Файл: Хомяк, Б. С. Износостойкость кузнечно-прессового инструмента и штампов и методы ее исследования [обзор].pdf

ности в результате действия поверхностно-активных веществ. Мож­ но считать, что уменьшение количества изношенного штампового материала с повышением его твердости объясняется не уменьшени­ ем точек элементарного контакта, а уменьшением размеров частиц и их количества.

Наблюдающееся на третьей стадии износа увеличение шерохо­ ватости, сопровождающееся выкрашиванием, носит усталостный характер и зависит от усталостной прочности материала поверхно­ стных слоев штампов и инструмента.

В поверхностных слоях рабочих поверхностей штампов происхо­ дит процесс упрочнения, который достигнув максимального значе­ ния, может привести к образованию микротрещин, со временем превращающихся в макротрещины, приводящие к усталостному разрушению. Добавочные концентраторы напряжений: риски, ца­ рапины ускоряют усталостное разрушение. Долговечность штампов и инструмента можно повысить за счет их восстановления путем удаления с рабочей поверхности «дефектного усталостного слоя».

Износ твердосплавного инструмента и штампов. При изучении износа твердосплавных штампов и инструмента автор обзора исхо­ дил из предположения скелетной структуры составляющих фаз твердого сплава, согласно которой в твердом сплаве имеются вза­ имно переплетающиеся карбидный и кобальтовый скелеты. Износо­ стойкость твердых сплавав зависит как от износостойкости и проч­ ности карбидной составляющей, так и кобальтовой.

Чем грубее структура и больше пористость, тем интенсивнее протекает износ. Вместе с тем, остаточная пористость снижает средний предел прочности при изгибе.

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы имеют резко выражен­ ную гетерогенную структуру и при нормальном содержании углеро­ да состоят из двух фаз: хрупкого карбида вольфрама (фаза WC) н относительно пластичного твердого раствора вольфрама и углеро­ да в кобальте (кобальтовая фаза), который распределяется в виде прожилок между зернами карбида вольфрама.

Выполненные исследования показывают, что фазы WC и Со твердых сплавов вольфрамокобальтовой группы имеют перемен­ ные свойства. Так, согласно работе [56], в смежных зернах WC твер­ дость более мягкого зерна возрастает по мере приближения к гра­ нице раздела с более твердым, твердость WC уменьшается с при­ ближением к границе с Со.

По данным других авторов, аналогичная картина наблюдается и в Co-фазе. Кроме того, в зернах Co-фазы на разных расстояниях от зерен WC наблюдаются разная твердость и химический состав.

. Co-фаза в твердых сплавах находится в упрочненном состоя­ нии, что может быть вызвано тремя причинами; легированием ко­ бальта вольфрамом, влиянием объемного напряженного состояния и влиянием сопротивления границ зерен движению дислокаций. Ве­ личина зоны пластической деформации в Со увеличивается пропор­ ционально приложенной нагрузке. Пластическая деформация кон­

59

центрируется в основном вблизи границ зерен WC, а остальная часть Со ведет себя почти упруго [61].

В твердом сплаве на определенной глубине от поверхности из­ носа (до 10—30 мкм) образуется слой, по своим свойствам отлич­ ный от исходного, полученного после механической обработки.

Выполненные автором обзора исследования позволяют сделать вывод, что на поверхности износа твердосплавных штампов и ин­ струмента имеет место одновременно пластическая деформация и разрушение кобальтовой и карбидной фаз. При износе зерна WC ослабляются, что приводит к ослаблению связей с соседними зер­ нами и кобальтовой связкой. При этом происходит дробление кар­

бидных зерен, течение кобаль­

торое снятие термических фазных напряжений.

На микрошлифах твердосплавных изделий до износа зерна WC имеют формы многоугольников с острыми углами.

Просмотр поверхности износа штампов и инструментов на элек­ тронных (просвечивающих и растровых) микроскопах показывает, что карбидные зерна имеют в основном округлую форму. Это мож­ но объяснить тем, что при пластическом течении сплава при сопри­ косновении зерен WC возникают высокие контактные напряжения, разрушающие острые углы и грани.

При исследовании на поверхности твердосплавных штампов и инструмента на третьей стадии износа в отдельных случаях был об­ наружен плохо травящийся слой (рис. 17), толщиной до 10—\Ъмкм. Структура этого слоя имеет повышенное содержание WC. Можно предположить, что на третьей стадии износа, характеризующейся увеличением шероховатости поверхности износа и некоторым ее разрыхлением, вследствие возникновения усталостных явлений на­ блюдается изменение (дифференциация) микроструктуры твердо­

60

качество мартенсита определяется его химическим составом, а ка­ чество карбидов—природой, составом, количеством и степенью дисперсности. Увеличение размеров карбидов снижает износостой­ кость штамповых сталей.

Стали с большим количеством карбидной фазы имеют наиболь­ шую износостойкость при низкой удельной энергии удара. С увели­ чением удельной энергии удара большое количество карбидной фазы приводит к выкрашиванию поверхности износа.

