Материал: Разработка технологического процесса термической обработки матрицы из стали 5ХНМ

К технологическим относят свойства материала для штампов горячего деформирования, обеспечивающие возможность обработки инструмента с заданными эксплуатационными свойствами при минимальных затратах. Стали для штампов горячего деформирования должны обладать следующими технологическими свойствами:

· закаливаемостью; закаливаемость определяет способность стали получать мартенситную структуру и сообщать инструменту высокие твердость и прочность;

· прокаливаемостью; это свойство оценивает способность стали получать необходимую структуру и свойства по сечению инструмента определенных размеров (сталь 5ХМН прокаливается полностью в сечениях до 400-500 мм);

· способностью обеспечивать минимальную деформацию инструмента при термической обработке;

· устойчивостью против перегрева при термической обработке; это свойство штамповой стали способствует получению мелкого зерна, а, следовательно, высоких вязкости, разгаростойкости и сопротивления хрупкому разрушению;

· устойчивостью против окисления и обезуглероживания при термической обработке; при этом обеспечивается получение бездефектного поверхностного слоя гравюры штампа;

· устойчивостью против образования трещин при закалке и шлифовании;

· ковкостью, способностью к формоизменению в процессе изготовления штамповых заготовок;

· хорошей обрабатываемостью, обеспечивающей минимальные затраты при изготовлении гравюр, высокое качество их поверхностного слоя после финишных операций.

При изготовлении штамповочного инструмента с использованием литья, наплавки, химико-термической обработки, выдавливания и других специфических технологических процессов круг требований, предъявляемых к штамповым материалам, расширяется. Так, например, стали для литых штампов должны иметь хорошую жидкотекучесть и малую склонность к трещинообразованию в отливках; малую стойкость к трещинообразованию должны иметь и стали для штампов с наплавляемыми рабочими участками гравюры.

К экономическим требованиям, предъявляемым к штамповым сталям, относят достаточно низкую стоимость стали и ее недефецитность. Экономическая эффективность применения различных марок штамповой стали во многом зависит от стойкости и конструкции инструмента, а также характера кузнечно-штамповочного производства; в связи с этим стоимость штамповой стали может играть и второстепенную роль.

Вместе с тем следует отметить, что в ряде случаев при назначении штамповой стали некоторые технологические свойства выступают как второстепенные. Так, например, могут быть снижены требования к обрабатываемости стали резанием стали в том случае, если простые гравюры штампов можно изготовить с помощью твердосплавного или алмазного металлорежущего инструмента, а сложные гравюры - путем электроэрозионной обработки. При соответствующем оборудовании термических участков можно свести до минимума окисление и обезуглероживание штампов. За счет применения специальных технологических мер (нарезание гравюры в штампе после окончательной термической обработки, использование ступенчатой или изотермической закалки и т.п.) можно значительно уменьшить коробление штампового инструмента.

Особенно важно учитывать технологические свойства штамповых материалов при повышенных требованиях к качеству изготовления штампов; последнее характерно для технологических процессов точной горячей штамповки: закрытой штамповки и выдавливания, автоматической и высокоскоростной штамповки. Кроме того, при изготовлении крупногабаритного штампового инструмента мощных молотов и прессов особое внимание уделяют таким технологическим свойствам, как прокаливаемость, ковкость, обрабатываемость резанием и т. п.

Эксплуатационные свойства стали для штампов, предназначенных для выполнения различных технологических процессов горячего деформирования, из-за разнообразия температурно-силовых условий эксплуатации штампов не могут быть общими. Более того, дифференцированный выбор марки стали и режима ее термической обработки необходим даже для различных частей и деталей одного штампа: пуансона, матрицы, рабочих вставок, знаков, выталкивателей и т. д.

Срок службы штамповой оснастки можно существенно повысить за счет придания материалу штампов соответствующих эксплуатационных свойств. Так, для уменьшения интенсивности изнашивания штампов сталь, применяемая для изготовления штамповой оснастки, должна обладать высокой износостойкостью и теплостойкостью, для уменьшения пластической деформации (смятия) штампов - высокими прочностью и теплостойкостью, для предотвращения поломок или образования крупных трещин - высокими сопротивлением хрупкому разрушению и прочностью, наконец, для уменьшения числа и размеров разгарных трещин - высокой разгаростойкостью.

