Виготовлення штампів гарячого деформування

Залежно від ступеня деформації розмір зерна сталі після рекристалізації виходить різний. При певному ступені деформації (для сталі 7-15 %) після рекристалізації виходять дуже великі зерна. Такий ступінь деформації називається критичним ступенем деформації.

Щоб уникнути сильного зростання зерна при рекристалізації деформацію сталі закінчують із ступенем обжимання, більш ніж критичний ступінь деформації, або проводять відпал з повною фазовою перекристалізацією.

Відпал, що зменшує напругу .відбувається при нагріванні сталі до температури 200-700 °С (частіше до 350-600 °С) і подальше охолоджування з метою зменшення внутрішньої напруги після технологічних операцій (литво, зварка, обробка різанням і ін.)

Відпал другого роду . Це відпал, при якому фазові перетворень (перекристалізація) визначають його цільове призначення. Розрізняють наступні різновиди відпалу другого роду: повний, неповний, ізотермічний, нормалізаційний (нормалізація).

Повному відпалу піддають доевтектоїдную сталь з метою створення дрібнозернистої структури, пониження твердості і підвищення пластичності, зняття внутрішньої напруги.

При повному відпалі доевтектоїдную сталь нагрівають до температури на 20-30 °С вище за критичну точку Ас3 , тобто на 20-30 °С вище за лінію GS діаграми залізо-цементит.

При нагріві до такої температури крупна початкова феритно-перлітна структура перетворюється на дрібну структуру аустеніту.

При подальшому повільному охолоджуванні (у печі із швидкістю 100-200 ˚С в годину до 500 °С і далі на повітрі) з дрібнозернистого аустеніту утворюється дрібна феритно-перлітна структура. При повному відпалі відбувається подрібнення феритно-цементитних зерен доевтектоїдной стали.

Заевтектоїдную сталь повному відпалу з нагрівом вище критичної точки Аст (лінія SE ) не піддають, оскільки при повільному охолоджуванні цементит розташовується у вигляді сітки по межах зерен перліту погіршуючи, механічні і інші властивості.

Неповному відпалу піддають доевтектоїдную і заевтектоїдную сталь з метою перетворення пластинчастого перліту і сітки цементиту на структуру зернистого перліту. Заевтектоїдная сталь із структурою зернистого перліту володіє кращою оброблюваною здатністю до різання завдяки нижчій твердості.

Для отримання зернистого перліту заевтектоїдную сталь нагрівають до температури небагато вище за точку Аст - до 740- 780 °С. При нагріві до такої температури відбувається перетворення на аустеніт тільки перліту, а цементит залишається і утворюється структура цементит + аустеніт.

При подальшому повільному охолоджуванні (у печі із швидкістю 20-60 °С у годину до 700-650 °С з подальшим охолоджуванням на повітрі) з аустеніту утворюється феритно-цементитна. структура із зернистою формою цементиту - зернистий перліт.

Рис. 1. Мікроструктура перліту (Х 1000): а - пластинчастий; б і, в - пластинчастий, такий, що частково перетворився на зернистий; г - зернистий.

У зв’язку з тим, що при цьому виді відпалу виходить зерниста (сфероїдальна) форма цементиту.

Для полегшення утворення зернистого перліту нагріваючи ( до 740 - 780 °С) і охолоджування (до 700-650 °С) повторюють кілька разів. Такий відпал називають маятниковим або циклічним . При цьому зерна цементиту, що утворилися, під час першого охолоджування є додатковими центрами кристалізації при другому охолоджуванні і т.д.

Доевтектоїдні сталі неповному відпалу піддають рідко. Це пояснюється тим, що у зв’язку з неповною перекристалізацією (тільки одного перліту) не відбувається подрібнення всієї структури (ферит не піддається перекристалізації), і в результаті структура і властивості сталі виходять гірше, ніж після повного відпалу.

Для доевтектоїдних сталей неповний відпал застосовують для поліпшення оброблюваної різанням завдяки зниженню твердості.

Ізотермічний відпал . Характерною особливістю ізотермічного відпалу є утворення феритно-перлітної структури з аустеніту при постійній температурі, а не при охолоджуванні, як при повному відпалі.

Тому на відміну від повного відпалу доевтектоїдну сталь, наприклад, нагрівають до температури Ас3 + (20-30 °С) і після витримки швидко охолоджують до температури небагато нижче за критичну точку (до 700-680 °С). При цій температурі сталь витримують протягом часу, необхідного для повного розпаду аустеніту і утворення феритно-перлітової структури. Потім сталь охолоджують на повітрі.

Ізотермічний відпал має переваги в порівнянні з повним відпалом: скорочується час відпалу і виходить одно рідніша структура (але тільки при обробці малих об’ємів металу).

