автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние вакуумно-диффузионного упрочнения на стойкость штампового инструмента для горячего деформирования

ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КРАВЦОВА Елена Александровна

УДК 621.785.5 : 621.73.073

ВЛИЯНИЕ ВАКУУМНО-ДИФФУЗИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ НА СТОЙКОСТЬ ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Специальность 05.16.01. - Металловедение и термическая обработка металлов

^АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КРАВЦОВА Елена Александровна

УДК 621.785.5 :621.73.073

ВЛИЯНИЕ ВАКУУМНО-ДИФФУЗИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ НА СТОЙКОСТЬ ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Специальность 05.16.01. - Металловедение и термическая обработка металлов

^АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

Работа выполнена в Тольяттинском политехническом институте. Научные руководители : доктор технических наук,

профессор 1| КрицлздМ. А.Д кандидат технических наук, доцент Гончаров В. С. Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор

Трахтенберг Б. Ф.; кандидат технических наук, доцент Тетюева Т.В.

Ведущее предприятие - АО "АВТОВАЗ", г. Тольятти.

Защита состоится " 23 " 01С YnSLÖp, JZ. 1998г. в Н часов на заседании диссертационного совета К 064.43.01 в Тольяттинском политехни ском институте.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой пе тью , просим присылать по адресу: 445667, г. Тольятти, ГСП, Самарской о< ул. Белорусская, 14, - ученому секретарю диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тольятгинского по технического института.

Автореферат разослан " "j " OLK ¡МЛОИ-Л 1998 nwia

t— ¿г

Ученый секретарь диссертационного совета^Краснопевцев А.Ю.

4\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вопросы внедрения новых прогрессивных тех-ологических процессов , высокопроизводительного кузнечно-прессового обору-(ования, эффективность автоматизации процессов обработки металлов давлением о многом зависят от решения проблемы повышения стойкости штампов, особен-го при жестких термомеханических режимах горячей штамповки, при повышении ребований к точности поковок и распространении горячей штамповки на область руднодеформируемых материалов . В связи с этим актуальными являются иссле-ювания , направленные на изыскание ресурсоэнергосберегающих и экологически ¡езопасных способов повышения стойкости штампов для горячего деформирова-[ия , способствующих повышению коэффициента использования оборудования и :нижению себестоимости поковок при одновременном улучшении их качества .

Целью работы является повышение стойкости тяжелонагруженного штам-ювого инструмента для горячего деформирования. Для достижения поставленной (ели необходимо решить следующие задачи:

1) установить основные закономерности влияния компонентного состава (углерод, хром, бор) диффузанта в широком температурно-временном интервале на свойства штамповых сталей;

2) разработать эффективные типовые технологические процессы химико-термической обработки штампов для горячего деформирования на базе установления рациональных составов насыщающих сред и режимов обработки;

3) выполнить опытно-промышленные испытания штампового инструмента, подвергнутого различным способам вакуумно-диффузионного упрочнения, сформулировать рекомендации по внедрению этих способов в куз-нечно-штамповочное производство и возможным направлениям их дальнейшего совершенствования.

Научная новизна работы. Определены основные закономерности одно-, хвух- и трехкомпоненгного вакуумно-диффузионного насыщения штамповой стати углеродом, хромом и бором в различных комбинациях в широком температур-ю-временном интервале. ^

Установлен и использован для интенсификации процесса вакуумно-оиффузиогаюго упрочнения эффект порционного импульсного воздействия высо-шконценгрированного потока диффузанта.

Разработан и реализован способ бесконтактного вакуумно-диффузионного (гпрочиения го паровой фазы с обеспечением равномерного зазора между источником насыщающих компонентов и гравюрой штампового инструмента для соблюдения идентичных условий нанесения покрытия, в том числе на поверхности сложной формы.

Теоретически обоснован метод расчета коэффициентов взаимной диффузии в бинарной системе при вакуумной металлизации из паровой фазы.

Изучено влияние различных видов вакуумных процессов химике термической обработки ( ХТО ) с использованием термоциклирования (ТЦО) термической обработки (ТО) на твердость, износостойкость, разгаростойкосп теплостойкость и другие основные эксплуатационные свойства штамповой стал горячего деформирования.

Выявлены рациональные составы насыщающих сред и параметры технолс гических процессов для получения диффузионных покрытий, в том числе мноп компонентных, способствующих повышению стойкости штампов для горячег деформирования.

Достоверность основных положений и выводов диссертации определяете использованием основных положений теории диффузии, в том числе в многою» понентных системах, современных методов исследования (микроструктурньс рентгеноструктурных, микрорентгеноспектральных, фрактографических), поело! ной оценкой фазового состава и микротвёрдости, определением количественног соотношения химических элементов в упрочненной зоне, а также испытание стойкости штампового инструмента непосредственно в производственных условр ях.

Практическая ценность н реализация работы. Разработаны эффективны типовые технологии различных видов вакуумно-диффузионного упрочнен* штампового инструмента, спроектированы и изготовлены или подобраны необхс димые для этого оборудование и оснастка. Даны практические рекомендации г внедрению разработок в кузнечно-штамповочное производство, в частности в М< таллургическое производство АО "АВТОВАЗ". Намечены пути дальнейшего а вершенствования многокомпонентного вакуумно-диффузионного упрочнени штампов в направлении создания высокопроизводительных, ресурсоэнергосбер гающих и экологически безопасных технологий ХТО. Запатентован новый спосо нанесения многокомпонентного покрытия на стальные изделия.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены т Российской научно-технической конференции "Перспективные технологичесю процессы обработки материалов" в Санкт-Петербургском техническом универа тете в 1995 г., на симпозиуме " Технология-2000 " в Поволжском техническом га ституте сервиса и учебном центре ВАЗа (г. Тольятти) в 1995 г., на Междунаро; ной научно-технической конференции "Перспективные методы получения и обр; ботки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность д| талей машин" в Волгоградском доме науки и техники в 1996 г., на научм техническом семинаре "Бернпггейновские чтения по термомеханической обраба ке металлических материалов" в МИСиС (г. Москва) в 1996 г., на Второй Mea дународной научно-технической конференции "Износостойкость машин" в Бря1 ской государственной инженерно-технологической академии в 1996 г., на K)6i лейной научно-технической конференции Тольятгинского политехнического и ститута в 1997 г., на Международной научно-технической конференщ "Современные технологии в машиностроении" в Приволжском доме знаний ( Пенза) в 1998 г.. Сделан стендовый доклад на XIV Международной конференщ

о физике прочности и ги;.стичности материалов в Самарском государственном ехническом университете в 1995 г.. Работа рассматривалась на объединенном на-чно-техническом семинаре кафедр технологического факультета Тольяттинского юлитехнического института в 1998 г..

Публикации . Основные положения работы опубликованы в двух депони-ованных рукописях, научно-техническом отчете по хоздоговорной тематике , овпадающей с темой диссертации , семи тезисах докладов, четырех статьях в южвузовских сборниках научных трудов . Получен патент РФ на изобретение.

