CC BY
10ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ХОЛОДНОШТАМПОВОЧНОГО
ИНСТРУМЕНТА
Г.А. Околович
Одной из основных причин выхода из строя холодноштамповочного инструмента является хрупкое разрушение. Сопротивление хрупкому разрушению инструмента характеризуется прочностью при изгибе (<Утг ).
С увеличением содержания углерода в мартенсите до 0,5 % прочность возрастает, при большей концентрации - снижается, в отличие от твёрдости, которая продолжает расти. Особенно значительно влияние зерна и карбидов. Прочность снижается почти пропорционально увеличению размеров зерна и усилению неоднородности в распределении карбидов.
Высокие контактные нагрузки, перемещение металла заготовок с поверхности инструмента вызывает смятие и износ, в связи с этим твердость повышают до 60 - 64 ИРО. При такой твердости инструмент выходит из строя из-за образования трещин вблизи концентратов напряжений и поломок.
На разрушившихся пуансонах не заметны следы пластической деформации, а на поверхности изломов можно увидеть характерный усталостный рисунок (рисунок 1). Все это надежно свидетельствует о том, что разрушение инструмента происходит от малоцикловой усталости.
Фрактографические исследования подтвердили, что в очаге зарождения и развития
Рисунок 1 - Макрофотография излома пробивного пуансона 0 12, сталь Р6М5
трещины четко просматриваются два участка разрушения. Первый участок от края пуансона имеет типичную структуру циклической перегрузки. Площадь данной зоны уменьшается с увеличением нагрузки на пуансон и
при некоторой критической амплитуде напряжения исчезает совсем. В этом случае стойкость пуансонов исчисляется несколькими десятками ходов.
Поэтому разработка методики оценки сопротивления инструментальных сталей усталости и установлением взаимосвязи между этой характеристикой и показателями твердости и прочности представляет актуальную задачу.
Таблица 1 - Предел выносливости инструментальных сталей в зависимости от твердо_сти и прочности_
Температура, 0С Обработка холодом, 0С Твердость ИРО Карбидный балл (Объёмы) Количество карбидов, % (вес.) - СО о^ Е: !< Н Р £ ■ 3 ^ СО со 1= ь, Ё 1 О О X - 4 ,б ои рг П Предел усталости, <-1
Закалка Отпуск
Сталь Х12М
1030 200 - 59 3-4 17 20 2500 800
350 -60 56 3-4 17 4 2300 700
350 - 55 3-4 17 12 2200 640
Сталь 7ХГ2ВМ
875 180 - 58 1 2 16 2800 850
350 -60 55 1 2 2 3200 800
350 - 54 1 2 6 3100 760
500 - 49 1 2 1 3000 700
Сталь Р6М5
1200 580 - 62 2-3 20 4 3400 800
1140 580 - 60 2-3 20 3 3800 900
Сталь 6Х4М2ФС
1060 540 - 60 1 8 2 4500 950
Нами были проведены исследования усталостной прочности инструментальных сталей трёх структурных классов: заэвтектоид-ной 7ХГ2ВМ с карбидным баллом 1 и леде-буритной Х12М, Р6М5 с карбидным баллом 3 и эвтектоидной 6Х4М2ФС с карбидным баллом 1 после отпуска на различную твёрдость от 59 до 49 ИРО с целью установить зависимость предела выносливости от твёрдости и структурного состояния (таблица 1) (рисунок 2) [1].
Испытания выполнялись на установке УКИ - 10М при кручении с изгибом на базе 107 циклов.
« 100 0 Sl 900 800 ¡ 700
CQ S
5 1000
0
з 900
CQ
в! 800
1 700 l=
103 104 105 106 107 Число циклов, N Рисунок 2 - Предел выносливости (ст_1) стали Х12М (а) и стали 7ХГ2ВМ (б) в зависимости от твердости
Испытания свидетельствуют о существовании определенной зависимости между твердостью и сопротивлением усталостному разрушению. Так предел выносливости стали 7ХГ2ВМ с повышением твердости с 49 до 54 и 58 HRC возрастает от 700 до 750 и 850 МПа, соответственно. У стали Х12М увеличение предела выносливости при повышении твердости от 55 до 59 HRC несколько меньше: от 650 до 800 МПа, вследствие структурной неоднородности из-за присутствия избыточных карбидов.
Усталостные испытания на изгиб с вращением сталей Р6М5 и 6Х4М2ФС проводили на машинах типа НУ (1500 об/мин) [2].
