Resum:La matriu de forja en fred de punxonat pesat per al rodet cònic del coixinet fet d'acer Cr12MoV té una vida útil més curta. El fracàs d'aquesta matriu es deu principalment al gran desgast de la cavitat del motlle, a la fractura d'expansió longitudinal i transversal, a la cantonada rodona i a l'aparició de pou d'erosió per fatiga. Basant-se en els fonaments de la deformació plàstica, el desgast per agitació i la fractura per fatiga, l'autor va analitzar els mecanismes de fallada de la deformació plàstica lleu, el desgast de compressió i la fractura d'expansió de compressió durant el treball. Es conclou que la millor manera d'allargar la vida útil és adoptar els nous materials de matriu, com ara aliatges durs i la nova matriu de treball en fred d'alta resistència i tenacitat segons el disseny de la matriu i les condicions de servei. Paraules clau: matriu de forja en fred; mecanisme de fallada; manera de millora
1.Introducció
Els rodets cònics amb coixinets d'acer GCr15 es formen per capçalera en fred, també coneguda com estampació en fred. Actualment, l'acer Cr12MoV s'utilitza principalment com a motlle de formació a la Xina. A causa de la gran força d'estampació exercida sobre el motlle durant el procés d'estampació, la seva vida útil és relativament curta. En els primers dies, els motlles d'acer Cr12MoV es van apagar a 1080 graus i temperar a 520 graus, amb una duresa de 62 ~ 64HRC. A causa de la gran mida i la distribució desigual dels carburs en aquest acer, el fenomen de fractura i col·lapse és més greu durant l'ús. En els darrers anys, moltes fàbriques han passat al procés de tractament d'extinció de 1040 graus i temperat a temperatura mitjana, amb una duresa de 60-62HRC i un augment de la resistència a l'impacte. El fenomen de la fractura s'ha reduït molt i la vida útil s'ha augmentat aproximadament el doble. Prenent com a exemple el corró cònic de 18 mm, originalment només podia perforar 1700-2000 peces, però ara pot perforar més de 4.000 peces, amb un màxim de 10.000 a 20.000 peces. Tanmateix, encara pertany a motlles de curta durada, que no només augmenta el consum de motlles, sinó que, el que és més important, afecta l'eficiència de la producció. A causa del fet que el material del rodet cònic és d'acer GCr15 amb una duresa relativament alta (197-227HB), després de l'estampació passa d'una forma cilíndrica a una forma cònica i els extrems superior i inferior tenen un fons pla i estampat en forma d'arc circular, fent que la superfície de la cavitat del motlle suporti momentàniament l'impacte de càrrega pesada i les forces de fricció localment. Segons la pressió de perforació, pot arribar a superar els 3000MPa. El problema de la baixa vida útil dels motlles d'acer Cr12MoV és difícil de resoldre. Per tant, la indústria domèstica dels coixinets està investigant activament nous materials de motlle.
Les principals manifestacions de la fallada del motlle són els canvis en la mida del rodet en brut i si el processament d'encapçalament en fred pot procedir amb normalitat. Si la mida del rodet en blanc es fa més gran, o fins i tot el blanc no s'omple prou (anomenat sota pressió), o si el rodet en blanc està deformat o fins i tot no es pot estampar a causa d'esquerdes del motlle o defectes de la cavitat, el motlle es torna invàlid i rebutjada i cal substituir un motlle nou. En general, es creu que l'augment de la mida de la cavitat es deu principalment a una resistència al desgast insuficient del motlle, mentre que les esquerdes, els col·lapses i els defectes de la superfície interna són causats principalment per una duresa insuficient. Tanmateix, el problema no és tan senzill perquè sota una força d'impacte forta, a més d'una forta fricció i desgast, també s'acompanya de deformacions microplàstiques, que poden provocar que la mida de la cavitat del motlle augmenti. La fractura del motlle també presenta característiques de fractura per fatiga, que estan relacionades tant amb la fragilitat com amb el procés de generació i desenvolupament de fonts d'esquerdes. La generació de defectes interns a la cavitat del motlle també està relacionada amb la deformació plàstica i la fractura per fatiga.
