Термическая обработка инструмента для деформирования металла

В ХОЛОДНОМ И ГОРЯЧЕМ СОСТОЯНИИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА СТАЛИ ДЛЯ ИНСТРУМЕНТА ХОЛОДНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

К инструменту, деформирующему металл в холодном состоянии, относятся вытяжные, вырезные, гибочные, формовочные, высадочные штампы, дыропробивные пуансоны, обрезные матрицы, ножи для резки материалов, волочильные доски и фильеры, ролики для накатки резьбы и др., т. е. инструмент, изменяющий форму материала без снятия стружки.

Инструмент холодного деформирования работает в условиях повышенного износа, при различном характере нагружения (плавное и ударное), значительных нагрузках до 220—250 кгс/мм2 (2200—2500 МН/м2) и более, при нагреве (до 100° С и выше) и резких перепадах температур (до 80—90° С), т. е. находится в сложно-напряженном состоянии. Поэтому данный инструмент должен обладать высокой твердостью и износостойкостью, достаточной вязкостью и малой деформируемостью при закалке, высоким сопротивлением пластической деформации и хрупкому разрушению, достаточной прокаливаемостью и теплостойкостью; на него не должен налипать металл. Малая деформируемость при закалке необходима для инструмента сложной формы.

Налипание листового металла на зеркало штампа приводит к появлению задиров на штампуемых деталях и к быстрому износу штампа из-за его частого шлифования. Высокая твердость и износостойкость необходимы для того, чтобы инструмент не изменял своей формы в процессе деформирования. Особенно высокой износостойкостью должен обладать инструмент, работающий с большим износом, например вытяжные и высадочные штампы, волочильные фильеры и др.

На износостойкость инструмента влияет структура. Предпочтительнее иметь структуру мартенсита скрытокристаллического строения (закалка на мелкое зерно 11—10-го балла). При наличии игольчатого мартенсита износостойкость снижается из-за быстрого выкрашивания рабочих поверхностей. Повышенное содержание остаточного аустенита (даже при снижении твердости до HRC 54—58) повышает износостойкость в связи с его превращением в процессе работы в мартенсит, который распределяется в вязкой аустенитной структуре поверхностного слоя. Если поверхность штампа должна иметь высокую твердость, то аустенит допустим в количестве, не снижающем твердости. Для штампов, работающих в условиях умеренных давлений, оптимальное содержание аустенита в структуре составляет 15—20%; при низких давлениях — до 50—70%.

Присутствие аустенита приводит к нестабильности размеров и ухудшает шлифуемость. Большое влияние на износостойкость, особенно в условиях абразивного износа, оказывает и карбидная фаза, имеющая высокую твердость (например, твердость карбидов ванадия —до НV 1900—2000).

Количество карбидов в закаленной и отпущенной стали определяется прежде всего химическим составом (в стали У12А 11— 13%, в стали Х12М 18—20%). В условиях ударного и ударно-абразивного износа при отсутствии значительных давлений износостойкость определяется не только твердостью, но и вязкостью стали, так как недостаточная вязкость снижает износостойкость в связи с выкрашиванием и сколами. Поэтому необходимо иметь определенное соотношение твердости и вязкости, чтобы обеспечить требуемую износостойкость.

Высокая вязкость особенно нужна для инструмента, работающего с ударной нагрузкой (дыропробивные пуансоны, обрезные матрицы и др.). Вязкость штамповых сталей зависит от особенностей структуры (величины зерна, количества, размеров и распределения карбидов), содержания углерода и твердости. Значительно возрастает вязкость при увеличении в структуре количества остаточного аустенита (закалка на вторичную твердость, обработка холодом понижают вязкость). Наличие мелкого зерна (11-го балла) при твердости HRC 60—62 повышает вязкость на 30—40% (по сравнению с зерном 9-го балла). Карбидная неоднородность 1—3-го балла при одинаковых величине зерна и твердости обеспечивает повышение вязкости на 50—80% (по сравнению с карбидной неоднородностью 5—6-го балла).

С увеличением в стали содержания углерода и повышением твердости вязкость понижается, а прочность возрастает. Поэтому для изготовления штампов, работающих при значительных динамических нагрузках, необходимо применять стали с содержанием углерода 0,5—0,7% и снижать твердость до HRC 55—58 (в отдельных случаях до HRC 50—52). Значительное повышение вязкости таких сталей (почти в 2 раза) достигается применением изотермической закалки (структура: бейнит и 10—20% остаточного аустенита) вместо непрерывного охлаждения в масле и последующего отпуска до твердости HRC 52—55.

