Выбор стали и режима её термической обработки для тяжелонагруженных штампов холодного деформирования

Изготовление деталей методами холодной пластической деформации получило широкое распространение в крупносерийном и массовом производстве. Это объясняется, в первую очередь, более рациональным использованием металла заготовки, чем в случае резания, а также высокой производительностью процесса за счет его автоматизации, что в конечном итоге снижает себестоимость изделия.

Штамповый инструмент для холодного деформирования можно разделить на пять основных групп в зависимости от основных операций штамповки [1]: резка — отрезка, вырубка, пробивка, просечкагибка — гибка, скручиваниевытяжка — вытяжка, обтяжка, протяжкаформовкарельефная формовка, растяжка, отбортовка, правкаобъемная штамповкапрессование, высадка, редуцирование, калибровка, чеканка.

Тяжелонагруженными операциями являются: объемная штамповка (прессование, высадка, редуцирование) и резка (вырубка и пробивка).

При этих операциях штамповый инструмент находится в сложнонапряженном состоянии, подвержен большим давлениям (~2500М7а и более), а в отдельных случаях (вырубные штампы, холодновысадочные пуансоны) высоким динамическим и циклическим нагрузкам. Кроме того, происходит нагрев рабочих частей штампового инструмента за счет выделения тепла деформации и трения.

Такие тяжелые условия эксплуатации штампового инструмента предопределяют его работоспособность и стойкость, которые во многих случаях являются неудовлетворительными.

Другие операции холодной штамповки (гибка, вытяжка, формовка) не вызывают особых осложнений, связанных со стойкостью штампового инструмента, т.к. условия его работы достаточно благоприятны: относительно низкое давление, практически отсутствие нагрева.

Для обеспечения удовлетворительной стойкости тяжелонагруженного инструмента штамповый материал должен иметь комплекс определенных свойств: высокую твердостьвысокие значения предела прочности и текучести при сжатиивысокое сопротивление малоцикловой усталостиудовлетворительную ударную вязкость (при работе штампа с динамическими нагрузками) — удовлетворительную теплостойкость.

Этому комплексу требований отвечают инструментальные стали и в меньшей степени твердые сплавы.

Кроме перечисленных выше требований стали должны быть достаточно технологичными: иметь малую склонность к деформациям при термической обработкехорошо обрабатываться шлифованиемиметь высокую прокаливаемость. Склонность стали к деформациям и её шлифуемость особенно важны для инструмента сложной формы. Кроме того, склонность стали к деформациям важна для инструмента, обладающего малой жесткостью.

Комплекс свойств, предъявляемых к материалам тяжелонагруженных штампов холодного деформирования штампа, можно обеспечить путем рационального выбора марки стали и получением соответствующей структуры в результате окончательной термической обработки инструмента из этой стали.

В настоящее время известны многочисленные марки сталей для штампов холодного деформирования. Однако, до сих пор не было сделано обоснованного выбора из их числа стали с наиболее высокими эксплуатационными и технологическими свойствами для тяжелонагруженных штампов холодного деформирования.

Настоящая работа посвящена исследованию и выбору на его основе стали и режимам её термической обработки для изготовления тяжелонагруженного холодноштампового инструмента.

ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

1) Разработать требования, предъявляемые к структуре стали для обеспечения высокой стойкости тяжелонагруженных штампов холодного деформирования.

2) На основе разработанных требований произвести обоснованный выбор стали, обладающей наиболее высокими эксплуатационными и технологическими свойствами.

3) Разработать оптимальный режим термической обработки выбранной стали, обеспечивающий максимальную стойкость инструмента.

4) Выполнить стойкостные испытания тяжелонагруженных штампов из выбранной стали в заводских условиях для подтверждения разработанных теоретических положений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в разработке концепции, реализация которой обеспечила значительное повышение стойкости тяжелонагруженных штампов холодного объемного деформирования.

Концепция включает следующие положения:

1) Для увеличения сопротивления инструментальной стали малоцикловой усталости — главной причины разрушения тяжелонагруженных штамповнеобходимо увеличить твердость стали и, вместе с тем, ее ударную вязкость до более высоких значений, чем у известных и лучших сталей аналогичного назначения (быстрорежущая сталь Р6М5 ледебуритного класса и др.) Увеличение твердости последних более 60-^61HRC приводит к преждевременному хрупкому разрушению инструментов.

