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

3) работающие с высокими удельными давлениями (до 220— 240 кгс/мм2 и более) в широком диапазоне скоростей нагружения при холодном деформировании и с существенным разогревом по­ верхности (до 300—450° С — объемное прессование, некоторые операции вырубки, высадки, калибровки и др.).

Для каждой группы штампов и инструмента приводятся реко­ мендации по оптимальному содержанию и соотношению элементов в штамповых сталях:

в теплоустойчивых сталях повышенной пластичности ~3,5% хрома, ~1,0% вольфрама, ~ 1 ,5% молибдена и ~0,8% ванадия; в сталях высокой теплоустойчивости ■—-3,0% хрома, 3,5% вольф­

рама, —-1,0% молибдена и —<1,8% ванадия; в высокопрочных сталях для холодного деформирования

~4,0% хрома, ~2,0% вольфрама, ~1,0% молибдена и -—-1,0%. ва­ надия.

В табл. 1 приведены рекомендуемые ЭНИКМАШем для изго­ товления штампов горячего и холодного деформирования стали и их химический состав [47].

Инструмент, испытывающий высокие ударные нагрузки (напри­ мер, холодновысадочные матрицы) в отдельных случаях целесо­ образно изготавливать из сталей с поверхностной закалкой (на­ пример, У8А, У10А и др.), что обеспечивает высокую твердость и износостойкость поверхности при мягкой вязкой сердцевине, вос­ принимающей изгибающие и ударные нагрузки. Матрицы из ста­ лей ic малой прокаливаемостью делают всегда цельными, а из ста­ лей со сквозной прокаливаемостью составными, предварительно напряженными.

Быстрорежущие стали широко применяют для изготовления штампов холодного и горячего деформирования, при высоких дав­ лениях, так как в них сочетаются высокие значения износостой­ кости, предела выносливости, прочности на сжатие, горячей твер­ дости и отпускной стойкости. Например, инструментальный цех завода фирмы Bulten (Швеция) изготовляет ежегодно около 300 тыс. единиц высадочного инструмента, в основном из быстро­ режущей стали. Инструмент перед употреблением контролируется при постоянных температуре и влажности.

В работе [33] для холодного прессования вместо стали Р18 рекомендуется применять сталь 8Х4В2С2МФ (ЭП 761), которая обеспечивает повышение стойкости не менее чем в 1,5—1,8 раза.

В работе [10] вместо дорогих быстрорежущих сталей при штам­ повке с повышенными динамическими нагрузками рекомендуется сталь 6Х4М2ФС, закаленная в масле от 1070—1090° С и три раза отпущенная при 535—545° С, а для деформирования с повышенны­ ми удельными давлениями сталь 9Х5М2ФС, закаленная в масле от 1070—1090° С и отпущенная при 535—545° С 4—5 раз. Рекомен­ дуется также [9] применять для изготовления высадочных и чека­ ночных штампов сталь 6ХЗФС (0,56% С; 0,33%' Мп; 0,63% Si;

20

3,5% Cr; 1,1% V, остальное Fe). Эта сталь имеет ударную вяз­ кость 2—2,5 кгс-м/см2 и твердость HRC 57—59 после непре­ рывной закалки и 5—6 кгм/см2 и HRC 52—54 после изотермиче­ ской закалки.

В работе [42] отмечается, что штампы из сталей марок 4ХЗВМФ, 40Х2СВМФ10 и 45Х2СВ2МФ имеют более высокую эксплуатаци­ онную стойкость в условиях горячей штамповки по сравнению со сталями 5ХНВ, 4Х2В2, ЗХ2В8Ф.

В зарубежной практике для штампов горячей штамповки [58] лучшей признана сталь Н13 (AISI), содержащая 0,34% С, 50% Сг, 1,2% Si, 0,44% Мп, 1,22% Мо, 1,10%, V.

Развитие штамповых сталей идет как по пути создания новых сталей, так и по пути улучшения имеющихся; последнее дости­ гается применением электрошлакового, вакуумно-дугового, элект­ роннолучевого и плазменно-дугового переплавов, значительно по­ вышающих ударную вязкость и износостойкость сталей [33]. Все эти способы переплава обеспечивают высокую чистоту (малое ко­ личество неметаллических включений, низкое содержание газов), плотность и однородность металла. Применение этих способов переплавов не оказывает влияния на изменения твердости и вели­ чину зерна аустенита после термической обработки, однако они приводят к значительному повышению пластичности, ударной вяз­ кости, усталостной прочности и снижению анизотропии свойств. Уровень прочности сталей горячего деформирования практически остается неизменным, а сталей холодного деформирования повы­ шается [33]. Вакуумная плавка и вакуумная дегазация аргоном повышают также полируемость штамповых сталей.

