості в 1,5-2,0 рази.

Крихке руйнування інструмента спостерігається при виготовленні його  з більш теплостійких сталей типу 3Х2В8Ф і 4Х2В5ФМ і пояснюється недостатньою їх пластичністю і в’язкістю, а також в окремих випадках неправильним визначенням режимів термічної обробки штампів (на підвищену твердість і міцність).

Термічна втома  і адгезія (злипання) штампового матеріалу – види руйнування, найбільш часто зустрічаючи при гарячому деформуванні конструкційних сталей, присутні в тій чи іншій мірі інструменту з любої штампової сталі.

Питання в тому, які властивості  визначають її опір термічної втоми  в даний час мало вивчений. Однак  в роботах вказується, що велике значення мають такі властивості  сталі, як межа текучості при робочих  температурах, пластичність, теплостійкість, коефіцієнт лінійного розширення і  ін.

^I)Основною причиною виходу пресових вставок при гарячій штамповці заготовок фрез являється втрата розмірів гравюри внаслідок зносу інструмента.

Міцність (твердість) штампових  сталей при робочих температурах в свою чергу визначається, як зазначалось  вище, їх опір теплостійкості. Відповідно, між опором термічної втоми і  теплостійкістю штампових сталей існує, явно, кореляція. Наявність прямої залежності між цими характеристиками сталі  були виявлено в роботі.

Питання адгезії (злипання) застосовуючи до гарячої штамповки  ще не досить дослідженні. Однак можна  вважати, що на ряду з впливом на злипання таких факторів, як стан поверхні, вид змазки, величина тиску і ін., велике значення має опір малим пластичним деформаціям, тобто міцність і теплостійкість.

Таким чином, короткий аналіз умов роботи і стійкості інструмента  показують, що значне підвищення стійкості  інструмента для штампів (КГШП, пароповітряних і високошвидкісних пневматичних молотах) важко деформуючих сталей і сплавів  може бути досягнуто за рахунок розроблення нових штампових матеріалів. З співвідношення властивостей штампових сталей, стійкості і причин виходу з ладу інструмента, виготовленого із цих сталей, випливає, що нові матеріали повинні суттєво перевищувати стандартні сталі типу 4Х5В2ФС і 3Х2В8Ф по теплостійкості і забезпечувати після відпуску при 700- приблизно наступний рівень властивостей при С: твердість 44-48 HRC, межа міцності( ) 150-180 кг/ і ударну в’язкість () 1,0-2,5 кгм/ і при : =60-80 кг/ і =1,5-3,0 кгм/. Крім цього нові сталі повинні володіти хорошою прогартованістью і обробкою різанням і тиском.

Володіючи високою теплостійкістю і задовольняючим рівнем міцнісних  і пластичних властивостей, нові штампові сталі, будуть мати, як було зазначено  вище, також підвищений опір зносу, адгезія до штампових матеріалів і термічної втоми.

 

1.2. Сталі для штампів гарячого деформування.

Штампові сталі (на основі α-заліза) з карбідним зміцненням. Згідно з сучасному представленню  про міцність металів і сплавів, роль різновид них структурних факторів у зміцненні таких сталей при  різних температурах відпуску можна  представити у виді схеми (мал.1), запропонованої в роботі.

Не обговорюючи механізму і відносного вкладу окремих структурних факторів у зміцнення сталей, можна бачити, що знеміцнення, тобто перехід в стан більш близький до рівноважного, зв’язного з протіканням таких дифузійних процесів, як розпад твердого розчину, зниження густини дефектів кристалічної будови, коагуляція і коалесценція карбідів і рекристалізація. При цьому обмежуючою ланкою процесу знеміцнення в комплексно легованих штампових сталях (типу 4Х4В2М2ФС) являються, як було показано в роботі, коагуляція карбідної фази, швидкість якої залежить як від хімічного складу сталі, так і густини дефектів кристалічної будови феритної матриці.

Оскільки зміцнення застосовуючих  в даний час дисперсійно твердих  інструментальних сталях (на основі α-заліза) зв’язано з виділенням в процесі  відпуску карбідів хрому, вольфраму  і ванадію, витривалість яких проти  коагуляції відносно невелика і не перевищує 600-700⁰С являється, очевидно, граничними для штампового інструменту з таких сталей. Підтвердженням сказаного можуть служити результати дослідження тепловитривалості штампових і швидко ріжучих сталей різного хімічного складу (мал. 2, табл. 2). З приведених даних видно, що твердість 45-47 HRC швидкоріжучих сталей (найбільш високо легованих серед сталей карбідного зміцнення) незалежно від схеми їх легування зберігається до температури відпуску, не перевищує 700⁰С.

Малюнок 1. Роль різних структурних  факторів у зміцненні вторинно твердіючих сталей:

1-дислокація, К-карбіди, тв.р. - твердий розчин, гр.з. – границя зерен. 

 

Більш низьких значень  теплостійкості штампових сталей, можна  було б досягти легуванням їх титаном, ніобієм, цирконієм та іншими елементами, утворюючими найбільш стійки проти  теплового впливу карбіди. Проте  в зв’язку з малою розчинністю  вказаних карбідів при нагріві сталі  під гартування такі склади в найближчий час мало застосовують. Відповідно, задача по знаходженні штампових  матеріалів високої (до 700-750⁰С) теплостійкості, очевидно, не можуть бути розв’язані шляхом розробки нових сталей (на основі α-заліза) тільки з карбідним зміцненням і потребує нових шляхів вирішення.

 

 

Малюнок 2. Вплив тривалості ізотермічної витримки при 700⁰С на твердість сталей.

 

Вплив температури відпуску на твердість швидко ріжучих сталей

Таблиця 2

Марка сталі	Температура гартування, 0С	Твердість після гартування, HRC	Температура відпуску, 0С	Твердість після відпуску, HRC
Р12	1250	63-64	670 700 750	54-55 44-45 34-35
Р18	1280	63-64	700 750	45-46 34-35
Р9К5	1230	63-64	700 750	45-46 35-36
Р12М3К8	1240	63-64	700 750	45-46 35-36
Р12Ф5М	1240	62-64	670 700 750	58-54 45-46 37-38
Р18К8Ф2П	1260	64-65	670 700 750	55-56 47-48 37-38