Способ изготовления штампованных изделий из жаропрочных сталей и сплавов. Производство штамповок дисков из жаропрочных никелевых и титановых сплавов Горячая штамповка жаропрочных сталей


В основном стали, штампуемые в холодном состоянии, могут обрабатываться и горячей штамповкой. Целесообразно более широко применять томасовскуго сталь, так как она при высокой температуре имеет лучшую деформируемость, чем мартеновская. Благодаря тому, что деформируемость сталей в горячем состоянии гораздо выше, можно применять и другие материалы с более низкой стоимостью. Для сильно нагруженных деталей применяют специальные марки.
а) Нелегированные стали
Различают три группы нелегированных сталей - с низким, средним и высоким содержанием углерода. В большинстве случаев для горячей штамповки наиболее пригодны томасовские малоуглеродистые стали. Иногда применяют сварочные стали, которые характерны нечувствительностью к перегреву. Фасонные детали, которые после штамповки подвергаются обработке резанием, рационально изготовлять из автоматной стали. Правда, при этом следует принимать предупредительные меры в отношении температуры обработки, так как эти стали из-за высокого содержания серы красноломки, особенно еще и при малом содержании марганца. Эту опасность можно предотвратить, избегая области критических температур от 700 до 1100°. Иначе говоря, температурный интервал штамповки для этих сталей должен быть гораздо уже, чем у подобных же сталей с меньшим содержанием серы. У кипящих автоматных сталей необходимо следить за тем, чтобы имелся достаточно толстый поверхностный слой, не затронутый ликвацией, иначе материал при больших деформациях получит трещины. Детали, работающие при высоких нагрузках, часто изготовляют из мартеновских сталей. Б табл. 8 дан обзор марок некоторых малоуглеродистых сталей, применяемых при горячей штамповке. Для широкого потребления наиболее пригодны St 37 и St 38.
Наиболее распространенные марки среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода от 0,2 до 0,6% приведены в табл. 9. Обычные машиноподелочные стали могут быть томасовскими и мартеновскими, а улучшаемые стали, стандартизированные согласно DIN 17200, выплавляются только в мартеновских печах. Вместо качественных сталей марок С 22 до С 60 для интенсивно нагруженных деталей при желании применяют нелегированиые высокосортные марки сталей CK 22 до CK 60, характерные пониженным содержанием примесей (фосфор и сера не выше 0,035%). Аналогично этому имеются и улучшаемые автоматные стали мартеновской плавки.
Обзор прочностных свойств нелегированных сталей с малыми средним содержанием углерода представлен в табл. 10. Данные относятся к состоянию поставки, т. е. после нормализации. Аналогичные марки для изготовления болтов горячей штамповкой применяют и в США; при этом содержание фосфора составляет около 0,015%, а серы около 025%. В табл. 11 дана выборка марок нелегированных высокоуглеродистых сталей, употребляемых в некоторых случаях для горячей штамповки. Они хорошо деформируются при высокой температуре, однако необходимо помнить, что сопротивление деформации в обычном интервале температур ковки растет при повышении содержания углерода.
Температуры горячего деформирования для малоуглеродистой стали лежат в пределах 1150-900°. Допустимая начальная температура и соответственно температура выдачи из печи составляет 1300°. С ростом содержания углерода температура обработки падает; максимальная начальная температура при содержании углерода 1% составляет 1100°, а благоприятный интервал соответственно 1000-860°. Можно принять за практическое правило, что наибольшие температуры ковки лежат на 100-150° ниже линии солидуса по диаграмме состояния железо - углерод. Данные по области температур ковки нелегированных сталей и допустимый интервал менаду началом и концом штамповки следует брать согласно данным фиг. 9. Конечно, желательно не пользоваться верхней областью заштрихованного поля, чтобы начальная температура не переходила за штриховую кривую.
б) Легированные стали
Для улучшаемых сталей стремятся получить равномерность свойств по сечению, при этом высокая прочность при достаточной вязкости достигается с помощью закалки и последующего отпуска. Таким образом, состав сталей, применяемых для крупных деталей, должен определять достаточную прокаливаемость при заданных размерах.

