Введение к работе
Актуальность работы. Проблема обеспечения высокой стойкости штампов холодного деформирования приобретает все большее значение в связи со значительным развитием электротехнической и электронной промышленностей в нашей республике. Значительное возрастание удельного веса трудно штампуемых материалов повышенной прочности, в том числе с покрытиями, обладающими высокой изнашивающей способностью, появление высокомеханизированного и высокоскоростного штампового оборудования требуют совершенствования технологических методов изготовления и повышения работоспособности деталей штампов.
Опыт электротехнической и электронной промышленности показывает, что стойкость штампов холодного деформирования, особенно широко применяемых - вырубных, является еще недостаточной. Штампы, изготавливаемые из ставдартных высокохромистых сталей типа XI2М, имеют недостаточную стойкость и выходят из строя из-за выкрашивания, износа или смятия рабочей кромки, что не удовлетворяет возросшим требованиям промьппленности. Вместе с тем затраты на изготовление и ремонт штампов, используемых для вырубки листов магнитопроводов и микросхем, очень значительны и составляют до 70-90% от суммарных затрат в инструментальном производстве.
Научные труды известных ученых: Ю.А.Геллера, А.П.Гуляева, ЮАЛахтина, В.С.Мескина, И.В.Паисова, Б.Ф.Трахтенберга,Л.А.Позняка,В.Д.Кальнера, В.Ф.Моисеева, С.И.Тишаева, Н.М.Сулейманова, Ю.М.Скрьшченко и др. внесли большой вклад в теорию легирования штамповых сталей и явились основой для разработки новых высокопрочных материалов и конструктивных решений, позволивших в ряде случаев существенно увеличить работоспособность штампов холодного деформирования.
Однако проблема повышения стойкости вырубных штампов, особенно тяжелонагруженных, в значительной степени остается нерешенной. Выполнение этой задачи возможно при наличии систематизированных данных о влиянии от-
дельных легирующих элементов и их сочетания, степени деформации, режимов термической обработки и ряда других технологических факторов на фазовый состав и реальную работоспособность штамповых сталей.
Обеспечение максимальной конструктивной прочности и износостойкости рабочих деталей штампов включает несколько направлений, из них создание новых материалов и термическое упрочнение наиболее изучены и находят практическое применение. Однако, имел место не совсем правильный методический подход к оценке влияния легирующих элементов на структурные фазы, основные свойства и работоспособность режущих деталей штампов. При назначении режимов термического упрочнения недостаточно также учитывались условия работы штампов. Недостаточно комплексно исследовано направление совершенствования технологических методов изготовления заготовок и упрочнения режущих деталей тяжелонагруженных вырубных штампов, особенно широко применяемых для штамповки листов магнитопрово-дов электродвигателей, в том числе из рационально легированных сталей.
Поэтому создание высокопрочных и износостойких сталей, изучение прогрессивных методов изготовления заготовок, улучшающих качество материалов и одновременно эксплуатационные характеристики готовых деталей штампов, является актуальной задачей, в особенности для электромашиностроения. Реализация большинства этих технологических возможностей в сочетании со средствами металлургического воздействия на кристаллизацию и формирование фаз, с видоизменением схем легирования и пластичного деформирования представляет научный и практический интерес в обеспечении увеличения срока службы тяжелонагруженных штампов, используемых для вырубки листов магнитопрово-дов и микросхем.
Цель и задачи работы. Разработка эффективного механизма упрочнения, обеспечивающего улучшение структурных фаз и увеличение комплекса свойств хромистых штамповых сталей холодного деформирования за счет рационально-
го легирования их сильнокарбидообразугощими элементами -Мо, V, Nb, Та, Ті, Zr.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи исследований:
-
Установление основных закономерностей влияния сильнокарбидообразуїощих элементов (Мо, V, Nb, Та, Ті, Zr) на фазовый состав , структуру, свойства и эксплуатационные характеристики штамповых сталей.
-
Определение влияния режимов термической обработки на морфологические особенности матричной (мартенситной) структуры и распределение упрочняющих карбидных фаз в рационально легированных штамповых сталях.
