Sažetak:Teška matrica za hladno kovanje za konično-valjkasti ležaj od Cr12MoV čelika ima kraći vijek trajanja. Kvar ove matrice uglavnom je posljedica jakog trošenja kalupne šupljine, uzdužnog i poprečnog loma ekspanzije, udubljenja okruglog kuta i pojave jame od zamorne erozije. Na temelju temelja plastične deformacije, trzajnog trošenja i zamornog loma, autor je analizirao mehanizme loma male plastične deformacije, trošenja stiskanjem i loma uslijed istezanja tijekom obrade. Zaključuje se da je način poboljšanja produljenja životnog vijeka usvajanje novih materijala za matricu kao što su tvrde legure i nove matrice visoke čvrstoće i žilavosti za hladnu obradu u skladu s dizajnom matrice i uvjetima rada. Ključne riječi: kalup za hladno kovanje; mehanizam kvara; način poboljšanja
1.Uvod
GCr15 čelični ležajni konusni valjci oblikovani su hladnim utiskivanjem, također poznatim kao hladno utiskivanje. Trenutno se Cr12MoV čelik uglavnom koristi kao kalup za oblikovanje u Kini. Zbog velike sile utiskivanja koja djeluje na kalup tijekom procesa utiskivanja, njegov vijek trajanja je relativno kratak. U ranim danima, Cr12MoV čelični kalupi bili su kaljeni na 1080 stupnjeva i kaljeni na 520 stupnjeva, s tvrdoćom od 62~64HRC. Zbog velike veličine i neravnomjerne raspodjele karbida u ovom čeliku, fenomen loma i kolapsa je izraženiji tijekom uporabe. Posljednjih su godina mnoge tvornice prešle na postupak obrade kaljenja na 1040 stupnjeva i kaljenja na srednjoj temperaturi, s tvrdoćom od 60-62HRC i povećanjem udarne žilavosti. Fenomen loma je znatno smanjen, a životni vijek je povećan za oko dva puta. Uzimajući za primjer suženi valjak od 18 mm, izvorno je mogao bušiti samo 1700-2000 komada, ali sada može bušiti preko 4000 komada, s najviše 10 000 do 20 000 komada. Međutim, još uvijek spada u kratkotrajne plijesni, što ne samo da povećava potrošnju plijesni, već što je još važnije, utječe na učinkovitost proizvodnje. Zbog činjenice da je materijal konusnog valjka GCr15 čelik s relativno visokom tvrdoćom (197-227HB), on se nakon utiskivanja izokreće iz cilindričnog oblika u konusni oblik, a gornji i donji krajevi imaju ravno dno i utisnut u obliku kružnog luka, uzrokujući da površina šupljine kalupa trenutno izdrži udar velikog opterećenja i lokalne sile trenja. Prema pritisku probijanja, može doseći preko 3000MPa. Problem kratkog životnog vijeka kalupa od čelika Cr12MoV teško je riješiti. Stoga domaća industrija ležajeva aktivno istražuje nove materijale za kalupe.
Glavne manifestacije kvara kalupa su promjene u veličini sirovog valjka i može li se obrada hladnog skupljanja odvijati normalno. Ako veličina sirovog valjka postane veća, ili čak sirovina nije dovoljno ispunjena (naziva se pod pritiskom), ili ako je sirovi valjak deformiran ili se čak ne može utisnuti zbog pukotina kalupa ili nedostataka šupljina, kalup postaje nevažeći i rashodovan, te je potrebna zamjena novog kalupa. Općenito se vjeruje da je povećanje veličine šupljine uglavnom uzrokovano nedovoljnom otpornošću kalupa na habanje, dok su pukotine, kolapsi i defekti unutarnje površine uglavnom uzrokovani nedovoljnom žilavošću. Međutim, problem nije tako jednostavan jer pod velikom udarnom silom, osim jakog trenja i trošenja, dolazi i do mikroplastične deformacije, a oboje može uzrokovati povećanje veličine šupljine kalupa. Lom kalupa također pokazuje karakteristike loma uslijed zamora, koje su povezane i s krtošću i procesom stvaranja i razvoja izvora pukotina. Stvaranje unutarnjih nedostataka u šupljini kalupa također je povezano s plastičnom deformacijom i lomom uslijed zamora.