Объем н структура работы. Текст диссертация изложен на 135 машино-исных страницах и состоит из введения, шести глав, заключения, списка литера-уры и двух приложений. В работе имеется 55 рисунков и 16 таблиц; список лите-атуры -184 наименования.

Во введеннн освещены актуальность решаемой проблемы, практическая (енностъ работы и сформулирована ее цель.

В первой главе обоснован выбор направления повышения стойкости штам-гового инструмента для горячего деформирования: вакуумно-диффузионное уп-очнение посредством насыщения его углеродом, хромом и бором с применением ТДО и последующей ТО. Сформулированы основные задачи исследованил.

Во второй главе описаны методики проведения лабораторных и производ-твенных исследований, доверительной оценки результатов эксперимента, расчета оэффициентов взаимной диффузии в бинарной системе; применяемые приборы и гатериалы, оснастка и оборудование, в том числе специально спроектированные и зготовленные.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований в [абораторных условиях микроструктуры, микротвердости и толщины упрочнен-;ого слоя для одно-, двух- и трехкомпонентного насыщения штамповой стали уг-геродом, хромом и бором в широком температурно-временном интервале. Выбра-ы рациональные составы насыщающих сред и параметры режимов обработки для даличных способов вакуумно-диффузионного упрочнения.

В четвертой главе приведены разработанные по результатам эксперимен-альных исследований эффективные типовые технологические процессы вакуум-ю-диффузионного упрочнения пгймпов для горячего деформирования посредст-ом однокомпоненгаого насыщения - хромирования, борирования и цементации, вухкомпоненгного насыщения - карбохромирования, хромоборирования и боро-ромирования, комплексного насыщения тремя компонентами - карбохромобори-ования.

В пятой главе проанализированы результаты сравнительных промышлен-сых испытаний опытной партии штампового инструмента, подвергнутого различим способам вакуумно-диффузионного упрочнения. Выработаны рекомендации ю их внедрению в кузнечно-штамповочное производство.

В шестой главе предложены возможные направления дальнейшего совершенствования способа многокомпонентного вакуумно-диффузионного упрочнения тгампов для горячего деформирования.

В заключении сформулированы основные выводы по результатам работы I приведены предложения по применению и последующему совершенствовании разработанных технологических процессов.

В приложениях приведены акт Металлургического производства АС "АВТОВАЗ" о полезности диссертационной работы и результаты расчета ожидае мого экономического эффекта от внедрения там предлагаемого многокомпонент ного (по схеме С-Сг-В) вакуумно-диффузионного упрочнения матриц для горячеп выдавливания клапанов двигателей внутреннего сгорания. ■

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Исследования, проведенные В. Я. Дубовым, Е. И. Вельским, Р. И. Томили ным, Б. Ф. Трахтенбергом, С. Д. Довнаром, М. А. Тылкиным, Г. П. Тетериным I другими учеными, показали, что наиболее важными факторами в решении про блемы повышения стойкости штампов являются: выбор материалов и упрочняю щей технологии и обеспечение термомеханической устойчивости формообразую щих элементов. В достижении высокой стойкости штамповой оснастки основным! являются структура и свойства ее поверхностных слоев, которые испытываю наиболее сильное температурно-силовое и химическое воздействие в процесс« эксплуатации. Поэтому поверхностное упрочнение - один из наиболее эффектив пых способов повышения срока службы штампов для горячей обработки.

Проанализированы различные методы поверхностного упрочнения штампов Установлено, что среди этих методов ХТО широко используется в машинострое нии, доля которой в общем объёме упрочняющих технологий составляет окол< 30%. В разработке и освоении процессов ХТО большую роль сыграли работы отечественных исследователей: Д. А. Прокошина, Ю. М. Лахтина, Б. Н. Арзамасова Н. А. Минкевича и многих других. Теория процессов ХТО основа на теорш диффузии, в том числе в многокомпонентных системах, где следует отметить тру ды отечественных ученых: С. Д. Герцрикена, М. А. Криштала, С. 3. Бокштейна П.Н. Захарова и других.

Для диффузионного упрочнения штампов использованы как традиционньк (азотирование, цементация), так и более новые методы ХТО (хромирование, бори рование). Однако однокомпоненгные покрытия не удовлетворяют все возрастающим требованиям к стойкости штампов, поэтому проводятся изыскания боле« сложных составов для поверхностного упрочнения двумя, тремя и более элемен тами. Многокомпонентное поверхностное легирование, в большинстве случае! незначительно усложняя технологию получения покрытий, обеспечиваем на поверхности изделий комплекс свойств более высоких, чем при насыщении одни» элементом: повышенные твердость, износо-, жаро -, тепло - и разгаростойкость сопротивление коррозии. Основными направлениями работ в этой области явля ются подбор композиций, режимов насыщения и изу - лте свойств комплексны* покрытий, что позволит определить рациональную область их применения и раз работать ресурсоэнергосберегающие и экологически безопасные технологии и> получения.

Методика исследований, оборудование, оснастка, приборы и матерна-

1Ы.

1ля проведения исследований по диффузионному насыщению штамповой стали »аз личными элементами, в качестве которых были избраны хром, углерод и бор, | работе использовалась двухкамерная вакуумная печь PVFOQ-224 (Польша). Из-ia невозможности проведения в этой печи ХТО в средах, содержащих углерод, для осуществления вакуумной цементации была разработана и смонтировала специ-1льная малогабаритная установка. В промышленных условиях для предваритель-гой цементации при нанесении многокомпонентного покрытия применялась вакуумная печь "Хейс" (США).

Температурно-временные параметры режимов обработки варьировались в гределах; температура выдержки от 900 до 1300°С, время выдержки от 1 до 25 ча-;ов, а для режимов ТО температура закалки составляла 1020,1030,1050 и 1100°С , i отпуска - 560, 580 и 620°С. Для интенсифшсации процессов ХТО использовались ГЦО и эффект импульсного воздействия высоконцентрированного потока насыпающих компонентов.

