Штампи холодного деформування

Замітка: тривалість відпуску при всіх температурах – 2 год.

Аустенітні сталі  і сплави.

Відомо, що дифузійний рух  атомів вагомо залежить від типу кристалічної гратки і в ОЦК на 1-3 порядки  перевищує рухомість атомів в  щільно упакованих гратках (ГЦК). В наслідок цього, аустенітні сталі і сплави менш схильні до знеміцнення при  нагріві (тобто володіють значно більшою теплостійкістю), ніж сталі на основі α-заліза з карбідним зміцненням і набагато перевищують, як правило, останні за міцністю при високих температурах (650-700⁰С і більше). Тому в окремих випадках використання таких матеріалів в якості штампу для гарячого деформування може забезпечувати суттєве підвищення стійкості інструмента. Дійсно, за даними деяких досліджень застосування аустенітних дисперсійно твердіючих сталей типу 4Х13Н13ВФС і сплаву NiCo₂₀Cr₁₅MoAlTi дозволяє отримати більш високу (по зрівнянні з звичайними сталями) стійкість штампів, працюючих при температурах вище 650⁰С. Про це не свідчить досвід експлуатації штампів, виготовлених зі сплаву ИС6К, характеризуючого найбільш високу міцність і жаростійкість серед сплавів цього класу при ізотермічній (при 750-800⁰С) штамповці фрез. Разом з тим, слід відзначити, що стійкість такого інструмента також не перевищує декількох десятків штамповок.

Однак, не дивлячись на високу теплостійкість, відомі аустенітні сталі  і сплави на залізній, нікелевій  і кобальтовій основі (з карбідним  і інтерметалідним зміцненням), як показує аналіз їх фізико-механічних властивостей, на наш погляд не можуть бути рекомендовані в якості штампового матеріалу, для звичайної гарячої штамповки на КГШП, ГКМ і молотах (пневматичних і гідро гвинтових) важко деформованих сталей і сплавів, головним чином, через низькі значення міцності (твердості) при середніх робочих температурах (400-600⁰С) інструмента.

Сталі (на основі α-заліза) і інтерметалідним зміцненням.

В даний час розроблений  ряд дисперсійно утворюючих ріжучих  сплавів (типу В20К25) на основі Fe – Co – W. Вказані сплави по відношенню до діаграми стану системи Fe – Co – W, відповідній групі сплавів, перетворюючих повне γ – α – перетворення при охолодженні, і набагато перевищують по твердості феритні і аустенітні сплави цього класу. При швидкому охолодженні (гартуванні) перетворення γ – α в сплавах типу В20К25 протікає по мартенситній кіпетиці. Утримуючій після гартування мартенсит, в наслідок дуже невеликих включень вуглецю (0,1-0,3%), має порівняно малу твердість (40-45 HRC). В процесі подальшого відпуску (при 550-600⁰С) твердість підвищується і досягає 63-70 HRC. Зміцнення сплавів типу В20К25 при старінні обумовлено виділення інтерметалідів типу (FeCo)₂W і (FeCo)₇W₆ , володіючих більш високою по зрівнянню з карбідами стійкістю проти теплового впливу і інтенсивно коагулюючих при нагріві вище 700-750⁰С. внаслідок цього, сплави цього типу в ряді з підвищеною вторинною твердістю характеризуються також високою теплостійкістю і забезпечує значну (до 8-10 разів) підвищену стійкість ріжучого інструменту у порівнянні з швидкоріжучими сталями при обробці важко оброблюваних матеріалів.

Варто відзначити, що даний  час ріжучі дисперсійно твердіючих Fe – Co – W (Мо) сплави не знайшли поки достатньо широкого застосування в промисловості, головним чином, через понижену пластичність і крихкість. Очевидно по цій же причині утримується використання сплавів (сталей) вказаного типу в якості штампових матеріалів для гарячого і холодного деформування.

Причини пониженої пластичності дисперсійно твердіючих сплавів (типу В20К25) з інтерметалідним зміцненням в даний час не до кінця визначенні. В роботі на основі результатів електроскопічних і рентгеноструктурних досліджень відмічається, що низька крихка міцність таких сплавів зв’язана з великою степеню неоднорідності розпаду перенасиченого твердого розчину при старінні. На початкових стадіях старіння (після нагріву до 550-600⁰С) виділення зміцнюючи фаз протікає переважно по границям субзерен, розміри яких, як правило, на порядок більші, ніж в інструментальних сталях з карбідним зміцненням. При досягненні максимальної степені зміцнення по границям субзерен може утворюватись сітка з виділеної зміцнюючої фази, в наслідок чото і утворюється значне скручування сплаву.

Таким чином, висока теплостійкість і зносостійкість сталей (сплавів) з  інтерметалідним зміцненням  свідчить про доцільність використання інтерметалідних фаз в якості зміцнювача штампових матеріалів для гарячого деформування жаростійких і нержавіючих сталей і сплавів. Підвищення пластичності таких сталей, може бути досягнуто застосуванням різних способів (раціональним легуванням, термічною обробкою і ін.), забезпечуючих зміну дислокаційної і блочної структури і як висновок, більш рівномірний розподіл зміцнюючи фаз.

