СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМООБРАЗУЮЩИХ ДЕТАЛЕЙ ПРЕСС-ФОРМ ИЗ СТАЛИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС МЕТОДОМ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ИЛИ ПРЕССОВАНИЕМ
METHOD OF FABRICATION OF SHAPE GENERATING PARTS OF DIE MOULDS OUT OF STEEL FOR PRODUCING ITEMS OUT OF PLASTIC BY CASTING METHOD UNDER PRESSURE OR BY PRESS FORMING

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для изготовления пластмассовых заготовок оптических отражателей и других деталей, требующих высокого качества поверхности методом литья под давлением или прессованием. Шероховатость поверхностей формообразующих стальных деталей (матрицы и пуансона) может достигать значений , то есть быть практически зеркальными.
Известен способ изготовления формообразующих (формующих) стальных деталей пресс-форм, включающий механическую обработку с припуском на шлифовку, химико-термическую обработку, например, цементацию с последующими закалкой и отпуском на твердость поверхности 50-58 HRC, шлифовку и финишную полировку до требуемой шероховатости, принятый за прототип (см. М.М.Палей "Технология производства приспособлений, пресс-форм и штампов", Москва, Машиностроение, 1971 г., стр.117-124).
Недостатки прототипа заключаются в следующем:
- заниженный уровень твердости поверхности формообразующих деталей пресс-форм, подвергнутых цементации, закалке и отпуску, затрудняет процесс их полировки;
- использование для изготовления формообразующих деталей низкоуглеродистых легированных и нелегированных сталей без учета способа переплава, а значит содержащих в своем составе крупные неметаллические включения, приводит в процессе работы к снижению стойкости и повышению шероховатости поверхности деталей сверх установленных норм;
- отсутствие требований к строению цементированного слоя, который напрямую влияет на качество зеркальной поверхности формообразующих деталей в процессе работы.
Предлагаемым изобретением решается задача:
- снижение затрат на изготовление формообразующих деталей пресс-форм за счет повышения их стойкости и оптимизации технологии;
- снижение себестоимости изготовления зеркальных пластмассовых заготовок благодаря уменьшению процентного соотношения брака в числе готовых изделий.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в использовании принципиально новых конструкционных сталей особой чистоты, ранее не применяющихся для цементации, а также в особенностях их обработки при изготовлении формообазующих деталей пресс-форм.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления формообразующих деталей пресс-форм из стали для получения изделий из пластмасс методом литья под давлением или прессованием, включающий механическую обработку с припуском, цементацию с последующими закалкой и отпуском, шлифовку и финишную полировку, новым является то, что применяют конструкционные легированные стали шлакового переплава с высокой устойчивостью аустенита, после насыщения поверхности углеродом детали подвергают закалке с цементационного нагрева с последующим отпуском на твердость поверхности не менее 63 HRC, удаляют избыточную карбидную фазу с остаточным аустенитом механической обработкой, обеспечивают твердость твердого раствора цементованного слоя не менее 59 HRC.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
По предлагаемому способу пуансон изготавливают из стали 25ХЗМЗНБЦА-Ш. Указанная сталь не предназначена для цементации, но в результате проведенных исследований установлены режимы насыщения углеродом, режимы закалки и отпуска на требуемую твердость поверхностного слоя, что в совокупности позволяет обеспечивать отличную полируемость и высокую стойкость пуансона.
Рассмотрим способ изготовления формообразующих деталей пресс-форм из стали 25ХЗМЗНБЦА-Ш для получения изделий из пластмасс методом литья под давлением или прессованием на примере изготовления пуансона с параболической рабочей поверхностью, подвергаемого цементации на глубину 1,2-1,4 мм и шероховатостью  и сравним со способом изготовления пуансона, например, из стали 12ХНЗА, изложенным в прототипе.
Способ изготовления пуансона из стали 12ХНЗА ГОСТ 4543-71 включает механическую обработку с припуском на шлифовку, которая выполняется после цементации, закалки и отпуска с целью устранения искажений геометрических размеров, которые возникают при термической обработке. Кроме того, шлифовка обеспечивает требуемую чистоту рабочей поверхности пуансона перед полировкой. После механической обработки пуансон подвергается цементации согласно ТУ на глубину 1,2-1,4 мм. Время процесса цементации для достижения такой толщины не менее 14 часов при температуре 900-920°С. Согласно определению, на глубине 1,4 мм от поверхности концентрация углерода после цементации должна соответствовать стали 50, т.е. при среднем содержании углерода в стали 12ХНЗА, равном 0,12%, процесс цементации увеличивает это содержание до 0,5% на глубине 1,4 мм, то есть в среднем на 0,38%, при этом общая глубина диффузии углерода составляет не менее 2 мм. Естественно по направлению к поверхности, содержание углерода в цементованном слое увеличивается и при данной толщине становится заэвтектоидным, то есть в цементованном слое присутствует избыточная карбидная фаза.
