Штамп горячей штамповки, шталь 5ХМН

Горячая объемная штамповка заключается в деформированной нагретой заготовки с помощью специального инструмента (штампа), в результате чего деформируемый металл заполняет полость штампа (ручей) по конфигурации, соответствующей форме будущей поковки. Помимо высокой производительности штамповка обеспечивает получение поковок с высокой точностью размеров. Она позволяет заметно уменьшить расход металла на изготовление детали и снизить трудоемкость при последующей обработке металла резанием. Кроме того, штамповка обеспечивает получение высокого качества поверхности поковки, при этом, исключая необходимость последующей обработки резанием всей поковки, а обрабатывается лишь та ее часть, которая будет соприкасаться с другими деталями.
В большинстве случаев для штамповки применяют универсальное оборудование: молоты, прессы и горизонтально-ковочные машины. В действующих кузнечно-штамповочных цехах штамповка на молотах занимает ведущее место по числу выпускаемых поковок. Для горячей штамповки используют паровоздушные молоты двойного действия (с массой подающих частей до 25 т.), бесшаботные молоты (с энергией удара до 1,47 МДж) и частично молоты простого действия (с доской, канатом, тонким штоком и др.) К достоинству молотов относиться возможность деформировать заготовки быстро и многократно в каждом ручье, что обеспечивает большие суммарные деформации (это особенно важно при заполнении значительных выступов на поковке). Многократные обжатия позволяют осуществлять чрезвычайно энергоемкие операции. Молотовые штампы в основном применяют цельноблочные. Конструктивно молотовые штампы выполняют только с одной плоскостью разъема. При штамповке на молотах используют открытые и закрытые штампы. Молотовый штамп состоит из двух массивных блоков с опорами-хвостами для клиновидного крепления. Верхняя часть штампа крепится к бабе, нижняя – к штамподержателю. Молотовые штампы работают в условиях весьма высоких динамических нагрузок. Крепление молотовых штампов должно быть надежным и простым. Приняты крепления штампов ласточкиным хвостом при помощи клина и шпонки. Конкретные условия работы кузнечных штампов определяются их назначением. Молотовые штампы для горячей объемной штамповки работают в тяжелых условиях, создаваемых температурно-силовым режимом их эксплуатации. В процессе работы штампы испытывают большие напряжения, вызываемые деформирующими усилиями, развеваемыми машиной (молотом, прессом). Соприкасаясь с металлом, нагретым до ковочных температур (обычно 900 – 1250 ℃), штамп тоже разогревается. Установлено, что в процессе работы нагрев молотового штампа меняется циклически, возрастая при каждом ударе, и к концу штамповки поковки температура достигает 450℃ на глубине 0,5–1 мм от контактной поверхности в нижней (неподвижной) части штампа и 300℃ в верхней (неподвижной) его части. Различие температур на рабочих поверхностях верхней и нижней частей штампов объясняется разной продолжительностью их контакта с горячей поковкой. Контакт с нижней частью штампа по времени больше, поэтому температура на ее рабочей поверхности выше. При застревании поковки в штампе продолжительность контакта возрастает и температура разогрева доходит до 500℃ и выше. Нагрев рабочих частей штампа в процессе эксплуатации до температур отпуска резко снижает их стойкость. Требования, предъявляемые к материалу для изготовления штампов, определяются условиями их работы. Сталь для штампов горячего деформирования должна удовлетворять следующим требованиям: иметь достаточную прочность при высоких температурах (для сохранения работоспособности штампа в условиях штамповки) и теплостойкость, необходимую для обеспечения прочности штампа при нагреве от заготовки; быть вязкой для предупреждения поломок и выкрашивания при ударных нагрузках и разгаростойкой против образования разгарных трещин, образующихся вследствие циклических нагревов и охлаждений штампа в процессе работы; иметь высокую износостойкость для сохранения формы и размеров фигуры поковки при повышенных температуре и трении и глубокую прокаливаемость, обеспечивающую при термической обработки прочность глубинных слоев штампа (Что особенно важно для крупногабаритных штампов); иметь высокую красностойкость для устойчивого сопротивления отпуску при горячем деформировании, а слипаемость (схватываемость) со штампуемым металлом – минимальную. Желательно также, чтобы штамповая сталь обладала высокой теплопроводностью, незначительным короблением при термической обработке и хорошей обрабатываемостью