2. Oblici sloma i analiza sila
Nakon istraživanja postojećih kalupa Cr12MoV čelika u određenoj tvornici, utvrđeno je da postoji pet glavnih situacija krajnjeg kvara, kao što je prikazano na slici 1: ① Veličina šupljine kalupa postaje veća, prelazeći dopušteni raspon pogreške, uzrokujući veličinu konusnog valjaka za prekoračenje tolerancije, pa čak i nedovoljno punjenje, što je rezultiralo pod pritiskom, što čini oko 60%; ② Razvoj uzdužnih pukotina u kalupu rezultira pukotinama na unutarnjoj stijenci šupljine kalupa, koje se nazivaju ekspanzionim pukotinama, koje čine oko 20%; ③ Kružni lom kalupa uglavnom se javlja na pojedinačnim kalupima, čineći oko 5%. Za većinu cijepanih kalupa, ovaj se lom općenito ne događa; ④ Kolaps fileta ili jame od zamora, čine približno 10%; ⑤ Ostale pukotine, kao što su povlačenje materijala ili površinske pukotine, čine približno 5%.
Slika 1(a) oblik kvara i položaj matrice
(b)fotografija matrice ekspanzijskog loma
Tijekom procesa hladnog nabijanja konusnog valjka, stanje naprezanja kalupa prikazano je na slici 2. Unutarnja stijenka kalupa podvrgnuta je sili stiskanja P, koja stvara smično naprezanje t. Veličina smičnog naprezanja povezana je sa silom trenja, a raspodjela od površine prema unutra postupno se mijenja, s vršnom vrijednošću na unutarnjoj površini.
Sl.2 Shema raspodjele sila kalupa za hladno kovanje.
(a) kružni napon smicanja (b) raspodjela naprezanja smicanja u sloju radne površine (c) sile na okruglom kutu
Prva situacija kvara kalupa uzrokovana je dvama razlozima: trošenjem i plastičnom deformacijom. Tijekom utiskivanja, izradak je podvrgnut trenutnoj deformaciji istiskivanjem, koja se prvo javlja na površini blago konveksnog tijela. Iako je površina vrlo glatka, na unutarnjoj površini novog kalupa uvijek postoji određena hrapavost, odnosno mikro neravnine. Kada tlak dosegne 1000-3000MPa, naprezanje je veće na blago konveksnom tijelu, što dovodi do lokalne plastične deformacije i značajnog smičnog naprezanja na određenoj dubini. Zbog učinka istiskivanja dolazi do blagog relativnog pomaka između izratka i površine kalupa, što je slično habanju zbog trzanja. Zbog visokog pozitivnog tlaka, trupac obrađenog valjka opetovano snažno trlja o unutarnju površinu kalupa, uzrokujući trošenje. Zbog učinka istiskivanja, šupljina kalupa je također izložena sili širenja. Kada izradak dođe u lokalni kontakt s površinom kalupa, nejednaka sila može premašiti granicu tečenja Cr12MoV čelika, što rezultira mikroplastičnom deformacijom i povećanjem veličine šupljine kalupa. Prstenasto udubljenje na slici 1b uzrokovano je plastičnom deformacijom na kontaktnoj površini cijepanog kalupa.
Osim toga, toplina transformirana deformacijom obrađenih valjaka i toplina stvorena jakim trenjem može lokalno povećati površinsku temperaturu šupljine kalupa, uzrokujući nestabilnost površinske strukture šupljine kalupa i čineći je sklonijom plastičnoj deformaciji i nositi.
Drugi i treći slučaj otkazivanja kalupa, zbog ponovljenog djelovanja obodne sile, rezultiraju lokalnim pokretanjem pukotina, a izvor pukotine često se javlja na površinskom sloju blokovitih karbida ili uključaka. Nakon što se pojave pukotine, uslijed koncentracije naprezanja, širenje pukotine ovdje se ubrzava, što u konačnici dovodi do krtog loma. Slika 3 prikazuje shematski dijagram razvoja uzdužne pukotine i fotografije loma. Promatrajući fotografije loma, izvor pukotine izgleda kao kružna korozijska jama. Izvor pukotine može nastati ljuštenjem velikih karbida ili inkluzija, za koje je vjerojatnije da će nakon formiranja prionuti ili zagristi obradak, uzrokujući širenje izvora pukotine. Djelovanjem izmjenične udarne sile nastaju pukotine i u vertikalnom i u horizontalnom smjeru. Pojavom pukotina oslobađa se obodna sila, dok se nove pukotine više ne pojavljuju na drugim mjestima. Stoga se u kalupu javlja samo jedna pukotina. Morfologija loma pokazuje karakteristike kvazi cijepanja, a površina loma pokazuje karakteristike loma uslijed zamora. Štoviše, zbog nejednake obodne sile na kalup, uzrokuje nejednaku deformaciju i širenje gornjeg i donjeg dijela, što dovodi do inicijacije i širenja poprečnih pukotina. Poprečne pukotine također su povezane s neravnomjernim hlađenjem kalupa tijekom toplinske obrade.
