Abstrakcyjny:Ciężka matryca wykrawająca do kucia na zimno do stożkowego wałka łożyska wykonana ze stali Cr12MoV ma krótszą żywotność. Awaria tej matrycy jest spowodowana głównie dużym zużyciem wnęki formy, pęknięciem wzdłużnym i poprzecznym, wgnieceniem zaokrąglonego narożnika i pojawieniem się wżeru erozyjnego zmęczeniowego. Opierając się na podstawach odkształcenia plastycznego, zużycia drgającego i pękania zmęczeniowego, autor przeanalizował mechanizmy uszkodzeń w postaci niewielkich odkształceń plastycznych, zużycia ściskającego i pęknięcia rozciągającego podczas ściskania. Stwierdzono, że lepszym sposobem na wydłużenie żywotności jest zastosowanie nowych materiałów na matryce, takich jak stopy twarde, oraz nowych matryc do pracy na zimno o wysokiej wytrzymałości i udarności, zgodnie z konstrukcją matrycy i warunkami pracy. Słowa kluczowe: matryca do kucia na zimno; mechanizm awarii; sposób na poprawę
1.Wstęp
Stożkowe rolki łożyskowe ze stali GCr15 powstają w procesie kucia na zimno, znanego również jako tłoczenie na zimno. Obecnie stal Cr12MoV jest stosowana głównie jako forma formująca w Chinach. Ze względu na dużą siłę tłoczenia wywieraną na formę podczas procesu tłoczenia, jej żywotność jest stosunkowo krótka. Na początku formy ze stali Cr12MoV hartowano w temperaturze 1080 stopni i odpuszczano w temperaturze 520 stopni, przy twardości 62 ~ 64HRC. Ze względu na duże rozmiary i nierównomierne rozmieszczenie węglików w tej stali, zjawisko pękania i zapadania się jest bardziej nasilone podczas użytkowania. W ostatnich latach wiele fabryk przeszło na proces obróbki obejmujący hartowanie w temperaturze 1040 stopni i odpuszczanie w średniej temperaturze, przy twardości 60-62HRC i zwiększonej udarności. Zjawisko pękania zostało znacznie zmniejszone, a żywotność wzrosła około dwukrotnie. Biorąc za przykład wałek stożkowy 18 mm, pierwotnie mógł on dziurkować tylko 1700-2000 sztuk, ale teraz może dziurkować ponad 4000 sztuk, maksymalnie od 10000 do 20000 sztuk. Nadal jednak należy do pleśni krótkotrwałych, co nie tylko zwiększa zużycie pleśni, ale przede wszystkim wpływa na efektywność produkcji. Ze względu na to, że materiałem walca stożkowego jest stal GCr15 o stosunkowo dużej twardości (197-227HB), po tłoczeniu jest on spęczany z kształtu cylindrycznego do kształtu stożkowego, a górne i dolne końce mają płaskie dno i wytłoczony w okrągły kształt łuku, powodując, że powierzchnia wnęki formy chwilowo wytrzymuje uderzenia dużego obciążenia i lokalne siły tarcia. Zgodnie z ciśnieniem wykrawania może osiągnąć ponad 3000 MPa. Problem małej żywotności form ze stali Cr12MoV jest trudny do rozwiązania. Dlatego krajowy przemysł łożyskowy aktywnie poszukuje nowych materiałów na formy.
