Astratto:Lo stampo per forgiatura a freddo per punzonatura pesante per il cuscinetto a rulli conici in acciaio Cr12MoV ha una durata utile più breve. Il cedimento di questo stampo è dovuto principalmente alla forte usura della cavità dello stampo, alla frattura da espansione longitudinale e trasversale, all'ammaccatura sugli angoli arrotondati e alla comparsa di fosse di erosione da fatica. Basandosi sui fondamenti della deformazione plastica, dell'usura da jiggle e della frattura per fatica, l'Autore ha analizzato i meccanismi di cedimento di leggera deformazione plastica, usura da compressione e frattura da espansione da compressione durante la lavorazione. Si è concluso che il modo migliore per prolungare la durata di servizio è adottare i nuovi materiali dello stampo come le leghe dure e il nuovo stampo per lavorazione a freddo ad alta resistenza e tenacità in base al design dello stampo e alle condizioni di servizio. Parole chiave: stampo per stampaggio a freddo; meccanismo di fallimento; modo di miglioramento
1.introduzione
I rulli conici con cuscinetti in acciaio GCr15 sono formati mediante intestazione a freddo, nota anche come stampaggio a freddo. Attualmente, l'acciaio Cr12MoV viene utilizzato principalmente come stampo di formatura in Cina. A causa della forte forza di stampaggio esercitata sullo stampo durante il processo di stampaggio, la sua durata è relativamente breve. Inizialmente, gli stampi in acciaio Cr12MoV venivano raffreddati a 1080 gradi e temperati a 520 gradi, con una durezza di 62~64HRC. A causa delle grandi dimensioni e della distribuzione non uniforme dei carburi in questo acciaio, il fenomeno della frattura e del collasso è più grave durante l'uso. Negli ultimi anni, molte fabbriche sono passate al processo di trattamento di tempra a 1040 gradi e rinvenimento a media temperatura, con una durezza di 60-62HRC e un aumento della resistenza agli urti. Il fenomeno della frattura è stato notevolmente ridotto e la durata è stata aumentata di circa il doppio. Prendendo come esempio il rullo conico da 18 mm, originariamente poteva perforare solo 1700-2000 pezzi, ma ora può perforare oltre 4.000 pezzi, con un massimo di 10.000-20.000 pezzi. Tuttavia, si tratta ancora di stampi di breve durata, il che non solo aumenta il consumo di stampi, ma, cosa ancora più importante, influisce sull'efficienza della produzione. Dato che il materiale del rullo conico è acciaio GCr15 con una durezza relativamente elevata (197-227HB), dopo lo stampaggio viene ribaltato da una forma cilindrica a una forma conica e le estremità superiore e inferiore hanno il fondo piatto e stampato a forma di arco circolare, facendo sì che la superficie della cavità dello stampo resista momentaneamente all'impatto di carichi pesanti e alle forze di attrito a livello locale. Secondo la pressione di punzonatura, può raggiungere oltre 3000MPa. Il problema della bassa durata degli stampi in acciaio Cr12MoV è difficile da risolvere. Pertanto, l'industria nazionale dei cuscinetti è attivamente alla ricerca di nuovi materiali per stampi.
Le principali manifestazioni del cedimento dello stampo sono i cambiamenti nelle dimensioni del pezzo grezzo del rullo e la possibilità che la lavorazione di stampaggio a freddo possa procedere normalmente. Se la dimensione del pezzo grezzo del rullo aumenta, o anche il pezzo grezzo non è sufficientemente riempito (detto sotto pressione), o se il pezzo grezzo del rullo è deformato o addirittura non può essere stampato a causa di crepe o difetti della cavità dello stampo, lo stampo perde la sua validità e rottamato e deve essere sostituito un nuovo stampo. Si ritiene generalmente che l'aumento delle dimensioni della cavità sia causato principalmente da un'insufficiente resistenza all'usura dello stampo, mentre crepe, crolli e difetti superficiali interni sono principalmente causati da un'insufficiente tenacità. Tuttavia, il problema non è così semplice perché sotto una forte forza d'impatto, oltre al forte attrito e all'usura, si accompagna anche una deformazione microplastica, che può entrambe causare un aumento delle dimensioni della cavità dello stampo. La frattura dello stampo presenta anche caratteristiche di frattura per fatica, che sono legate sia alla fragilità che al processo di generazione e sviluppo delle fonti di cricca. La generazione di difetti interni nella cavità dello stampo è legata anche alla deformazione plastica e alla frattura per fatica.
