Rezumat:Matrița grea de forjare la rece pentru rulmentul conic din oțel Cr12MoV are o durată de viață mai scurtă. Eșecul acestei matrițe se datorează, în principal, uzurii puternice a cavității matriței, fracturii de expansiune longitudinală și transversală, colțul rotund înfundat și aspectul gropii de eroziune prin oboseală. Pe baza fundamentelor deformării plastice, uzurii prin vibrare și fracturării prin oboseală, Autorul a analizat mecanismele de defecțiune ale deformării plastice ușoare, uzurii prin strângere și fracturii de dilatare prin strângere în timpul lucrului. Se ajunge la concluzia că modalitatea de îmbunătățire a prelungirii duratei de viață este adoptarea noilor materiale de matriță, cum ar fi aliajele dure și noua matriță de lucru la rece de înaltă rezistență și tenacitate, în conformitate cu designul matriței și condițiile de utilizare. Cuvinte cheie: matriță de forjare la rece; mecanism de defecțiune; cale de îmbunătățire
1.Introducere
Rolele conice cu rulmenți din oțel GCr15 sunt formate prin captare la rece, cunoscută și sub denumirea de ștanțare la rece. În prezent, oțelul Cr12MoV este folosit în principal ca matriță de formare în China. Datorită forței mari de ștanțare exercitată asupra matriței în timpul procesului de ștanțare, durata de viață a acesteia este relativ scurtă. În primele zile, matrițele din oțel Cr12MoV au fost stinse la 1080 de grade și revenite la 520 de grade, cu o duritate de 62 ~ 64HRC. Datorită dimensiunii mari și distribuției neuniforme a carburilor din acest oțel, fenomenul de rupere și colaps este mai sever în timpul utilizării. În ultimii ani, multe fabrici au trecut la procesul de tratare de călire la 1040 de grade și călire la temperatură medie, cu o duritate de 60-62HRC și o creștere a tenacității la impact. Fenomenul de fractură a fost mult redus, iar durata de viață a crescut de aproximativ două ori. Luând ca exemplu rola conică de 18 mm, inițial putea perfora doar 1700-2000 bucăți, dar acum poate perfora peste 4000 de bucăți, cu un maxim de 10000 până la 20000 de bucăți. Cu toate acestea, încă aparține matrițelor de scurtă durată, ceea ce nu numai că crește consumul de mucegai, dar, mai important, afectează eficiența producției. Datorită faptului că materialul rolei conice este oțel GCr15 cu o duritate relativ mare (197-227HB), după ștanțare este deformat de la o formă cilindrică la o formă conică, iar capetele superioare și inferioare au fundul plat și ștanțat într-o formă de arc circular, determinând ca suprafața cavității matriței să reziste momentan la impactul sarcinii grele și forțele de frecare la nivel local. În funcție de presiunea de perforare, poate ajunge la peste 3000MPa. Problema duratei de viață scăzute a matrițelor din oțel Cr12MoV este dificil de rezolvat. Prin urmare, industria autohtonă a rulmenților cercetează în mod activ noi materiale de matriță.
Principalele manifestări ale eșecului matriței sunt schimbările în dimensiunea semifabricatului rolei și dacă procesarea la rece poate decurge normal. Dacă dimensiunea semifabricatului rolei devine mai mare, sau chiar semifabricatul nu este umplut suficient (numit sub presiune), sau dacă semifabricatul rolei este deformat sau chiar nu poate fi ștanțat din cauza fisurilor de matriță sau a defectelor din cavitate, matrița devine invalidă și casat și o matriță nouă trebuie înlocuită. În general, se crede că creșterea dimensiunii cavității este cauzată în principal de rezistența insuficientă la uzură a matriței, în timp ce fisurile, prăbușirile și defectele suprafeței interne sunt cauzate în principal de duritatea insuficientă. Cu toate acestea, problema nu este atât de simplă, deoarece sub o forță puternică de impact, pe lângă frecare și uzură puternică, există și o deformare microplastică, ambele putând duce la creșterea dimensiunii cavității matriței. Ruptura mucegaiului prezintă, de asemenea, caracteristici de fractură prin oboseală, care sunt legate atât de fragilitate, cât și de procesul de generare și dezvoltare a surselor de fisuri. Generarea de defecte interne în cavitatea matriței este, de asemenea, legată de deformarea plastică și fractura prin oboseală.
