Технологические пути повышения стойкости

Применение пластического деформирования значительно повышает износостойкость инструмента за счет получения более равномерной мелкозернистой структуры, измельчения карбидной фазы и ее более равномерного распределения, а также формирования благоприятной волокнистой структуры. Наибольшее распространение находит холодное выдавливание инструмента, которое применяется для изготовления матриц холодной и горячей объемной штамповки, обрезных пуансонов, пуансонов для высадки винтов и др. инструмента. Значительно реже применяются: высокоскоростная штамповка с предварительным нагревом заготовок, редуцирование, высадка и холодное гидростатическое прессование.

Возможность изготовления высококачественного деформирующего инструмента, получаемого литьем, появилась в связи с разработкой методов, обеспечивающих достаточную точность изделия, качество поверхности и высокие показатели механических свойств. В сравнении с деформированной литая сталь обладает рядом преимуществ: более высокими показателями твердости и прочности при повышенных температурах, повышенным сопротивлением износу, улучшенными характеристиками разгарообразования, пониженной чувствительностью к концентраторам напряжений.

Для изготовления отливок инструмента массой до 10 кг используют литье по выплавляемым моделям. Для относительно крупных отливок наиболее часто используют «шоу-процесс» (литье в керамические формы). Реже используется литье в корундовые формы (при изготовлении единичных штампов), литье в оболочковые формы.

Совершенствование методов механической обработки проводится в направлении получения оптимальных характеристик поверхности. Для этого в качестве финишной обработки целесообразно использовать алмазное шлифование, а также шлифование эльборовыми кругами. Это обеспечивает меньшее тепловыделение, что исключает структурные изменения поверхностного слоя и более низкую шероховатость рабочей поверхности. Износо­стойкость и усталостная прочность при этом повышаются.

Другим резервом повышения долговечности стального и твердосплавного инструмента является его обработка на финишных операциях резцами из поликристаллических сверхтвердых материалов (гексанит-Р, эльбор-Р, композит 05) вместо шлифования и точения твердосплавными резцами. Этим обеспечивается повышение микротвердости, возникновение остаточных сжимающих напряжений, отсутствие дефектов, большая дисперсность структуры обработанного поверхностного слоя.

Рациональный выбор вариантов термической, химико-термической обработки инструмента неразрывно связан с общей тенденцией совершенствования термической и химико-термической обработки, проявляющейся в повышении уровня автоматизации. Это обеспечивает высокое качество и высокую стабильность стойкости. Эффективным методом повышения стойкости инструмента, например из стали ШХ15, является циклическая термическая обработка (ЦТО). Сущность процесса в повторении цикла закалка + одно- и многократные нагревы до температуры ниже А_с3 с последующим резким охлаждением перед окончательной (традиционной) термообработкой. ЦТО позволяет получить мелкозернистую, однородную дисперсную структуру с высокими механическими свойствами.

Для повышения стойкости штампового инструмента горячего деформирования разработана технология дифференцированной закалки. Технология включает общий нагрев до температур, обеспечивающих требуемую твердость основания штампа, последующий ускоренный односторонний высокотемпературный нагрев рабочей гравюры с охлаждением в масле. Перспективна термообработка инструмента в вакуумных установках с закалкой в потоке защитного газа при повышенном давлении, обеспечивающая получение изделий высокой размерной точности е неокисленным и необезуглероженным поверхностным слоем. Целесообразна применение индукционного нагрева для местной термообработки штампов горячей штамповки.

Новым направлением совершенствования поверхностной закалки инструмента является закалка при импульсном индукционном нагреве. Повышению стойкости кольцевых инструментов способствует отпуск в напряженном состоянии. Перспективен метод закалки инструмента взрывом. Повышение стойкости инструмента при обработке холодом, обеспечивается уменьшением содержания остаточного аустенита, высокой плотностью дисперсных карбидов в структуре, созданием в поверхностном слое сжимающих напряжений.