Нормалізаційний відпал (нормалізація ) полягає в нагріві до температури вище за точку Ас3 для доевтектоїдной або точок Аст для заевтектоїдной сталі з подальшим охолоджуванням на повітрі.

При нагріві до температури нормалізації низьковуглецевих сталей відбуваються ті ж процеси, що і при повному відпалі, тобто подрібнення зерен. Но крім того, внаслідок швидшого охолоджування і переохолодження, що виходить при цьому, будова перліту виходить тоншою (дисперсним), а його кількість великим, Механічні властивості при цьому виявляються вищими.

Нормалізація в порівнянні з повним і неповним відпалом - економічніша операція, оскільки не вимагає охолоджування разом з піччю. У зв’язку з вказаними перевагами нормалізація отримала широке застосування замість повного відпалу низьковуглецевих і навіть середньовуглецевих сталей. Нормалізація застосовується також для усунення цементитної сітки в заевтектоїдних сталях.

При нагріві заевтектоїдной сталі вищими за критичну точку Аст утворюється структура аустеніту. Якщо після такого нагріву при повільному охолоджуванні (при відпалі) цементит виділяється у вигляді сітки, то прискорене охолоджування на повітрі (нормалізація) перешкоджає виділенню цементиту по межах зерен і утворюється дрібна феритно-цементитна суміш.

Гартування сталі

Гартування - нагрівання вуглецевих або легованих сталей до певної температури і швидке охолодження. У результаті цього змінюється кристалічна структура металу - він стає твердішим і більш антикорозійним. Маловуглецеві сталі з вмістом вуглецю до 0,3 % не гартуються.

Залежно від марки сталь нагрівають до певної температури. Так, сталі У7, У7А нагрівають до 770 - 790°; У8 – У13А - до 760 - 780; Р9 - Р18К5Ф2 - до 1235 - 1280 °С. При нагріванні вище цієї температури сталь втрачає свої властивості. Це також стосується відпалювання та відпускання.

Дрібні вироби, щоб не перепалити, краще нагрівати на попередньо нагрітій металевій підставці (наприклад, штабі). Температура нагрівання її є температурою нагрівання виробу.

Швидке охолодження призводить до твердого загартування, внаслідок чого можуть виникнути великі внутрішні напруження і навіть тріщини. Повільне охолодження може не дати потрібного по твердості загартування.

Охолодними середовищами можуть бути вода (звичайної температури і нагріта до температури 50 - 70 °С), водні розчини, масло і повітря. Кухонна сіль, їдкий натр або селітра, що добавляють до охолодників, прискорюють охолодження. Для зменшення швидкості охолодження до води додають розчин мила, масляну емульсію, рідке скло, вапняне молоко тощо.

Надмірно швидке охолодження водою часто призводить до дефектів (внутрішні напруження, тріщини, згинання), а також різко зменшує гартувальні здатності з підвищенням її температури. Тому при послідовному загартуванні кількох деталей, щоб вони мали однаковий гарт, воду часто замінюють або наливають у велику посудину.

Рівномірно і досить швидко сталь охолоджується у водному розчині кухонної солі або їдкого натру при температурі 20 °С. Деякі сталі для кращого загартування охолоджують у 30%-ному розчині їдкого натру.

Як охолодне середовище можна застосовувати розплавлені солі калієвої або натрієвої селітри.

Нагрівання масла до 60 - 90 °С не зменшує швидкості охолодження, тобто його гартувальна здатність не зменшується.

Охолодним середовищем для сталей може бути повітря (для тонких деталей) або повітря під тиском (від вентилятора, компресора). Деякі плоскі деталі (ножі) з нержавіючої сталі охолоджують між двома металевими штаба.

Відпуск сталі

Відпуск сталей – операція термічної обробки, яка полягає в нагріванні загартованих сталей до температур, що не перевищують температури утворення аустеніту (Ас1), витримуванні при цих температурах для перетворення мартенситу гартування у рівноважніші структури та наступного охолодження.

На відміну від продуктів розкладання переохолодженого аустеніту (сорбіт, троостит), які мають пластинчасту форму цементиту, продукти розкладання мартенситу під час нагрівання (сорбіт відпуску, троостит відпуску) мають зернисту форму цементиту, тому за інших рівних умов вони характеризуються більшими ударною в’язкістю й тривкістю до втомного руйнування.