Głównymi objawami awarii formy są zmiany w wielkości półwyrobu walca oraz to, czy obróbka na zimno może przebiegać normalnie. Jeśli rozmiar półfabrykatu rolkowego stanie się większy lub nawet półfabrykat nie zostanie wystarczająco wypełniony (co nazywa się pod ciśnieniem) lub jeśli półfabrykat jest zdeformowany lub w ogóle nie da się go wytłoczyć z powodu pęknięć formy lub wad wnęki, forma staje się nieważna i złomowany i należy wymienić nową formę. Powszechnie uważa się, że wzrost wielkości wnęki wynika głównie z niewystarczającej odporności formy na zużycie, natomiast pęknięcia, zapadnięcia i wady powierzchni wewnętrznej wynikają głównie z niewystarczającej wytrzymałości. Problem nie jest jednak taki prosty, gdyż pod wpływem dużej siły uderzenia, oprócz dużego tarcia i zużycia, towarzyszą także odkształcenia mikroplastyczne, które mogą powodować zwiększenie rozmiaru wnęki formy. Pękanie formy wykazuje również charakterystykę pękania zmęczeniowego, która jest związana zarówno z kruchością, jak i procesem powstawania i rozwoju źródeł pęknięć. Powstawanie defektów wewnętrznych we wnęce formy jest również związane z odkształceniami plastycznymi i pękaniem zmęczeniowym.
2. Formy uszkodzeń i analiza sił
Po zbadaniu istniejących form ze stali Cr12MoV w pewnej fabryce stwierdzono, że istnieje pięć głównych sytuacji ostatecznej awarii, jak pokazano na rysunku 1: ① Rozmiar wnęki formy staje się większy, przekraczając dopuszczalny zakres błędów, powodując rozmiar przekroczenie tolerancji półfabrykatu stożkowego, a nawet niewystarczające wypełnienie, co skutkuje podciśnieniem, stanowiącym około 60%; ② Rozwój pęknięć podłużnych w formie powoduje pęknięcia na wewnętrznej ścianie wnęki formy, zwane pęknięciami dylatacyjnymi, stanowiącymi około 20%; ③ Pękanie kołowe formy występuje głównie w przypadku pojedynczych form i stanowi około 5%. W przypadku większości form dzielonych pęknięcie to na ogół nie występuje; ④ Zapadanie się zaokrągleń lub wżery zmęczeniowe, stanowiące około 10%; ⑤ Inne pęknięcia, takie jak wycofanie materiału lub pęknięcia powierzchniowe, stanowią około 5%.
Ryc.1(a) forma uszkodzenia i położenie matrycy
(b) zdjęcie matrycy pęknięcia rozszerzającego
Podczas procesu formowania walców stożkowych na zimno stan naprężeń formy pokazano na rysunku 2. Wewnętrzna ściana formy poddawana jest działaniu siły ściskającej P, która tworzy naprężenie ścinające t. Wielkość naprężenia ścinającego jest powiązana z siłą tarcia, a rozkład od powierzchni do wewnątrz stopniowo się zmienia, osiągając wartość szczytową na powierzchni wewnętrznej.
Rys.2 Schemat rozkładu sił matrycy do kucia na zimno.
(a) kołowe naprężenie ścinające (b) rozkład naprężeń ścinających w roboczej warstwie powierzchniowej (c) siły działające na zaokrąglony narożnik
Pierwsza sytuacja awarii formy ma dwie przyczyny: zużycie i odkształcenie plastyczne. Podczas tłoczenia detal poddawany jest chwilowym odkształceniom wytłoczeniowym, które w pierwszej kolejności występują na powierzchni lekko wypukłego korpusu. Chociaż powierzchnia jest bardzo gładka, na wewnętrznej powierzchni nowej formy zawsze występuje pewna szorstkość, to znaczy mikronierówności. Kiedy ciśnienie osiąga 1000-3000MPa, naprężenie jest większe w lekko wypukłym korpusie, co prowadzi do miejscowego odkształcenia plastycznego i znacznych naprężeń ścinających na pewnej głębokości. Ze względu na efekt ściskania następuje niewielkie przemieszczenie względne pomiędzy przedmiotem obrabianym a powierzchnią formy, co jest podobne do zużycia frettingowego. Ze względu na wysokie nadciśnienie, sztabka obrabianego walca wielokrotnie mocno ociera się o wewnętrzną powierzchnię formy, powodując jej zużycie. Ze względu na efekt ściskania wnęka formy poddawana jest również działaniu siły rozprężającej. Kiedy przedmiot obrabiany wchodzi w lokalny kontakt z powierzchnią formy, nierównomierna siła może przekroczyć granicę plastyczności stali Cr12MoV, powodując odkształcenie mikroplastyczne i zwiększenie rozmiaru wnęki formy. Zagłębienie pierścieniowe na rysunku 1b spowodowane jest odkształceniem plastycznym powierzchni styku dzielonej formy.