2. Formes de fallada i anàlisi de forces
Després d'investigar els motlles existents d'acer Cr12MoV en una determinada fàbrica, s'ha trobat que hi ha cinc situacions principals de fallada final, tal com es mostra a la figura 1: ① La mida de la cavitat del motlle es fa més gran, superant el rang d'error admissible, provocant la mida. del rodet cònic en blanc per sobrepassar la tolerància, i fins i tot un farcit insuficient, donant lloc a sota pressió, que representa al voltant del 60%; ② El desenvolupament d'esquerdes longitudinals al motlle provoca esquerdes a la paret interior de la cavitat del motlle, que s'anomenen esquerdes d'expansió, que representen al voltant del 20%; ③ La fractura circular del motlle es produeix principalment en motlles individuals, representant al voltant del 5%. Per a la majoria de motlles dividits, aquesta fractura generalment no es produeix; ④ Col·lapse del filet o pous de fatiga, que representen aproximadament el 10%; ⑤ Altres esquerdes, com ara la retirada de material o les esquerdes superficials, representen aproximadament el 5%.
Fig.1(a)forma de fallada i posició de la matriu
(b) foto de la matriu de fractura d'expansió
Durant el procés d'encapçalament en fred de conformació de rodets cònics, la situació de tensió del motlle es mostra a la figura 2. La paret interior del motlle està sotmesa a la força de compressió P, que forma un esforç de cisalla t. La magnitud de l'esforç de cisalla està relacionada amb la força de fricció, i la distribució de la superfície a l'interior canvia gradualment, amb un valor màxim a la superfície interior.
Fig.2 Esquema de la distribució de forces de la matriu de forja en fred.
(a) l'esforç de cisalla circular (b) la distribució de l'esforç de cisalla a la capa de superfície de treball (c) les forces a la cantonada rodona
La primera situació de fallada del motlle és causada per dos motius: el desgast i la deformació plàstica. Durant l'estampació, la peça de treball està sotmesa a una deformació d'extrusió instantània, que es produeix primer a la superfície del cos lleugerament convex. Tot i que la superfície és molt llisa, sempre hi ha una certa rugositat a la superfície interior del nou motlle, és a dir, hi ha micro cops desiguals. Quan la pressió arriba a 1000-3000MPa, la tensió és més gran al cos lleugerament convex, provocant una deformació plàstica local i un esforç de cisalla important a una certa profunditat. A causa de l'efecte de compressió, hi ha un lleuger desplaçament relatiu entre la peça de treball i la superfície del motlle, que és semblant al desgast del fretting. A causa de l'alta pressió positiva, la palangana del corró processat frega repetidament amb força contra la superfície interior del motlle, provocant un desgast. A causa de l'efecte de compressió, la cavitat del motlle també està sotmesa a una força d'expansió. Quan la peça de treball entra en contacte local amb la superfície del motlle, la força desigual pot superar el límit elàstic de l'acer Cr12MoV, donant lloc a una deformació microplàstica i un augment de la mida de la cavitat del motlle. La depressió anular de la figura 1b és causada per una deformació plàstica a la superfície de contacte del motlle dividit.
A més, la calor transformada per la deformació dels corrons processats i la calor generada per una forta fricció poden augmentar localment la temperatura superficial de la cavitat del motlle, provocant inestabilitat a l'estructura superficial de la cavitat del motlle i fent-la més propensa a la deformació plàstica i desgast.
El segon i tercer cas de fallada del motlle, a causa de l'acció repetida de la força circumferencial, donen lloc a l'inici local d'esquerdes, i la font d'esquerdes sovint es produeix a la capa superficial de carburs o inclusions en bloc. Una vegada que es produeixen esquerdes, a causa de la concentració d'estrès, la propagació de les esquerdes aquí s'accelera, donant lloc finalment a una fractura fràgil. La figura 3 mostra el diagrama esquemàtic del desenvolupament de les esquerdes longitudinals i les fotos de fractures. Observant les fotos de la fractura, la font de l'esquerda apareix com una fossa circular de corrosió. La font d'esquerdes es pot formar pel pelat de grans carburs o inclusions, que tenen més probabilitats d'adherir-se o mossegar-se amb la peça després de la formació, fent que la font d'esquerdes s'expandeixi. Amb l'acció de la força d'impacte alterna, es desenvolupen esquerdes tant en sentit vertical com horitzontal. L'aparició d'esquerdes allibera la força circumferencial, mentre que les esquerdes noves ja no apareixen en altres posicions. Per tant, només es produeix una esquerda en un motlle. La morfologia de la fractura presenta característiques de quasi clivage, i la superfície de fractura presenta característiques de fractura per fatiga. A més, a causa de la força circumferencial desigual sobre el motlle, provoca una deformació i una expansió desiguals de les parts superior i inferior, donant lloc a l'inici i propagació d'esquerdes transversals. Les esquerdes transversals també estan relacionades amb el refredament desigual del motlle durant el tractament tèrmic.