Стойкость рабочих поверхностей штампа зависит и от температурных условий в процессе эксплуатации. При нагреве штампов выше температуры отпуска снижается твердость рабочих поверхностей и срок их службы. Стали для штампов должны также иметь высокое сопротивление пластической деформации (предел текучести при сжатии), которое зависит от теплового воздействия, твердости и количества остаточного аустенита. Предел текучести понижается при наличии в структуре более 5—10% аустенита и при понижении твердости. Поэтому обработка на вторичную твердость повышает сопротивление пластической деформации, но снижает прочность (сопротивление хрупкому разрушению) и вязкость.

Рост зерна, закалочные напряжения, повышение твердости сверх допустимых значений, неравномерное распределение карбидов снижают сопротивление хрупкому разрушению. Так как практически невозможно получить высокие значения всех перечисленных свойств, устанавливают, какое из них является решающим в зависимости от условий работы, конструкции штампа и характера производства. Во всех случаях массового производства необходимо обеспечить высокую стойкость инструмента. Инструмент холодного деформирования изготовляют из различных сталей: углеродистых и легированных.

Сталь 7ХГ2ВМ имеет высокую закаливаемость и прокаливаемость (в заготовках диаметром до 100—125 мм). Твердость не ниже ИКС 59—60 получается при охлаждении на воздухе. В стали 7ХГ2ВМ карбиды распределены равномерно (не выше 2-го балла в прокате диаметром до 90—100 мм). Она является малодеформи-рующейся, так как после закалки в ее структуре остается до 17—20% аустеннта. Недостатком стали 7ХГ2ВМ является склонность к образованию мелких шлифовочных трещин (влияние остаточного аустенита). Поэтому ее следует применять для изготовления крупных штампов, которые подвергают незначительному шлифованию или вообще не шлифуют. После закалки и отпуска (150—160° С) твердость HRC 60—63.

Сталь ХВСГ уступает стали 7ХГ2ВМ по прокаливаемое™, но после закалки и отпуска (150° С) имеет более высокую твердость (HRC 62—63). У нее большая деформация при закалке.

и обрабатываются на первичную твердость.

имеет большую твердость, чем цементит. Поэтому стойкость штампов из стали Х12М значительно выше стойкости штампов из стали 7ХГ2ВМ. Для этих сталей характерно неравномерное распределение карбидов. Только в прокате диаметром до 50 мм горячей деформацией можно получить хорошее распределение карбидов. Карбидная неоднородность снижает стойкость штампов вследствие выкрашивания рабочих поверхностей.

В стали Х12Ф1 карбидная неоднородность несколько меньше, чем в стали Х12М (меньше содержание углерода). Лучшее распределение карбидов в стали Х6ВФ (6% Сг). Все эти стали мало-деформирующиеся, что позволяет сохранить размеры штампов при закалке; имеют высокую прокаливаемость (образцы из сталей Х12М, Х12Ф1 диаметром до 300 мм, образцы из стали Х6ВФ диаметром 90—11О мм), менее склонны к образованию трещин: при шлифовании (хром повышает устойчивость остаточного аустенита при нагреве). Стали Х12М и Х12Ф1 следует применять для изготовления штампов небольших размеров; при значительных динамических нагрузках применяют сталь Х6ВФ.

Сталь ХГ2Ф4 высокой износостойкости. В связи с повышенным содержанием ванадия в ней наряду с карбидами цементитного типа образуется карбид ванадия МеС, который способствует равномерному распределению карбидных частиц (ванадий образует дисперсные карбиды). Но ванадий ухудшает шлифуемость. После закалки в стали ХГ2Ф4 сохраняется до 18—20% остаточного аустенита, что обусловливает минимальные объемные изменения. Сталь ХГ2Ф4 применяют для изготовления сложных и крупных матриц прессования и вырубных штампов, которые не шлифуют.

Широко применяют стали повышенной вязкости с содержанием углерода 0,6—0,7% и твердостью после термической обработки от HRC 50—52 до HRC 55—58 (высадочные штампы). Сталь 6ХС имеет высокую прокаливаемость (образцы диаметром 50— 60 мм в масле), высокую закаливаемость даже в горячих средах и повышенную теплостойкость. Ее можно подвергать изотермической закалке, что обеспечивает повышение вязкости. Стали 5ХВ2С и 6ХВ2С легированы дополнительно вольфрамом, что увеличивает прокаливаемость. Они имеют более высокую вязкость и теплостойкость по сравнению со сталью 6ХС. В крупном прокате (диаметром более 50—60 мм) наблюдается неравномерное распределение карбидов, что снижает вязкость. Эти стали применяют для пневматических инструментов, работающих с повышенными нагрузками.