3. ШТАМПОВЫЕ СТАЛИ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Основные причины потери работоспособности штампов горячего деформирования - износ, смятие и разгар. Возможны также усталостное разрушение в местах высокой концентрации напряжений (чаще прессовые штампы), термошоковое разрушение при резких теплосменах (длительный перерыв в подаче смазки, заклинивание поковки), угар поверхностного слоя в результате окисления. Случаи преждевременного выхода инструмента из строя могут быть связаны с ошибками в конструкции или изготовлении штампов, неправильной эксплуатацией (низкая твердость подкладных плит, неэффективная смазка, нарушение температурного режима), неправильной термической обработкой (недостаточная вязкость), дефектами материала (недостаточное металлургическое качество, неблагоприятная ориентировка волокна, недостаточный у ков слитка), отсутствием дефектоскопического контроля.

Чтобы обеспечить необходимую стойкость инструмента, стали для горячего деформирования должны иметь: 1) теплостойкость, обеспечивающую необходимое сопротивление пластической деформации (предел текучести, твердость) для сохранения формы гравюры при рабочих температурах; 2) вязкость, особенно при работе с динамическими нагрузками; 3) износостойкость; 4) разгаростойкость, т, е. сопротивление термической и термомеханической усталости; 5) окали-ностойкость, определяющую скорость окислительного износа, особенно выше 600 °С; 6) прокаливаемость для достижения равнопрочности по сечению.

Любое решение о необходимом сочетании показателей свойств материала штампа является компромиссным. Правильным будет решение, учитывающее конкретные условия работы инструмента и даже ограниченного участка гравюры, которые определяют преобладающий вид повреждения.

Наибольшая стойкость штампов достигается при таком соотношении

параметров температурно-силового воздействия и свойств материала, когда выбраковка связана преимущественно с износом и только небольшим разгаро-образованием на поздней стадии эксплуатации. Износ может быть окислительным (нормальный), абразивным и с заеданием (интенсивный). При неблагоприятном соотношении названных факторов происходит интенсивное смятие, раннее разгаро-образование или появление крупных термошоковых трещин. Промежуточная стойкость отмечается у штампов, состояние которых к моменту выхода из строя определяется значительным разгарообразованием и истиранием при сопутствующем смятии на отдельных участках.

Наиболее сильное изменение гравюры наблюдается на участках ее поверхности (облойный мостик, бобышка), где удельные силы деформирования максимальны. Они зависят от сопротивления деформированию штампуемого материала, формы и размеров облойной щели, теплового эффекта деформации, свойств окалины, скорости деформации.

Скорости деформирования (соответствующие им средние скорости деформации указаны в скобках) для наиболее распространенных машин следующие: для гидравлических прессов 0,01- 0,1 м/с (0,3-0,5 1/с), для кривошипных прессов 0,25-0,50 м/с, для винтовых пресс-молотов 0,5-1,5 м/с, для молотов 4-9 м/с (8-12 1/с). Увеличение скорости деформации при переходе от штамповки на гидравлических прессах к кривошипным повышает сопротивление деформированию в 1,3-1,5 раза, а при переходе к молотам в 2,5-3,5 раза.

Преобладающий вид повреждения может изменяться в зависимости от отношения массы штампа к массе поковки: при малом отношении - смятие, при большом - истирание. С его увеличением уменьшается средняя температура штампа и относительная толщина поверхностных слоев гравюры, прогретых до высокой температуры. Стойкость растет пропорционально этому отношению.

Смена вида повреждения наблюдается и при изменении температурного

режима штампа. Например, при недостаточном охлаждении преобладает смятие, а при избыточном резко ускоряется разгарообразование.

Неравномерная деформация снижает стойкость инструмента. Для обеспечения максимального съема поковок, учитывая тенденцию к стабилизации размеров штампа после съема определенного числа поковок, целесообразно: 1) на некоторые размеры назначать оптимальные минусовые допуски (повышение стойкости на 30- 40 %); 2) применять в процессе штамповки на прессах черновой ручей; 3) использовать вставки из более стойких сталей.

Стойкость штампов снижается при увеличении массы поковки до определенного значения. Для молотовых штампов эта зависимость сильнее, чем для прессовых, и стабилизация стойкости наступает при большей массе. Поэтому при некоторой массе поковок стойкость прессовых штампов становится выше молотовых. Это объясняется более интенсивным повышением нагрузки на инструмент при штамповке на молотах из-за увеличения массы падающих частей и соответственно скорости деформирования.

Износ верхнего и нижнего штампов даже при одинаковой конфигурации различен. Гравюра нижнего штампа имеет температуру на 50-125°С выше верхнего (разница больше при штамповке массивных поковок на прессах) вследствие более продолжительного контакта с поковкой. Чтобы уравнять условия работы, более глубокую полость располагают в верхнем штампе.

Молотовые штампы работают в условиях динамического нагружения и малого времени контакта с поковкой. Поэтому теплостойкость материала может быть принята невысокой, а вязкость и сопротивление пластической деформации (смятию) должны быть повышенными. При массе падающих частей молота до 1 т работоспособность в основном лимитируется износом, а свыше - смятием. Заметное разгарообразование проявляется при большой массе падающих частей.