2. Forme de eșec și analiza forțelor
După investigarea matrițelor existente de oțel Cr12MoV într-o anumită fabrică, s-a constatat că există cinci situații principale de defecțiune finală, așa cum se arată în Figura 1: ① Dimensiunea cavității matriței devine mai mare, depășind intervalul de eroare admisibil, provocând dimensiunea a semifabricatului rolei conice pentru a depăși toleranța și chiar umplerea insuficientă, rezultând sub presiune, reprezentând aproximativ 60%; ② Dezvoltarea fisurilor longitudinale în matriță are ca rezultat fisuri pe peretele interior al cavității matriței, care se numește fisuri de expansiune, reprezentând aproximativ 20%; ③ Fractura circulară a matriței are loc în principal pe matrițe individuale, reprezentând aproximativ 5%. Pentru majoritatea matrițelor despicate, această fractură nu are loc în general; ④ colaps file sau gropi de oboseală, reprezentând aproximativ 10%; ⑤ Alte fisuri, cum ar fi retragerea materialului sau fisurile de suprafață, reprezintă aproximativ 5%.
Fig.1(a)forma de eșec și poziția matriței
(b) fotografie a matriței de fractură de expansiune
În timpul procesului de deplasare la rece de formare cu role conice, situația de solicitare a matriței este prezentată în Figura 2. Peretele interior al matriței este supus forței de strângere P, care formează o efort de forfecare t. Mărimea efortului de forfecare este legată de forța de frecare, iar distribuția de la suprafață spre interior se modifică treptat, cu o valoare de vârf pe suprafața interioară.
Fig.2 Schema distribuției forțelor matriței de forjare la rece.
(a) efortul de forfecare circulară (b) distribuția efortului de forfecare în stratul suprafeței de lucru (c) forțele pe colțul rotund
Prima situație de defectare a matriței este cauzată de două motive: uzura și deformarea plastică. În timpul ștanțarii, piesa de prelucrat este supusă unei deformări instantanee prin extrudare, care apare mai întâi la suprafața corpului ușor convex. Deși suprafața este foarte netedă, există întotdeauna o anumită rugozitate pe suprafața interioară a noii matrițe, adică există micro denivelări inegale. Când presiunea atinge 1000-3000MPa, efortul este mai mare la corpul ușor convex, ceea ce duce la deformare plastică locală și la o presiune de forfecare semnificativă la o anumită adâncime. Datorită efectului de strângere, există o ușoară deplasare relativă între piesa de prelucrat și suprafața matriței, care este similară cu uzura prin fretare. Datorită presiunii pozitive ridicate, țagla cilindrului prelucrat se freacă puternic în mod repetat de suprafața interioară a matriței, provocând uzură. Datorită efectului de strângere, cavitatea matriței este, de asemenea, supusă forței de expansiune. Când piesa de prelucrat intră în contact local cu suprafața matriței, forța neuniformă poate depăși limita de curgere a oțelului Cr12MoV, rezultând deformarea microplastică și o creștere a dimensiunii cavității matriței. Depresiunea inelară din figura 1b este cauzată de deformarea plastică pe suprafața de contact a matriței despicate.
În plus, căldura transformată de deformarea rolelor prelucrate și căldura generată de frecare puternică pot crește local temperatura de suprafață a cavității matriței, provocând instabilitate în structura de suprafață a cavității matriței și făcând-o mai predispusă la deformare plastică și purta.
Al doilea și al treilea caz de defectare a matriței, din cauza acțiunii repetate a forței circumferențiale, au ca rezultat inițierea locală a fisurilor, iar sursa de fisuri apare adesea la stratul de suprafață al carburilor blocate sau al incluziunilor. Odată ce apar fisuri, datorită concentrării tensiunilor, propagarea fisurii aici este accelerată, ducând în cele din urmă la o fractură fragilă. Figura 3 prezintă schema schematică a dezvoltării fisurilor longitudinale și a fotografiilor fracturilor. Observând fotografiile fracturilor, sursa fisurii apare ca o groapă circulară de coroziune. Sursa de fisuri poate fi formată prin decojirea carburilor sau incluziunilor mari, care sunt mai susceptibile să adere sau să muște cu piesa de prelucrat după formare, determinând extinderea sursei de fisuri. Odată cu acțiunea forței de impact alternante, se dezvoltă fisuri atât în direcția verticală, cât și în cea orizontală. Apariția fisurilor eliberează forța circumferențială, în timp ce noi fisuri nu mai apar în alte poziții. Prin urmare, într-o matriță apare o singură fisură. Morfologia fracturii prezintă caracteristici de cvasiclivaj, iar suprafața fracturii prezintă caracteristici de fractură prin oboseală. Mai mult decât atât, datorită forței circumferențiale neuniforme asupra matriței, provoacă deformarea și expansiunea neuniformă a părților superioare și inferioare, ducând la inițierea și propagarea fisurilor transversale. Fisurile transversale sunt, de asemenea, legate de răcirea neuniformă a matriței în timpul tratamentului termic.