1300
(С
С Z
1200
ü s Ig 1100
S ^
и
0
1 1000
с;
си
0J
£ 900
5 6 7
10 2 4 6 8 10 2 4 6 8 10 Число циклов
Рисунок 3 - Результаты усталостных испытаний стали 6Х4М2ФС и Р6М5
Результаты усталостных испытаний приведены на рисунке 3. Снижение температуры закалки стали Р6М5 от 1220 до 1140°С, несмотря на уменьшение твердости от 64 HRC до 60 HRC, привело к значительному повышению усталостной долговечности от ст_1 700 МПа до ст.-! 800 МПа [3]. Это связано с более
мелким зерном и возрастанием прочности у образцов, закаленных от 1140°С. Следовательно, закалка от 1140°С стали Р6М5 более предпочтительна для инструмента холодной объемной штамповки, от которого, по условиям работы, требуется повышенная усталостная прочность. Это подтверждается и опытом эксплуатации пуансонов из стали Р6М5, у которых снижение температуры закалки уменьшило количество аварийных поломок.
Сопротивление усталости образцов из стали 6Х4М2ФС оказалась выше, чем у образцов из стали Р6М5, закаленных от 1140°С и составила < 950 МПа. Повышенное сопротивление усталости стали 6Х4М2ФС по сравнению с быстрорежущими сталями объясняется отсутствием в этой стали крупных скоплений карбидов, служащих внутренними концентраторами напряжений; однородностью эвтектоидной структуры и высокой прочностью (аизг < 4500 МПа). На пуансонах холодной высадки, испытывающих нагрузки до 1600-1800 МПа, сталь 6Х4М2ФС обеспечила повышение стойкости инструмента в 1,5-2 раза и принята в качестве основного материала для изготовления этих пуансонов на ЗИЛе.
На роторно-конвейерных линиях ОАО «Барнаульский станкостроительный завод» применение стали 6Х4М2ФС повысило стойкость штампов в 2 - 3 раза.
Таким образом, основными условиями повышения сопротивления усталости являются создание однородной структуры при отсутствии напряжений и получении ровной поверхности. Тогда предел выносливости, при симметричном цикле нагружений, возрастает с повышением твердости до 60 ИРО. При дальнейшем росте твёрдости предел выносливости снижается аналогично прочности на изгиб. Так при твердости 58-60 ИРО в эвтек-тоидной стали 6Х4М2ФС достигаются максимальные значения прочности на изгиб
< 4500 МПа), а сопротивление усталости прочности < 950 МПа)■
При удельных силах > 2000 МПа наиболее характерной причиной выхода из строя инструмента холодного выдавливания являются хрупкое разрушение, причиной которого могут быть случайные перегрузки, неизбежные в эксплуатации; необоснованный выбор материала инструмента, обладающего недостаточным запасом прочностных свойств, а также нетехнологическая конструкция пуансона.
ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ХОЛОДНОШТАМПОВОЧНОГО ИНСТРУМЕНТА
Однако, даже в случае качественного изготовления разрушение наблюдается в инструменте, прошедшем длительный период эксплуатации (5000-10000 штамповок). Это обстоятельство свидетельствует о том, что хрупкое разрушение связано не только с уровнем исходных механических свойств инструментальных материалов, а с их необратимым изменениям в процессе эксплуатации [6, 7, 8].
Показано, что еще задолго до появления усталостной микротрещины при определенных значениях напряжений циклического сжатия наступает резкое уменьшение прочностных свойств и в процессе дальнейшей эксплуатации хрупкое разрушение наступает при напряжениях, значительно меньших, чем исходные характеристики материала. Отсюда следует, что критериями оценки сопротивления усталостной повреждаемости материала тяжелонагруженного инструмента холодного объёмного деформирования должны служить не только исходные механические свойства, определяемые при однократном нагружении, но и показатели, отображающие их изменение в процессе эксплуатации. Установлено, что в качестве показателей могут быть использованы такие характеристики, как предел упругости (ст002) при сжатии и прочность при изгибе (стизг).
Из результатов экспериментов следует, что изменение послециклической прочности при изгибе для рассматриваемых групп сталей носит общий характер: до определенных значений напряжений циклического сжатия прочность прошедших циклирование образцов, незначительно отличается от исходной. При повышении критических напряжений начинается разупрочнение. Интенсивность разупрочнения для каждой марки стали определяется пределом упругости при сжатии (^0,02).
Обращает на себя внимание повышенная чувствительность к концентрату напряжений всех быстрорежущих сталей. В этой ситуации особенно выгодно отличаются стали ЭП761 и ДИ37, которые при радиусах надреза г = 1мм, г = 2мм имеют более высокие значения стсжкр, чем стали Р6М5 и Р18, что, вероятно, связанно с повышенной способностью матрицы ЭП761 и ДИ37 к релаксации возникающих напряжений и к рассасыванию скоплений дислокации. Полученные данные свидетельствуют ещё раз о наличии прямой зависимости между пределом упругости при сжатии сталей и разупрочнением в ходе по-вторноциклического нагружения, что позво-
ляет выбрать предел упругости в качестве одного из критериев для оценки допускаемого уровня удельных давлений, обеспечивающих удовлетворительную работоспособность реального инструмента.