Для выбора рационального способа вакуумно-диффузионного упрочнения птампового инструмента для горячего деформирования в лабораторных условиях гсследовались микроструктура и микротвердость упрочненных слоёв. Эффектив-юсть различных типов покрытий оценивалась при промышленных испытаниях »снастки. В качестве типового представителя для исследований влияния поверх-юстного упрочнения на стойкость штампов для горячего деформирования взяты матрицы первого перехода для выдавливания впускного клапана двигателя автомобиля ВАЗ, так как они работают в наиболее сложных условиях циклического емпературно-силового воздействия, и поэтому их гравюра в наибольшей степени юдвержена разрушению (их стойкость не превышает 1 часа). Для микроструктур-шх исследований изготавливались образцы из стали 4Х5МФС, а для фрактогра-{»ического анализа процессов поверхностного разрушения штампов наиболее ха->актерные участки вырезались непосредственно из матриц, изготовленных из этой .тали, после наработки заданного числа циклов. Кроме того, при разработке тех-юлогии ХТО определялись физико-механические характеристики конкретного птампового инструмента. ^

Для получения активной среды в реакционном пространстве печи при цементации использовался ксилол. В качестве насыщающих сред служили мелко-исперсные порошки хромг. л карбида бора. При нанесении многокомпонентного гокрытия порошки насыщающих компонентов предварительно спрессовывались. 4м придавалась форма гравюры матрицы, но между вставкой диффузанта и насыщаемой рабочей поверхностью сохранялся зазор порядка 0,5 мм. Прессование ipoизводилось на универсальной разрывной машине УИМ-50 при помощи специ-1Льно спроектированной и изготовленной оснастки с применением в качестве пластификатора стеарата цинка. Вставки могли использоваться многократно, что способствовало экономии насыщающих материалов.

Измерение микротвердости проводилось на серийных приборах ПТМ-3 и КНОП. Распределение концентрации диффузионных элементов определяли методом микрорентгеноспектрального анализа на приборах МБ-46 и МР-7. Для электронно-микроскопических исследований использовали растровый электронный микроскоп РЭМ-200. Рентгеновские исследования фазового состава осуществлялись на рентгеновском дифрактомере общего назначения ДРОН-2 .

Ввиду высокой чувствительности результатов ХТО и ХТО с диффузионной металлизацией к химическому составу исходного материала, диффузагау, режиму процесса и параметрам ТО, в работе использован принцип системного подхода: последовательное исследование влияния на структуру и свойства штамповой стали для горячего деформирования одно-, затем двух- и, наконец, трйхкомпонентного вакуумно-диффузионного насыщения стали хромом, углеродом и бором в различных комбинациях.

Результаты лабораторных исследований.

Од покомпонентное насыщение. Вакуумное хромирование является средством существенного повышения стойкости штампов при горячем деформировании. Основной недостаток диффузионного насыщения хромом штампов- сравнительно малая толщина образующегося покрытия. Толщина хромированного слоя зависит от многих факторов : свойств основы , метода хромирования, температуры насыщения и времени выдержки.

В результате исследований установлено, что при температуре насыщения 900°С и 1300°С, независимо от времени выдержки, хромовый карбидный слой на стали 4Х5МФС не образуется, а при температуре Ю00°С слой карбидов хрома не превышает 2-3 мкм. Активный слой карбидов хрома наблюдается при температуре 1100°С. У уже при выдержке 4 часа глубина слоя составляет 10 мкм и слабо зависит от увеличения продолжительности выдержки. При повышении температуры до 1200°С диффузионные процессы активизируются, что оказывает двойственный характер, с одной стороны , увеличивается карбидный слой, но, с другой стороны, резко возрастает активность углерода, перемещающегося навстречу диффундирующему хрому. Это приводит к образованию значительной обезуглеро-женной послекарбидной зоны, снижающей прочностные свойства покрытия.

Процесс высокотемпературного хромирования приводит к росту зерна в основе стали. Например, при температуре 1050°С зерно у стали 4Х5МФС достигает 9 балла, а при температуре 1100°С и выдержке 4 часа возрастает до 4-5 баяла. Повышение температуры насыщения выше И 00°С приводило к росту аустенит-ного зерна основы (это снижает вязкость штамповой стали), обезуглероживанию послекарбидного слоя и значительной неравномерности распределения хромового покрытия. Увеличение времени выдержки на интенсификацию процесса хромирования влияло значительно меньше.

Результаты рентгеноструктурных и электронно-микроскопических исследований, измерений микротвердости, микрорентгеноспектрального анализа, расчета коэффициентов взаимной диффузии в системе Ре-Сг и исследование микросгрук-

уры образцов стали 4Х5МФС позволили выбрать рациональные режимы ваку-много хромирования. Наиболее приемлемым был признан температурным интер-ал насыщения хромом 1050 - 1100°С с диапазоном времени выдаржки от 6 до 9 асов. При этом образовывался карбидный слой толщиной 10-12 мкм, h зерно в снове изменялось с 6 до 4 балла. Применение после высокоггемпераггурного хро-ирования 4 циклов термоциклирования в диапазоне температур 700 - 900°С с ус-оренным нагревом и охлаждением привело к измельчению зерна в основе штам-овой стали с 4 до 9 балла

Вакуумная цементация. При вакуумной цементации с применением ксилола а поверхности стали образуется сплошной слой из многочисленных глобулярных арбидов . Оптимальная температура вакуумной цементации была выбрана 1000 -100°С, а время выдержки 20 минут цри числе повторяющихся циклов науглероживания поверхности от Ъ до 10. Использование эффекта порционного импульсно-о воздействия высококонцентрированного потока науглероживающего вещества ксилола) позволило увеличить глубину упрочненного слоя, повысить его твйр-ость и теплостойкость. Выделяющийся при этом водород и отсутствие кислорода г влаги исключали окисление обрабатываемых изделий.

Вакуумное борирование. На поверхности образцов из исследуемой стали Х5МФС образовывалась сплошная корка боридов железа и хрома глубиной 10 -0 мкм, а далее распространялась зона мелкодисперсных боридов глубиной до 300 псм. Из всех исследованных способов однокомпонентного насыщения нгтамповой тали борирование позволяло получить наиболее высокую микротвердость до 21.5 Па. При диффузии бора в сталь происходило интенсивное оттеснение углерода в лубь образца. Поверхностный слой получался более хрупким и шероховатым, [ем при хромировании и цементации. Оптимальная температура борирования стаи - 1000 С, а диапазон времени выдержки 4-9 часов.

Двухкомпонентиое насыщение. Карбохромированке. Предшествующее [ромированию науглероживание повышало глубину упрочненной зоны , ее твердость и теплостойкость, но углерод сдерживал диффузию хрома и повышал его юнцентрацию на поверхности. При этом изменялся фазовый состав и микро-труктура диффузионной зоны. На поверхности образцов, подвергнутых карбо-фомированию, образовывался сл<Ж карбвдов хрома примерно той же толщины , гго и при хромировании . Распределение карбидных фаз было аналогично . О дна-го, как свидетельствуют результаты измерения микротвердости, содержание карбидов хрома на поверхности возрастает. Например, при шестичасовой цементации шуглероженный слой распространялся на 2,0 - 2,5 мм , но при последующем хро-шровании начиналась встречная диффузия углерода и толщина науглероженной юны сокращалась. Особенно интенсивно этот процесс протекал при температуре шсыщения выше 1100 °С. Например, хромирование при температуре 1180 °С при-юднло к значительному обезуглероживанию слоев, расположенных за сплошным :лоем карбидов хрома, а при температуре 1100°С данный процесс был резко за-орможен. Варьированием температурно-временных условий насыщения можно цобиться сочетания требуемых свойств упрочненного слоя. Так карбохромирова-

ние стали 4Х5МФС наилучшим образом протекает при температуре цементади 1000 - 1100 °С и хромирования 1050-1100 С. Поверхность карбохромированны образцов, как было установлено с помощью растрового микроскопа, отличаете более высоким качеством, чем при хромировании, характеризующимся более рэд номерным осаждением хрома на поверхность цементированного образца.