1.3. Поверхневе  зміцнення важко навантажених  штампів спеціальними матеріалами.

Наплавлення на ряду з хімічно-термічною  обробкою являється одним з відносно простих і ефективних способів підвищення стійкості і економічності штампів. Воно застосовується як для відновлення  старого інструменту, так і при  виготовленні нових штампів з  цілю підвищення їх стійкості. В останньому випадку до наплавленого металу застосовуються  значно більш високі вимоги по зносостійкості, теплостійкості і іншим властивостям, ніж до основного металу.

 Великою перевагою  наплавлення являється також  можливість використання дорогих  дефіцитних матеріалів, забезпечуючи  високі експлуатаційні властивості,  тільки для покриття робочої  частини штампу. При цьому, як  показує практика, висока дієздатність  інструменту може бути досягнена  і у випадку поєднання поверхневого  шару з металу пониженої густини  і пластичності з густим і  пластичним основним металом.

В даний час для наплавлення  штампів рекомендується достатньо  велика кількість наплавочних матеріалів, які можна поділити на наступні підгрупи:

А) середньо – і високолеговані сталі з карбідним зміцненням (типу 5ХНМ, 3Х2В8Ф і ін.);

Б) швидкоріжучі сталі;

В) високо вуглецеві хромисті і кобальтові сплави;

Г) без вуглецеві сталі  і сплавів з інтерметалідним зміцненням (типу К30М18, К65Х27В5 і ін.).

Аналіз фізико-механічних властивостей вказаних наплавочних  матеріалів показує, що стосовно інструменту  для гарячого об’ємного деформування жаростійких сплавів і нержавіючих  сталей найбільший інтерес надають  наплавочні матеріали останньої  групи,відрізняючись, як було вказано  вище, найбільш високою теплостійкістю і зносостійкістю.

Так, наприклад, стійкість  штампів для гарячої вирубки  і обрізки після наплавлення сплавів типу К30М18 і В20К20 збільшується в 15-30 разів у зрівнянні з інструментом, виготовленого з звичайних штампових сталей (Х12Ф, 3Х2В8Ф і ін.). однак таке підвищення стійкості досягається при наплавленні орієнтовно малого інструменту. При наплавленні великих штампів (з робочим діаметром 100 мм і більше) в наслідок збільшення ударних навантажень на ріжучі кромки пуансона і матриці відбувається швидкий знос в основному у вигляді малих відколів з утворенням пилкоподібної кромки. Це пояснюється порівняно низькою міцністю на згин і доволі високою крихкістю сплавів. По цій причині, а також через малу технологічність і дефіцитність вказаного електродного матеріалу не знаходить широкого застосування в промисловості.

Тому необхідно знаходження  більш технологічних і менш дефіцитних  наплавочних матеріалів з інтерметалідним зміцненням, володіючи пониженою теплостійкістю у поєднанні з задовільною міцністю і густиною. Більш практичне значення має питання про можливість використання подібних складів на ряду з електродуговим наплавленням, плазмовим наплавленням.

 

1.4 Аналіз  існуючого технологічного процесу,та обґрунтування способу відновлення.

У даний час існує безліч способів відновлення інструментів. Ми перечислимо деякі з них, та оберемо оптимальний спосіб відновлення  який буде задовольняти наші вимоги.

Дугове наплавлення  покритим електродом.

Наплавлення цим способом, заснованим на використанні електродів у вигляді стержнів з покриттям, здійснюють за звичай в ручну.

Електродні покриття використовують для захисту ванни рідкого  металу від кисню та азоту повітря, стабілізації дуги, підвищення технологічності  процесу наплавлення і введення легуючих елементів до складу наплавленого металу. Застосовують наступні види електродного покриття: ільменітне, що містить більше 30% ільменіту (FeO-TiC); високо целюлозне з вмістом 20 - 30% целюлози; карбонатно рутилове; основне (фтористо-кальцієве), основними компонентами якого є карбонат кальцію і флюорит (плавиковий шпат ) при мінімальному вмісті вологи; високо рутилове з вмістом до 35% Ti02; покриття системи залізний порошок-рутил з високим вмістом першого компонента; порошкове основне, що містить залізний порошок; покриття системи залізний порошок - оксид заліза; деякі спеціальні покриття, що містять, зокрема, графіт. Широке застосування в практиці дугового наплавлення мають покриття карбонатно-рутилове, основне і високо рутилове. До складу електродного покриття вводять також шлакоформуючі і газоутворюючі компоненти, розкислювачі, стабілізуючі і легуючі добавки.

Дугова наплавлення  покритими електродами відрізняється низькою вартістю обладнання, можливістю виконання наплавлення вручну, що забезпечує цьому способу саме широке застосування для наплавлення не тільки чорних, але і кольорових металів.