резанием. Предъявляются также требования в отношении недефицитности легирующих элементов, входящих в состав стали для штампов, и невысокой стоимости. Поскольку удовлетворить всем требованиям одна и та же сталь не может, ее выбирают применительно к конкретным условиям того или иного штампа. Молотовые штампы паровоздушных и пневматических молотов изготавливают из легированной, инструментальной стали 5ХНМ – полутеплостойкой повышенной вязкости. Присутствие в стали 5ХНМ молибдена повышает теплостойкость, прокаливаемость и уменьшает склонность к обратимой отпускной хрупкости. Химический состав (ГОСТ 5950-73) Механические свойства штамповых сталей при 600 ℃ Марка стали ơв МПа Ơ0.2
МПа Ψ % а1 кДж/м2 5хмн 350 250 65 800 Ударная вязкость штамповых сталей после отпуска при 500 ℃ Марка стали Охлаждение после отпуска Степень охрупчив-ания быстрое медленное 5ХМН 700 6.20 0.8 Эта сталь сочетает устойчивость против нагрева с разгаростойкостью (термической усталостью), т.е. устойчивостью против образования трещин, которые могут возникнуть в эксплуатации при многократном нагреве и охлаждении поверстного слоя. Разгаростойкость возрастает с повышением вязкости и пластичности и снижением коэффициента теплового расширения. Вязкость стали 3-4 кгс*м/см2 при твердости HRS 42-46. Она мало снижается с увеличением сечения. Прокаливаемость и закаливаемость стали высокая. Сталь 5ХМН прокаливается полностью в сечениях до 400-500 мм эту сталь используют для штампов со стороной до 500-600 мм. Механические свойства штамповочных сталей при комнатной температуре могут быть оценены следующими цифрами (после закалки и отпуска при 550 ℃) ơв=1200 –1300 МПа, δ=10 – 13%, ψ=40 –45%, а1=400 – 500 кДж/м2.
Из стали этой марки изготавливают так называемые кубики, т.е. поковки большого размера призматической формы (на одной из плоскостей которых вырезается фигура). После ковки кубики отжигают в проходных печах непрерывного действия с роликовым подом, обеспечивающих равномерный прогрев, возможность проведения всех видов отжига, высокий уровень механизации и автоматизации.
Критические точки, температура отжига и твердость стали 5ХМН. Критические точки, ℃ Температура отжига, ℃ Твердость НВ не более Ас1 Ас2 770 – 790 241 730 780 Режим отжига – изотермический. Поковки погружают в печь при температуре 400 – 500 ℃. Сталь, нагретая выше верхней (или только нижней) критической точки, охлаждается быстро до температуры, лежащей ниже точки А1 (600 – 650 ℃). При этой температуре назначают изотермическую выдержку 3 – 6 часов, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе. Поскольку температуру контролировать легче, чем скорость охлаждения, такой отжиг дает более стабильные результаты. Преимущества изотермического отжига: сокращается время отжига, получается более однородная феристо-перлитная структура. Для получения твердости, износоустойчивости и прочности штампы подвергают закалке и отпуску. Для защиты от окисления и обезуглероживания штампы покрывают обмазкой и устанавливают в печь. Для предотвращения образования значительных внутренних напряжений то неравномерного нагрева штампы необходимо медленно нагревать. Обычно при нагреве под закалку штампы загружают в печь, имеющую температуру не выше 650 ℃. Температура закалки на 20 – 40 ℃ выше точки Ас3(820 ℃). Для штампов с наименьшей стороной (высотой) 200 мм при нагреве в электропечи принимают выдержку после загрузки в печь 25 мин., нагрев до температуры закалки 9 часов, выдержку при температуре закалки 1.5 часа. После выдержки при температуре закалки штампы для уменьшения напряжений и деформации подстуживают на воздухе до 750 – 780 ℃, очищают от изоляции, затем погружают в масло с температурой до 70 ℃. В масле штампы выдерживают до тех пор, пока температура нагретой поверхности штампа не понизится до 200 – 150℃. HRC после закалки 57.1. После закалки штампы немедленно подвергают отпуску. Отпуск штампов снижает их твердость и уменьшает их напряжения, возникающее в штампах в результате закалки. Закалочные напряжения в штампах бывают настолько велики, что если штамп после закалки оставить без отпуска, то в некоторое время в нем образуются трещины. Если закаленный штамп поместить в печь до температуры отпуска (500 ℃), то при быстром нагреве поверхностных слоев и значительной разнице между температурой поверхности и температурой сердцевины в штампе могут возникнуть трещины. Поэтому штампы после закалки помещают в отпускную печь, нагретую до температуры не выше 400 ℃, а затем нагревают до заданной температуры отпуска (500 ℃).