Одним из основных свойств стали для штампов горячего деформирования является теплостойкость. Выбор теплостойкости для штампов различного назначения производят в зависимости от температуры нагрева поверхностного слоя штампа и продолжительность теплового воздействия. Чем выше температура нагрева и длительность теплового воздействия на штамп, тем большей теплостойкостью должен обладать штамповый материал.

Теоретическое обоснование выбора марки стали для изготовления пуансона-матрицы

Формирование перечня марок сталей и сплавов для изготовления пуансона-матрицы

Качество и необходимую термообработку стали, используемой для изготовления какого-либо инструмента, определяют нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации инструмента. Эти нагрузки и их воздействие зависят от технологического процесса формообразования, например методы горячего деформирования и литья.

Инструментальные стали имеют много общих свойств, но можно отметить и много различий. К тому же свойства сталей данного типа можно изменить в широких пределах изменением параметров термической обработки. Благодаря этому становится возможным быстро заменять одни стали другими, так как некоторые свойства (например, износостойкость, твердость, вязкость и т.д.) противоположны друг другу и усиление одного из них может происходить за счет ослабления другого. Задача состоит в том, чтобы ответить на вопрос: при использовании какой стали или благодаря какой термической обработке можно достичь состояния, более всего соответствующего требованиям данной стали.

Необходимо выбирать такую сталь, механические, физические, технологические и другие свойства которой наиболее полно соответствуют коэффициенту полезного действия, который может быть достигнут данным инструментом. Такой вид стали при относительно больших возможностях выбора можно подобрать довольно легко. Естественно, при выборе нужно учитывать экономическую целесообразность и др. Экономически можно добиться не только при использовании недорогих сталей, но и при применении более дорогих сталей высокого качества, так как стойкость (производительность) изготовленных из них инструментов значительно выше.

Если есть потребность в большом количестве такого инструмента, то эффективность от его применения особенно значительна. В этом случае следует определить, каковы затраты на инструмент в расчете на одну изготовленную деталь. Часто выгоднее использовать даже нелегированные и низколегированные инструментальные стали и совершенно необоснованно применение значительно более дорогих высоколегированных сталей. И, наконец, следует решить, упроститься ли дальнейшая обработка, и какой точности и качества поверхности можно достичь, применяя инструмент из стали. Одним из наиболее просто определяемых свойств инструмента является твердость (таблица 2.1); она находится во взаимосвязи с другими свойствами материала, такими как износостойкость, вязкость и др.

Таблица 2.1. Рекомендуемая твердость материала штампов для обработки горячей деформацией.

Необходимый комплекс свойств штамповых сталей для горячего деформирования достигается легированием карбидообразующими элементами (хромом, молибденом вольфрамом и ванадием) при содержании углерода 0,8-0,6%. Более эффективным является комплексное легирование. Отдельные стали содержат также никель или марганец в пределах 1,0-1,5 % для повышения прокаливаемости и кремний (до 1%) для увеличения окалиностойкости и прочности. С увеличением концентраций крбидообразующих элементов (особенно молибдена, вольфрама и ванадия) заметно возрастает теплостойкость стали. Однако при этом наблюдается существенное снижение ударной вязкости и пластичности, особенно в заготовках крупных размеров. Последнее обстоятельство связано с возрастанием неоднородности свойств по сечению (вследствие ликвационных процессов при кристаллизации) и влиянием легирующих элементов на чувствительность к скорости охлаждения при термической обработке. Для изготовления пуансона-матрицы используются штамповые стали, в том числе стали марок : 5ХНМ, 4ХМФС, 3Х2МНФ, 5Х2МНФ.

Принципы выбора материалов и критерии оценки эффективности его использования для изготовления штампа. Сравнительная оценка материалов по свойствам, стоимости и технологичности

Проведем сравнительный анализ наиболее распространенных марок штамповых сталей для горячего деформирования. Для сравнения возьмем следующие марки сталей: 5ХНМ - относится к классу сталей повышенной вязкости и невысокой теплостойкости; 4ХМФС, 3Х2МНФ, 5Х2МНФ - повышенной вязкости и средней теплостойкости.

В таблице 2.2 приведен химический состав выбранных сталей для горячего деформирования.

Таблица 2.2 Химический состав штамповых сталей для горячего деформирования (ГОСТ 5950-73).

Таблица 2.3 Механические свойства сталей в зависимости от температуры отпуска.