Ручне наплавлення поступається автоматичним і напівавтоматичним  способам по швидкості виконання  процесу, проте вона має ряд переваг, що забезпечують їй найбільш широке поширення  серед усіх відомих способів наплавлення чорних і кольорових металів: 1) можливість наплавлення виробі складної форми, 2) можливість вибору наплавочного матеріалу, найбільш придатного для конкретного призначення, з широкого асортименту покритих наплавочних електродів; 3) транспортабельність устаткування, що дозволяє виконувати наплавлення в польових умовах. До недоліків – низька продуктивність і важкі умови праці. При ручному наплавленні потрібна висока кваліфікація зварника, тому що процес необхідно вести на мінімальному струмі і напрузі з метою зменшення частки основного металу в наплавленому шарі. Однак при цьому має забезпечуватися сплавлення наплавленого і основного металів.

Дугове наплавлення застосовують при наплавленні товстих шарів  металу. Мінімальна товщина наплавлення  дуговим способом 2,0мм.

Плазмово-порошкове  наплавлення

Плазмове наплавлення  з присадкою порошку найбільш  відрізняється від інших способів плазмового наплавлення використовуючими матеріалами, обладнанням і технологічними  можливостями

Порошки можуть бути отримані практично з будь-якого природнього  для наплавлення сплаву незалежно  від його твердості, пластичності, ступеня  легування та інших властивостей, тому з цієї точки зору є універсальним  присадочним матеріалом. У виді присадки для плазмового наплавлення застосовують як власне порошки (під порошком звичайним розуміють тонко подрібнене тверде тіло з розмірами частинок до 0,1 мм, в зварювальну техніку - до 0,5 мм ), так і більш грубозернисті сипучі матеріали з розмірами частинок до 2,5-3,0 мм.

Наплавлення з присадкою  порошку виконують плазмовою  дугою прямої дії або двома  плазмовими дугами - прямого і непрямого  дії із загальним електродом. При  цьому використовують  різні схеми  введення порошку в дугу, які можна  розділити на дві групи. В одній  групі порошок вводять в дугу всередині плазмотрона , а в іншій - поза його (схема 1.).

 

У плазмотронах з внутрішнім введенням порошку в дугу створюються, як правило, більш сприятливі умови  для його нагрівання плазмою. При  зовнішній подачі порошку його нагрівання менш ефективне, зате надійність роботи плазмотрона дещо вищий.

При наплавленні композиційних  сплавів додатковий канал для  подачі зміцнюючих частинок карбіду вольфраму найчастіше розташований ззаду дуги і має такий кут нахилу, щоб зерна карбіду потрапляли в зварювальну ванну, минаючи дугу. Це дозволяє усунути або, принаймні, зменшити їх розчинення в розплаві. Зварювальна ванна утворюється за рахунок розплавлення основного металу, захисного покриття, нанесеного на зерна карбіду вольфраму, або порошку сплаву-зв'язки, який подають разом з карбідом або окремо від нього по боковим каналах. У будь-якому випадку наплавлений метал має гетерогенну структуру, що складається з відносно легкоплавкої матриці і не розплавлених зерен карбіду вольфраму.

Плазмово-порошкове  наплавлення має досить значні переваги:

• мінімальна частка основного  металу в наплавленому;

• висока стабільність і  стійкість дуги;

• збільшений зазор між  виробом і соплом плазмотрона  знижує вимоги до точності його підтримки, полегшує спостереження за наплавленням і забезпечує свободу маневру  з присадним матеріалом;

• найменше зниження опору  утоми наплавленого вироби;

• незначний припуск на подальшу механічну обробку;

• максимальна продуктивність;

• мінімальний витрата  вольфрамового електрода.;

• можливість ведення процесу  на постійному струмі зворотної полярності підвищує якість і стабільність властивостей наплавленого шару за рахунок ефекту катодного очищення, який проявляється у видаленні оксидних і адсорбованих плівок і поліпшенні змочування рідким металом оброблюваної поверхні, більш низького тепловкладення в порівнянні з наплавленням на струмі прямої полярності і, як наслідок, відсутність або мінімальне розплавлення підкладки;

Схема 1.

 Схеми плазмового наплавлення  з введенням присадочного порошку в дугу всередині плазмотрона: а - разом з плазмо утворюючим газом; б - через електродну камеру; в - через бічний отвір в каналі сопла; г - через воронкоподібну щілину між соплами (1 - мідний водоохолоджуваний електрод (а) , водоохолоджуваний з вольфрамовою вставкою (б), вольфрамовий (в, г), 2 - сопло; 3 - введення присадочного порошку з транспортуючим газом; 4 - введення плазмоутворюючого газу; 5 - введення захисного газу; 6 - джерело живлення дуги прямої дії; 7 - джерело живлення непрямої дуги).

 

• при плазмовому наплавленні порошковими матеріалами отримання наплавленого металу практично будь-якого типу з відносно невеликою номенклатури вихідних порошків (шляхом їх змішування), точно задана глибина проплавлення і товщина покриття, висока рівномірність по товщині шару, можливість забезпечення необхідного складу, структури і властивостей вже в першому шарі металу наплавлення, малі залишкові напруження і деформації, відсутність розбавлення наплавленого покриття основним металом;