Slika 3(a) Fotografija matrice za lom i (b) skica širenja pukotina od zamora
Četvrti slučaj otkazivanja kalupa je zbog trenutne koncentracije tlačnog naprezanja na zaobljenom kutu, do 3000-4000MPa, što uzrokuje određenu dubinu (otprilike nekoliko) ispod površine u toj točki μ Unutar m, značajno smicanje nastaje naprezanje, što uzrokuje popuštanje materijala i formiranje zone plastične deformacije. Pod ponovljenim naprezanjem stvaraju se mikropukotine paralelne s površinom, koje u konačnici pokazuju kolaps i udubljenje od kontaktnog zamora.
Peta situacija je u biti slična ②, 3 ili ④, osim što je mjesto gdje dolazi do loma uslijed zamora i kolapsa drugačije. Prema analizi oblika sloma, glavni mehanizmi sloma su mikroplastična deformacija, struganje i zamorni lom.
Mehanizam mikroplastične deformacije također je uzrokovan dislokacijskim klizanjem. Počinje li deformacija nukleacijom novih dislokacija ili aktivacijom postojećih dislokacija? Postoje dva pogleda. Prvi sugerira da je plastična deformacija u početku povezana s nukleacijom novih dislokacija, koje se mogu formirati na malim stupnjevima pojedinačnih atoma, granicama zrna, granicama podzrna, itd. na površini; Drugo stajalište sugerira da je početni stadij plastične deformacije posljedica aktivacije gornjih dislokacijskih izvora na granicama zrna [1]. Stoga površinski sloj kalupa daje prednost pojavi dislokacijskog klizanja, uzrokujući mikroplastičnu deformaciju, koja se postupno širi prema unutrašnjosti. Da bi se povećala otpornost na mikroplastičnu deformaciju, zapravo je potrebno stvoriti prepreke za kretanje svih dislokacija. Prvo, potrebno je povećati otpornost rešetke na trenje. Učinkovito legiranje čvrste otopine može poboljšati otpornost rešetke na kretanje dislokacija. Različiti legirajući elementi imaju različite učinke na čvrstoću matrice. Si, W, Cr, Mo, V, itd. su učinkoviti elementi za ojačavanje, posebno Si i W, koji mogu značajno poboljšati granicu tečenja. Istraživanja su pokazala da postoji elastična granična vrijednost za granicu elastičnosti, ispod koje ne može doći do klizanja dislokacije. Stoga povećanje granice razvlačenja materijala može učinkovito poboljšati energiju otpora deformacije, posebno kada je maksimalni udarni tlak konstantan. Pročišćavanje veličine zrna i substrukture martenzitne transformacije može povećati gustoću dislokacija i povećati stupanj pričvršćivanja. S druge strane, tijekom pročišćavanja točaka tvrdog karboniziranog materijala, dislokacije formiraju dislokacijske prstenove oko niza čestica. Kada su čestice visoko dispergirane, otpornost na mikroplastičnu deformaciju je maksimalna.
Mikro trošenje uglavnom je slično adhezivnom trošenju u početnoj fazi. Relativno gibanje između obratka i površine kalupa je recipročno. Nakon opetovanog lomljenja hladnih lemljenih spojeva mikrokonveksnog tijela, sklonost ljepljenju postupno se smanjuje i konačno prelazi u stabilnu fazu. U fazi stabilnog stanja, i adhezijski i abrazivni mehanizmi trošenja igraju ulogu, što rezultira raslojavanjem na površini. Općenito, što je veća tvrdoća kaljenog martenzita i karbida u matrici kalupa, veća je otpornost na trošenje. Osim toga, iako u slučaju kliznog trošenja, posebno u prisutnosti abrazivnih čestica, kada je veličina čestica karbida velika, one mogu biti čvrsto ugrađene u matricu kako bi igrale veću ulogu. Međutim, u uvjetima hladnog štancanja, brzina ljuštenja karbida male veličine uslijed ekstruzije je relativno mala, a količina trošenja uvelike je određena volumnim udjelom i tvrdoćom karbida. Što je veći volumni udio karbida, to je veća tvrdoća, a manja količina trošenja.