С помощью химико-термической обработки (ХТО) можно повысить поверхностную твердость, износостойкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость, окалиностойкость деформирующего инструмента. Наиболее часто используются процессы ХТО, цементация, нитроцементация, азотирование, борирование, цианирование, оксидирование и диффузионное хромирование.

Цементация и нитроцементация применяются для повышения износостойкости инструмента из высоколегированных сталей Х12М, ЩХ15, 4Х5МФС, ЗХ2В8Ф. Кроме того, данные виды ХТО применяются для обработки вспомогательных деталей: направляющих колонок, втулок, пуансонодержателей и т. д.

Азотирование применяется для повышения износостойкости прессового инструмента, штампов объемной Штамповки холодного и горячего деформирования после полного изготовления. Азотирование повышает твердость, а также способствует образованию на поверхности остаточных сжимающих напряжений. Азотированная поверхность сохраняет свою твердость после нагрева до 500...550°С. Весьма эффективным является ионное азотирование, при котором нагрев детали происходит за счет бомбардировки ее поверхности ионами, ускоренными в области катодного падения потенциала сильноточного тлеющего разряда.

Борировавие применяется для повышения стойкости вытяжных, пробивных, вырубных штампов из сталей У8А,-ШХ15, 5ХНМ, 7X3, 40Х и др. При этом создается высокая микротвердость 1800—2000 HV для углеродистых, до 2500 HV для легированных сталей (ХВГ), до 2800 HV для сталей Х12М, Х12Ф1 и до 2800^-3200 HV для быстрорежущих. Твердость сохраняется до 900°С. Повышается также окалиностойкость. Недостатком борирования является повышенная хрупкость слоя.

Цианирование — цианированный слой имеет повышенную теплостойкость и износостойкость при меньшем налипании металла, более низкий коэффициент трения, повышенный предел выносливости.

Оксидирование выполняют при 400—450°С после низкотемпературного цианирования, азотирования или нитроцементации. Оксидирование улучшает внешний слой деталей и повышает их стойкость. Окисная пленка непрочно сцеплена с металлом, по­этому ее главная роль — защита от коррозии при хранении инструмента.

Диффузионное хромирование — окончательна» операция, выполняемая после ионного азотирования детали. Хромированию подвергаются пуансоны и матрицы формоизменяющих штампов из углеродистых сталей. При этом наряду с повышением твердости и износостойкости резко снижается (в 2—3 раза) коэффициент трения. Следует отметить, что на качество значительное влияние оказывает качество исходной поверхности. В таблице 10 приведены данные по толщине, микротвердости и износостойкости диффузионных слоев.

Упрочнение поверхности инструмента пластическим деформированием повышает усталостную прочность, контактную выносливость и износостойкость инструмента из твердых сплавов, закаленных сталей, с наплавленной поверхностью, упрочненных ХТО или другими методами. В результате поверхностного деформирования повышается твёрдость и прочность, создаются благоприятные остаточные напряжения, уменьшается шероховатость. Алмазное; элборовое и гексанитовое выглаживание применяется для упрочняющей обработки поверхностей пуансонов и выталкивателей, реже торцовых и корпусных поверхностей высадочных матриц. Для повышения стойкости кузнечных штампов, износ которых преимущественно вызван истиранием рабочей поверхности, рекомендуется упрочнение обработкой дробью, а также гидродробеструйное упрочнение (для инструмента сложной конфигурации).

Пробивные и высадочные матрицы и пуансоны, гибочный и другой прессовый инструмент подвергают электроискровому упрочнению. Сущность процесса заключается в многократном действии на поверхность детали импульсных электрических разрядов, вызывающих оплавление небольших участков поверхности. При этом происходит сверхскоростная закалка тонкого поверхностного слоя; азотирование — диссоциация азота воздуха с образованием атомарного азота, соединяющегося с материалом инструмента с образованием нитридов; цементация - соединение углерода, содержащегося в электроде, с материалом инструмента. Прочность и износостойкость деталей после обработки значительно повышается, а ударная вязкость и усталостная прочность снижаются. Повышается в несколько раз твердость, кавитационная, тепловая и эрозионная стойкость.