-
Установление критериев структурных фаз и свойств для оценки работоспособности и разработка рационально легированных сталей для режущих деталей вырубных штампов.
-
Установление связи между характеристиками структуры, механическими и эксплуатационными свойствами разработанных штамповых сталей.
-
Усовершенствование технологии изготовления заготовок режущих деталей штампов и определение эффективного способа поверхностного упрочнения, улучшающие структуру и повышающие эксплуатационные свойства рационально легированных штамповых сталей.
-
Опробирование и внедрение основных положений исследований в промышленности.
Научная новизна работы. Установлено, что легирование Cr-Mo-V штамповых сталей сильнокарбидообразующими элементами Nb,Ta,Ti, Zr существенно изменяет структурные характеристики - измельчает размер зерна аустенита, увеличивает объемную долю карбидов типа МС, изменяет количественное соотношение углерода и хрома между карбидами и твердыми растворами, измельчает размер мартенситных кристаллов и образует более твердые и сравнительно дисперсные карбидные частицы с размерами 3-8 мкм.
Впервые установлено, что в Cr-Mo-V сталях для тяже-лонагруженных штампов пределы рационального легирова-
ния Nb, Та, Ті, Zr соответствуют 0,3-0,8% (каждого в отдельности) при содержании 0,2-0,9% Мо. При их содержании менее 0,3% преобладают карбиды типа МзС, М7С3 и МгзСб , которые, легко растворяясь в аустените при температуре закалки 1040-1100С, способствуют росту аустенитного зерна и избыточно насыщают его углеродом. Последующее охлаждение при закалке приводит к образованию крупноигольчатого мартенсита с содержанием углерода не менее 0,6-0,7%.
При таком соотношении легирующих элементов упрочнение стали происходит в основном за счет карбидного и твердорастворного механизма. Увеличение содержания Nb, Та, Ті, Zr свыше 0,8% приводит к образованию крупноразмерных (30-40 мкм) карбидов типа МС, скоплений и связыванию большего количества углерода в указанные карбиды, что в конечном итоге снижает уровень твердости ниже HRC 59.
При рациональных пределах легирования Nb, Та, Ті, Zr часть углерода (0,2-0,3%) расходуется на образование тугоплавких карбидов, что уменьшает соответствующее количество углерода в мартенсите. Это, в свою очередь, существенно влияет на морфологические особенности матрицы - крупноигольчатый высокоуглеродистый пакетный мартенсит заменяется малоуглеродистым мелкоигольчатым, что повышает вязкость матричной фазы.
Эффект от упрочнения по твердорастворному механизму за счет атомов внедрения (углерода) частично заменяется в данном случае на более эффективное упрочнение атомами замещения (хрома), что в конечном итоге усиливает степень упрочнения за счет дисперсных карбидов типа МС.
Разработанный эффективный механизм упрочнения повышает сопротивление стали хрупкому разрушению при высоких уровнях твердости и прочностных характеристик, что обеспечивает высокую стойкость штампового инстумента.
Практическая ценность работы. Определены основные технологические факторы и условия работы, влияющие на эксплуатационные характеристики, а также требования, предъявляемые к материалам режущих деталей штампов холодной вырубки листов магнитопроводов и микросхем.
Разработаны: способ выплавки высокоуглеродистых сталей (Х1,5СГМ, Х1,5СГФ), содержащих 1,5% хрома (АС №356297), для режущих деталей простых штампов; рациональные составы стали (ХЗГФТ) с 3,0% хрома (АС №679638) для малопагруженных штампов; сталей (Х5ФЗСТ,Х12МСТ) с 5,0-12,0% хрома (АС №319210) для режущих деталей тяжело-нагруженных вырубных штампов. Электронной промышленности предложена сталь Х6МФБЦ для изготовления штампов микросхем.
Разработаны постоянно действующие технические условия ТУ14-1-2179-77 и ТУ14-1-2183-77 на стали Х5ФЗСТ (ЭП 951) и Х12МС (ЭП 952) соответственно, освоенные металлургическим заводом "Электросталь" (г. Электросталь).
