ШТАМП ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ФОРМОВКИ КОЛЕСНОЙ ЗАГОТОВКИ

Предполагаемая полезная модель относится к области черной металлургии, а именно к литейному производству и термической обработке деформирующего и формообразующего штампового инструмента и может быть использована на предприятиях, применяющих штампы для горячего деформирования, например колесной заготовки.
Известен способ термической обработки штампов и пресс-форм, при котором изделие нагревают до температуры закалки (1070°С), затем интенсивно охлаждают поверхность струей газа в течение 0,4-2 мин., что обеспечивает закалку поверхностного слоя на глубину 2-5 мм. Охлаждение прекращают, температура поверхности повышается до 580-620°С, после паузы в 1 мин. осуществлялось повторное охлаждение поверхности до 50-100°С, затем образец вновь нагревался до 1070°С, цикл поверхностной термообработки повторялся. Окончательная обработка состояла из закалки с температурой 1070°С в масло и отпуска при 590°С в течение 2-х час. Длительность обработки уменьшается в 1,6-2,5 раза, энергетические затраты снижаются в 1,8-2,6 раза при сохранении уровня износостойкости [1].
Известен способ термической обработки молотовых штампов, когда подогрев, нагрев и выдержка при отпуске осуществляется для штампа высотой 250 мм следующим образом: закаленные штампы помещают в печь для отпуска, нагретую до 300°С, нагревают 2 час. при подогреве, затем еще 4 час. до температуры выдержки и выдерживают 2 час. [2].
cl
cl
cl
Известен способ термоциклической обработки стали, включающий многократный нагрев выше A, на 30-50°С, подстуживание на воздухе до температуры ниже A на 30-50°С, снова нагрев выше A на 30-70°С, охлаждение в воде, после которого осуществляют отпуск при 450-500°С для снятия внутренних напряжений [3].
Недостатками данных способов является то, что повышение пластичности стали не сопровождается необходимым уровнем ее прочностных свойств, а также достаточная трудоемкость и длительность способов, так как для его осуществления необходимо проведение многократного нагрева и охлаждения, что неизбежно приводит к
окислению поверхности изделия и образованию окалины вследствие проведения всего процесса термообработки на воздухе.
Известен также способ термической обработки молотовых штампов, когда процесс отпуска осуществляется в одной и той же печи, где эти штампы нагревались и под закалку, а длительность нагрева при отпуске сокращается за счет аккумулированного кладкой (остаточного от нагрева под закалку) тепла, передаваемого нагреваемым закаленным штампам более интенсивно и равномерно, что для штампа высотой 250 мм производится следующим образом: подогрев до температуры 400°С в течение 0,75 час. (не менее), нагрев до температуры 420°С и выдержка не менее 1,5 час., а всего 3 час [4].
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является штамповый инструмент с режущими кромками из штамповой стали, прошедшими объемную закалку и отпуск в интервале от 200-550°С, режущие кромки выполнены с дополнительной закалкой плазменной дугой при токе в интервале от 60 до 90 А с последующим отпуском при температуре 200-300°С.
Известные способы термической обработки имеют ряд недостатков, в частности аустенизация штампового инструмента не связана с условиями насыщенности, моделирующими реально длительные выдержки под закалку реальных сечений. Высокая твердость (45 HRC и более) не всегда способствует достижению удовлетворительной пластичности и ударной вязкости.
Техническим результатом полезной модели является повышение эксплуатационной стойкости штампов.
Технический результат достигается тем, что штамп, согласно полезной модели, проходит термическую обработку с нагревом до температуры 840...860°С и последующим замедленным охлаждением на открытом воздухе с достижением твердости HRC 27...34.
Получение штампов с предлагаемыми параметрами твердости позволяет сохранить вязкость при снижении твердости за счет процесса взаимного растворения - выделения между ферритокарбидной смесью и аустенитом, способствующего получению благоприятного структурного
состояния в конечной структуре стали.
Для изготовления штамповой оснастки широко применяют стали Х12М, Х12Ф1, 5ХНМ и др. Присутствие в структуре этих сталей большого количества карбидов обеспечивает с одной стороны, высокую износостойкость штампов, а с другой - приводит к заниженной ударной вязкости.
c
Большое количество в стали легирующих компонентов создает устойчивые к растворению карбиды. Увеличение температуры закалки выше A+170°С для большего растворения карбидов и получения нужной твердости мартенсита приводит к увеличению размеров зерен в стали, следствием чего становится снижение пластичности и ударной вязкости.
Понижение степени легирования аустенита всегда приводит к снижению его устойчивости - к более быстрому и полному распаду.
Частичное снижение твердости при сохранении высокого уровня ударной вязкости позволяет повысить эксплуатационную стойкость штампов горячего деформирования.
