Выбор и исследование материалов с заданными свойствами для производства литой биметаллической пресс-оснастки

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы

.

Современный уровень развития машиностроения охватывает внедрение в производство высокотехнологичных процессов получения заготовок, приближающихся по размерам и форме к готовым деталям. Актуальность проблемы постоянно возрастает в связи с ростом объемов пресс-оснастки и требованиями к точности изделий. Но высокая стоимость и низкая стойкость пресс-оснастки ограничивают масштаб их внедрения в производство.

Повышение эксплуатационных свойств пресс-оснастки связано на прямую с развитием автомобильной, приборостроительной, ракетной, авиационной, но и других сфер промышленности. При решении рассматриваемого вопроса дополнительную сложность создаёт дороговизна основных легирующих компонентов теплостойких инструментальных сталей. Поэтому, увеличение работоспособности, а также разработка экономно легированных сплавов, рациональных технологий изготовления^ и упрочнения пресс-оснастки являются актуальными и требуют незамедлительного решения.

В трудах В. А. Виллса, Ж. Робертса, Б. Ф. Трахтенберга, А. И. Иванова, В. Г. Асташова, Ю. А. Геллера, и других [16,59,74,75,77,33,34,1,17−21] отмечено, что для повышения работоспособности пресс-оснастки нужны не только новые и известные перспективные материалы, а также технология изготовлениями оптимизация режимов упрочнения пресс-оснастки, основанная (наряду с определением основных механических свойств) на информации, полученной при исследовании специальных характеристик инструментальных материалов, таких, как теплостойкость, разгаростойкость и других. Разработан метод полунатурных испытаний, принципиальной особенностью которого является выполнение экспериментальных программ на образцах простой формы при моделировании или воспроизведении в испытательных установках факторов и параметров воздействия, максимально приближённых к условиям реального нагружения при эксплуатации определённого класса пресс-оснастки.

Решение вышеуказанной проблемы осуществляется за счёт создания новых экономно-легированных сталей, совершенствования технологий их выплавки, ковки, термической обработки, а также применение различных способов упрочнения готовых изделий. Другое направление — разработка новых литейных материалов и способов производства литой пресс-оснастки, несмотря на его перспективность, реализуется слабо.

Весьма актуальной является задача решения этой проблемы применительно к материалам и технологическим процессам производства литых биметаллических штампов.

Цель работы и задачи исследования.

Целью настоящей работы является выбор и исследование материалов с заданными свойствами для производства литой биметаллической прессоснастки.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать причины разрушения (износа) штампов «Автофордж» в натурных условиях и выбраны критерии оценки работоспособности материалов;

2. Выполненить экспериментальную оценку температурного нагружения и аналитический расчет напряжений в штампах «Автофордж»;

3. Выполнить сравнительные испытания ТМУ традиционно применяемых литых и кованых сталей мартенситного класса и новой аустенито-карбидной стали 20Х15Н18ТЗФМЮБР в литом состоянии;

4. Изучить влияние режимов технологических воздействий при-литье (скорость, охлаждения при кристаллизации, модифицирование супердисперсными карбидами титана), а также режимов дисперсионного твердения на структуру и твердость стали 20Х15Н18ТЗФМЮБР.

5. Разработать новый процесс получения литых биметаллических штампов системы сталь 20X15Н18ТЗФМЮБР — алюминиевый сплав AJI-2;

6. Изучить распределение элементов в диффузионном переходном слое в системе рабочий слой из стали 20Х15Н18ТЗФМЮБР — опорный слой из сплава AJI-2;

7. Предложить режим азотирования биметаллических штампов, обеспечивающих процесс дисперсионного твердения в стали 20Х15Н18ТЗФМЮБР и создание на гравюре азотированного слоя высокой твердости и износостойкости.

8. Оцененить экономическую эффективность технологических процессов получения высокоработоспособных литых биметаллических штампов «Авто-фор дж».

Объект исследования.

В качестве объекта исследования выбраны штампы для твёрдо-жидкой штамповки установки «Автофордж» как наиболее быстро изнашивающиеся из-за работы в условиях особо интенсивного циклического тем-пературно-силового нагружения (ЦТСН) и взаимодействия с твёрдо-жидкими прессуемыми материалами.

Предмет исследования.

Предметом исследования является работоспособность штампов, определяемая количеством циклов температурно-силового нагружения до образования трещины критической величины, влияния условий охлаждения на твердость рабочей поверхности, а также распределение легирующих элементов в переходном слое биметаллических штампов.

Методы исследования.

В-работе применен метод статического анализа, термомеханической усталости металлов, а также металлографические методы, химико! спектрального анализа и линейно-угловых измерений. анализа с измерением микротвердости, позволяющая выбирать материалы с заданными свойствами для производства литой биметаллической пресс-оснастки.

2. Предложен новый способ получения биметалла сталь — алюминий по патенту РФ № 2 290 277 для штампов отличающаяся тем, что он обеспечивает высокую термостойкость, а также позволяет сократить расход дорогостоящих легирующих компонентов.

3. Установлена закономерность распределения легирующих элементов в переходном слое биметаллических штампов, полученных из теплостойкой дисперсионно твердеющей стали и литейного алюминиевого сплава, заключающейся в образовании диффузионной прослойки разной толщины, характерной для литейной сварки и обеспечивающей надежное сцепление рабочего и опорного слоя.

Практическая ценность и реализация работы.

1. По итогам сравнительных испытаний работоспособности кованых инструментальных сталей мартенситного класса, и литой дисперсионно твердеющей стали 20Х15Н18ТЗФМЮБЕ определены области их рационального использования при изготовлении ШТЖШ.