Ponadto ciepło przetworzone w wyniku odkształcenia obrabianych rolek oraz ciepło powstające w wyniku silnego tarcia może lokalnie podnieść temperaturę powierzchni wnęki formy, powodując niestabilność struktury powierzchni wnęki formy i czyniąc ją bardziej podatną na odkształcenia plastyczne i nosić.
Drugi i trzeci przypadek uszkodzenia formy, na skutek powtarzającego się działania sił obwodowych, skutkują lokalną inicjacją pęknięć, a źródłem pęknięć często jest warstwa wierzchnia blokowych węglików lub wtrąceń. Gdy pojawią się pęknięcia, w wyniku koncentracji naprężeń, propagacja pęknięć ulega przyspieszeniu, co ostatecznie prowadzi do kruchego pęknięcia. Rysunek 3 przedstawia schematyczny diagram rozwoju pęknięć podłużnych i zdjęcia pęknięć. Obserwując zdjęcia pęknięć, źródło pęknięcia wygląda jak okrągły wżer korozyjny. Źródło pęknięć może powstać w wyniku złuszczania się dużych węglików lub wtrąceń, które po utworzeniu z większym prawdopodobieństwem przylegają lub wgryzają się w obrabiany przedmiot, powodując rozszerzanie się źródła pęknięć. Pod wpływem naprzemiennej siły uderzenia powstają pęknięcia zarówno w kierunku pionowym, jak i poziomym. Pojawienie się pęknięć uwalnia siłę obwodową, a nowe pęknięcia nie pojawiają się już w innych miejscach. Dlatego w formie pojawia się tylko jedno pęknięcie. Morfologia pęknięcia wykazuje charakterystykę quasi-rozszczepienia, a powierzchnia pęknięcia wykazuje charakterystykę pękania zmęczeniowego. Ponadto, na skutek nierównomiernego działania siły obwodowej na formę, powoduje to nierównomierne odkształcanie i rozszerzanie części górnej i dolnej, co prowadzi do inicjacji i propagacji pęknięć poprzecznych. Pęknięcia poprzeczne są również związane z nierównomiernym chłodzeniem formy podczas obróbki cieplnej.
Rys. 3(a) Zdjęcie matrycy pękającej oraz (b) szkic propagacji pęknięć zmęczeniowych
Czwarty przypadek uszkodzenia formy wynika z chwilowej koncentracji naprężenia ściskającego w zaokrąglonym narożniku, do 3000-4000 MPa, powodując powstanie w tym punkcie pewnej głębokości (około kilku) pod powierzchnią μ W obrębie m, znaczne ścinanie powstają naprężenia powodujące uginanie się materiału i utworzenie strefy odkształcenia plastycznego. Pod wpływem powtarzających się naprężeń powstają mikropęknięcia równoległe do powierzchni, ostatecznie powodując zapadnięcie się i wżery zmęczeniowe.
Piąta sytuacja jest zasadniczo podobna do ②, ③ lub ④, z tą różnicą, że miejsce, w którym następuje pękanie zmęczeniowe i zapadanie się, jest inne. Z analizy form uszkodzeń wynika, że głównymi mechanizmami uszkodzeń są odkształcenia mikroplastyczne, zużycie frettingowe i pękanie zmęczeniowe.