Длительная высокотемпературная выдержка стали 4Х5МФС при диффуз) онном упрочнении приводила к значительному росту зерна Поэтому проводите исследования по оценке влияния ТЦО на величину зерна и другие свойства стали Технология ТЦО стали 4Х5МФС заключалась в нагреве ее до температуры 900 920 °С и ускоренном охлаждении до 700- 720 °С в вакууме . После 4 термоцикло величина зерна изменялась с 4 до 9 балла. Дальнейшее увеличение числа терт циклов не влияло на размеры зерна.

Комплексное насыщение хромом и бором . Изучались две различные мете дики: насыщение хромом, а затем бором, н наоборот . Установлено: эти методик обеспечивают различную способность образования упрочненных зон. Как и пр вакуумном борировании, насыщение стали 4Х5МФС бором и хромом в различно последовательности приводило к коагуляции боридов хрома, однако упрочнени основы протекало по-разному. При хромоборировании образовывались более уг рочненная структура и сильно выраженный рельеф на поверхности насыщения как и при борировании. При насыщении стали последовательно сначала бором, затем хромом, получалось покрытие, по своим свойствам превосходящее борирс ванную сталь , что объяснялось легированием хрупких боридов железа хромом Это приводило к увеличению пластичности слоя. Кроме того, в борохромировая ном покрытии остаточные сжимающие напряжения , которые увеличивают сопрс тивление металла термической усталости , распространялись и на переходную зс ну, в то время как в борированном слое наблюдалась резкая смена знака напряжс ний под боридами железа. Трещин в нем было меньше , они были менее глубоки и заканчивались своеобразным утолщением в переходном слое, задерживающге их дальнейшее развитие.

Трехкомпонентное насыщение углеродом , хромом а бором. Устанм лено, что наиболее приемлемый комплекс эксплуатационных свойств штампово стали, требуемых при горячем деформировании, получается при применении ком плексного насыщения штампового инструмента углеродом, хромом и бором с пс мощью вставок диффузанта с применением последующих процессов ТЦО и ТС При схеме насыщения С-Сг-В наблюдалась высокая микротвердость покрытия д 25 ГПА наряду с повышенной шероховатостью упрочненной поверхности (как пр борировании и хромоборировании), что затрудняет последующий после упрочне ния процесс механической обработки. Однако применение современных способо шлифования позволяет преодолеть этот недостаток. Результаты измерений микре твердости поверхности при различных способах упрочнения представлены н рис. 1.

11

12

10,5

! 11

21,5

!15

117 5 18,5

1 14 5

21,5^ 18

19

В Сг I С-Сг ! Сг-В ! В-Сг С-Сг-В I Насыщающие! компоненты

Рис.1 Микротвердость (минимальное и максимальное значения, ГПа) поверхности образцов из стали 4X5 МФС при различных способах вакуумно-диффузионного упрочнения.

Разработка эффективных типовых технологических процессов упрочнения штампового инструмента.

Результаты экспериментальных исследований послужили основой для разработки на базе рациональных составов насыщающих сред и температурно-временных параметров режимов обработки эффективных типовых технологических процессов различных способов вакуумно-диффузионного упрочненит штампов для горячего деформирования. Установлено: каждый из предложенных видов вакуумного-диффузионного упрочнения штампов для горячего деформирования имеет самостоятельное значение и может применяться в соответствующих случаях: вакуумная цементация - для придания поверхностному слою штамповой оснастки износостойкости, но разгаростойкосгь при этом недостаточно высокая; вакуумное хромирование - для сообщеЖя, наряду с высокой износостойкостью, высокого сопротивления термомеханической усталости, тепло- и коррозионной стойкости и, особенно, разгаростойкости, но при небольших удельных нагрузках; вакуумное борирование - для придания поверхностным слоям высокой твердости, что способствует повышению износостойкости, коррозионной стойкости, жаро--стойкосги и разгаростойкости, но покрытие не выдерживает циклических нагру-жений ; карбохромирование - для упрочнения оснастки , основным видом износа которой является истирание, и для придания высокой разгаростойкости; борохро-»ртрование - для сообщения штамповому инструменту высоких термо-, жаро- и коррозионной стойкости, увеличения сопротивления термомеханической усталости и разрушению; хромоборирование - для штамповой оснастки, в наибольшей степени подверженной разгару и значительным циклическим нагрузкам; карбо-

хромоборирование - для получения всего комплекса свойств, удовлетворяющих совокупности требований, предъявляемых к штампам для горячего деформирования.

Опытно-промышленное испытание штампового инструмента проведено с использованием разработанных технологий вакуумно-диффузионного упрочнения посредством его насыщения такими компонентами, как хром, бор и углерод. Основное внимание уделялось промышленным испытаниям матриц, подвергнутых хромированию и комплексному насыщению элементами на основе хрома: карбохромированию, борохромированию, хромоборированию и карбохромобори-рованию. При этом преследовалась цель: сравнить эксплуатационные свойства матриц при различных составах насыщающих сред, температурно-временных режимах и режимах ТО. Для дополнительного повышения вязкости стали путем измельчения зерна часть матриц подвергалась ТЦО. Стойкость матриц определялась по количеству отштампованных клапанов (числу циклов до выбраковки). Микроструктурные особенности поверхностного разрушения определялись на темплетах, вырезанных из отработанных матриц.

Параллельно изучались особенности разрушения азотированных матриц, подвергнутых ХТО и ТО по серийной технологии, применяемой в АО " АВТОВАЗ ". Наблюдение за состоянием матриц после определенного числа отштампованных клапанов показали, что основной причиной выбраковки азотированных матриц является интенсивное развитие процесса разгарообразования с последующим выкрашиванием фрагментов рабочей поверхности. Трещины на азотированных матрицах появлялись уже при первых циклах штамповки, а примерно через 200- 300 циклов их рост приводил к образованию на поверхности гравюры неглубоких борозд развитие которых в дальнейшем притормаживалось. Через 450 - 480 циклов ( при нормативной стойкости 800 - 1000 циклов) наступал процесс критического разупрочнения поверхности , связанный , видимо, с окислением вскрытых в процессе разгара полостей или с недостаточной теплостойкостью. В результате этого глубина борозд достигала большого размера, что приводило к образованию глубоких рисок на поверхности клапанов, к выкрашиванию поверхности и, соответственно, выбраковке матриц.

Испытания хромированного штампового инструмента в производственных условиях свидетельствовали о высокой термической стабильности покрытия. Фрактографический анализ показал практическое отсутствие разгарных трещин. Наблюдалась высокая прочность сцепления карбидного слоя с основой, поскольку прикладываемые термические и механические нагрузки не вызвали отслоения покрытия. Обладая стойкостью выше нормативной, хромированные матрицы для горячего выдавливания клапанов выбраковывались по причине пластического смятия нижележащих за карбидным слоем слоев.