2. Forme di rottura e analisi delle forze
Dopo aver analizzato gli stampi esistenti di acciaio Cr12MoV in un determinato stabilimento, si è scoperto che esistono cinque situazioni principali di cedimento finale, come mostrato nella Figura 1: ① La dimensione della cavità dello stampo diventa più grande, superando l'intervallo di errore consentito, causando la dimensione del rullo conico grezzo che supera la tolleranza e persino un riempimento insufficiente, con conseguente sottopressione, pari a circa il 60%; ② Lo sviluppo di crepe longitudinali nello stampo provoca crepe sulla parete interna della cavità dello stampo, chiamate crepe di espansione, che rappresentano circa il 20%; ③ La frattura circolare dello stampo si verifica principalmente su stampi singoli e rappresenta circa il 5%. Per la maggior parte degli stampi a spacco, questa frattura generalmente non si verifica; ④ collasso del raccordo o cavità da fatica, che rappresentano circa il 10%; ⑤ Altre crepe, come ritiro di materiale o crepe superficiali, rappresentano circa il 5%.
Fig.1(a) Forma di rottura e posizione dello stampo
(b) foto del dado della frattura da espansione
Durante il processo di stampaggio a freddo della formatura a rulli conici, la situazione di sollecitazione dello stampo è mostrata nella Figura 2. La parete interna dello stampo è soggetta alla forza di compressione P, che forma una sollecitazione di taglio t. L'entità dello sforzo di taglio è correlata alla forza di attrito e la distribuzione dalla superficie verso l'interno cambia gradualmente, con un valore di picco sulla superficie interna.
Fig.2 Schema della distribuzione delle forze dello stampo di stampaggio a freddo.
(a) lo sforzo di taglio circolare (b) la distribuzione dello sforzo di taglio nello strato della superficie di lavoro (c) le forze sull'angolo arrotondato
La prima situazione di rottura dello stampo è causata da due motivi: usura e deformazione plastica. Durante lo stampaggio, il pezzo viene sottoposto ad una deformazione di estrusione istantanea, che avviene inizialmente sulla superficie del corpo leggermente convesso. Sebbene la superficie sia molto liscia, sulla superficie interna del nuovo stampo è sempre presente una certa rugosità, ovvero sono presenti micro rilievi irregolari. Quando la pressione raggiunge 1000-3000MPa, lo stress è maggiore nel corpo leggermente convesso, portando a una deformazione plastica locale e a uno stress di taglio significativo a una certa profondità. A causa dell'effetto di compressione, si verifica un leggero spostamento relativo tra il pezzo e la superficie dello stampo, simile all'usura da sfregamento. A causa dell'elevata pressione positiva, la billetta del rullo lavorato sfrega ripetutamente e fortemente contro la superficie interna dello stampo, provocandone l'usura. A causa dell'effetto di compressione, anche la cavità dello stampo è soggetta ad una forza di espansione. Quando il pezzo entra in contatto locale con la superficie dello stampo, la forza irregolare può superare il limite di snervamento dell'acciaio Cr12MoV, provocando una deformazione microplastica e un aumento delle dimensioni della cavità dello stampo. La depressione anulare nella Figura 1b è causata dalla deformazione plastica sulla superficie di contatto dello stampo diviso.
Inoltre, il calore trasformato dalla deformazione dei rulli lavorati e il calore generato dal forte attrito possono aumentare localmente la temperatura superficiale della cavità dello stampo, provocando instabilità nella struttura superficiale della cavità dello stampo e rendendolo più soggetto a deformazione plastica e Indossare.
Il secondo e il terzo caso di rottura dello stampo, dovuti all'azione ripetuta della forza circonferenziale, determinano l'inizio locale di cricche, e la fonte della cricca spesso si trova nello strato superficiale di carburi a blocchi o inclusioni. Una volta che si verificano le cricche, a causa della concentrazione delle sollecitazioni, la propagazione delle cricche qui viene accelerata, portando infine alla frattura fragile. La Figura 3 mostra il diagramma schematico dello sviluppo longitudinale della fessura e le foto della frattura. Osservando le foto della frattura, l'origine della cricca appare come un pozzo di corrosione circolare. L'origine della cricca può essere formata dalla pelatura di carburi o inclusioni di grandi dimensioni, che hanno maggiori probabilità di aderire o mordere il pezzo in lavorazione dopo la formazione, provocando l'espansione della fonte della cricca. Con l'azione della forza d'impatto alternata, si sviluppano crepe sia in direzione verticale che orizzontale. La comparsa di crepe rilascia la forza circonferenziale, mentre nuove crepe non compaiono più in altre posizioni. Pertanto in uno stampo si verifica una sola crepa. La morfologia della frattura presenta caratteristiche di quasi clivaggio e la superficie della frattura presenta caratteristiche di frattura per fatica. Inoltre, a causa della forza circonferenziale irregolare sullo stampo, si provoca una deformazione e un'espansione irregolare delle parti superiore e inferiore, portando all'inizio e alla propagazione di cricche trasversali. Le crepe trasversali sono anche legate al raffreddamento non uniforme dello stampo durante il trattamento termico.