Важную роль в износостойкости штамповых сталей играет мар­ тенсит, который должен быть износостойким и одновременно проч­ но удерживать мелкие кристаллы карбида [37].

Если твердость мартенсита в износостойких сталях составляет ИВ600, то твердость карбидов значительно выше. Так карбид ти­ тана TiC имеет микротвердость 2580 кгс/мм2, карбид ванадия VC— 2094 кгс/мм2, карбид молибдена МогС — 1479 кгс/мм2 и карбид вольфрама WC — 923 кгс/мм2.

По мнению автора обзора, штамповые и инструментальные ста­ ли имеют скелетную структуру. Связанные между собой-зерна раз­ ных фаз этих сталей при нагревании штампов и инструмента во вре­ мя эксплуатации расширяются, а при охлаждении сжимаются в объеме по-разному, что приводит к возникновению дополнительных напряжений.

В фазах двухфазных или многофазных штамповых сталей при их нагружениях внешними силами во время штамповки возникают напряжения, которые при определенных значениях приводят к микропластической деформации в мягких и твердых составляющих фазах.

Следует отметить, что в ряде случаев имеющая место значитель­ ная макропластическая деформация рабочей поверхности штампов объясняется неправильным выбором штамповых сталей или непра­ вильной их термической обработкой.

В работе [35] отмечается, что интенсивность ударного износа инструментальных легированных сталей, применяемых для изготов­ ления штампов холодного деформирования (6ХС, 9ХС, ХВГ, Х12М, Р18), зависит от энергии удара, пластичности, твердости и их фа­ зового состава.

При ударном износе у легированных сталей одновременно с упрочнением поверхностных слоев от пластического деформирова­ ния происходит упрочнение их от превращения остаточного аусте­ нита в мартенсит.

В ряде случаев при горячей, а также холодной штамповке на­ блюдается изменение структуры в процессе износа штампов и ин­ струмента. Так, при исследовании износа холодновысадочного инст­ румента наблюдался переход исходной структуры троостомартенсита в троостит и т. д.

При износе штамповых сталей наблюдается изменение микро­ твердости. Так, при испытаниях гаечных секторных матриц из ста­ ли У10А с HRC 59—60 для холодной высадки гаек М10 из стали 10

62

наблюдались следующие изменения микротвердости (рис. 18): с первых минут работы матрицы происходит упрочнение поверхно­ стных слоев, вместо исходных 520—650 кгс/мм2 (кривая /), микро­ твердость достигает 820—970 кгс/мм2 (кривая 4). В дальнейшем происходит некоторое разупрочнение — в период установившегося

Рис. 18. Изменение микротвердости поверхностных слоев в сечении сектора в различные периоды работы матрицы:

В отдельных случаях на поверхности износа штамповых сталей наблюдается образование «белых слоев», плохо подвергающихся травлению. Белые зоны на поверхности штампов представляют со­ бой мелкодисперсные вторичные структурные фазы, образующиеся под воздействием температурных вспышек и циклических дефор­ маций при трении.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРА ИЗНОСА И УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ИНСТРУМЕНТА И ШТАМПОВ

Измерения остаточных напряжений. Для определения остаточ­ ных напряжений в деталях широкое применение находит известный механический метод, основанный на снятии напряженных слоев стравливанием или обточкой и разрезкой (например, при исполь­ зовании кольцеобразных образцов) с последующим измерением деформации и определением с помощью методов теории упругости величины и характера распределения остаточных напряжений.

Применяется также рентгенографический метод. Его преимуще­ ством является возможность определения только упругих напряже­ ний в поверхностном слое, в то время как с помощью механического метода выявляется суммарный эффект от упругих и пластических деформаций. Кроме того, рентгеновский метод определения остаточ-

63

ных напряжений позволяет проследить за состоянием каждой фазы исследуемого образца в отдельности, что нельзя выполнить с по­ мощью механического метода.

Высказывается предположение, что рентгенографическое изме­ рение определяет не абсолютное напряженное состояние, а лишь преобладание напряжений одного знака над напряжениями проти­ воположного знака в единице объема.

Р е н т г е н о г р а ф и ч е с к и й ме т од . При исследовании оста­ точных напряжений автор обзора применил способ многократных наклонных съемок (sin2i|)-onoco6), с помощью которого проводилось рентгенографическое определение остаточных напряжений по кар­ бидной и кобальтовой фазам (предполагалось двухосное напряжен­ ное состояние) в твердосплавных вставках марки ВК20 гаечных секторных шестигранных матриц после шлифования их кругами из карбида кремния зеленого, алмазного шлифования и в дальнейшем при износе после выполнения последовательно 500 тыс., 800 тыс., 2 млн., 3 млн. штампоударов при холодной высадке гаек М12 из стали 10 на автомате А-412. При этом определялась остаточная ориентированная деформация. Съемки производили на дифракто­ метре ДРОН-1 в излучении железного и кобальтового анодов. Ре­ гистрировали линии (112) WC и (311) р-Со.

По результатам определения углов отражения # и межплоскост­ ных расстояний d, полученных при наклонных съемках, строили гра­

М -р

чистого кобальта.

64