Разработаны технологические режимы ковки и термической обработки на новые и стандартные стали в виде ОСТ 16.0.686.797-79 и РТМ 16.686.882-81, переданные электромашиностроительным заводам.
Опробованы технологические методы изготовления (из кованных, полых электрошлакового литья, раскатанных кольцевых, точнолшых заготовок), поверхностного упрочнения (скоростным нагревом, в процессе кристаллизации, кар-бонитрацией, электроискровым легированием и диффузионным упрочнением в процессе отпуска) и внедрены в производство.
Рекомендованы более совершенные, экономичные и безотходные технологические схемы изготовления заготовок режущих деталей вырубных штампов: заготовки полые кованные или электрошлакового литья-горячая раскатка-точная резка (на секторы) для матриц или пуансонов.
Рациональным легированием, применением прогрессивных методов изготовления заготовок и упрочнения режущих деталей решена большая и важная народнохозяйственная задача - повышение стойкости штампов, производительности листоштамповочного оборудования и экономия дорогостоящего инструментального материала.
Положения, выносимые на защиту.
1. Принципы рационального легирования Cr-Mo-V
штамповых сталей сильнокарбидообразующими элементами -
No, Та, Ті, Zr.
-
Оптимальные составы и способы выплавки рационально легированных сталей для режущих деталей вырубных штампов различного назначения.
-
Структурный механизм упрочнения, обеспечивающий увеличение комплекса свойств рационально легированных сталей при термической обработке.
-
Принципы эффективного влияния легирования и степени деформации сталей, улучшающие структуру и распределение химических элементов в микрообъемах.
-
Основные закономерности изменения работоспособности вырубных штампов в зависимости от структуры, механических и эксплуатационных свойств сталей режущих деталей.
-
Результаты применения прогрессивных методов изготовления зоготовок и урочнения режущих деталей, приводящих к улучшению структуры и повышению стойкости штампов.
-
Технологические схемы безотходного изготовления заготовок режущих деталей со структурой, обеспечивающей надежную работу вырубных штампов.
Достоверность экспериментальных исследований, на которые опираются научные положения, выносимые на защиту, обосновывается использованием широко известных и специальных методов. Основными методами исследований структуры, фазового состава и распределения химических элементов в сталях являлись металлографический, рентгено-структурный, электронномикроскопический, микрорентгено-спектральный методы, а также химический анализ. Карбидная структура и распределение карбидных частиц по размерным группам исследовались на сканирующем микроскопе и квантимете. Стойкостные характеристики изучались на экспериментальных и натурных штампах.
Апробация работы. На основе разработанных принципов легирования создана группа рационально легированных
сталей для режущих деталей различно нагруженных штампов холодного деформирования. В период 1977-80 гг. были разработаны и внедрены технические условия на новые стали. Стали выплавлялись на машиностроительном заводе им.Саттар-хана, в электрометаллургической плавильной мастерской (ЭПМ) Московского института стали и сплавов, на металлургическом заводе "Электросталь". Эти стали прошли широкие промышленные испытания на различных предприятиях и организациях.
Сталь ХЗГФТ использована на заводе "Электроштамп" для мал отгруженных вырубных штампов и штампов для изготовления массовых деталей электродвигателей.
Сталь Х6МФБЦ внедрена на заводе "Азон" для вырубных штампов элементов микросхем.
Стали Х5ФЗСТ и Х12МСТ были внедрены на различных предприятиях Министерства электротехнической промышленности для режущих деталей тяжело нагруженных вырубных штампов.
Стали ХІ.5СГМ и Х1,5СГФ внедрены на опытном заводе НПО "Статор" для вырубных штампов массовых деталей электродвигателей. Технологические методы изготовления заготовок режуших деталей и способы поверхностного упрочнения их внедрены на различных заводах электротехнической промышленности.
Применение новых сталей и прогрессивных технологических методов изготовления и упрочнения позволили в значительной степени решить проблему эффективного повышения стойкости вырубных штампов. Годовой экономический эффект от внедрения основных положений работы составил более 2,6 млн.рублей в расценках 1980-1988 гг, а по БЭМЗ -27 млн.манат в расценках 1993-1995 гг.