Fig. 3 (a) Foto della matrice di frattura e (b) schizzo della propagazione delle cricche da fatica
Il quarto caso di cedimento dello stampo è dovuto alla concentrazione istantanea di sollecitazione di compressione sull'angolo arrotondato, fino a 3000-4000MPa, causando una certa profondità (circa qualche) sotto la superficie in quel punto μ Entro m, taglio significativo si genera uno stress che provoca lo snervamento del materiale e la formazione di una zona di deformazione plastica. Sotto stress ripetuto, si generano microfessure parallele alla superficie, che alla fine mostrano collasso e vaiolatura per fatica da contatto.
La quinta situazione è essenzialmente simile a ②, ③ o ④, tranne per il fatto che il luogo in cui si verificano la frattura per fatica e il collasso è diverso. Secondo l’analisi delle forme di rottura, i principali meccanismi di rottura sono la deformazione microplastica, l’usura da sfregamento e la frattura per fatica.
Il meccanismo di deformazione microplastica è causato anche dallo scivolamento della lussazione. La deformazione inizia con la nucleazione di nuove dislocazioni o con l'attivazione di dislocazioni già esistenti? Ci sono due punti di vista. La prima suggerisce che la deformazione plastica sia inizialmente legata alla nucleazione di nuove dislocazioni, che possono formarsi a piccoli passi di singoli atomi, bordi di grano, bordi di sottograno, ecc. sulla superficie; Il secondo punto di vista suggerisce che lo stadio iniziale della deformazione plastica è dovuto all’attivazione delle sorgenti di dislocazioni superiori ai bordi di grano [1]. Pertanto, lo strato superficiale dello stampo dà priorità al verificarsi di scivolamenti di dislocazione, causando una deformazione microplastica, che si propaga gradualmente verso l'interno. Per migliorare la resistenza alla deformazione microplastica è infatti necessario creare ostacoli al movimento di tutte le lussazioni. Innanzitutto è necessario aumentare la resistenza all'attrito del reticolo. L'efficace lega della soluzione solida può migliorare la resistenza del reticolo al movimento delle lussazioni. Diversi elementi di lega hanno effetti diversi sulla resistenza della matrice. Si, W, Cr, Mo, V, ecc. sono tutti elementi rinforzanti efficaci, in particolare Si e W, che possono migliorare significativamente la resistenza allo snervamento. La ricerca ha dimostrato che esiste un valore soglia elastico per il limite elastico, al di sotto del quale non è possibile avviare lo scorrimento della lussazione. Pertanto, aumentando la resistenza allo snervamento dei materiali è possibile migliorare efficacemente l'energia di resistenza alla deformazione, soprattutto quando la pressione massima di impatto è costante. L'affinamento della dimensione dei grani e della sottostruttura di trasformazione martensitica può sia aumentare la densità delle dislocazioni che migliorare il grado di fissazione. D'altra parte, durante il raffinamento dei punti di materiale duro carbonizzato, le dislocazioni formano anelli di dislocazione attorno ad una serie di particelle. Quando le particelle sono altamente disperse, la resistenza alla deformazione microplastica è massima.
La microusura è sostanzialmente simile all'usura adesiva nella fase iniziale. Il movimento relativo tra il pezzo e la superficie dello stampo è alternativo. Dopo aver rotto ripetutamente i giunti di saldatura a freddo del corpo microconvesso, la tendenza adesiva diminuisce gradualmente e infine passa ad uno stadio stabile. Nella fase stazionaria, giocano un ruolo sia i meccanismi di adesione che quelli di usura abrasiva, con conseguente usura da delaminazione della superficie. In generale, maggiore è la durezza della martensite rinvenuta e del carburo nella matrice dello stampo, maggiore è la resistenza all'usura. Inoltre, anche se in caso di usura da strisciamento, soprattutto in presenza di particelle abrasive, quando la dimensione delle particelle di carburo è grande, queste possono essere saldamente incorporate nella matrice per svolgere un ruolo maggiore. Tuttavia, in condizioni di stampaggio a freddo, la velocità di pelatura dei carburi di piccole dimensioni dovuta all'estrusione è relativamente piccola e l'entità dell'usura è in gran parte determinata dalla frazione di volume e dalla durezza dei carburi. Maggiore è la frazione volumetrica dei carburi, maggiore è la durezza e minore è l'entità dell'usura.