Процесс поверхностного разрушения матриц упрочненных карбохромиро-ванием. был связан, прежде всего, с пластической деформацией околокоигактных зон, начинающей развиваться после 1000 -1100 циклов . Высокопрочная зона карбидов хрома на поверхности истиралась только в местах внедрения твердых абра-

1 13

зивных частиц, видимо, окалины. Причем, матрицы после двухчасовой цементации имели стойкость более низкую по сравнению с цементированными в течение шести часов. Установлено, что при карбохромированяи обеспечиваются высокие износостойкость и разгаростойкость, а процесс выбраковки связан с пластическим смятием гравюры.

Хромоборированные матрицы обладали более высокой теплостойкостью по сравнению с карбохромироваиными . Более низкую стойкость показали борохро-мированные матрицы, что связано; со значительным обезуглероживанием диффузионной области бора, а следовательно, и с меньшим количеством твердых и теплостойких карбидов. На рис. 2 для сравнения приведено состояние гравюр азотированных, хромированной и хромоборированной матриц после испытаний.

Рис.2 Состояние гравюр матриц для горячего выдавливания клапанов после испытаний (1000 циклов):

а , в-азотированных; 6-хромированной; г-хромоборированной.

Образование разгарных трещин на штамповом инструменте, упрочненном хромом и бором (в разной последовательности) и хромом и углеродом, оказалось значительно заторможенным. Общее количество разгарных трещин, глубина их распространения и степень их влияния на стойкость у этих матриц были незначительны, независимо от технологий применявшихся последующих ТЦО и ТО.

Стойкость матриц (2100 циклов) для выдавливания клапанов, подвергнутых опытной технологии с применением комплексного насыщения углеродом, хромом и бором, повысилась в 4 раза по сравнению со стойкостью матриц, полученных с применением базовой технологии азотирования. Основной причиной выбраковки матриц при этом была пластическая деформация гравюры. Это покрытие обладало повышенной разгаростойкостью, так как коэффициенты термического расширения карбидов и боридов хрома имеют значения, близкие к коэффициентам инструментальных сталей. На рис. 3 приведена микроструктура упрочненных слоев карбохромоборировадаых матриц) после испытаний.!

а) ' , б)

хЮО

Рис.3 Микроструктура карбохромоборированных матриц после испытаний: а-(940 циклов); б- (2100 циклоф.

Испытания штампового инструмента в производственных условиях показали, что наиболее приемлемыми способам^его упрочнения являются борохромиро-вание, карбохромирование, хромоборирование и, особенно, карбохромоборирова-ние, как обеспечивающие повышенную разгаростойкость и износостойкость покрытия и увеличивающие стойкость оснастки в 3 - 4 раза (рис. 4). Таким образом, основные задачи работы решены и поставленная цель достигнута

Направления дальнейшего совершенствования способ» ««несения многокомпонентного покрытия.

Для улучшения достигнутых результатов с целью сокращения длительности процесса обработки, снижения его энергоёмкости, облегчения последующего шлифования был разработан новый способ получения комбинированного покрытия по

схеме С-В-Сг. Предлагается нанести сначала углерод для упрочнения подслоя, затем бор для получения упрочненного поверхностного слоя, а затем хром как пластифицирующий элемент; снизить температуру насыщения; включить ТЦО непосредственно в процесс ХТО и объединить процесс ХТО с последующей ТО без дополнительного нагрева На этот способ нанесения многокомпонентного покрытия на стальные изделия получен патент РФ.

450

2082

2100

1800

1000

1030

_800_ 1800 482

1512

530

11300

11087

1886

1621

1480

11300

Нормативная стойкость

2000

N С ! В Сг (С-Сг I Ст-В ¡ B-Crl C-Cr-B Насыщающие (компоненты

Рис.4 Стойкость матриц (максимальное и минимальное количество отштампованных клапанов до выбраковки) при различных способах вакуумно-диффузионного упрочнения

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. С использованием системного подхода установлены основные закономерности одно-, двух - и трехкомпонентного вакуумно-диффузионного насыщения штамповой стали углеродом, хромбм и'бором в широком температурно-временном интервале. Исследован характер распределения микротвердости по высоте упрочненных образцов и изучена микроструктура различных покрытий. Получены зависимости, позволяющие определить глубину диффузионного слоя от температуры и времени выдержки.

2. Осуществлено бесконтактное в акуумно-диффузионное упрочнение из паровой фазы посредством применения насыщающих компонентов в виде спрессованных изделий, повторяющих по форме гравюру матрицы для горячего выдавливания, при наличии равномерно распределенного зазора между вставкой диффу-занта и штамповым инструментом для соблюдения идентичных условий насыщения его по всей рабочей поверхности, в том числе сложной формы. Для практиче-

ской реализации способа изготовлена специальная оснастка и отработана технология прессования порошков.

3. Теоретически обоснован метод определения коэффициентов взаимной диффузии в бинарной системе при вакуумной металлизации из паровой фазы. Модифицирован метод Магано для снижения погрешности при расчете коэффициентов диффузии с применением ЭВМ.

4. Использован эффект порционного импульсного воздействия высококон-цекгрированного потока науглероживающего вещества (ксилола) с целью активации процесса вакуумной цементации. Для осуществления вакуумного процесса в углеродосодержащих средах спроектирована и смонтирована специальная малогабаритная установка.

5. Апробирован процесс ТЦО для интенсификации процесса ХТО и получения покрытия с высокими пластическими и прочностными свойствами за счет уменьшения величины зерна. Например, при карбохромировании после 4 термоциклов величина зерна изменилась с 4 до 9 балла

6. Рекомендованы рациональные составы насыщающих сред и параметры режимов обработки для получения высокоэффективных диффузионных покрытий, в том числе многокомпонентных, способствующих повышению стойкости штампов для горячего деформирования.

7. Разработаны эффективные типовые технологические процессы упрочнения путем вакуумного насыщения рабочей поверхности штампов: однокомпоненг-ного (цементации, хромирования, борирования), двухкомпонентного ( карбохро-мирования, борохромирования и хромоборирования) и трехкомпонентного (карбохромоборирования).

8. Выполнено опытно-промышленное испытание штампового инструмента, подвергнутого различным способам вакуумно-диффузионного упрочнения. Установлено, что наиболее переспективными способами упрочнения штампов для горячего деформирования являются борохромирование, карбохромирование, хромо-борирование и, особенно, карбохромоборирование. Изучено влияние вакуумной ХТО с использованием ТЦО и последующей ТО в виде закалки и высокого отпуска на износостойкость, разгаростойкость, теплостойкость и другие основные эксплуатационные свойства штамповой стали для горячего деформирования, а также на шероховатость поверхности, определяющей технологический процесс доводки гравюры после ХТО и термической обработки.