2) Для решения поставленной задачи структура стали с твердостью 62-S-63HRC должна отличаться особенно мелкозернистым строением, отсутствием крупных карбидов (концентраторов напряжений) и остаточного аустенита.

3) Выбрана заэвтектоидная быстрорежущая сталь 11М5Ф, которая отвечает установленным требованиям. Эта сталь упрочняется при отпуске большим количеством карбидов Ме2зСб на основе железа, хрома и молибдена. Эти карбиды имеют наиболее низкие среди карбидов легирующих компонентов температуры растворения в аустените при нагреве инструментов в процессе их закалки. Закалка от пониженных температур позволяет сохранить мелкозернистую структуру стали.

4) Выбор стали 11М5Ф и ее термическая обработка по режимам, предложенным в исследовании, обеспечили высокие значения твердости (62-f-63HRC) и ударной вязкости в 1,7 раза больше, чем у стали Р6М5, как результат: особо мелкозернистой структуры балла № 14 (средняя площадь зерен аустенита в 4 раза меньше, чем у стали Р6М5) — отсутствия крупных эвтектических карбидовотсутствия остаточного аустенита, который полностью распадается при отпуске.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в том, что стойкость тяжелонагруженных пуансонов холодновысадочных автоматов, изготовленных из стали 11М5Ф и упрочненных по предложенным режимам, в условиях завода «Станконормаль», увеличилась в 2,5-^3 раза в сравнении с инструментами из стали Р6М5.

— 106 -выводы.

1. На основе анализа условий эксплуатации и причин разрушения тяжелонагруженных штампов холодного деформирования определены и сформулированы требования, предъявляемые к свойствам сталей для такого инструмента и их структуре, обеспечивающей эти свойства.

2. Показано, что наибольшая стойкость тяжелонагруженных штампов холодного деформирования, теряющих работоспособность по причине хрупкого разрушения преимущественно из-за малоцикловой усталости, достигается при условии сочетания высоких значений твердости (62-r63HRC) и ударной вязкости, а также прочности.

3. Установлено, что для обеспечения указанных в п. 2 требований к свойствам штамповых сталей с твердостью (62-r63HRC), при отсутствии остаточного аустенита, который, как известно, уменьшает сопротивление сталей малоцикловой усталости и снижает предел текучести на сжатие, их структура должна отвечать следующим требованиям: а) она должна быть особенно мелкозернистойб) в структуре не допускается присутствие крупных эвтектических карбидовв) вторичные карбиды стали должны полностью растворяться в аустените при нагреве до наиболее низких температур закалки для получения мелких зерен аустенита и высокой концентрации в нем углерода и легирующих компонентов, обеспечивая вместе с тем вторичную твердость 62−63HRC.

4. Выдвинуто положение о том, что из всех известных сталей для тяжелонагруженных штампов холодного деформирования сформулированным требованиям отвечает структура быстрорежущей заэвтектоидной молибденовой стали 11М5Ф.

5. Для экспериментальной проверки разработанных положений были выбраны следующие быстрорежущие стали разного структурного класса: а) вольфраммолибденовая сталь ледебуритного класса Р6М5 (ГОСТ 1 926 573) с большим количеством эвтектических карбидов на основе вольфрамомолибденного карбида типа МевС — до 10+12% (масс.) — б) молибденовая сталь ледебуритного класса 95Х6МЗФЗСТ (ТУ 14−1-507 991) со сравнительно небольшим количеством эвтектических карбидов на основе карбида ванадия типа МеС- 3+3,5% (масс.) — в) молибденовая заэвтектоидная сталь 11М5Ф (ТУ 14−131−932−98) в структуре которой отсутствуют крупные эвтектические карбиды.