Механические свойства нелегированных сталей для горячей штамповки
Таблица 10


Материал
Предел текучести о, в кГ/мм* не менее
Предел прочности на разрыв в кГf/AM*
Удлинение S1 в % не менее

Рядовые ста
St 00
_
(34-50)
(22)

ли
St 34
19
34-42
30


St 37

37-45
25


St 38

38-45
25


St 42
23
42-50
25


St 50
27
50-60
22


St 60
30
60-70
17


St 70
35
70-85
12

Улучшаемые
С 22
24
42-50
27

стали
С 35
28
50-60
22


С 45
34
60-72
18


С 60
39
70-85
15

Автоматные
9S20)



стали
10S20
(22)
(gt;38)
(25)


15S20]




22S20
(24)
О 42)
(25)


28S20
(26)
(gt;46)
(22)


35S20
(28)
(gt;50)
(20)


45S20
(34)
(gt;60)
(15)


60S20
(39)
(gt;70)
(12)

Таблица 11
Нелегированные высокоуглеродистые стали для горячей штамповки


Обозначение по стандарту DIN 17006*
Ns материала по стандарту DIN 17007
Химический состав в %
Твердость по Бринелю Hg** не более

С
около
Si
Mn
P
не более
S
не более

С75
C75W3
C85W2
C90W3
C100W2
* Эти обозн таллов» (SEL).
** Максимал стоянии.
0773
1750
1630
1760
1640
ачения соответс ьные значения
0,75
0,75
0,85
0,90
1,00
твуют T
твердое!
0,25-0,50
0,25-0,50 0,30 0,25-0,50 0,30
акже обозн и по Брине
0,60-0,80 0.60-0.80 0,35 0,40-0,60 0,35
ачениям по лю относят
0,045
0,035
0,030
0,035
0,030
«Перечlt;
ся к ста
0,045
0,035
0,030
0,035
0,030
ю стале лям в
240
240
190
240
200
н и черных ме- этожженном со-

Для повышения качества сталей имеется большой выбор легирующих элементов. При средних прочностных свойствах следует применять марганцевые и кремнемарганцевые стали (табл. 12), а также хромистые стали (табл. 13) для деталей с высокой прочностью- хромомолибденовые стали (табл. 14), при очень высоких требованиях к прочности-хромоникелемолибденовые стали (табл. 15).

65
ND




ra gt;!
RhS
D.O

Химический состав в %


о CPJ

Материал
иоозначе- ние по стандарту DIN 17006*
я SC
S-Sb
S H C3 Я h *7
s u tz
i- cQ
C
Si
Mn
P не более
S не
более
Гвердость г Брииелю И
30 не более

St 45
Марганцовистая сталь для крупных
14Мп4
0915
0,10-0,18
0,30-0,50
0,90-1,2
0,050
0,050
217

штампованных деталей " . . .
20Мп5
5053
0,17-0,23
0,45-0,65
1,1-1,3
0,035
0,035
217

Улучшаемая сталь (ранее VM125) . . Марганцовистая сталь для крупных
30Мп5
5066
0,27-0,34
0,15-0,35
1,2-1,5
0,035
0,035
217

штампованных деталей. .
ЗЗМп5
5051
0,30-0,35
0,10-0,20
1,1-1,3
0,035
0,035
217


36Мп5
5067
0,32-0,40
0,15-0,35
1,2-1,5
0,035
0,035
217

Улучшаемая сталь
40Мп4
5038
0,36-0,44
0,25-0,50
0,80-1,1
0,035
0,035
217

Сталь для износостойких деталей. .
75МпЗ
0909
0,70-0,80
0,15-0,35
0,70-0,90
0,060
0,060
217

St 52
Марганцовистокремнистая сталь для
17MnSi5
0924
0,14-0,20
0,30-0,60
7
3
о
0,060
0,050
217


38MnSi4
5120
0,34-0,42
0,70-0,90
0,00-1,2
0,035
0,035
217

Улучшаемая сталь (ранее VMS135). . Марганцовистокремнистая сталь для
37MnSi5
5122
0,33-0,41
1,1-1,4
1,1-1,4
0,035
0,035
217

крупных штампованных деталей....
46MnSi4
5121
0,42-0,50
0,70-0,90
0,90-1,2
0,035 		/>0,035
217

То же
53MnSi4
5141
0,50-0,57
0,70-0,90
0,90-1,2
0,035
0,035
217


42MnV7
5223
0,38-0,45
0,15-0,35
1,6-1,9
0,035
0,035
217
Л §,тн 0^03h ачеЕяя соответствуют обозначениям «Перечня сталей и черных металлов» (SEL). Твердость по Бринелю относится к сталям в отожженном состоянии.
Таблица 13


Обозначе
2 gt;gt;?; S f- о CX 0.0

Химический состав в %

л до *
SS" г

Материал
ния по
стандарту
и я""- ;рч-





I

DIN 17006*
9. ч to
С
Si
Mn
Cr
V
я о 2 lt;и
I

Цементируемая сталь (ранее ЕС60)
15СгЗ
7015
0,12-0,18
0,15-0,35
0,40-0,60
0,50-0,80
_
187