Mechanizm odkształcenia mikroplastycznego jest również spowodowany poślizgiem dyslokacyjnym. Czy deformacja zaczyna się od zarodkowania nowych dyslokacji, czy od aktywacji istniejących dyslokacji? Istnieją dwa poglądy. Pierwsza sugeruje, że odkształcenie plastyczne początkowo wiąże się z zarodkowaniem nowych dyslokacji, które mogą powstawać na małych krokach pojedynczych atomów, na granicach ziaren, podziemnych itp. na powierzchni; Drugi punkt widzenia sugeruje, że początkowy etap odkształcenia plastycznego wynika z aktywacji górnych źródeł dyslokacji na granicach ziaren [1]. Dlatego warstwa powierzchniowa formy priorytetowo traktuje występowanie poślizgu dyslokacyjnego, powodując odkształcenie mikroplastyczne, które stopniowo rozprzestrzenia się do wnętrza. Aby poprawić odporność na odkształcenia mikroplastyczne, konieczne jest stworzenie przeszkód w ruchu wszelkich dyslokacji. Po pierwsze, konieczne jest zwiększenie oporu tarcia siatki. Skuteczne tworzenie stopu stałego roztworu może poprawić odporność siatki na ruch dyslokacyjny. Różne pierwiastki stopowe mają różny wpływ na wytrzymałość osnowy. Si, W, Cr, Mo, V itp. są skutecznymi pierwiastkami wzmacniającymi, zwłaszcza Si i W, które mogą znacznie poprawić granicę plastyczności. Badania wykazały, że istnieje wartość progu sprężystości dla granicy sprężystości, poniżej której nie można zainicjować poślizgu dyslokacyjnego. Dlatego zwiększenie granicy plastyczności materiałów może skutecznie poprawić energię odporności na odkształcenie, zwłaszcza gdy maksymalne ciśnienie uderzenia jest stałe. Udoskonalenie rozmiaru ziaren i podstruktury transformacji martenzytycznej może zarówno zwiększyć gęstość dyslokacji, jak i zwiększyć stopień unieruchomienia. Z drugiej strony, podczas rozdrabniania twardych, zwęglonych punktów materialnych, dyslokacje tworzą pierścienie dyslokacyjne wokół szeregu cząstek. Gdy cząstki są silnie rozproszone, odporność na odkształcenia mikroplastyczne jest maksymalna.
Mikrozużycie przypomina głównie zużycie adhezyjne w początkowej fazie. Ruch względny pomiędzy przedmiotem obrabianym a powierzchnią formy jest posuwisto-zwrotny. Po wielokrotnym przerwaniu zimnych lutów mikrowypukłego korpusu tendencja do klejenia stopniowo maleje i ostatecznie przechodzi do stanu stabilnego. W stanie ustalonym rolę odgrywają zarówno mechanizmy adhezji, jak i zużycia ściernego, co powoduje zużycie rozwarstwiające na powierzchni. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa twardość odpuszczonego martenzytu i węglika w osnowie formy, tym większa odporność na zużycie. Dodatkowo, choć w przypadku zużycia ślizgowego, zwłaszcza w obecności cząstek ściernych, gdy wielkość cząstek węglika jest duża, mogą one zostać trwale osadzone w osnowie i pełnić większą rolę. Jednakże w warunkach tłoczenia na zimno prędkość łuszczenia małych węglików w wyniku wytłaczania jest stosunkowo niewielka, a stopień zużycia zależy w dużej mierze od udziału objętościowego i twardości węglików. Im większy udział objętościowy węglików, tym większa twardość i mniejsze zużycie.
Źródłem pęknięć w postaci kruchego pękania i pęknięć zmęczeniowych są preferencyjnie generowane defekty makroskopowe, a gruboziarniste węgliki lub wtrącenia w stali Cr12MoV mogą być miejscem inicjacji źródła pęknięć. Szybkość propagacji pęknięć jest związana z wytrzymałością i ciągliwością odpuszczonego martenzytu, a także z wielkością węglików. Im mniejszy rozmiar węglików, tym większa odporność materiału na pękanie i mniejsza prędkość propagacji pęknięć.
Na koniec należy wspomnieć, że ciepło powstające w procesie tłoczenia zwiększa temperaturę powierzchni formy, co wzmacnia proces aktywacji termicznej, rozluźnia unieruchomienie dyslokacyjne, a nawet zmniejsza twardość osnowy, zwiększa zużycie i odkształcenia plastyczne. Dlatego nowe materiały powinny charakteryzować się również dobrą odpornością na odbicie.
