Абстрактный:Тяжелый штамп для холодной штамповки конического роликоподшипника из стали Cr12MoV имеет меньший срок службы. Выход из строя этого штампа в основном связан с сильным износом полости формы, продольным и поперечным расширением, вмятинами на закругленных углах и появлением ямок усталостной эрозии. Опираясь на основы пластической деформации, покачивательного износа и усталостного разрушения, автор проанализировал механизмы разрушения при малой пластической деформации, сжимающем износе и сжимающем расширении во время работы. Сделан вывод, что лучшим способом продления срока службы является использование новых материалов штампов, таких как твердые сплавы, а также новых высокопрочных и вязких штампов для холодной обработки в соответствии с конструкцией штампа и условиями эксплуатации. Ключевые слова: штамп для холодной ковки; механизм отказа; способ улучшения
1.Введение
Конические ролики с подшипниками из стали GCr15 изготавливаются методом холодной высадки, также известной как холодная штамповка. В настоящее время в Китае в качестве формовочной формы в основном используется сталь Cr12MoV. Из-за большой силы штамповки, действующей на форму во время процесса штамповки, срок ее службы относительно невелик. Раньше формы из стали Cr12MoV подвергались закалке при температуре 1080 градусов и отпуску при температуре 520 градусов с твердостью 62–64HRC. Из-за большого размера и неравномерного распределения карбидов в этой стали явления разрушения и разрушения более выражены во время использования. В последние годы многие заводы перешли на процесс закалки при температуре 1040 градусов и среднетемпературного отпуска с твердостью 60-62HRC и увеличением ударной вязкости. Явление разрушения было значительно уменьшено, а срок службы увеличен примерно в два раза. Если взять в качестве примера конический ролик диаметром 18 мм, изначально он мог пробивать только 1700-2000 деталей, но теперь он может пробивать более 4000 деталей, максимум от 10 000 до 20 000 штук. Однако она по-прежнему относится к недолговечным формам, что не только увеличивает расход форм, но, что более важно, влияет на эффективность производства. В связи с тем, что материалом конического ролика является сталь GCr15 с относительно высокой твердостью (197-227HB), после штамповки он высаживается из цилиндрической формы в коническую, а верхний и нижний концы имеют плоское дно и штампуется в форме дуги окружности, в результате чего поверхность полости формы на мгновение выдерживает удар тяжелой нагрузки и локальные силы трения. В зависимости от давления штамповки оно может достигать более 3000 МПа. Проблему низкого срока службы форм из стали Cr12MoV решить сложно. Поэтому отечественная подшипниковая промышленность активно исследует новые материалы для форм.
Основными проявлениями неисправности пресс-формы являются изменения размера заготовки валков и возможность нормального процесса холодной высадки. Если размер заготовки валика становится больше или даже заготовка недостаточно заполнена (так называемое давление), или если заготовка валика деформируется или даже не может быть подвергнута штамповке из-за трещин формы или дефектов полости, форма становится непригодной и списано, и необходимо заменить новую форму. Принято считать, что увеличение размеров полостей вызвано главным образом недостаточной износостойкостью формы, а трещины, смятия и дефекты внутренней поверхности – главным образом недостаточной ударной вязкостью. Однако проблема не так проста, поскольку при большой ударной силе, помимо сильного трения и износа, происходит также микропластическая деформация, которые могут привести к увеличению размеров полости формы. Разрушение пресс-формы также демонстрирует характеристики усталостного разрушения, которые связаны как с хрупкостью, так и с процессом образования и развития источников трещин. Образование внутренних дефектов в полости формы также связано с пластической деформацией и усталостным разрушением.
2. Формы разрушения и силовой анализ
После исследования существующих форм из стали Cr12MoV на определенном заводе было обнаружено, что существует пять основных ситуаций окончательного разрушения, как показано на рисунке 1: ① Размер полости формы становится больше, выходя за пределы допустимого диапазона ошибок, что приводит к увеличению размера полости формы. заготовка конического ролика превышает допуск и даже недостаточное заполнение, что приводит к пониженному давлению, составляющему около 60%; ② Развитие продольных трещин в форме приводит к образованию трещин на внутренней стенке полости формы, которые называются трещинами расширения, что составляет около 20%; ③ Круговой перелом формы в основном встречается на отдельных формах, что составляет около 5%. Для большинства разъемных форм такого разрушения обычно не происходит; ④ Разрушение галтели или усталостные ямки, что составляет примерно 10%; ⑤ Другие трещины, такие как отход материала или поверхностные трещины, составляют примерно 5%.
Рис.1(а) Форма разрушения и положение штампа
(б) фотография матрицы для разрушения при расширении
В процессе холодной высадки при формовании коническими валками напряженное состояние формы показано на рисунке 2. Внутренняя стенка формы подвергается сжимающей силе P, которая создает напряжение сдвига t. Величина напряжения сдвига связана с силой трения, причем его распределение от поверхности внутрь постепенно меняется с максимальным значением на внутренней поверхности.
Рис.2 Схема распределения усилий штампа для холодной ковки.
а) круговое касательное напряжение; б) распределение касательного напряжения в слое рабочей поверхности; в) силы, действующие на закругленный угол.