Головним параметром режиму відпуску, який визначає структуру, а отже, властивості сталі й застосування відпуску, є температура. За температурою нагрівання розрізняють такі види відпуску:

• низькотемпературний (низький) відпуск, який проводять в інтервалі температур 150...250 ºС для отримання структури мартенситу відпуску й часткового усунення гартувальних внутрішніх напружень. Після низькотемпературного відпуску дещо підвищується в’язкість сталі без помітного зменшення твердості (58–63 HRC для сталей з вмістом Карбону 0,6–1,3 %) і зносотривкості. Застосовується для різального, вимірювального інструменту, штампів холодного деформування, підшипників кочення, виробів після поверхневого гартування, цементації;

• середньотемпературний (середній) відпуск проводять в інтервалі температур 350...450 ºС для усунення гартівних напружень і утворення структури троститу відпуску, яка має високу пружність, витривалість, релаксаційну стійкість і твердість в межах 40–50 HRC. Його застосовують для ресор, пружин, штампів гарячого деформування;

• високотемпературний (високий) відпуск проводять в інтервалі температур 500...650 ºС для майже повного усунення гартівних внутрішніх напружень та утворення структури сорбіту відпуску, що забезпечує найкраще поєднання високої ударної в’язкості, границі витривалості із задовільною міцністю й твердістю (близько 25 HRC). Гартування з високим відпуском називають поліпшенням (покращанням). Поліпшення застосовують для конструкційних сталей, з яких виготовляють деталі, котрі працюють в умовах дії значних динамічних і змінних навантажень.

Тривалість витримування при відпуску залежить насамперед від температури відпуску й габаритів виробів. Вона збільшується зі збільшенням розмірів виробів та зниженням температури відпуску й змінюється переважно в межах від 1 до 5 годин.

Швидкість охолодження передусім впливає на внутрішні напруження. Тому в процесі відпуску вироби, особливо складної форми, з легованих сталей, переважно охолоджують повільно – на повітрі, щоб зменшити внутрішні напруження та уникнути небезпеки їх жолоблення.

7. Контроль якості

Заключною операцією технологічного процесу термічної обробки є контроль якості. Для штампів гарячого деформування він складається з візуального огляду і виміру твердості. Візуальним оглядом перевіряють відсутність тріщин, забоин, вм'ятин і окалини на гравюрі штампу, а також твердість гравюри і хвостовика. Твердість перевіряють на спеціально зачищених (бормашиною або наждачним папером) ділянках поверхні поблизу гравюри. Використовуються спеціальні стаціонарні прилади Брінеля, оснащені рольгангом і підйомним столом з черв'ячним механізмом.

Для мало відповідальних штампів твердість може бути оцінена по методу Польді за допомогою переносних приладів (навантажених пружиною або ударом молотка, відлік твердості - по еталону) або по методу Шора (по величині відскоку індентора). Застосовують також переносні прилади ТПП-2 для вимірювання твердості по методу Віккерса. Ці прилади мають магнітне захоплення, яке дозволяє проводити вимір твердості на штампі, встановленому на будь-якій ділянці, стенді або верстаті. Необхідна лише ретельна зачистка поверхні для виміри твердості і подвод електроенергії напругою 220В. Точність виміру  HV5, маса приладу з магнітним захопленням 5,4кг. Розрахунок твердості виконують по ГОСТ 2999 – 75.

8. Допоміжне та додаткове обладнання штампів гарячого деформування.

Гаряче об'ємне штампування здійснюється на штампувальних молотах, пресах, горизонтально-кувальних машинах і спеціальних машинах вузького призначення.

Штампувальні молоти використаються для штампування кувань різної форми в основному в багато струмових відкритих штампах. Основним типом таких молотів є пароповітряні штампувальні молоти з масою падаючих частин 0,63 - 16 т, рідше застосовуються фрикційні молоти з масою падаючих частин 0,5 - 15 т.

Пароповітряні штампувальні молоти розрізняють простої й подвійної дії. Ці молоти відрізняються від кувальних молотів конструкцією станини й шабота, але вони забезпечують більшу точність переміщення частин штампів. Для точного збігу положення верхньої половини штампа, прикріпленої до довбні, щодо нижньої, що зміцнює на штампотримачі ліву й праву стойки станини молота монтують на шаботі й установлюють на доном фундаменті. Крім того, штампувальні молоти мають більш зроблені напрямні, що прикріплюють до стійок, для забезпечення строго певного напрямку руху довбні по всій довжині робочого ходу. Для нормальної роботи штампувального молота необхідно, щоб маса шабота була в 20 - 30 разів більше маси падаючих частин.

Застосовують також бесшаботні пароповітряні штампувальні молоти. У цих молотів замість важких шаботів є дві довбні (верхня й нижня), які при роботі рухаються назустріч один одному по напрямним загальної станини. На нижній довбні встановлюють нижню половину штампа із заготівлею, верхня половина штампа кріпиться до верхньої довбні. Штампування відбувається при зіткненні обох довбень. Привод у бесшаботних молотів паровий або повітряний. Число ударів - 6 - 20 в хв.