4. Zastosowanie nowych materiałów na formy
Zgodnie z analizą uszkodzeń, istnieją cztery główne wymagania dotyczące mikrostruktury i wydajności materiałów na formy: ① wysoka odporność na odkształcenia plastyczne, ② wysoka odporność na zużycie, ③ wysoka odporność na pękanie zmęczeniowe oraz ④ w przypadku nowych zastosowań stali konieczne jest wybranie pracy na zimno stal formierska z rafinowanymi węglikami, wysokim współczynnikiem frakcji objętościowej i wysoką twardością.
W przypadku rolek stożkowych o małych rozmiarach rozsądne jest użycie formy z twardego stopu. Ze względu na bardzo wysoką twardość i wysoki moduł sprężystości twardego stopu, ma on wysoką odporność na zużycie i odporność na odkształcenia plastyczne, co może zapewnić dokładność obrabianych części. Żywotność może osiągnąć 10-20 razy większą trwałość oryginalnej formy ze stali Cr12MoV. W przypadku wałków stożkowych o dużych rozmiarach obrabiarka do tłoczenia może osiągnąć 160-250 ton, a zastosowanie form z twardego stopu może spowodować przedwczesne uszkodzenie z powodu kruchego pękania. Wydłużenie żywotności jest niewystarczające, aby zrównoważyć wzrost kosztów. Dlatego konieczne jest badanie nowych stali matrycowych o wysokiej wytrzymałości i udarności do pracy na zimno.
Obliczyliśmy skład nowego typu wysokowytrzymałej i plastycznej stali matrycowej DM9 w oparciu o termodynamikę równowagi fazowej. Po topieniu, kuciu, walcowaniu, obróbce cieplnej, mikrostrukturze i badaniach wydajności stwierdzono, że w stanie wyżarzonym stali występuje pięć rodzajów węglików: M3C, M6C, M23C6, M7C3 i MC. Ze względu na termodynamiczne i kinetyczne różnice w zarodkowaniu, wzroście i rozpuszczaniu różnych typów węglików w austenicie, węgliki można równomiernie rafinować, przy średniej wielkości 0,66 po wyżarzaniu μm. Średni rozmiar pozostałego węglika po hartowaniu 0,5 μm. Stanowi to 1/8-1/10 pozostałego rozmiaru węglika stali Cr12MoV. Ze względu na dodatek Si i W oprócz Cr, Mo i V w martenzytycznych elementach wzmacniających w roztworze stałym stali DM9, granica plastyczności jest zwiększona w porównaniu z Cr12MoV. Ponadto po obróbce cieplnej występuje więcej węglików M6C i MC o wysokiej twardości, a ich odporność na zużycie jest również wysoka. Stal tę stosuje się do wielkogabarytowych stożkowych form walcowych, a jej żywotność jest ponad 2-3 razy dłuższa w przypadku oryginalnej stali Cr12MoV.
Podczas procesu hartowania i ogrzewania M3C i M23C6 stali DM9 są łatwiej rozpuszczalne w austenicie, co może skutecznie poprawić rozpuszczalność austenitu w stanie stałym w niższych temperaturach hartowania. Jednakże duża ilość nierozpuszczonych M6C i VC może skutecznie utrudniać wzrost ziarna. Dlatego stal ta może być stosowana do hartowania w średniej temperaturze i odpuszczania w niskiej temperaturze, a jej parametry techniczne i efekt użytkowy są lepsze niż stal Cr12MoV.
2023 Listopad 4ttydzieńRekomendacja produktu WBM:
Kulki ze stali o wysokiej zawartości chromu:
G5, G10, G16 Nasza kula chromowana jest zwykle produkowana zgodnie ze standardami GBT 308.1-2013 i ISO 3290-1:2014. Twardość zostanie dostosowana do Twoich wymagań.
https://www.bearingroller.com/rolling-elements/steel-ball/high-chrome-steel-balls.html