Цементируемая сталь (ранее


0,14-0,19
0,15-0,35
1,0-1,3
0,80-1,1

207

ЕС80)
16МпСг5
7131
-

Цементир\-емая сталь (ранее ЕС100)
20МпСг5
7147
0,17-0,22
0,15-0,35
1,1-1,4
1,0-1,3
-
217

Улучшаемая сталь (ранее VC135) Улучшаемая сталь
34Сг4
7033
0,30-0,37
0,15-0,35
¦0,50-0,80
0,90-1,2
-
217

Хромистая улучшаемая сталь.
ЗбСгб
7059
0,32-0,40
0,15-0,35
0,30-0,60
1,4-1,7
-
217

Хромованадиевая сталь.... То же..#
41 Сг4 31CrV3
7035
2208
0,38-0,44
0,28-0,35
0,15-0,35
0,25-0,40
0,60-0,80
0,40-0,60
0,90-1,2
0,50-0,70
0,07-0,12
217


42CrV6
7561
0,38-0,46
0,15-0,35
0,50-0,80
1,4-1,7
0,07-0,12
217

Улучшаемая сталь (ранее
48CrV3
2231
0,45-0,52
0,25-0,40
0,50-0,70
0,60-0,80
0,07-0,12
-

VCVl 50)
Хромованадиевая сталь....
50CrV4
8159
0,47-0,55
0,15-0,25
0,70-1,0
0,90-1,2
0,07-0,12
235
/>58CrV4
8161
0,55-0,62
0,15-0,25
0,8-1,1
0,90-1,2
0,07-0,12

Хромомарганцовистая улучшаемая сталь
27MnCrV4
8162
0,24-0,30
0,15-0,35
!,0-1,3
0,60-0,90 "
0,07-0,12
-

Хромомарганцовистая сталь.
36MnCr5
7130
0,32-0,40
0,30-0,50
1,0-1,3
0,40-0,60
""""
-

Хромокремнистая сталь (для

4704
0,40-0,50
3,8-4,2
0,30-0,50
2,5-2,8
-
-

(45SiCrl6)







Подшипниковая сталь диаметром gt; 17 мм
ЮОСгб
5305
0,95-1,05
0,15-0,35
0,25-0,4
1,4-1,65
-
207

Подшипниковая сталь диаметром 10-17 мм
105Cr4
3503
1,0-1,1
0,15-0,35
0,25-0,4
0,90-1,15
-
207

Подшипниковая сталь диаметром lt;10 мм
105Cr2
3501
1,0-1,1
0,15-0,35
0,25-0,4
0,40-0,60
-
207

Подшипниковая сталь для не- ожавегощих подшипников....
40Cr52
4034
0,38-0,43
0,30-0,50
0,25-0,4
12,5-13,5
-
-

. Чти обозначения соответствуют также обозначениям «Перечня сталей и черных металлов» ** Твердость по Бринелю относится к сталям в отожженном состоянии.


Эти обозначения соответствуют также обозначениям «Перечня сталей и черных металлов» (SEL). "Твердость по Бритлю относится к сталям в отожжгином состоянии.

Таблица 15
Никелевые, хромоникелевые и хромоникелевые молибденовые стали


Обозначения по стандарту DIN 17006*
.Vs
материала по стандарту DIN 17007
Химически!! состав с %
Твердость по Бринелю Hb 30
не более **