Izvor pukotine krhkog loma i pukotine uslijed zamora prvenstveno se stvara na makroskopskim defektima, a grubi karbidi ili inkluzije u Cr12MoV čeliku mogu biti mjesto početka izvora pukotine. Brzina širenja pukotine povezana je s čvrstoćom i žilavošću kaljenog martenzita, kao i s veličinom karbida. Što je veličina karbida manja, veća je lomna žilavost materijala i manja je brzina širenja pukotine.
Konačno, treba spomenuti da toplina koja se stvara tijekom procesa štancanja povećava površinsku temperaturu kalupa, što pojačava proces toplinske aktivacije, opušta pričvršćivanje dislokacije, pa čak i smanjuje tvrdoću matrice, povećava trošenje i plastičnu deformaciju. Stoga bi novi materijali također trebali imati dobru otpornost na odbijanje.
4. Primjena novih materijala za kalupe
Prema analizi kvarova, postoje četiri glavna zahtjeva za mikrostrukturu i performanse materijala kalupa: ① visoka otpornost na plastičnu deformaciju, ② visoka otpornost na trošenje, ③ visoka otpornost na lom od zamora, i ④ za nove primjene čelika, potrebno je odabrati hladni rad kalupni čelik s rafiniranim karbidima, visokim omjerom volumnog udjela i visokom tvrdoćom.
Za sužene valjke male veličine razumno je koristiti kalup od tvrde legure. Zbog ultra-visoke tvrdoće i visokog modula elastičnosti tvrde legure, ima visoku otpornost na trošenje i otpornost na plastičnu deformaciju, što može osigurati točnost obrađenih dijelova. Životni vijek može doseći 10-20 puta veći od originalnog Cr12MoV čeličnog kalupa. Za sužene valjke velikih dimenzija, alatni stroj za utiskivanje može doseći 160-250 tona, a upotreba kalupa od tvrde legure može uzrokovati preuranjeni kvar zbog krhkog loma. Povećanje radnog vijeka nije dovoljno da nadoknadi povećanje troškova. Stoga je potrebno proučavati nove čelike visoke čvrstoće i žilavosti za hladnu obradu.
Izračunali smo sastav nove vrste visokočvrstog i duktilnog čelika za kalupe DM9 na temelju termodinamike fazne ravnoteže. Nakon studija taljenja, kovanja, valjanja, toplinske obrade, mikrostrukture i performansi, utvrđeno je da postoji pet vrsta karbida, M3C, M6C, M23C6, M7C3 i MC, u žarenom stanju čelika. Zbog termodinamičkih i kinetičkih razlika u nukleaciji, rastu i otapanju različitih tipova karbida u austenitu, karbidi se mogu ravnomjerno pročistiti, s prosječnom veličinom od 0.66 nakon žarenja μm. Prosječna veličina preostalog karbida nakon kaljenja 0.5 μ m. To je 1/8-1/10 preostale veličine karbida Cr12MoV čelika. Zbog dodatka Si i W uz Cr, Mo i V u elementima za ojačavanje martenzitne čvrste otopine čelika DM9, granica razvlačenja je povećana u usporedbi s Cr12MoV. Štoviše, nakon toplinske obrade, postoji više karbida visoke tvrdoće M6C i MC, a njihova otpornost na trošenje je također visoka. Ovaj se čelik primjenjuje na velike konusne kalupe s valjcima, a njegov vijek trajanja je više od 2-3 puta veći od originalnog Cr12MoV čelika.
Tijekom procesa kaljenja i zagrijavanja, M3C i M23C6 čelika DM9 lakše su topljivi u austenitu, što može učinkovito poboljšati krutu topljivost austenita na nižim temperaturama kaljenja. Međutim, velika količina neotopljenog M6C i VC može učinkovito spriječiti rast zrna. Stoga se ovaj čelik može koristiti za kaljenje na srednjoj temperaturi i kaljenje na niskim temperaturama, a njegova tehnička izvedba i učinak upotrebe bolji su od Cr12MoV čelika.
2023 studeni 4thtjedanPreporuka WBM proizvoda:
Kuglice od visokog kromiranog čelika:
G5,G10,G16 Naša kromirana lopta obično se proizvodi u skladu sa standardima GBT 308.1-2013 i ISO 3290-1:2014. Tvrdoća će se prilagoditi prema vašim zahtjevima.
https://www.bearingroller.com/rolling-elements/steel-ball/high-chrome-steel-balls.html