Для всех рассмотренных марок сталей установлена резко отрицательная роль остаточного аустенита, понижающего в значительной степени уровень критического напряжения при циклическом сжатии.
Главное влияние на предел упругости оказывает содержание углерода (хрома) в мартенсите. Увеличение его концентрации повышает ст002 (аналогично росту твёрдости). Измельчение зерна аустенита повышает ст002 на 20-30% [9]. Дисперсионное твердение увеличивает ст002 [10].
Следовательно, для инструмента, испытывающих высокие удельные силы (>2000 МПа) необходимо применять дисперсионно-твердеющие стали высокой твёрдости 62-65 ИРО.
Для этих целей в настоящее время применяются, в основном, быстрорежущие стали Р6М5, Р6М5К5 и др. Тем, не менее, предпочтительно использовать стали 8Х4В2С2МФ (ЭП-761) и повышенной износостойкости 11Х4В2С2МФЗ (ДИ-37), которые как отмечалось, менее чувствительны к концентраторам напряжений (меньшая карбидная неоднородность).
Кроме того, твёрдость этих сталей на 1,0-1,5 ед. HRC можно повысить предварительной термической обработкой (ПТО). Закалкой из межкритического интервала температур АС1+(10-150С) и высоким отпуском при 7200С, 1 час. Эффект ПТО сопровождается увеличением плотности и твердости стали за счёт закрытия микропор и дефектов.
Выводы
1. Общие закономерности усталостного разрушения инструментальных сталей при знакопеременных нагрузках переносятся и на малоцикловую усталость. Однако предел выносливости тем выше, чем больше твердость, то малоцикловая усталость находится в другой зависимости от твердости и это соотношение неоднозначно.
2. Экспериментально установлено, что максимальные значения малоцикловой усталости достигаются при твердости инструмента 56 - 60 ИРО и высокой прочности, ашг ~ 4000 МПа. При этом наивысшие значения усталости и прочности обеспечиваются
при дисперсионном твердении в сталях эв-тектоидного состава.
3. Преждевременное разрушение инструмента холодной штамповки (поломки, сколы, выкрашивание) не определяют эксплуатационную стойкость, а показывают на несоответствующие условиям эксплуатации выбор сталей и режимов термической обработки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Околович Г.А. О сопротивлении инструментальных сталей усталостному разрушению / Г.А. Околович, А.В. Семичастная, В.Ф. Моисеев // Металлорежущий и контрольно-измерительный инструмент. - 1973. - №6. - С. 6-9.
2. Кальнер В.Д. Статическая и усталостная прочность сталей Р6М5 и 6Х4М2ФС при растяжении и сжатии / В.Д. Кальнер, Ф.И. Шор, С.О. Суворова // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1977. -№9. - С. 47-50.
3. А.с. 1477752 СССР, МКИ3 С21Д9/22. Способ обработки инструмента из быстрорежущей стали / Г.А. Околович, Л.А. Шеина, Г.П. Ананьев, В.В. Зенин (СССР). - № 4268533/3102; заявл. 20.04.87; опубл. 07.05.89, Бюл. №17. - С. 95.
4. Позняк Л.А. О работоспособности штамповых сталей для холодного деформирования / Л.А. Позняк, Ю.М. Скрынчено, В.А.
Брайко, Г.Н. Кованько // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1972. -№1. - С. 57-58.
5. Скрынченко Ю.М. Влияние циклических напряжений сжатия на прочностные свойства инструментальных сталей / Ю.М. Скрынченко, Л.А. Позняк, Г.Н. Кованько. - М.: Металлургия, 1973, С. 34-38.
6. Скрынченко Ю.М. Работоспособность и свойства инструментальных сталей / Ю.М. Скрынченко, Л.А. Позняк. - Киев: Нау-кова думка, 1979. - 167 с.
7. Бух А. Корреляционная связь между пределом усталости, пределом прочности и другими механическими характеристиками сталей и сплавов / А. Бух // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1962. -№ 10. - С. 12-16.
8. Жмихарский Э. Усталостная прочность при сжатии инструментальных сталей / Э. Жмихарский // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1962. - №10. -С. 24-28.
9. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы / А.Г. Рахштадт. - М.: Металлургия, 1971. - 495 с.
10. Геллер Ю.А. Инструментальные стали / Ю.А. Геллер. - М.: Металлургия, 1983. -525 с.
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