Fig. 3 (a) Foto de la matriu de fractura i (b) esbós de la propagació de les esquerdes de fatiga
El quart cas de fallada del motlle es deu a la concentració instantània d'esforç de compressió a la cantonada arrodonida, fins a 3000-4000MPa, que provoca una certa profunditat (uns quants) per sota de la superfície en aquest punt μ Dins de m, un cisallament significatiu es genera una tensió que fa que el material cedi i es formi una zona de deformació plàstica. Sota una tensió repetida, es generen microesquerdes paral·leles a la superfície, que finalment mostren col·lapses i picats per fatiga de contacte.
La cinquena situació és essencialment similar a ②, ③ o ④, excepte que la ubicació on es produeix la fractura per fatiga i el col·lapse és diferent. Segons l'anàlisi de les formes de fallada, els principals mecanismes de fallada són la deformació microplàstica, el desgast per fretting i la fractura per fatiga.
El mecanisme de deformació microplàstica també és causat per lliscament de dislocació. La deformació comença amb la nucleació de noves luxacions o amb l'activació de les luxacions existents? Hi ha dues vistes. El primer suggereix que la deformació plàstica està inicialment relacionada amb la nucleació de noves dislocacions, que es poden formar en petits esglaons d'àtoms individuals, límits de gra, límits de subgrans, etc. a la superfície; El segon punt de vista suggereix que l'etapa inicial de deformació plàstica es deu a l'activació de fonts de dislocació superiors als límits de gra [1]. Per tant, la capa superficial del motlle prioritza l'aparició de lliscament de dislocació, provocant una deformació microplàstica, que es propaga gradualment a l'interior. Per millorar la resistència a la deformació microplàstica, en realitat és necessari crear obstacles al moviment de totes les dislocacions. En primer lloc, cal augmentar la resistència de fricció de la gelosia. L'aliatge eficaç de la solució sòlida pot millorar la resistència de la gelosia del moviment de dislocació. Els diferents elements d'aliatge tenen diferents efectes sobre la resistència de la matriu. Si, W, Cr, Mo, V, etc. són elements d'enfortiment efectius, especialment Si i W, que poden millorar significativament la resistència a la fluència. La investigació ha demostrat que hi ha un valor de llindar elàstic per al límit elàstic, per sota del qual no es pot iniciar el lliscament de dislocació. Per tant, augmentar la resistència a la fluència dels materials pot millorar eficaçment l'energia de resistència a la deformació, especialment quan la pressió d'impacte màxima és constant. El perfeccionament de la mida del gra i la subestructura de transformació martensítica poden augmentar la densitat de dislocació i millorar el grau de fixació. D'altra banda, durant el refinament de punts de material dur carbonitzat, les dislocacions formen anells de dislocació al voltant d'una sèrie de partícules. Quan les partícules estan molt disperses, la resistència a la deformació microplàstica és màxima.
El micro desgast és principalment similar al desgast adhesiu en l'etapa inicial. El moviment relatiu entre la peça de treball i la superfície del motlle és alternatiu. Després de trencar repetidament les juntes de soldadura en fred del cos microconvex, la tendència adhesiva disminueix gradualment i finalment passa a una etapa estable. En l'etapa d'estat estacionari, tant els mecanismes d'adhesió com els de desgast abrasiu juguen un paper, donant lloc a un desgast de delaminació a la superfície. En general, com més gran sigui la duresa de la martensita temperada i el carbur a la matriu del motlle, més forta serà la resistència al desgast. A més, encara que en el cas de desgast per lliscament, especialment en presència de partícules abrasives, quan la mida de les partícules de carbur és gran, es poden incrustar fermament a la matriu per tenir un paper més gran. Tanmateix, en condicions d'estampació en fred, la velocitat de pelat dels carburs de mida petita a causa de l'extrusió és relativament petita i la quantitat de desgast està determinada en gran mesura per la fracció de volum i la duresa dels carburs. Com més gran sigui la fracció de volum dels carburs, més gran serà la duresa i menor serà la quantitat de desgast.