9. Выработаны практические рекомендации по внедрению технологий различных способов вакуумно-диффузнонного упрочнения в кузнечно-штамповочное производство. Стойкость штампового инструмента при применении комплексных вакуумных процессов насыщения его рабочей поверхности углеродом, хромом и бором повышается в 3 - 4 раза по сравнению со стойкостью инструмента, изготовленного в Металлургическом производстве АО «АВТОВАЗ» по базовому процессу упрочнения (азотированию). Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанного комплексного вакуумно-диффузионного упрочнения матриц для

горячего выдавливания клапанов двигателей внутреннего сгорания посредством карбохромоборирования составляет 2 млн. деноминированных рублей в год.

10. Намечены направления дальнейшего совершенствования технологического процесса вакуумно-диффузиоиного упрочнения штампов для горячего деформирования. Разработан новый способ нанесения многокомпонентного покрытия по схеме С-В-Сг на стальные изделия (в том числе на штамповую и литейную оснастку), на который получен патент РФ.

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

1. Кравцова Е. А., Гончаров В. С., Ключко С. Л. Способы повышения стойкости штампов для горячего деформирования И Библиографический указатель ВИНИТИ «Депонированные научные работы», 1994. - №6. - б/о 243.

2. Гончаров В. С. , Кравцова Е. А. , Ключко С. Л. Применение химико-термической обработки для поверхностного упрочнения оснастки и штампов горячего деформирования II Библиографический указатель ВИНИТИ «Депонированные научные работы», 1994. — №6. — б/о 240.

3. Кравцова Е. А. , Гончаров В. С. , Ключко С. Л. Повышение стойкости штампов для горячего деформирования // Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологические процессы обработки материалов» [Санкт-Петербургский государственный технический университет] ,24-26 октября , 1995 : Тез. докл. - Санкт-Петербург, 1995. - с. 102-104.

4. Гончаров В. С. , Кравцова Е. А., Ключко С. Л. Поверхностное упрочнение штампов для горячего деформирования II Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологические процессы обработки металлов» [Санкт-Петербургский государственный технический университет ] , 24 - 26 октября , 1995: Тез. докл. - Санкт-Петербург, 1995. - с. 105-106.

5. Гончаров В. С. , Кравцова Е. А. , Ключко С. Л. Разработка ресурсоэнер-госберегающей экологически безопасной технологии поверхностного упрочнения штампов для горячего деформирования // Сборник научных трудов. Международный симпозиум «Технология-2000» [ ПТИС, ГАСБУ ], секция 3 «Технология». 28

- 30 ноября, 1995: Тез. докл. — Самара - Тольятти, 1995. - с. 26-30.

6. Гончаров В. С., Кравцов? Е. А'., Ключко С. Л. , Осгудин Ю. Н. Сравнительная характеристика различных методов поверхностного упрочнения штампо-вой оснастки для горячего деформирования // Философские , технические , методические и социальные аспекты преподавательской , научной и производственной деятельности. - Самара: Межвузовский сборник научных трудов СУНПЦ, ПТИС,

- ГАСБУ, 1996. - вып. .1. - с. 73-76.

7. Кравцова Е. А., Гончаров В. С., Ключко С. Л., Малебская Е. В. Сравнительная характеристика различных методов диффузионного упрочнения штампов для горячего деформирования II Философские , технические , методические и социальные аспекты преподавательской, научной и производственной деятельности.

- Самара : Межвузовский сборник научных трудов СУНПЦ, ПТИС, ГАСБУ, 1996.-вып. 1.-е. 53-58.

г*

8. Гончаров В. С. , Ключко С. Л. , Кравцова Е. А. Вахуумно-диффузионное поверхностное упрочнение штамповой оснастки // Международная научно-техническая конференция «Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин» [ Волгоградский дом науки и техники ], 18 - 19 сентября, 19% : Тез. докл.— Волгоград, 1996. - с. 85-87.

9. Ключко С. Л. , Гончаров В. С., Кравцова Е. А. Повышение стойкости штампов для горячего деформирования // Научно-технический семинар «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов» [МИСиС], 24-25 октября, 1996: Тез. докл. - Москва, 1996. - с. 53-54.

10. Гончаров В. С. Кравцова Е. А., Ключко С. Л. , Повышение износостойкости штампов для горячего деформирования // Вторая Международная научно-техническая конференция «Износостойкость машин» [Брянская государственная инженерно-техническая академия], 18-21 ноября, 1996: Тез. докл. - Брянск, 1996. - ч. II. - с. 82.

11. Гончаров В. С. Кравцова Е. А., Ключко С. Л. Поверхностное упрочнение штампов горячего деформирования посредством химико-термической обработки // Юбилейная научно-техническая конференция [Тольяттинский политехнический институт], 5-7 мая, 1997. Тез. докл. - Тольятти, 1997. — с. 104-105.

12. Патент РФ № 2081936, кл. С23С12/00, 1997. Способ нанесения многокомпонентного покрытия на стальные изделия / В. С. Гончаров, Е. А. Кравцова, С. Л. Ключко.

13. Кравцова Е. А., Гончаров В. С., Ключко С. Л. Стойкость штамповой оснастки, подвергнутой различным видам вакуумно-диффузионного упрочнения поверхности // Международная научно-техническая конференция «Современные технологии в машиностроении» [ Приволжский дом знаний], март, 1998: Сборник материалов конференции — Пенза, 1998. — с. 47-50.

' ' .C/Y - A / 9 J?<2 jT"

' «Л/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КРАВЦОВА Елена Александровна

УДК 621.785.^:621.73.073

ВЛИЯНИЕ ВАКУУМНО-ДИФФУЗИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ НА СТОЙКОСТЬ ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ГОРЯЧЕГО

ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: д.т.н. профессор 1КРИШТАЛ М.А.1

к.т.н. доцент ГОНЧАРОВ B.C.

Тольятти -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ШТАМПОВ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ 8

1.1. Виды износа, причины выхода из строя и основные направления повышения стойкости штампов для горячего деформирования

1.2. Способы диффузионного упрочнения штампов и пути их совершенствования 21

1.2.1. Однокомпонентное насыщение штампов 23

1.2.2. Комплексное насыщение штампов 35

1.3. Выводы и определение направлений научных исследований 42

1.4. Основные задачи исследований 44

2. ОБОРУДОВАНИЕ, ОСНАСТКА, ПРИБОРЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 47

2.1. Вакуумно-термическое оборудование 47

2.2. Материалы, оснастка, приборы и методика исследований 49

2.3. Обоснование выбора типового представителя для проведения исследований в промышленных условиях ^4

2.4. Режимы вакуумно-диффузионного насыщения 60

2.5. Свойства поверхностных слоев штампового инструмента 64

2.6. Доверительная оценка результатов экспериментальных

66

исследований

2.7. Методика расчета коэффициентов взаимной диффузии в

бинарной системе 66

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЁВ ПОСЛЕ ВАКУУМНО-ДИФФУЗИОН-