6. Исследование структуры выбранных сталей до и после термической обработки показало, что сталь 11М5Ф полностью удовлетворяет сформулированным требованиям, т.к.: в ней отсутствуют крупные эвтектические карбиды, являющихся источниками зарождения микротрещинкарбидная фаза этой стали состоит, главным образом, из вторичных карбидов типа Ме6С и Ме2зС6 на основе молибдена и хрома, которые полностью растворяются в аустените при нагреве до наиболее низких в сравнении с другими сталями температур закалки: 1040°С+1060°С. Эта особенность стали 11М5Ф позволяет получить мелкозернистую структуру. (14 балла) в сочетании с высокой твердостью (до 63HRC) в результате дисперсионного твердения при отпуске. В сталях Р6М5 и 95Х6МЗФЗСТ, у которых для получения вторичной твердости 62+63HRC температуры закалки выше, чем у стали 11М5Ф на 120 °C и на 80 °C соответственно, размер зерен оценивается 12 и 13 баллами, т. е. средняя площадь их зерен в 4 и в 2 раза соответственно больше, чем у стали 11М5Ф.

7. Показано, что присутствие мелких (до 1+2мкм) и равномерно распределенных в структуре стали 11М5Ф карбидов ванадия типа МеС дополнительно способствует получению в ней мелкозернистой структуры.

8. Исследование влияния термической обработки на превращения, структуру и свойства выбранных сталей позволило установить следующее: а) оптимальный режим термической обработки стали Р6М5 для тяжелонагруженных штампов холодного деформирования — закалка от температуры 1160°1 180°С, охлаждение в масле и последующий трехкратный отпуск при температуре 560 °C. После указанной обработки сталь Р6М5 получает: твердость 63HRCКС=0,2 $МДж/м2- аю=4400МПа. б) оптимальный режим термической обработки стали 11М5Ф — закалка от температуры 1040°1 060°С, охлаждение в масле и последующий трехкратный отпуск при температуре 570 °C. После указанной обработки сталь 11М5Ф получает: твердость 63HRCКС=0,48МДж/м — изг=4ШМПа. в) оптимальный режим термической обработки стали 95Х6МЗФЗСТ-закалка от температуры 1120°1 140°С, охлаждение в масле и последующий трехкратный отпуск при температуре 540 °C. После указанной обработки сталь 95Х6МЗФЗСТ получает: твердость 624−63HRCКС=0,35 МДж/м2- (ти,=4ШМПа.

Характерно, что после выбранной термической обработки изученных сталей по оптимальным режимам их предел прочности (аизг) имеет максимальные и близкие значения: 4300^-4400 МПа.

9. Установлено, что при равных значениях твердости и прочности сталь.

11М5Ф имеет значительно более высокую ударную вязкость, чем стали Р6М5 и 95Х6МЗФЗСТ. Ударная вязкость стали 11М5Ф (0,48МДж/м2) на 70% и на 37%) больше ударной вязкости сталей Р6М5 (0,2 $МДж/м2) и 95Х6МЗФЗСТ (0,35МДж/м') соответственно. Одновременно с этим выявлена повышенная пластичность образцов из стали 11М5Ф при испытаниях на сосредоточенный изгиб — в 2,6 раза больше, чем у стали Р6М5 по величине работы, затраченной на пластическую деформацию.

10. Результаты стойкостных испытаний показали, что сталь 11М5Ф имеет явное преимущество перед сталями Р6М6 и 95Х6МЗФЗСТ. Стойкость пуансонов из стали 11М5Ф в 2,5-т-З раза выше, чем стойкость пуансонов из сталей 95Х6МЗФЗСТ и Р6М5. Кроме того, при существенно более высокой стойкости сталь 11М5Ф обеспечивает и большую стабильность стойкости холодновысадочного инструмента.

11. Минимальное коробление сталей Р6М5 и 11М5Ф достигается при закалке от температур, при которых происходит интенсивное растворение карбида типа Ме6С. При этом обеспечиваются определенные для каждой стали соотношения между концентрацией углерода в мартенсите и количеством остаточного аустенита. Абсолютные значения минимальной величины коробления стали 11М5Ф ниже, чем у стали Р6М5 примерно на 25%.

12. Минимальное коробление стали 11М5Ф достигается при закалке от температур, рекомендуемых для штампового (1040°-rl060°C), а стали Р6М5 — для режущего (1210°* 1230°С) инструментов.

13. По результатам стойкостных испытаний установлено, что сталь 95Х6МЗФЗСТ не уступает по свойствам стали Р6М5. Однако существенным недостатком стали 95Х6МЗФЗСТ является её плохая шлифуемость. Шлифуемость стали 11М5Ф не отличается от шлифуемости стали Р6М5.