С
SI
Mn
Cr
Mo
Ni

24 Ni 4
5613
0,20-0,28
0,15-0.35
0,60-0,80
lt;0,15

1,0-1,3
-

24 Ni 8
5633
0,20-0.28
0,15-0,35
0,60-0,80
lt;0,15
-
1,9-2,2
-

34 Ni 5
5620
0,30-0,38
0,15-0,35
0,30-0,50
lt;0,60
-
1,2- 1,5

15 Cr Ni 6
591У
0,12-0,17
0,15-0,35
0,40-0.60
1,4-1,7
-
1,4-1,7
217

ISCrNi 8
5920
0,15-0,20
0,15-0,35
0,40-0,60 		/>1,8-2,1

1,8-2,1
235

30 Cr Ni 7
5904
0,27-0,32
0,15-0,25
0.20-0,40
1,5-1,9
-
0,60-0,90

45 Cr Ni 6
2710
0.40-0,50
0,15-0,35
0,60-0,80
1,2-1,5
-
1,1-1,4

36 Ni Cr 4
5706
0,32-0,40
0,15-0,35
0,50-0,80
0,40-0,70
(0,10-0,15)
0,70-1,0
-

46 Ni Cr 4
5708
0,42-0,50
0,15-0,35
0,90-1,2
0,70-1,0
(0,10-0,15)
0,70- 1,0

80 Cr Ni Mo 8
6590
0,26-0,34
0,15-0,35
0,30-0,60
1,8-2,1
0,25- 0,35
1,8-2,1
248


6582
0,30-0,38
0,15-0,35
0,40-0.70
1,4-1,7
0,15-0,2о
1,4-1,7
2оо

36 Cr N i Mo 4
6511
0,32-0,40
0,15-0,35
0,50-0,80
0,90-1,2
0,15-0,25
0,90-1,2
IH

28 Ni Cr Mo 4
6513
0,24-0,32
0,15-0,35
0.30-0,50
1,0-1,3
0,20- 0,30
1.0-1,3
-

28 Ni Cr Mo 44
6761
0,24-0,32
0,15-0,35
0,30-0,50
1,0-1,3
0,40- 0,50
1,0- 1,3

98 Ni Cr Mo 74
6592
0,24-0,32
0,15-0,25
0,30-0,50
1,1-1,4
0,30-0,40
1,8-2,1

36 Ni Cr Mo 3
6506
0,32-0,40
0,15-0,35
0,50-0,80
0,40-0,70
0,10-0,15
0,70-1,0

‘ Эти обозначения соответствуют также
Твердость по Бринелю относится к сталям в отожженном состоянии.

Необходимо ограничиваться стандартными марками сталей согласно новым стандартам DIN 17200 (раньше 1665, 1667 и соответственно 1662 и 1663).
Если нельзя воспользоваться высоколегированными сталями, то можно перейти на применение низколегированных сталей или на стали- заменители, хорошо оправдавшие себя в последние годы. Так, общеизвестна замена хромоникелевых сталей хромомолибденовыми, молибден частично заменяется ванадием, хром - марганцем и марганец -
кремнием. По последним сведениям оказалось возможным достигнуть высоких прочностных свойств и хорошей прокаливаемости благодаря малым присадкам бора (0,002 - 0,008%); при этом содержание хрома, никеля и молибдена в конструкционных сталях значительно снижается, например, никеля с 3,5 до 0,5%.
Наличие легирующих элементов при малом и среднем их содержании не оказывает вредного влиния на деформируе- Фиг. 9. Температура горячей штам- мость при высоких температу- повки нелегироваиных сталей в зави- рах соблюдении правиль-
оимости от содержания углерода гг 1
(схематически показана диаграмма ного интервала температур
состояния железо-углерод). штамповка осуществляется без
затруднений. Температуры деформации и у легированных сталей зависят от содержания углерода, малые добавки легирующих элементов не влекут за собой больших изменений в области затвердевания.
Значения, приведенные на фиг. 9, сохраняют силу и для легированных сталей. Однако для этих сталей выдерживают более узкие границы интервала температур.
При нагревании легированных сталей особенно важно учитывать, что увеличение легирования снижает теплопроводность и для этих сталей необходимо более длительное время нагрева. Кроме того, для таких сталей характерно возникновение большой разницы в температуре сердцевины и поверхности, что при больших сечениях может вызвать вредные термические напряжения. Поэтому высоколегированные стали должны сначала подогреваться и лишь затем нагреваться до ковочных температур. Это в первую очередь касается жаропрочных и нержавеющих сталей (табл. 16 и 17). Необходимо обратить внимание, что интервал температур ковки и штамповки здесь значительно уже, чем у нелегированных и низколегированных сталей. Деформируемость также невелика; аустенитные стали имеют большое сопротивление деформации, что при штамповке сложных форм обует ловливает включение дополнительных переходов.

Таблица 17
Механические сг»оистга жаропрочных и окалиностойких сталей


Обозначение по стандарту DIN 17006
I
№ материала по стандарту DIN 17007
Предел текучести Cg и KFjMMa не менее
Предел прочности на разрыв сь в KTjMMi не менее
Удлинение
S5 I! % UC MCHCt"
Примени ть на воздухе с температурой до С*


Х10СгА17
4713
25
45-60
20
800


XIOCrAl 13
4724
30
50-65
15
950

Феррит
XioCrAim
4742
30
50-65
12
1050

XI OCrA 12 4
4762
30
50-65
10
1200

ные стали
X10CrSi6
4712
40
60-75
18
000


XI OCrSi 13
4722
35
55-70
15
950


X10CrSil8
4741
35
55-70
15
1050

Дустенит-
/XI SCrNiSi 199
4828
30
60-75
40
1050

IX20CrNiSi254
4821
40
60-75
25
1100

ные ста-
X12CrNiSiNb2014
4855
30
60-75
40
1100

ЛИ
L\15CrNiSi2419
4841
30
60-75
40
1200

* Приведенные наибольшие температуры применения на воздухе являются ориентировочными, и при неблагоприятных условиях снижаются.