По сравнению с молотовыми прессовые штампы и штампы горизонтально-ковочных машин имеют иные причины

выхода из строя. У прессовых штампов резко возрастает роль износа, особенно в случае малых деформирующих сил. При силах более 10 МН проявляются ограничения по стойкости в связи с разгарообразованием и в меньшей мере смятием. Начиная с 15 МН и более нередким становится выход инструмента из строя в результате трещин. Стойкость инструмента горизонтально-ковочных машин при малых размерах заготовки (диаметр до 50 мм) определяется скоростью изнашивания. С увеличением размера (диаметр до 150 мм) у формовочных пуансонов резко усиливается разгарообразование, становится возможным скалывание торцовых поверхностей и смятие, у прошивных пуансонов преобладает смятие и разгар у пережимных вставок - смятие.

По условиям работы и уровню основных свойств стали можно разделить на четыре основные группы: 1) умеренной теплостойкости и повышенной вязкости; 2) повышенных теплостойкости и вязкости; 3) высокой теплостойкости; 4) нетеплостой 1ие повышенной вязкости.

Химический состав штамповых сталей для горячего деформирования приведен в табл. 54, значения критических точек - в табл. 55, режимы ковки и отжига - в табл. 56.

Стойкость штампового инструмента зависит от правильности выбора и качества выполнения термической обработки. Оборудование и режимы термической обработки крупных штампов и сменного штампового инструмента малых и средних размеров различны.

Отжиг заготовок крупных штампов (высотой 300--400 мм) с целью устранения флокеночувствительности и измельчения зерна аустенита сталей проводят при температурах 760-7900 для штампов из сталей 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ; 790-820°С из стали 5ХНВС 800-820 °С из сталей 4ХМФС, 5Х2МНФ; 820-840 °С из стали ЗХ2МНФ [24]. Температуры отжига других сталей указаны в табл. 56.

Время выдержки при отжиге 1 ч плюс 1,5 мин на 1 мм толщины. Температура в печи при загрузке не выше 600 С.

54. Химический состав штамповых сталей для горячего деформирования (ГОСТ 5950-73)

5ХНМ

5ХНВ

5ХНВС

5ХГМ

4ХМФС

5Х2МНФ (ДИ-32)

ЗХ2МНФ

4ХМНФС

4Х5МФС

4Х5МФ1С(ЭП572) 4ХЗВМФ (ЗИ-2) ЗХЗМЗФ

4Х4ВМФС (ДИ-22) 4Х5В2ФС (ЭИ958)

5ХЗВЗМФС (ДИ-23)

4Х2В5МФ (ЭИ959) 2Х6В8М2К8 (ЭП745)

1. Стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости

0,50-0,60 0,50-0,60 0,50-0,60 0,50-0,60 0,37-0,45 0,46-0,53 0,27-0,33 0,35-0,42

0,10-0,40 0,15-0,35 0,60-0,90 0,25-0,60 0,50-0,80 0,10-0,40 0,15-0,40 0,70-1,00

0,50-0,80 0,50-0,80 0,30-0,60 1,20-1,60 0,50-0,80 0,40-0,70 0,30-0,60 0,15-0,40

0,50-0,80 0,50-0,80 1,30-1,60 0,60-0,90 1,50-1,80 1,50-2,00 2,00-2,50 1,25-1,55

0,40-0,70 0,40-0,70

0,15-0,30

0,15-0,30 0,90-1,20 0,80-1,10 0,40-0,60 0,65-0,85

2. Стали повышенной теплостойкости и вязкости

0,32-0,40 0,37-0,44 0,40-0,48 0,27-0,34 0,37-0,44 0,35-0,45

0,45-0,52

0,30-0,40 0,22-0,30

0,90-1,20 0,90-1,20 0,60-0,90 0,10-0,40 0,60-1,00 0,80-1,20

0,20-0,50 0,20-0,50 0,30-0,60 0,20-0,50 0,20-0,50 0,15-0,40

4,50-5,50 4,50-5,50 2,80-3,50 2,80-3,50 3,20-4,00

0,60-1,00

4,50-5,50 3. Стали высокой теплостойкости

0,80-1,20 1,60-2,20

0,50-0,80

0,15-0,35 0,30-0,60

0,20-0,50

0,15-0,40 0,15-0,40

2,50-3,20

2,20-3,00 6,50-7,00

3,00-3,60

4,50-5,50 7,00-8,00

1,20-1,50 1,20-1,50 0,40-0,60 2,50-3,00 1,20-1,50

0,80-1,10

0,60-0,90 1,80-2,30

4. Нетеплостойкие повышенной вязкости

0,30-0,50 0,30-0,50 0,25-0,40 0,35-0,50

0,30-0,50 0,80-1,10 0,60-0,90 0,40-0,60 0,60-0,90 0,60-0,90

1,50-1,80

0,60-0,90 0,10-0,25

,40-1,80 ,40-1,80 ,80-1,20

,20-1,60 ,20-1,60 ,20-1,60

Nb-0,05- 0,15

Со=7,50- 8,50

Примечание. 0,002-0,004 %.

Сталь марки 4ХМНФС должна содержать (по расчету) циркония в количестве 0,03-0,09 % и бора