НОГО УПРОЧНЕНИЯ ШТАМПОВОЙ СТАЛИ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ 71

3.1. Вакуумно-диффузионное хромирование 71

3.1.1. Микроструктурные исследования и измерение микротвёрдости 71

3.1.2. Рентгеноструктурные исследования ^7

3.1.3. Микрорентгеноспектральные исследования 94

3.1.4. Результаты расчета коэффициентов диффузии при

95

вакуумной металлизации

3.2. Вакуумно-диффузионная цементация 108

3.3. Вакуумно-диффузионное борирование 111

3.4. Вакуумно-диффузионное карбохромирование 1

3.5. Исследование влияния термоциклирования на процесс карбохромирования 119

3.6. Комплексное насыщение хромом и бором 121

3.7. Многокомпонентное насыщение штамповой стали 126

3.8. Выводы по результатам лабораторных исследований 134 4. РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ ТИПОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВАКУУМНО-ДИФФУЗИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ШТАМПОВ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ 137

4.1. Основные положения, заложенные в основу разработки эффективных технологий упрочнения штампов 137

4.2. Разработка технологий однокомпонентного вакуумно-диффузионного упрочнения 140

4.3. Разработка технологий; двухкомпонентного вакуумно-диффузионного упрочнения, 144

4.4. Разработка технологии трехкомпонентного вакуумно-диффузионного упрочнения и последующей термической обработки 146

4.4.1. Подготовка изделий к упрочнению и изготовление вставок диффузанта 146

4.4.2. Операции упрочнения и методы контроля 148

4.5. Взаимосвязь технологий вакуумно-диффузионного упрочнения с общей технологией изготовления штампов в условиях АОгАВТОВАЗм150

4.6. Выводы по разработке эффективных типовых технологий вакуумно-диффузионного упрочнения штампов 153

5. РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ОПЫТНОЙ ПАРТИИ ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА, ПОДВЕРГНУТОГО РАЗЛИЧНЫМ СПОСОБАМ И РЕЖИМАМ ВАКУУМНО-ДИФФУЗИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ

5.1. Цель и условия испытаний

5.2. Результаты испытаний и их анализ 5.3 Выводы по итогам промышленных испытаний

6. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ СПОСОБА МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ВАКУУМНО-ДИФФУЗИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ШТАМПОВ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА ПРИЛОЖЕНИЯ

I. Акт полезности диссертационной работы

II. Расчёт ожидаемого экономического эффекта от внедрения в Металлургическое производство АО "АВТОВАЗ" многокомпонентного (по схеме С-Сг-В) вакуумно-диффузионного упрочнения матриц для горячего выдавливания клапанов 205

154 154 156 165

171 179

182 202

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшими направлениями технического прогресса в машиностроении являются: развитие таких передовых технологий, как применение высокоскоростной, в том числе жидкой изотермической безоблойной штамповки, горячей штамповки выдавливанием, и распространение горячей штамповки на область труднодеформируемых и малопластичных материалов, а также получение точных поковок, приближающихся по конфигурации, размерам и чистоте поверхности к готовым деталям.

Основной причиной, препятствующей развитию прогрессивных технологических направлений в горячей штамповке и внедрению их в производство, является недостаточная экономичность и работоспособность штампов. Стойкость штампов - один из показателей эффективности горячей штамповки. Расходы на штамповый инструмент (в процентах от себестоимости поковок) составляли в СССР 10...30%, во Франции - до 22%, а в США - 5... 15%. Наиболее высокие расходы на инструмент при горячем прессований (выдавливании) - 53% и выше [1]. Большие расходы на штампы могут значительно уменьшить эффективность горячей штамповки, получаемую за счет экономии металла.

Повышение точности поковок существенно уменьшает затраты на последующую механическую обработку, увеличивает коэффициент использования металла, исключает снятие в стружку наиболее плотных мелкозернистых периферийных зон заготовок и перерезание волокон, что улучшает служебные свойства деталей, повышает работоспособность машин, кроме того, при обработке точных поковок резанием устраняются перегрузки и вибрации инструмента, и тем самым обеспечиваются условия для нормальной работы автоматических линий механической обработки. Поэтому выпуск

поковок с повышенной точностью, а, следовательно, и готовностью, является самым крупным резервом повышения производительности труда в машиностроении. Автоматизация кузнечно-пггамповочного производства дает ощутимый экономический эффект только тогда, когда ее осуществляют на базе высокопроизводительного оборудования. Однако эффективность использования современного оборудования снижается вследствие недостаточной стойкости штампов. Эффективность работы поточной автоматической линии, на отдельных агрегатах которой необходимо заменять штампы через 1...2 часа, будет существенно снижена простоями на смену, настройку и разогрев штампового инструмента. В настоящее время имеется целый ряд тяжелонагруженных штампов (по величине удельных усилий, динамическим нагрузкам и температурным условиям), стойкость которых составляет всего несколько сот и даже несколько десятков поковок, т.е. в пределах одного - двух часов работы.

Повышение стойкости штампов позволяет сократить простои поточных автоматических линий и прогрессивных кузнечно-прессовых машин, устранить необходимость изготовления большого числа штампов-дублеров из-за частого ремонта оснастки и в итоге повысить производительность труда, коэффициент использования оборудования и снизить себестоимость продукции при одновременном улучшении ее качества. Таким образом, вопросы внедрения новых прогрессивных технологических процессов, высокопроизводительного кузнечно-прессового оборудования, эффективности автоматизации процессов обработки металлов давлением во многом зависят от коренного решения проблемы повышения стойкости штампов горячей штамповки, особенно при жестких термомеханических режимах штамповки, повышении требований к точности поковок и распространении горячей штамповки на область обработки труднодеформируемых материалов.

Проблема повышения стойкости штампов давно привлекает внимание большой группы учёных, исследователей, инженеров в области металлургии, металлографии, металловедения и обработки металлов давлением. Многое в этом направлении сделано такими учёными, как В.Я. Дубовой, А.Н. Брюханов, A.B. Ревельский, E.H. Бельский, Р.И. Томилин, Б.Ф. Трахтенберг, С.А. Довнар, М.А. Тылкин, А.П. Атрошенко, В.М. Фёдоров, Д.А. Васильев, Г.П. Тетерин и другие [1-9]. Однако новые требования к стойкости штампов придают ей дополнительную остроту. Поэтому проблема повышения стойкости штампов для тяжелонагруженных операций, несмотря на многочисленные поиски и результаты исследований, достигнутые за многие годы, до настоящего времени не имеет удовлетворительного решения и остаётся актуальной, имеющей большое научно-техническое и практическое значение.