Жаропрочные и нержавеющие стали можно разделить на следующие группы: ферритные или незакаливаемые хромистые стали, мар- тенситные или закаливаемые хромистые стали и аустенитные хромоникелевые стали. Деформируемость их в горячем состоянии ухудшается в такой же последовательности. В недавнее время в США были проведены исследовательские работы, которые показали возможность улучшения деформируемости высоколегированных сталей, в первую очередь кислотоупорных хромоникелевых и аустенитных сталей, за счет присадки лигатур, например, церия.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

(МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Штамповые стали для горячего деформирования

Выполнил: Чесунов Н.С.

Группа: МТ 8-62;

Проверил: Смирнов А.Е.

Москва, 2016г.

1. Штамповые стали

Штамповые стали горячего деформирования работают в тяжелых условиях, испытывая интенсивное ударное нагружение, периодический нагрев и охлаждение поверхности нагрев и охлаждение поверхности. Основным признаком штамповых сталей горячего деформирования является более низкое по сравнению со сталями для инструментов холодного деформирования содержание углерода (0,3 - 0,6%), что предопределяется повышенными требованиями к ним относительно вязкости и разгаростойкости.

От них требуется сложный комплекс эксплуатационных и технологических свойств. Кроме достаточной прочности, износостойкости, вязкости и прокаливаемости (для крупных штампов) эти стали должны обладать также теплостойкостью, окалиностойкостью и разгаростойкостью (устойчивость к образованию поверхностных трещин, вызываемых объёмными изменениями в поверхностном слое при резкой смене температур). Разгаростойкость обеспечивается снижением содержания углерода в стали, которое сопровождается повышением пластичности, вязкости, а также теплопроводности, уменьшающий разогрев поверхностного слоя и термические напряжения в нем.

1.1 Область применения заданной группы материалов, типовые детали, изготавливаемые из этих материалов

Марка Стали

Область применения

Молотовые штампы паровоздушных и пневматических молотов с массой падающих частей свыше 3 т для штамповки цветных сплавов, углеродистых и низколегированных конструкционных сталей; штампы для молотов меньшей мощности со сложной и глубокой гравюрой; прессовые штампы и штампы машинной скоростной штамповки при горячем деформировании легкий цветных сплавов; блоки матриц для вставок горизонтально-ковочных машин.

Молотовые штампы паровоздушных и пневматических молотов с массой падающих частей до 3 т, имеющие неглубокую гравюру, работающие при невысоких давлениях и используемые для штамповки цветных сплавов, углеродистых и низколегированных сталей.

Молотовые штампы паровоздушных и пневматических молотов с массовой падающих частей до 3 т для деформации легированных конструкционных и коррозионно-стойких сталей (вместо менее теплостойких сталей 5ХНМ, 5ХНВ); штампы кривошипных горячештамповочных прессов до 4000 т, для штамповки деталей из углеродистых и низколегированных сталей; вставки и пуансоны для высадки деталей из этих материалов на горизонтально- ковочных машинах усилием до 1000 т; прессовый инструмент для обработки алюминиевых сплавов.

Крупные молотовые штампы, в том числе для чистовых операций при обработке труднодеформируемых металлов; штампы-контейнеры, работающие при длительном нагружении; кольца-бандажи: крупные внутренние втулки, пресс-штемпели, иглы горизонтальных прессов усилием до 1200-2000 т, работающие при длительном нагреве.

Крупные штампы (с наименьшей стороной до 600 мм) для штамповки поковок из конструкционных сталей и жаропрочных сплавов на молотах с массой падающих частей свыше 3 т и кривошипных прессах усилием 4000 т и более (вместо менее теплостойких сталей 5ХНМ, 4ХМФС); инструменты (зажимные и формирующие вставки, наборные и формовочные пуансоны) для высадки конструкционных сталей и жаропрочных сплавов на горизонтально-ковочных машинах, ножи горячей резки; мелкие прессовые и молотовые вставки.