Первая ситуация выхода из строя формы вызвана двумя причинами: износом и пластической деформацией. При штамповке заготовка подвергается мгновенной экструзионной деформации, которая сначала возникает на поверхности слегка выпуклого тела. Хотя поверхность очень гладкая, на внутренней поверхности новой формы всегда присутствует определенная шероховатость, то есть микронеровности. Когда давление достигает 1000-3000МПа, напряжение увеличивается в слегка выпуклом теле, что приводит к локальной пластической деформации и значительному сдвиговому напряжению на определенной глубине. Из-за эффекта сжатия между заготовкой и поверхностью формы возникает небольшое относительное смещение, похожее на фреттинг-износ. Из-за высокого положительного давления заготовка обрабатываемого ролика неоднократно сильно трется о внутреннюю поверхность формы, вызывая износ. Из-за эффекта сжатия полость формы также подвергается силе расширения. Когда заготовка вступает в локальный контакт с поверхностью формы, неравномерная сила может превышать предел текучести стали Cr12MoV, что приводит к микропластической деформации и увеличению размеров полости формы. Кольцевая депрессия на рисунке 1б вызвана пластической деформацией контактной поверхности разъемной формы.
Кроме того, тепло, трансформируемое при деформации обрабатываемых роликов, и тепло, выделяемое сильным трением, могут локально повышать температуру поверхности полости формы, вызывая нестабильность структуры поверхности полости формы и делая ее более склонной к пластической деформации и носить.
Второй и третий случаи разрушения формы из-за многократного действия окружной силы приводят к локальному зарождению трещин, причем источник трещин часто находится в поверхностном слое глыбовых карбидов или включений. При возникновении трещин из-за концентрации напряжений распространение трещин здесь ускоряется, что в конечном итоге приводит к хрупкому разрушению. На рис. 3 представлена принципиальная схема развития продольной трещины и фотографии разрушения. Судя по фотографиям разрушения, источник трещины выглядит как круглая ямка коррозии. Источник трещины может образоваться в результате отслаивания крупных карбидов или включений, которые с большей вероятностью прилипнут к заготовке или закусят ее после образования, вызывая расширение источника трещины. При действии знакопеременной ударной силы трещины развиваются как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Появление трещин ослабляет окружную силу, а в других положениях новые трещины больше не появляются. Таким образом, в форме возникает только одна трещина. Морфология излома демонстрирует характеристики квазираскола, а поверхность излома демонстрирует характеристики усталостного излома. Более того, из-за неравномерной окружной силы, действующей на форму, это вызывает неравномерную деформацию и расширение верхней и нижней частей, что приводит к возникновению и распространению поперечных трещин. Поперечные трещины также связаны с неравномерным охлаждением формы при термообработке.
Рис. 3 (а) Фотография матрицы разрушения и (б) эскиз распространения усталостных трещин.
Четвертый случай разрушения формы связан с мгновенной концентрацией сжимающего напряжения в закругленном углу до 3000-4000МПа, вызывающего определенную глубину (около нескольких) ниже поверхности в этой точке. В пределах м происходит значительный сдвиг. возникает напряжение, вызывающее текучесть материала и образующее зону пластической деформации. При повторяющихся нагрузках образуются микротрещины, параллельные поверхности, что в конечном итоге приводит к разрушению и точечной контактной усталости.
Пятая ситуация по существу аналогична ситуациям ②, ③ или ④, за исключением того, что место, где происходит усталостное разрушение и разрушение, отличается. Согласно анализу форм разрушения, основными механизмами разрушения являются микропластическая деформация, фреттинг-износ и усталостное разрушение.
Механизм микропластической деформации также обусловлен скольжением дислокаций. Деформация начинается с зарождения новых дислокаций или с активации существующих? Есть два мнения. Первое предполагает, что пластическая деформация изначально связана с зарождением новых дислокаций, которые могут образовываться на небольших ступеньках одиночных атомов, границ зерен, субзерен и т. д. на поверхности; Вторая точка зрения предполагает, что начальная стадия пластической деформации обусловлена активацией верхних источников дислокаций на границах зерен [1]. Поэтому поверхностный слой формы отдает приоритет возникновению скольжения дислокаций, вызывая микропластическую деформацию, которая постепенно распространяется внутрь. Для повышения устойчивости к микропластической деформации фактически необходимо создать препятствия движению всех дислокаций. Во-первых, необходимо повысить сопротивление трения решетки. Эффективное легирование твердого раствора позволяет повысить сопротивление решетки движению дислокаций. Различные легирующие элементы по-разному влияют на прочность матрицы. Si, W, Cr, Mo, V и т. д. являются эффективными упрочняющими элементами, особенно Si и W, которые могут значительно улучшить предел текучести. Исследования показали, что существует упругое пороговое значение предела упругости, ниже которого скольжение дислокаций не может инициироваться. Следовательно, увеличение предела текучести материалов может эффективно улучшить энергию сопротивления деформации, особенно когда максимальное ударное давление постоянно. Уменьшение размера зерна и субструктуры мартенситного превращения может как увеличить плотность дислокаций, так и повысить степень закрепления. С другой стороны, при измельчении точек твердого карбонизированного материала дислокации образуют дислокационные кольца вокруг ряда частиц. При высокой дисперсности частиц сопротивление микропластической деформации максимально.