Fig. 3(a) Fotografie a matriței de fractură și (b) schiță a propagării fisurilor de oboseală
Al patrulea caz de defectare a matriței se datorează concentrației instantanee a tensiunii de compresiune la colțul rotunjit, până la 3000-4000MPa, determinând o anumită adâncime (aproximativ câteva) sub suprafață în acel punct μ În m, forfecare semnificativă se generează stres, determinând cedarea materialului și formând o zonă de deformare plastică. Sub stres repetat, sunt generate microfisuri paralele cu suprafața, prezentând în cele din urmă colaps și pitting la oboseală de contact.
A cincea situație este în esență similară cu ②, ③ sau ④, cu excepția faptului că locația în care se produce fractura prin oboseală și colapsul este diferită. Conform analizei formelor de cedare, principalele mecanisme de cedare sunt deformarea microplastică, uzura prin frecare și fractura prin oboseală.
Mecanismul de deformare microplastic este cauzat și de alunecarea de dislocare. Deformarea începe cu nuclearea de noi luxații sau cu activarea luxațiilor existente? Există două vederi. Primul sugerează că deformarea plastică este inițial legată de nuclearea unor noi dislocații, care se pot forma pe trepte mici de atomi unici, limite de granule, limite de subgranule etc. la suprafață; Al doilea punct de vedere sugerează că stadiul inițial al deformării plastice se datorează activării surselor de dislocare superioare la granițele granulelor [1]. Prin urmare, stratul de suprafață al matriței acordă prioritate apariției alunecării de dislocare, provocând deformarea microplastică, care se propagă treptat spre interior. Pentru a îmbunătăți rezistența la deformarea microplastică, este de fapt necesar să se creeze obstacole în calea mișcării tuturor luxațiilor. În primul rând, este necesar să creșteți rezistența la frecare a rețelei. Aliarea eficientă a soluției solide poate îmbunătăți rezistența rețelei la mișcarea de dislocare. Diferitele elemente de aliere au efecte diferite asupra rezistenței matricei. Si, W, Cr, Mo, V etc. sunt toate elemente de întărire eficiente, în special Si și W, care pot îmbunătăți semnificativ limita de curgere. Cercetările au arătat că există o valoare prag elastică pentru limita elastică, sub care alunecarea de dislocare nu poate fi inițiată. Prin urmare, creșterea limitei de curgere a materialelor poate îmbunătăți în mod eficient energia de rezistență la deformare, mai ales atunci când presiunea maximă de impact este constantă. Rafinarea mărimii granulelor și a substructurii de transformare martensitică poate crește atât densitatea dislocației, cât și gradul de fixare. Pe de altă parte, în timpul rafinării punctelor de material carbonizat dur, dislocațiile formează inele de dislocare în jurul unei serii de particule. Când particulele sunt foarte dispersate, rezistența la deformarea microplastică este maximă.
Microuzura este în principal similară cu uzura adezivului în stadiul inițial. Mișcarea relativă dintre piesa de prelucrat și suprafața matriței este alternativă. După ruperea în mod repetat a îmbinărilor de lipire la rece ale corpului microconvex, tendința de adeziv scade treptat și în cele din urmă trece la un stadiu stabil. În stadiul de staționar, atât mecanismele de aderență, cât și de uzură abrazivă joacă un rol, rezultând uzura prin delaminare a suprafeței. În general, cu cât duritatea martensitei temperate și a carburii din matricea matriței este mai mare, cu atât este mai puternică rezistența la uzură. În plus, deși în cazul uzurii prin alunecare, în special în prezența particulelor abrazive, atunci când dimensiunea particulelor de carbură este mare, acestea pot fi încorporate ferm în matrice pentru a juca un rol mai mare. Cu toate acestea, în condiții de ștanțare la rece, viteza de decojire a carburilor de dimensiuni mici din cauza extrudarii este relativ mică, iar cantitatea de uzură este determinată în mare măsură de fracția de volum și de duritatea carburilor. Cu cât fracția de volum a carburilor este mai mare, cu atât duritatea este mai mare și cantitatea de uzură mai mică.