L'origine della frattura fragile e della rottura per fatica viene generata preferenzialmente su difetti macroscopici e i carburi grossolani o le inclusioni nell'acciaio Cr12MoV possono essere il sito di inizio della cricca. La velocità di propagazione della cricca è correlata alla resistenza e alla tenacità della martensite rinvenuta, nonché alla dimensione dei carburi. Minore è la dimensione dei carburi, maggiore è la resistenza alla frattura del materiale e minore è la velocità di propagazione della cricca.
Infine, va menzionato che il calore generato durante il processo di stampaggio aumenta la temperatura superficiale dello stampo, il che rafforza il processo di attivazione termica, rilassa il bloccaggio per dislocazione e riduce anche la durezza della matrice, aumenta l'usura e la deformazione plastica. Pertanto, i nuovi materiali dovrebbero avere anche una buona resistenza al rimbalzo.
4. Applicazione di nuovi materiali per stampi
Secondo l'analisi dei guasti, ci sono quattro requisiti principali per la microstruttura e le prestazioni dei materiali dello stampo: ① elevata resistenza alla deformazione plastica, ② elevata resistenza all'usura, ③ elevata resistenza alla frattura per fatica e ④ per le nuove applicazioni in acciaio, è necessario scegliere la lavorazione a freddo acciaio per stampi con carburi raffinati, elevato rapporto di frazione volumetrica ed elevata durezza.
Per i rulli conici di piccole dimensioni è ragionevole utilizzare uno stampo in lega dura. A causa della durezza ultraelevata e dell'elevato modulo elastico della lega dura, ha un'elevata resistenza all'usura e alla deformazione plastica, che può garantire la precisione delle parti lavorate. La durata può raggiungere 10-20 volte quella dello stampo originale in acciaio Cr12MoV. Per i rulli conici di grandi dimensioni, la macchina utensile per stampaggio può raggiungere 160-250 tonnellate e l'uso di stampi in lega dura può causare guasti prematuri dovuti a fratture fragili. L’aumento della vita utile non è sufficiente a compensare l’aumento dei costi. Pertanto è necessario studiare nuovi acciai per stampi per lavorazione a freddo ad alta resistenza e tenacità.
Abbiamo calcolato la composizione di un nuovo tipo di acciaio per stampi ad alta resistenza e duttile DM9 basato sulla termodinamica dell'equilibrio di fase. Dopo studi su fusione, forgiatura, laminazione, trattamento termico, microstruttura e prestazioni, si è scoperto che esistono cinque tipi di carburi, M3C, M6C, M23C6, M7C3 e MC, nello stato ricotto dell'acciaio. A causa delle differenze termodinamiche e cinetiche nella nucleazione, crescita e dissoluzione dei diversi tipi di carburi nell'austenite, i carburi possono essere raffinati in modo uniforme, con una dimensione media di 0,66 dopo la ricottura μ m. Dimensione media del carburo rimanente dopo la tempra 0,5 μ m. È 1/8-1/10 della dimensione rimanente del carburo dell'acciaio Cr12MoV. A causa dell'aggiunta di Si e W oltre a Cr, Mo e V negli elementi di rinforzo in soluzione solida martensitica dell'acciaio DM9, il limite di snervamento è aumentato rispetto a Cr12MoV. Inoltre, dopo il trattamento termico, sono presenti più carburi ad elevata durezza M6C e MC e anche la loro resistenza all'usura è elevata. Questo acciaio viene applicato a stampi a rulli conici di grandi dimensioni e la sua durata è più di 2-3 volte quella dell'acciaio Cr12MoV originale.
Durante il processo di tempra e riscaldamento, M3C e M23C6 dell'acciaio DM9 sono più facilmente solubili nell'austenite, il che può migliorare efficacemente la solubilità solida dell'austenite a temperature di tempra più basse. Tuttavia, la grande quantità di M6C e VC non disciolti può effettivamente ostacolare la crescita del grano. Pertanto, questo acciaio può essere utilizzato per la tempra a media temperatura e la tempra a bassa temperatura e le sue prestazioni tecniche e l'effetto di utilizzo sono migliori dell'acciaio Cr12MoV.
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