Микроизнос на начальной стадии в основном аналогичен адгезионному износу. Относительное движение между заготовкой и поверхностью формы является возвратно-поступательным. После неоднократного разрыва холодных паяных соединений микровыпуклого корпуса склонность к слипанию постепенно снижается и, наконец, переходит в стабильную стадию. В установившейся стадии играют роль как адгезионный, так и абразивный механизмы изнашивания, приводящие к отслаиванию поверхности. В целом, чем выше твердость отпущенного мартенсита и карбида в матрице формы, тем выше износостойкость. Кроме того, хотя в случае износа скольжением, особенно при наличии абразивных частиц, когда размер частиц карбида велик, они могут прочно внедриться в матрицу и играть большую роль. Однако в условиях холодной штамповки скорость отслаивания мелкоразмерных карбидов за счет экструзии сравнительно невелика, а величина износа во многом определяется объемной долей и твердостью карбидов. Чем больше объемная доля карбидов, тем выше твердость и меньше степень износа.
Источник хрупкого разрушения и усталостной трещины преимущественно образуется на макроскопических дефектах, а местом зарождения источника трещин могут быть крупные карбиды или включения в стали Cr12MoV. Скорость распространения трещин связана с прочностью и ударной вязкостью отпущенного мартенсита, а также с размером карбидов. Чем меньше размер карбидов, тем выше вязкость разрушения материала и медленнее скорость распространения трещин.
Наконец, следует отметить, что тепло, выделяющееся в процессе штамповки, повышает температуру поверхности формы, что усиливает процесс термоактивации, ослабляет фиксацию дислокаций и даже снижает твердость матрицы, увеличивает износ и пластическую деформацию. Следовательно, новые материалы также должны иметь хорошее сопротивление отскоку.
4. Применение новых материалов пресс-форм.
Согласно анализу отказов, существует четыре основных требования к микроструктуре и характеристикам материалов пресс-форм: ① высокая стойкость к пластической деформации, ② высокая износостойкость, ③ высокая устойчивость к усталостному разрушению и ④ для новых применений стали необходимо выбирать холодную обработку. литейная сталь с рафинированными карбидами, высокой объемной долей и высокой твердостью.
Для конических роликов небольших размеров целесообразно использовать форму из твердого сплава. Благодаря сверхвысокой твердости и высокому модулю упругости твердого сплава он обладает высокой износостойкостью и стойкостью к пластической деформации, что позволяет обеспечить точность обрабатываемых деталей. Срок службы может в 10-20 раза превышать срок службы оригинальной формы из стали Cr12MoV. Для конических роликов большого размера штамповка станка может достигать 160-250 тонн, а использование форм из твердого сплава может привести к преждевременному выходу из строя из-за хрупкого разрушения. Увеличение срока службы недостаточно, чтобы компенсировать рост стоимости. Поэтому необходимо исследование новых высокопрочных и вязких штамповых сталей для холодной обработки.
На основе термодинамики фазового равновесия нами рассчитан состав нового типа высокопрочной и пластичной штамповой стали ДМ9. После плавки, ковки, прокатки, термообработки, микроструктуры и исследований характеристик было обнаружено, что в отожженном состоянии стали существует пять типов карбидов: M3C, M6C, M23C6, M7C3 и MC. Из-за термодинамических и кинетических различий в зарождении, росте и растворении различных типов карбидов в аустените карбиды могут быть равномерно измельчены со средним размером 0,66 после отжига мкм. Средний размер оставшегося карбида после закалки 0,5 мкм. Это 1/8-1/10 размера оставшегося карбида стали Cr12MoV. За счет добавления Si и W помимо Cr, Mo и V в мартенситные упрочняющие элементы твердого раствора стали ДМ9 предел текучести увеличивается по сравнению с Cr12MoV. При этом после термообработки становится больше карбидов высокой твердости М6С и МС, а их износостойкость также высока. Эта сталь применяется для изготовления конических роликовых форм большого размера, и ее срок службы более чем в 2-3 раз превышает срок службы исходной стали Cr12MoV.
В процессе закалки и нагрева M3C и M23C6 стали DM9 легче растворяются в аустените, что может эффективно улучшить растворимость аустенита в твердом состоянии при более низких температурах закалки. Однако большое количество нерастворенных M6C и VC может эффективно препятствовать росту зерна. Таким образом, эту сталь можно использовать для среднетемпературной закалки и низкотемпературного отпуска, а ее технические характеристики и эффект от использования лучше, чем у стали Cr12MoV.
2023 ноябрь 4йнеделяРекомендация продукта WBM:
Шарики из высокохромистой стали:
G5,G10,G16 Наши хромированные шары обычно производятся в соответствии со стандартами GBT 308.1-2013 и ISO 3290-1:2014. Твердость будет настроена в соответствии с вашими требованиями.
https://www.bearingroller.com/rolling-elements/steel-ball/high-chrome-steel-balls.html