La font d'esquerdes de fractura fràgil i esquerda de fatiga es genera preferentment en defectes macroscòpics, i els carburs gruixuts o inclusions en l'acer Cr12MoV poden ser el lloc d'inici de la font d'esquerdes. La velocitat de propagació de l'esquerda està relacionada amb la força i la duresa de la martensita temperada, així com amb la mida dels carburs. Com més petita sigui la mida dels carburs, més gran serà la resistència a la fractura del material i més lenta serà la velocitat de propagació de l'esquerda.
Finalment, cal esmentar que la calor generada durant el procés d'estampació augmenta la temperatura superficial del motlle, la qual cosa reforça el procés d'activació tèrmica, relaxa la fixació de la dislocació, i fins i tot redueix la duresa de la matriu, augmenta el desgast i la deformació plàstica. Per tant, els nous materials també haurien de tenir una bona resistència al rebot.
4. Aplicació de nous materials de motlle
Segons l'anàlisi de fallades, hi ha quatre requisits principals per a la microestructura i el rendiment dels materials del motlle: ① alta resistència a la deformació plàstica, ② alta resistència al desgast, ③ alta resistència a la fractura per fatiga i ④ per a noves aplicacions d'acer, és necessari triar el treball en fred. motlle d'acer amb carburs refinats, gran proporció de fraccions de volum i alta duresa.
Per als corrons cònics de mida petita, és raonable utilitzar un motlle d'aliatge dur. A causa de la duresa ultra alta i l'alt mòdul elàstic de l'aliatge dur, té una alta resistència al desgast i resistència a la deformació plàstica, cosa que pot garantir la precisió de les peces processades. La vida útil pot arribar a 10-20 vegades la del motlle d'acer Cr12MoV original. Per als corrons cònics de gran mida, la màquina-eina d'estampació pot arribar a 160-250 tones, i l'ús de motlles d'aliatge dur pot provocar una fallada prematura a causa d'una fractura fràgil. L'augment de la vida útil és insuficient per compensar l'augment del cost. Per tant, cal estudiar nous acers de matriu de treball en fred d'alta resistència i tenacitat.
Hem calculat la composició d'un nou tipus d'acer de matriu d'alta resistència i dúctil DM9 basat en la termodinàmica d'equilibri de fase. Després dels estudis de fusió, forja, laminació, tractament tèrmic, microestructura i rendiment, s'ha trobat que hi ha cinc tipus de carburs, M3C, M6C, M23C6, M7C3 i MC, en estat recuit de l'acer. A causa de les diferències termodinàmiques i cinètiques en la nucleació, creixement i dissolució de diferents tipus de carburs en l'austenita, els carburs es poden refinar de manera uniforme, amb una mida mitjana de 0,66 després del recuit μ m. Mida mitjana del carbur restant després de l'extinció 0,5 μ m. És 1/8-1/10 de la mida de carbur restant de l'acer Cr12MoV. A causa de l'addició de Si i W a més de Cr, Mo i V en els elements de reforç de la solució sòlida martensítica de l'acer DM9, el límit de rendiment augmenta en comparació amb Cr12MoV. A més, després del tractament tèrmic, hi ha més carburs d'alta duresa M6C i MC, i la seva resistència al desgast també és alta. Aquest acer s'aplica a motlles de rodets cònics de gran mida i la seva vida útil és més de 2-3 vegades la de l'acer Cr12MoV original.
Durant el procés d'extinció i escalfament, M3C i M23C6 de l'acer DM9 són més fàcilment solubles en austenita, cosa que pot millorar eficaçment la solubilitat sòlida de l'austenita a temperatures d'extinció més baixes. Tanmateix, la gran quantitat de M6C i VC no dissolts pot dificultar eficaçment el creixement del gra. Per tant, aquest acer es pot utilitzar per a trempat a temperatura mitjana i temperat a baixa temperatura, i el seu rendiment tècnic i efecte d'ús són millors que l'acer Cr12MoV.
2023 de novembre 4ºsetmanaRecomanació de producte WBM:
Boles altes d'acer cromat:
G5,G10,G16 La nostra bola Chrome acostuma a produir-se segons els estàndards GBT 308.1-2013 i ISO 3290-1:2014. La duresa es personalitzarà segons les vostres necessitats.
https://www.bearingroller.com/rolling-elements/steel-ball/high-chrome-steel-balls.html