Sursa de fisuri a fisurii fragile și a fisurii de oboseală este generată de preferință pe defecte macroscopice, iar carburile grosiere sau incluziunile din oțelul Cr12MoV pot fi locul de inițiere al sursei de fisuri. Viteza de propagare a fisurii este legată de rezistența și tenacitatea martensitei temperate, precum și de dimensiunea carburilor. Cu cât dimensiunea carburilor este mai mică, cu atât duritatea la rupere a materialului este mai mare și viteza de propagare a fisurilor este mai mică.
În cele din urmă, trebuie menționat că căldura generată în timpul procesului de ștanțare crește temperatura de suprafață a matriței, ceea ce întărește procesul de activare termică, relaxează știfturile de dislocare și chiar reduce duritatea matricei, crește uzura și deformarea plastică. Prin urmare, noile materiale ar trebui să aibă și o rezistență bună la rebound.
4. Aplicarea de noi materiale de matriță
Conform analizei defecțiunilor, există patru cerințe principale pentru microstructura și performanța materialelor de matriță: ① rezistență mare la deformare plastică, ② rezistență mare la uzură, ③ rezistență mare la rupere prin oboseală și ④ pentru noile aplicații din oțel, este necesar să alegeți lucrul la rece. oțel de matriță cu carburi rafinate, raport mare de fracțiuni de volum și duritate ridicată.
Pentru rolele conice de dimensiuni mici, este rezonabil să folosiți o matriță din aliaj dur. Datorită durității ultra-înalte și modulului elastic ridicat al aliajului dur, are rezistență ridicată la uzură și rezistență la deformare plastică, ceea ce poate asigura acuratețea pieselor prelucrate. Durata de viață poate atinge 10-20 ori mai mare decât cea a matriței originale din oțel Cr12MoV. Pentru rolele conice de dimensiuni mari, mașina-uneltă de ștanțat poate ajunge la 160-250 tone, iar utilizarea matrițelor din aliaj dur poate cauza defecțiuni premature din cauza fracturii fragile. Creșterea duratei de viață este insuficientă pentru a compensa creșterea costului. Prin urmare, este necesar să se studieze noi oțeluri de înaltă rezistență și tenacitate pentru prelucrare la rece.
Am calculat compoziția unui nou tip de oțel matriță ductil și de înaltă rezistență DM9 pe baza termodinamicii de echilibru de fază. După topire, forjare, laminare, tratament termic, microstructură și studii de performanță, s-a constatat că există cinci tipuri de carburi, M3C, M6C, M23C6, M7C3 și MC, în starea recoaptă a oțelului. Datorită diferențelor termodinamice și cinetice în nuclearea, creșterea și dizolvarea diferitelor tipuri de carburi în austenită, carburile pot fi rafinate uniform, cu o dimensiune medie de 0.66 după recoacere μ m. Dimensiunea medie a carburii rămase după călire 0.5 μ m. Este 1/8-1/10 din dimensiunea de carbură rămasă a oțelului Cr12MoV. Datorită adăugării de Si și W în plus față de Cr, Mo și V în elementele de întărire ale soluției solide martensitice ale oțelului DM9, limita de curgere este crescută în comparație cu Cr12MoV. Mai mult, după tratamentul termic, există mai multe carburi de duritate mare M6C și MC, iar rezistența la uzură a acestora este, de asemenea, mare. Acest oțel este aplicat pe matrițe cu role conice de dimensiuni mari, iar durata sa de viață este de 2-3 ori mai mare decât oțelul Cr12MoV original.
În timpul procesului de călire și încălzire, M3C și M23C6 din oțel DM9 sunt mai ușor solubile în austenită, ceea ce poate îmbunătăți în mod eficient solubilitatea solidă a austenitei la temperaturi mai scăzute de stingere. Cu toate acestea, cantitatea mare de M6C și VC nedizolvate poate împiedica eficient creșterea cerealelor. Prin urmare, acest oțel poate fi utilizat pentru călirea la temperatură medie și călirea la temperatură joasă, iar performanța sa tehnică și efectul de utilizare sunt mai bune decât oțelul Cr12MoV.
2023 noiembrie 4ThsăptămânăRecomandare de produs WBM:
Bile înalte din oțel cromat:
G5,G10,G16 Mingea noastră Chrome produce de obicei conform standardelor GBT 308.1-2013 și ISO 3290-1:2014. Duritatea va fi personalizată pe baza cerințelor dvs.
https://www.bearingroller.com/rolling-elements/steel-ball/high-chrome-steel-balls.html