Имеются рекомендации по применению ультразвуковой обра­ ботки кристаллизующихся инструментальных* сталей, например У10А, Р18, при вакуумно-дуговом и электрошлаковом переплавах для улучшения их структуры и свойств.

Твердые сплавы. Как в отечественной, так и зарубежной прак­ тике для армирования прессовых штампов и инструмента в ос­ новном применяют твердые сплавы вольфрамо-кобальтовой груп­ пы. Они имеют высокую твердость, высокое сопротивление исти­ ранию и сжатию, но хрупкие и с низкими жаропрочностью, ударной стойкостью и сопротивлением изгибу.

При спекании твердых сплавов группы WC—Со возникают тер­ мические напряжения, которые, как правило, сжимающие в кар­ бидной фазе (10—40 кгс/мм2) и растягивающие в кобальтовой фазе (100—140 кгс/мм2). Термические микронапряжения оказы­ вают влияние на механические свойства сплавов WC—Со. Карбид вольфрама при сжатии прочнее, чем при растяжении, поэтому сжимающие микронапряжения благоприятно влияют на свойства твердых сплавов. Сопротивляемость твердых сплавов разрушению от удара при работе в условиях сжимающих нагрузок возрастает с увеличением содержания кобальта в сплаве и зернистости фа­ зы WC.

23

Всесоюзным научно-исследовательским институтом твердых сплавов разработана серия специальных сплавов с особо крупным зерном карбида вольфрама (6—25 мкм). У этих сплавов, несмотря на низкую прочность при изгибе, значительное сопротивление ударным сжимающим нагрузкам. Так, работа разрушения при сжатии у сплава ВК.20К составляет 22 кгс-м/см3, у сплава ВК20— 9,5 кгс-м/см3 и у сплава ВК25— 13,0 кгс-м/см3. Максимальная деформация сжатия перед разрушением у сплава ВК20К состав­ ляет 9,5%, а у сплава ВК20 — 3%' и у сплава ВК25 — 4,5% [46]. Это объясняется тем, что с увеличением размера зерен WC уве­ личивается толщина кобальтовой прослойки между зернами, ко­ торая является локализатором деформаций, возникающих от внешней нагрузки, приложенной к твердому сплаву. При этом степень «блокирования» кобальтовой прослойки жесткими зерна­ ми WC уменьшается, что и приводит к увеличению ее пластич­ ности и повышению сопротивляемости твердого сплава ударным нагрузкам.

Впоследнее время за рубежом для армирования прессовых штампов применяют твердые сплавы, содержащие небольшое ко­ личество карбидов тантала (до 4%), что повышает показатели стойкости.

ВФРГ фирма Widia для прессовых штампов выпускает сплавы WC—Со с содержанием кобальта 12—25 % При этом сплавы, с содержанием Со 12—20% содержат также 3% TiC + TaC.

Твердосплавные штампы применяются для выполнения опера­ ций вырубки, пробивки, зачистки, высадки, вытяжки, выдавлива­ ния. В табл. 2 приведены основные данные (средние значения) свойств твердых сплавов, применяемых для армирования инстру­ мента и штампов.

Для толстых листовых материалов твердые сплавы использу­ ются при гибке, зачистке, пробивке, чеканке. Известен опыт при­ менения твердосплавного штампа для пробивки отверстий в стали с 1%, Si толщиной 4,7 мм.

Применять отечественные твердые сплавы вольфрамокобальто­ вой группы с содержанием кобальта 15—25% для вырубки сталей толщиной 5 мм и выше нельзя из-за возникновения интенсивного окалывания на торце инструмента вследствие высоких напряже­ ний.

В последнее время при изготовлении твердосплавных вставок для обработки давлением (пуансонов, штампов и т. п.) начали применять метод горячего изостатического прессования, заключа­ ющийся в спекании сплавов в среде инертного газа (обычно ар­ гона) при высоких температурах (1410—1510°) и давлениях (1000—1380 бар). Этот процесс позволяет получить высокопроч­ ные изделия с высоким классом чистоты поверхности, пористостью ниже 0,0001% и повышенной прочностью на изгиб. При горячей

24