Целью данной работы является повышение стойкости тяжелонагруженного штампового инструмента для горячего деформирования.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ШТАМПОВ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

1.1. Виды износа, причины выхода из строя и основные направления повышения стойкости штампов для горячего деформирования

Штампы горячего деформирования в процессе эксплуатации находятся в сложных и жестких условиях нагружения, для которых характерны [7,9]: высокие значения действующих напряжений, уровень которых приближается к пределу текучести штамповых сталей; повышенные температуры гравюры штампов, близкие или в ряде случаев превосходящие температуры фазовых превращений штамповых сталей; циклические температурно-силовые воздействия от знакопеременных усилий деформирования, термических нагрузок, определяемых условиями нагрева и охлаждения штампов, а также напряжений, вызываемых фазовыми превращениями; химическое воздействие деформируемых материалов, которое особенно проявляется в процессе прессования и полужидкой штамповки.

В указанных условиях эксплуатации при горячей штамповке металла происходит интенсивный износ штампов. Если стойкость штампов выражать суммарным временем активного контакта с деформируемым металлом, то оно исчисляется лишь минутами. В этом отношении штампы не имеют равных среди других видов металлообрабатывающего инструмента Различают следующие виды износа штампов для горячего деформирования, определяющих их выбраковку [7,9]: смятие (пластическую деформацию инструмента, и, в первую очередь, поверхностного слоя гравюры), истирание (износ схватыванием I и II рода, абразивный и окислительный износ), разгарообразование (образование сетки разгарных трещин на рабочей поверхности штампов), хрупкое разрушение (появление трещин или отколов в

местах концентрации напряжений).

В работе [7] экспериментально установлено, что износ поверхности матриц при горячей штамповке выдавливанием состоит из трех стадий. На первой стадии приработки происходит активная притирка поверхностей (сглаживание микронеровностей) и насыщение контактной поверхности трещинами. При этом установлено, что трещины образуются уже при первых циклах штамповки, вследствие большого времени активного контакта и развития дополнительных касательных напряжений под влиянием сил трения. На второй стадии установившегося износа происходит развитие, а затем стабилизация трещин по механизму термомеханической усталости, имеет место пластическая деформация контактной поверхности, а также износ поверхности штампа за счет контактного схватывания, чему способствует наличие сетки разгарных трещин. На третьей стадии усиленного износа значительная пластическая деформация приводит к расклиниванию трещин и образованию крупных макродефектов типа борозд, которые предопределяют быстрое разрушение калибрующего очка.

Анализ причин выхода из строя штампов показывает, что стали, предназначенные для изготовления штампов горячего деформирования, должны обладать определенным комплексом эксплуатационных и технологических свойств [1,7,9].

К основным эксплуатационным свойствам относятся: высокая теплостойкость, износостойкость, сопротивление пластической деформации, разгаростойкость и сопротивление хрупкому разрушению. Иногда к эксплуатационным свойствам стали для штампов горячего деформирования условно относят также такие показатели, как твердость, сопротивление усталости, теплопроводность, окалиностойкость и другие.

К технологическим относят свойства материала для горячего

деформирования, облегчающие возможность обработки инструмента с заданными эксплуатационными свойствами при минимальных затратах: ковкость, закаливаемость, прокапиваемость, устойчивость против перегрева, окисления и обезуглероживания при термической обработке, против образования трещин при закалке и шлифовании, хорошая обрабатываемость.

Срок службы штамповой оснастки можно существенно повысить за счет придания материалу штампов соответствующих эксплуатационных свойств. Так, для уменьшения интенсивности изнашивания штампов сталь должна обладать высокими износостойкостью и теплостойкостью, для уменьшения смятия - высокими прочностью и теплостойкостью, для предотвращения поломок или образования крупных трещин - высокими сопротивлением хрупкому разрушению и прочностью, для уменьшения числа и размеров разгарных трещин - высокой разгаростойкостью. Эксплуатационные свойства штамповых сталей, предназначенных для разных технологических процессов горячей штамповки, не могут быть общими из-за разнообразия температурно-силовых условий горячего деформирования. Таким образом, необходима специализация штамповых сталей в зависимости от условий их эксплуатации и преимущественного вида износа [1,10-16]. Однако с целью уменьшения номенклатуры штамповых сталей и снижения общих расходов на инструмент на большинстве предприятий выбор всегда ограничен. Например, в АО "АВТОВАЗ" для изготовления матриц для горячего выдавливания применяется сталь 4Х5МФС (ГОСТ 5970-73).

Стойкость штампов для горячего деформирования зависит от многих взаимосвязанных факторов. Основные из них можно разделить на металлургические, конструктивные, технологические и эксплуатационные [5,9].

К металлургическим факторам относятся химический состав и качество штамповой стали, способ ее выплавки и разливки.

К конструктивным факторам относятся характер напряженного состояния штампа, формирующегося в процессе эксплуатации (изгиб, растяжение, смятие); направление течения металла по отношению к следам от чистовой механической обработки гравюры; место расположения гравюры (в подвижном или неподвижном блоке штамповой машины) и глубина ручья; размеры и группа сложности поковки (наличие выступающих элементов и концентраторов напряжений); соотношение между массой поковки и штампа; метод (облойный, безоблойный и др.) и способ (продольный, поперечный) штамповки; наличие заготовительных и черновых ручьев; преобладающий вид износа и кинетика изменения отдельных размеров гравюры; подогрев (способ, равномерность, конечная температура) и охлаждение штампов; применение вставок для быстроизнашивающихся участков гравюры и для всей гравюры.

К технологическим факторам относятся способ и технология получения штампового кубика, способ предварительного изготовления гравюры, технология отжима поковок, технология окончательной закалки и отпуска, технология доводки гравюры (шлифование, полирование пастой или алмазное, гидрополирование, электролитическое полирование и др.), технология поверхностного упрочнения гравюры (химико-термическая обработка, электроискровое упрочнение, обработка поверхности пластическим деформированием и др.).

К эксплуатационным факторам относятся кинематические и динамические особенности основного оборудования: мощность, состояние оборудования и настройки штампов; материал поковки, температурный интервал штамповки (температура начала и конца деформации); метод нагрева заготовок (стабильность и равномерность нагрева, наличие окалины на поверхности); удельные силы и распределение их по полости штампа, смазка пггампов(состав, способ подачи, равномерность покрытия контактной поверхности, механизм

действия); тепловой режим работы штампа (продолжительность цикла и отдельных его этапов, максимальная и минимальная температура на контактной поверхности, эффективность подогрева-охлаждения, скорость деформирования), надёжность удаления поковки из ручья, шероховатость поверхности поковки и припуск на последующую механическую обработку.

Отсюда следует, что на базе решения комплекса вопросов, включающих разработку конструкции штампов, создание высокопрочных, теплостойких и износостойких штамповых материалов и покрытий, эффективных смазок и охлаждающих жидкостей, возможна разработка прогрессивной технологии изготовления штампов. Развитие теории стойкости штампов должно быть неразрывно связано с достижениями в области металловедения, теплофизики, физики разрушения твердого тела, механики пластических деформаций, теории обработки металлов давлением и др.

Основной причиной выбраковки прессовых штампов при горячей пластической д