2. Разработан новый способ по патенту РФ № 2 290 277 и технология изготовления литых биметаллических штампов из дисперсионно твердеющей стали и литейного сплава AJI-2, позволяющий экономить дефицитные высоколегированные стали, повысить работоспособность литых штампов. (Описание разработанного биметаллического сплава, под редакцией Камской государственной инженерно-экономической, академии, вошло в монографию — «Прогрессивные способы, материалы и процессы производства биметаллической пресс-оснастки»).

3. Исследование1 и опробование высокотеплопроводного алюминиевого сплава для опорного слоя показали снижение градиента температурного воздействия на гравюру штампа, позволили исключить применение в конструкции штампа системы каналов для охлаждения, а также дали возможность раздельно утилизировать металлы.

Достоверность результатов.

Обоснованность и достоверность приводимых в работе выводов и заключений подтверждается актом опытно-промышленного испытания, а также проведенными автором многочисленными экспериментами с привлечением современных методов исследований и использованием высокоточного оборудования.

Апробация работы.

Основное содержание работы по теме диссертации доложено и обсуждено на международных и межвузовских научно-технических конференциях «Новые информационные технологии» (г. Крым, 2001 г.), «Вузовская наука России» (г. Набережные Челны, 2005 г.), а также в публикациях. По материалам диссертации опубликовано 10 статей. В результате выполнения работы было предложено новое решение, подтвержденное патентом РФ № 2 290 277, 2006.

В связи с вышеизложенным на защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика полунатурных испытаний и критерий оценки работоспособности материалов для ШТЖШ.

2. Методика испытаний кованых сталей, мартенситного класса и литой дисперсионно твердеющей стали на ТМУ.

3. Результаты исследования структуры и свойств дисперсионно твердеющей стали 20Х15Н18ТЗФМЮБР в зависимости от условий кристаллизации и термообработки.

4. Разработка способа получения литой биметаллической пресс-оснастки из стали 20Х15Н18ТЗФМЮБР и алюминиевого сплава.

5. Результаты электронно-микроскопических исследований закономерностей формирования* рабочего и переходного слоя биметаллических штампов, полученных из теплостойкой дисперсионно твердеющей стали и литейного алюминиевого сплава.

6. Разработка режима азотирования литой биметаллической пресс-оснастки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. При анализе условий эксплуатационного нагружения установлены основные виды разрушения пресс-оснастки: трещины, смятия, износ.

В этой связи использование показателей механических свойств: твердости, прочности, ударной вязкости и др. не достаточно для объективной оценки при разработке материалов для пресс-оснастки, работающей в условиях ЦТСН. На основании выполненного анализа причин и видов разрушения пресс-оснастки в работе научно обосновывается применение полунатурных испытаний. Принципиальной особенностью этого метода является выполнение экспериментальных программ на образцах простой формы при моделировании или воспроизведении в испытательных установках факторов и параметров воздействия, максимально приближённых к условиям реального нагружения при эксплуатации определённого класса пресс-оснастки.

2. На основе расчетно-экспериментальных результатов исследования, предложен типовой режим нагружения образцов при испытании на ТМУ.

Из числа исследованных сталей, наибольшим сопротивлением возникновению трещин обладает новая сталь 20Х15Н18ТЗФМЮБР в литом состоянии. При сопоставлении сталей ДИ-22 (4Х4СВМ2Ф), 5ХНМ и ДИ-32 (5Х2МНФ) установлено существенное преимущество новой стали 4Х4СВМ2Ф.

3. Установлено, что марганец снижает теплопроводность стали 4Х4СВМ2Ф и уменьшает, её работоспособность в условиях ЦТСН. Рекомендовано’установить верхний предел содержания марганца в стали до 0,2%.

4. Анализ структуры стали 20Х15Н18ТЗФМЮБР показывает, что с увеличением температуры старения твердость сначала увеличивается, а потом понижается. Понижение твердости связано с коагуляцией и укрупнением выделившихся частиц.

Медленно охлажденная сталь без модифицирования по сравнению с модифицированной сталью характеризуется более грубой структурой упрочняющей фазы. Модифицирование супердисперсными карбидами титана дополнительно измельчает структуру стали 20Х15Н18ТЗФМЮБР.

5. Разработан новый способ получения биметаллических штампов системы — 20Х15Н18ТЗФМЮБР-AJI2 позволяющий:

— повысить работоспособность литых штампов за счет формирования. на рабочих поверхностях малодисперсного высоколегированного слоя высокой износостойкости, вязкого переходного слоя и основания из сплава более теплопроводного;

— экономить дефицитную легированную сталь для гравюры, так как 80—60% объема штампа выполнено из теплопроводного и более дешевого сплава алюминия;

— раздельно утилизировать поверхностно легированные стали и опорный слой.

6. Анализ переходного слоя, выполнен при охлаждении в различных охлаждающих средах. Охлаждение кристаллизатора жидким азотом обеспечивает образование интерметаллидной прослойки толщиной 1,5−2,5 мкмпри водяном охлаждении прослойка характеризуется толщиной 3,04,0 мкм, при воздушном — 5−6 мкм. Как следует из приведенных зависимостей, полученных для сплавов, прослойка состоит из трех зон. Зоны, примыкающие к основным сплавам (зона I и III) имеют толщину 0,20,3 мкм и характеризуются плавными кривыми изменения" химического состава: Внутренняя, зона II, толщиной'- 2 мкм, характеризуется плавным переходом содержания компонентов, между рабочим и опорным, слоем.

7. Испытания разработанного биметаллическогог материала из стали 20Х15Н18ТЗФМЮБР и сплава AJI-2 в качестве литейного материала для ШТЖШ показали увеличение стойкости штампов, по сравнению со штампами из кованой стали 4Х4СВМ2Ф в 2,5 раза, при этом себестоимость оснастки уменьшилась в 3 раза.