Штамп требует нестандартного подхода к выбору режимов как предварительной, так и окончательной термической обработки. Конкретные режимы термообработки зависят от многих факторов: химического состава стали, формы и массы отливок, а также от требований, предъявляемых к свойствам штампового инструмента в зависимости от условий эксплуатации конкретного штампа.
cl
Термообработанные по принятым на производстве режимам, кованные штампы [5] имеют достаточно высокую (44-46 HRC) твердость, что затрудняет их дальнейшую обработку резанием из-за крупнозернистой структуры.. Для получения более дисперсной структуры, снижения твердости и, следовательно, улучшения обрабатываемости штампы подвергали перекристаллизации с нагревом до температуры выше A на 10-40°С (в среднем до 850°С), охлаждению до 600°С в открытой печи примерно в течении 1 час. и с последующей выдержкой на открытом воздухе до комнатной температуры.
Такая изотермическая выдержка при температуре, которая несколько ниже первой критической способствует коагуляции карбидных фаз, выделившихся по границам зерен при охлаждении. В результате такой предварительной термообработки твердость штамповой стали снижается до 27-34 HRC и измельчается зерно до 8...9 балла.
Установлено, что более высокий по сравнению с литой сталью аналогичного состава нагрев под закалку способствует более полному переходу в твердый раствор первичных карбидов и последующему получению обогащенного легирующими элементами мартенсита, что положительно сказывается на механических и технологических свойствах. Повышается ударная вязкость, снижается доля хрупкого разрушения в изломах образцов, а также повышается отпускоустойчивость.
В последнее время для улучшения структуры сталей и других сплавов, повышения их механических свойств, разрабатываются различные виды обработки металлов, основанные на использовании циклических тепловых воздействий, получивших название термоциклической.
Необходимые параметры твердости в штампах для формовки железнодорожных колес достигают следующим образом.
Пример
Изготовленные из стали 5ХНМ штампы помещали в закалочную печь и подвергали нагреву в течении 2,5 час. до температуры 850°С со скоростью 5-15 град./ мин. После чего выдерживали при этой температуре в течении 3-х часов в закрытой печи, далее штамп подстуживали до температуры 600°С в открытой печи в течении 1 час., а затем охлаждали на открытом воздухе до достижения комнатной температуры.
Для получения сравнительных данных параллельно проводили термическую обработку по стандартной технологии: закалка при 1030°С плюс отпуск при 200°С [5].
Пример использования штампа-прототипа
Изготовленные из стали Х12М штампы подвергали четырехкратному нагреву до температуры 880°С со скоростью 250-350°С/ мин. в расплаве хлористых солей и охлаждению до температуры 590°С путем переноса во второй расплав хлористых солей. После четвертого нагрева до температуры 880°С штампы охлаждали в масле (проводили закалку) и проводили отпуск при 200°С.
Результаты исследований приведены в таблице №1.
2
2
Как видно из таблицы, использование штампов с термозакаленной поверхностью по предлагаемому техническому решению позволяет повысить ударную вязкость с 35 до 67 Дж/см для стали Х12М и с 39 до 75 Дж/см для стали 5ХНМ при твердости равной соответственно 32
и 34 HRC, а также повысить твердость и прочностные свойства стали при сохранении ударной вязкости и снизить длительность процесса по сравнению с термоциклической обработкой по режиму известного способа-прототипа.
Улучшение комплекса механических свойств позволяет повысить эксплуатационную стойкость штампового инструмента, особенно испытывающего большие динамические нагрузки.
Стойкость штампов из стали 5ХНМ увеличилась на 20% (с 373 до 451 прессований).
Таким образом, предлагаемое техническое решение полностью выполняет достижение технического результата.
Источники информации
1. А.с. №1301857, кл. C21D 9/22, опубл. 07.04.1987, БИ №13.
2. Патент ПНР №91543, 1979.
3. А.с. №1379322, кл. C21D 1/78, опубл. 07.03.1088 г.
4. А.с. №1765210, кл. C21D 1/78, 1988.
5. Башнин Ю.А., Ушаков Б.К. и др. Технология термической обработки стали., М.: Металлургия, 1986, с. 364-372
6. Полезная модель №51915, кл. B21D 22/02, опубл. 10.03.2006, БИ№7
Штамп для горячей формовки колесной заготовки
Механические свойства штампов после термообработки по предлагаемому способу и способу-прототипу
Таблица №1
Вид термообработки
Марка стали
Твердость, HRC
Ударная вязкость, КС, Дж/см<sup>2</sup>
Стойкость штампов, (кол-во прессований)
Закалка и отпуск (традиционный способ)
Х12М
46
35
365
5ХНМ
44
39
373
Термическая обработка (предлагаемый вариант)
Х12М
32
67
430
5ХНМ
34
75
451
Термоциклическаяобработка (прототип)
Х12М5ХНМ
4345
5765
390373