Длительность процесса цементации и высокая температура формируют грубую неоднородную структуру цементованного слоя в стали 12ХНЗА, которая абсолютно непригодна в качестве рабочей поверхности пуансона. Для ее исправления после цементации пуансон охлаждают на воздухе, а затем производят закалку с повторного нагрева с пониженной температуры с последующим отпуском на твердость 50-58 HRC.
Изготовленный по предложенному способу пуансон из стали 12ХНЗА будет содержать на рабочей полированной параболической поверхности карбидную фазу. Карбидная фаза когерентно не связана с матрицей, поэтому некоторые карбиды, которые соприкасаются с пластмассой, при работе пуансона могут уноситься ею при изготовлении заготовок отражателей. Этот факт нежелательный, так как повышается шероховатость зеркальной полированной поверхности пуансона, а значит стойкость его снижается.
Кроме того, ГОСТ 4543-71, по которому изготавливается сталь 12ХНЗА, не регламентирует содержание неметаллических включений, которые также могут удаляться с зеркальной поверхности при работе пуансона. Шероховатость рабочей поверхности пуансона повышается, а стойкость естественно снижается. Оценить пригодность пуансона для дальнейшей эксплуатации визуально по шероховатости не представляется возможным, поэтому процесс изготовления заготовок отражателей всегда сопровождается технологическим отходом.
Кроме прочего уровень заданной прототипом твердости 50-58 HRC не является оптимальным для выполнения качественной полировки рабочей поверхности пуансона. Установлено, что чем выше твердость стали, тем лучше полируемость и качество зеркальной поверхности.
Изготовление пуансона по предложенному способу, например, из стали 25ХЗМЗНБЦА-Ш устраняет недостатки прототипа и обеспечивает высокую стойкость инструмента.
Сталь 25ХЗМЗНБЦА-Ш шлакового переплава относится к особовысококачественным сталям, в ее составе нормированное минимальное содержание вредных неметаллических включений. Эта сталь имеет температуру закалки 1020-1040°С, аустенит устойчивый, поэтому она претерпевает мартенситное превращение при охлаждении на воздухе, а значит пуансон из этой стали будет иметь незначительную деформацию после термической обработки. Сталь 25ХЗМЗНБЦА-Ш после закалки и низкого отпуска 180-200°С имеет твердость 49-51 HRC.
Для установления режимов цементации и термической обработки после цементации стали 25ХЗМЗНБЦА-Ш были проведены исследовательские работы, изучена структура цементованного слоя и сердцевины. На основании результатов исследования разработан способ изготовления пуансона для получения заготовок оптических отражателей.
Способ изготовления пуансона из стали 25ХЗМЗНБЦА-Ш включает предварительную механическую обработку с припуском на окончательную механическую обработку и шлифовку, которые выполняются после цементации, закалки и отпуска. После предварительной механической обработки пуансон подвергается цементации на глубину 1,2-1,4 мм, причем для стали 25ХЗМЗНБЦА-Ш эта толщина будет достигнута за 9 часов вместо 14 часов стали 12ХНЗА, так как до содержания углерода 0,5%, которым оценивается глубина цементации, требуется увеличить содержание углерода на 0,25% для стали 25ХЗМЗНБЦА-Ш вместо 0,38% для стали 12ХНЗА, а также с учетом температуры цементации (см.ниже) и легирования.
Затем пуансон цементируют при температуре 940-950°С в течении 8-9 часов. По завершении процесса цементации пуансон подвергают закалке с цементационного нагрева с охлаждением на воздухе. После закалки пуансон отпускают на 200-220°С, поскольку рабочая температура материала при литье под давлением заготовки отражателя -170-180°С.
Микроструктура цементованного слоя дисперсная, твердость основы 49-50 HRC, с поверхности наблюдается слой с избыточными карбидами и наличием остаточного аустенита толщиной до 0,3 мм, а далее твердый раствор на всю глубину диффузии углерода. Микроструктура основы дисперсная, мелкозернистая.
После цементации и упрочняющей термической обработки проверяют твердость пуансона. Она должна быть не менее 63 HRC. Затем пуансон механически обрабатывают на станке с ЧПУ твердосплавным инструментом со съемом 0,4-0,5 мм, заведомо удаляют слой с избыточной карбидной фазой и остаточным аустенитом. Твердость цементованного слоя после окончательной механической обработки должен быть не менее 59 HRC. Затем пуансон подвергают шлифовке и полировке.