Мелкие молотовые штампы, особенно чистовой штамповки с наименьшей стороной до 100-125 мм; молотовые (диаметром или стороной до 200мм) и прессовые вставки (предварительного и окончательного ручья, знаки, выталкиватели, внутренние втулки, пресс-штемпели, иглы для прошивки труб) при горячем деформировании конструкционных сталей и цветных сплавов в условиях крупносерийного производства; форма литья под давлением алюминиевых и магниевых сплавов со стороной до 70- 80мм

Молотовые и прессовые вставки (диаметром до 200-250 мм) с таким же назначением, как и из стали 4Х5МФС; инструмент для высадки заготовок из легированных конструкционных и жаропрочных материалов на горизонтально-ковочных машинах; пресс-формы литья под давлением алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов.

Мелкие молотовые штампы; молотовые и прессовые вставки (диаметром до 300-400 мм); инструмент горизонтально-ковочных машин при горячем деформировании коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов, работающий в условиях повышенных давлений (800-1500 МПа) и нагрева до 650-660 С; пресс-формы литья под давлением медных сплавов

Инструмент для горячего деформирования на кривошипных прессах и горизонтально-ковочных машинах, подвергающийся в процессе работы интенсивному охлаждению (как правило, для мелкого инструмента); пресс-формы литья под давлением медных сплавов; ножи для горячей резки

Тяжелонагруженный прессовый инструмент (мелкие вставки знаков, матрицы и пуансоны для выдавливания и т.п.) при горячем деформировании легированных конструкционных сталей и жаропрочных сплавов

Тяжелонагруженный прессовый инструмент (прошивные и формирующие пуансоны, матрицы и т.п.); инструмент для высадки на горизонтально-ковочных машинах и вставки штампов напряженных сталей и жаропрочных конструкций для горячего объемного деформирования конструкционных сталей и жаропрочных металлов и сплавов (вместо 3Х3М3Ф и 4Х2В5МФ)

Иглы, пуансоны для прессования аустенитных, жаропрочных и коррозионно-стойких сталей и сплавов, а также титановых сплавов при температурах до 650-675 С, выполняемых без интенсивного охлаждения

1.2 Критерии конструкционной прочности, надежности, долговечности, определяющие работоспособность типовых деталей

штамповая сталь горячее деформирование

Конструкционная прочность - комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности.

На конструкционную прочность влияют следующие факторы:

· конструкционные особенности детали (форма и размеры);

· механизмы различных видов разрушения детали;

· состояние материала в поверхностном слое детали;

· процессы, происходящие в поверхностном слое детали, приводящие к отказам при работе.

Необходимым условием создания деталей при экономном использовании материала является учет дополнительных критериев, влияющих на конструкционную прочность. Этими критериями являются надежность и долговечность.

Надежность - свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому разрушению.

Долговечность - способность материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного ресурса времени.

Рассматриваемые в задании детали, сделанные из выбранных мной марок штамповых сталей горячего деформирования, работают в тяжелых условиях, испытывая интенсивное ударное нагружение, периодический нагрев и охлаждение поверхности, эти стали должны обладать также теплостойкостью, окалиностойкостью и разгаростойкостью.

· Теплостойкость - способность материалов сохранять жёсткость и другие эксплуатационные свойства при повышенных температурах, определяет износостойкость и сопротивление термической усталости.

· Окалиностойкость - способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием воздушной или газовой среды при высоких температурах

· Разгаростойкостью - (сопротивление термической усталости) определяется сопротивлением стали образованию поверхностных трещин под нагрузкой при многократном нагреве и охлаждении.

1.3 Особенности структуры, химического состава и свойств заданной группы материалов

По условиям работы и уровню основных свойств стали подразделяют на три основных группы: умеренной теплостойкости и повышенной вязкости; повышенной теплостойкости и вязкости; высокой теплостойкости;

· Стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости (5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС, 5ХГМ, 4ХМФС, 4ХМНФС, 3Х2МНФ,5Х2МНФ) относят к доэфтектоидной (до 0,8 % С) группе. Содержание карбидообразующих элементов в сталях минимально (до 7 - 9 %) что исключает возникновение карбидной неоднородности даже в крупных сечениях. В небольших количествах (до 3 %) могут образовываться более термостойкие карбиды Мe 6 С, MeC, М 23 С 6, вызывающие вторичное твердение. Поэтому теплостойкость сталей невысокая.