Результаты диссертационной работы докладывались на отраслевом совещании главных металлургов подшипниковых заводов (Саратов, 1969 г.), секции металловедения и термической обработки НТС ВНИПП (Москва, 1971 г.), республиканской научно-технической конференции "Освоение и внедрение прогрессивных методов термической обработки деталей нефтепромыслового оборудования" (Баку, 1971 г.),
XVI научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ВТУЗов Закавказских республик (Тбилиси, 1971 г.), научно-техническом совещании "Вопросы повышения технического уровня и модернизации изделий, выпускаемых предприятиями электротехнической промышленности Азербайджана" (Баку, 1973 г.), всесоюзном научно-техническом семинаре "Термическая и химико-термическая обработка деталей машин" (Москва-Баку, 1974 г.), республиканской конференции "Легирование, технология производства и назначение инструментальных сталей" (Запорожье, 1974 г.), III общеотраслевом совещании технологов "О техническом перевооружении предприятий электротехнической промышленности в девятой пятилетке" (Харьков, 1975 г.), заседании секции технологии штамповочных процессов технико-экономического совета ВПО "Союзэлектротехнология" (Баку, 1976г.), республиканской научно-технической конференции "Эффективные технологические процессы производства машин" (Баку, 1977г.), республиканской конференции "Основные направления исследования и производства инструментальных сталей в десятой пятилетке" (Киев, 1977 г.), I конференции БО ВНИИТэлектромаш "Создание, исследование и внедрение в производство новых материалов, технологических процессов, специального оборудования и штампо-вой оснасти" (Баку, 1978 г.), всесоюзной научно-практической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнического оборудования в электротехнической промышленности" (Харьков, 1978 г.), XX научно-технической конференции Втузов Закавказья (Баку, 1980 г.), республиканской научно-технической конференции "Прогрессивные способы повышения прочности, надежности и долговечности конструкционных материалов" (Баку, 1983 г.), республиканской научно-технической конференции "Современная технология и перспективы развития упрочняющих методов обработки деталей машин и инструментов" (Ташкент, 1984 г.), научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Втузов Закавказья (Тбилиси, 1984г.), республиканской научно-технической конференции "Прогрессивные способы повышения прочности, надежности и долговечности
конструкционных материалов" (Баку, 1988г.), V республиканской научно-технической конфереіщии "Ресурсосберегающие технологические процессы в литейном производстве" (Орджоникидзе, 1988г.), республиканской конференции "Пути повышения эффективности металлообрабатывающего инструмента" (Баку, 1988г.), V республиканской научно-технической конференции "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах" (Запорожье, 1988 г.), республиканской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии в повышении эксплуатационной надежности машин и инструментов" (Баку, 1991 г ), республиканской научно-технической конференции "Состояние и перспективы автоматизации проектирования и производства электротехнических машин" (Баку, 1991 г.), республиканской научно-технической конференции "Порошковые и композиционные материалы" (Баку, 1992 г.), 5th World Seminar on Heat Treatment and Surface Engineering (Isfahan, 1995r), XX...XXXXIV научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Азербайджанского технического университета (Баку, с 1969 по 1996 г.).
Отдельные результаты работы использованы в монографиях и др.трудах:
Геллер Ю.А. Инструментальные стали. 4-е и 5-е изд. М.: Металлурргия, 1975, 1983 гг.
Качанов Н.Н. Прокаливаемость стали. 2-е изд. М.: Металлургия, 1978 г.
Моисеев В.Ф. Автореферат на соискание ученой степени д.т.н., М.: 1976 г.
За широкое внедрение разработанных рационально легированных сталей в 1990 году автором получен нагрудный знак "Изобретатель СССР".
Публикации: Основное содержание диссертации опубликовано в книгах "Инструментальные материалы и их термообработка", "Штампы холодной вырубки листов магни-топроводов", в научных статьях и тезисах конференций - всего 44 публикации, в том числе получены 3 авторских свидетельства на изобретения.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 350 наименований и приложений. Содержит 321 страниц машинописного текста, 112 рисунков, 46 таблиц.