Лазерная обработка в основном используется для поверхностной закалки инструмента, однако перспективы ее применения значительно шире. С помощью лазерной технологической установки импульсного действия «Квант-16» упрочняется рабочая поверхность инструмента из закаленных •сталей У8, ХВГ, 9ХС, Х125, Р6М5. Матрицы и пуансоны разделительных штампов в основном упрочняются по режущим кромкам. При лазерной поверхностной закалке в связи с незначительной поверхностью нагрева деформации практически отсутствуют. Характерная особенность структуры после лазерной закалки — способность "сохранять твердость при нагреве в процессе трения. Кроме поверхностной закалки лазерная обработка может применяться для науглероживания, азотирования, борирования, легирования и наплавки.

Одним из перспективных направлений повышения стойкости инструмента является его упрочнение износостойкими покрытие покрытий производится методом конденсации вещества с катодно-ионной бомбардировкой (метод КИБ) на установках «Булат» и «Пуск», а также методом осаждения из газовой фазы. Методом КИБ наносятся различные по составу покрытия. Наибольшее распространение получили покрытия из нитрида и карбида титана, реже применяются покрытия из нитрида и карбида молибдена, циркония, ванадия, ниобия и др. Методом КИБ нельзя упрочнять внутренние, скрытые поверхности. Следует отметить также высокую начальную стоимость оборудования и сложность его эксплуатации.

Таблица 10 – Толщина, микротвердость и износ на пути трения один километр диффузионных слоев

Методом осаждения из газовой фазы наносятся покрытия из карбидов хрома, титана, ниобия, ванадия, циркония. После покрытия стальной инструмент подвергается упрочняющей термообработке. Метод отличается простотой и невысокой стоимостью применяемых устройств.

Перечисленными методами могут наноситься одно-, двух- и многослойные, комбинированные покрытия толщиной от 3 до 20 мкм. Комбинированные покрытия более эффективны, чем однослойные. Для оценки эффективности методов упрочнения в таблице 11 приведены данные стойкостных испытаний пробивных пуансонов из стали Р6М5.

Перспективным видом упрочнения деформирующего инструмента является ионная имплантация. Сущность метода заключается во внедрении азота, кислорода, бора, редкоземельных и других элементов в поверхностный слой детали потоком ионов с энергией от нескольких десятков до нескольких сотен килоэлектроновольт. Обработка ионами в отличие от метода КИБ выполняется при низкой температуре, что не вызывает изменений свойств и размеров обрабатываемой детали

Таблица 11 – Результаты стойкостных испытаний пробивных пуансонов из стали Р6М5

Применение комплексного метода контроля и исследования инструмента после обработки и износа в основном направлено на изучение свойств при поверхностного слоя. Оцениваются следующие характеристики: качество обработки инструмента, шероховатость поверхности, точность размеров и геометрические погрешности формы (овальность, гранность, волнистость и т. д.), твердость, величина наклепа, остаточные напряжения, микроструктура, химический состав и некоторые другие. Контроль шероховатости поверхности после обработки и износа проводится с помощью эталонов шероховатости; микроскопа МИС-11, профилографа-профилометра завода «Калибр», на приборе «Surtronic», а также бесконтактными методами с использованием приборов, работающих по методу светового сечения, теневой проекции, с применением растров и интерференции света.

Для контроля размеров инструмента используется метод микрометража и соответствующие средства: микрометры, индикаторы, оптиметры, предельные скобы, калибры, универсальные измерительные микроскопы. Расширение прецезионной обработки инструмента вызывает необходимость применения активного контроля электронных измерительных устройств, лазеров, малых ЭВМ и т. п.

Остаточные напряжения определяются с помощью следующих методов: механический, рентгенографический, аналитический, фотоупругости, тензометрический, интерферометрии и др. Методы исследования структуры и химического состава материала инструмента представлены в виде схемы (рисунок 42).