Стали 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС, 5ХГМ сохраняют предел текучести до 1000 Мпа при нагреве до 350-375 С, а стали 4ХМНФС, 3Х2МНФ,5Х2МНФ при нагреве до 400 - 425 С вследствие карбидов Мe 6 С, MeC, М 23 С 6

· Стали повышенной теплостойкости и вязкости (4Х5МФС, 4Х5МФ1С, 4Х5В2ФС, 4Х3ВМФ,3Х3М3Ф) относят к заэвтектоидным, так как содержание первичных карбидов в них мало. В отожженом состоянии доля карбидной фазы (Мe 6 С, VC, М 23 С 6) составляет 6 - 12%. Теплостойкость сталей повышается с увеличением в структуре количества карбидов Мe 6 С, VC, то есть при повышении концентрации вольфрама, молибдена и ванадия.

· Стали высокой теплостойкости (4Х2В5МФ, 5Х3В3МФС, 2Х6В8М2К8) относят к заэвтектоидным. Стали 4Х2В5МФ и 5Х3В3МФС образуют группу сталей с карбидным упрочнением, а стали типа 2Х6В8М2К8 - с карбидоинтерметаллидным. Содержание карбидной фазы в сталях 4Х2В5МФ и 5Х3В3МФС составляет 10 - 13 % (Мe 6 С, МC), в стали 2Х6В8М2К8 - только 6 - 7 % (Мe 6 С), также дополнительно содержится интерметаллид (Fe, CO) 7 W 6 .

1.4 Система легирования (назначения легирующих элементов)

Хром (Сr) - повышает износостойкость, увеличивает прочность и прокаливаемость стали, что особенно важно для крупных пуансонов и матриц. При наличии свыше 2,5% повышает устойчивость стали против отпуска, особенно при нагреве инструмента до температур, выше 300° С. Вместе с марганцем уменьшает коробление при закалке.

Никель (Ni) - наряду с хромом он значительно увеличивает прокаливаемость стали и придает вязкость.

Марганец (Mn) - повышает прокаливаемость стали. В сочетании с хромом уменьшает коробление при закалке, но увеличивает склонность стали к перегреву. Марганец, как более дешевый легирующий элемент, является заменителем никеля.

Вольфрам (W) - введенный в сталь для пресс-форм и штампов для горячего деформирования повышает твердость, износостойкость стали и теплостойкость, необходимые для предупреждения отпускной хрупкости второго рода, которую в больших сечениях нельзя устранить быстрым охлаждением. Вольфрам и Молибден измельчают зерно и уменьшают склонность стали к перегреву.

Молибден (Mo) - вводится в высокохромистую сталь для увеличения ее вязкости и повышения прокаливаемости. (в отличие от вольфрама, который увеличивает ее слабее).

В штампах для горячего деформирования предохраняет от отпускной хрупкости, но резко повышает чувствительность стали к обезуглероживанию.

Ванадий (V) - уменьшает хрупкость закаленной стали, предохраняет сталь от перегрева при закалке. В количестве свыше 1% в сочетании с хромом значительно повышает устойчивость против воздействия высоких температур.

Кремний (Si) - увеличивает прокаливаемость стали, повышает стойкость против отпуска, но способствует обезуглероживанию при нагреве.

Эффективным для штамповых сталей горячего деформирования является комплексное легирование, при котором в стали наряду с карбидообразующими элементами вводятся также никель или марганец в пределах 1,0ч1,5 % для повышения ударной вязкости, разгаростойкости, прокаливаемости и кремний до 1 % для увеличения окалиностойкости и прочности.

1.5 Применяемая термическая обработка

Термическая обработка сталей для изготовления молотовых штампов представляет собой ответственную операцию. После изотермического отжига и механической обработки их нагревают под закалку до 820 - 880 С, применяя засыпки и обмазки для предохранения от окисления и обезуглероживания, так как время нагрева может составлять 20 - 25 ч. Для снижения термических напряжений небольшие штампы охлаждают на воздухе, остальные после подстуживания до 750 - 780 С в масле по способу прерывистой закалки. Не остывшие полностью штампы переносят в печь для отпуска.

Также для заготовок крупных штампов проводят отжиг с целью устранения флокеночувсвительности и измельчения зерна аустенита сталей проводят при 760 - 790 С для сталей 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ, при 790 - 820 для стали 5ХНВС, при 800 - 820 С для сталей 4ХМФС, 5Х2МНФ и при 820 - 840 С для стали 3Х2МНФ. Время выдержки при отжиге 1 час плюс 1,5 минуты на 1 мм толщины.

Оптимальные температуры закалки устанавливают на основе определенного соотношения между твердостью и зерном аустенита, размер которого существенно влияет на ударную вязкость стали. Для молотовых штампов с наименьшей стороной не более 200 - 250 мм при получении после закалки структуры мартенсита желательно иметь зерно аустенита не крупнее 9- 10 номера. При большем размере штампов, когда образуется смешанная бейнитно - мартенситная структура, лучший комплекс свойств достигается при зерне аустенита не крупнее 11 номера. Температуру отпуска назначают в зависимости от габаритов штампа и условий эксплуатации. Образование верхнего бейнита при закалке штампов высотой более 300 мм снижает твердость и теплостойкость. При этом в сталях 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС сохраняется, а сталей 4ХМФС, 3Х2МНФ,5Х2МНФ уменьшается (бейнитная хрупкость). Поэтому необходимо проводить отпуск. Для сталей 5ХНМ, 5ХГМ проводят средний отпуск, а для сталей 5ХН, 4ХМФС, 5Х2МНФ - высокий отпуск.

Стали 5ХНМ (5ХНВ) характеризуются невысокой устойчивостью против роста зерна аустенита, так как их карбидная фаза представлена в основном легкорастворимыми частицами типа М 3 С. До более высоких температур (980--1020°С) сохраняют мелкое зерно стали 4ХСМФ и 5Х2МНФ, содержащие в структуре наряду с цементитом карбиды типа М 6 С и МС. Твердость после закалки повышается до определенных температур аустенитизации, соответствующих наиболее интенсивному растворению карбидов. При дальнейшем увеличении температуры (свыше 900 - 950°С для сталей 5ХНМ, ЗХ2МНФ и 1000 - 1050°С для сталей 4ХСМФ, 5Х2МНФ) она изменяется мало или понижается вследствие увеличения в структуре количества остаточного аустенита.

Обычно штампы из сталей этой группы для получения необходимых прочности, теплостойкости и вязкости нагревают под закалку до температур, обеспечивающих сохранение зерна аустенита не крупнее №9 - 10. Однако эти рекомендации справедливы в основном для небольших молотовых штампов (стороной, диаметром не более 200--250 мм) со структурой мартенсита после закалки или более крупных прессовых штампов с неглубокой рабочей гравюрой, работающих без ударных нагрузок. Для крупногабаритных молотовых штампов со смешанной бейнитно-мартенситной структурой после закалки, неизбежно получаемой при замедленном охлаждении после аустенитизации и значительно снижающей- вязкость стали, они нуждаются в уточнении. В этом случае (штампы со стороной диаметром более 200 мм) лучшее сочетание прочности, теплостойкости и вязкости сталей достигается после получения зерна аустенита не крупнее № 10-11.

Структура сталей после закалки определяется их химическим составом и условиями охлаждения после аустенитизации, зависящими в свою очередь от размеров штампов, охлаждающей способности среды

2. Концептуальная схема базы данных

· Созданы две таблицы «Химический состав» и «Механические свойства», которые связаны между собой ключевыми полями связью один ко многим.

· Созданы и заполнены соответствующие формы

* Выполнены запросы:

1) Выбрать материал и режим ТО для штампа, работающего длительное время (не менее 300 часов) при температуре до 500 С и нагрузке не менее 300 МПа.

2) Выбрать материал и режим ТО для крупного молотого штампа, работающего до температуры 300 С. Требование: ударная вязкость KCU не менее 0,55 МДж/м 2

* Выполнены отчеты:

Список литературы

1) Штамповые стали. Позняк Л.А., Скрынчемко Ю.М., Тишаев С.И. Металлургия,1980.

2)Справочник по конструкционным материалам: Б.Н. Арзамасов, Т.В. Соловьева, С.А. Герасимов и др. Под ред. Б.Н. Арзамасова и Т.В. Соловьевой. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана,2006.

3)Инструментальные стали справочник: Л.А. Позняк, С.И. Тишаев, Ю.М. Скрынченко и др. Металлургия,1977.

4)Материаловедение: Ю.С. Козлов. Высшая школа,1983.

5)Материаловедение:Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана,2008.

Приложение

Влияние хрома

Хром положительно влияет на ряд характеристик штамповых сталей (прокаливаемость, склонность к вторичному твердению, теплостойкость и т.д.). По мере повышения его концентрации в твердом растворе существенно возрастает устойчивость аустенита как в перлитной, так и в промежуточной областях. При снижении содержания хрома с 5 до 3% изменяется состав карбидных фаз; в стали с 3% хрома присутствуют карбиды Ме 3 С наряду с карбидами Ме 23 С 6 и Ме 6 С, что немного уменьшает теплостойкость и предел текучести при температурах выше 400-500 о С.

Влияние вольфрама и молибдена

Увеличение концентрации вольфрама повышает теплостойкость до определенных пределов. Такими пределами являются 1,0-2% W в сталях типа 4Х4ВМФС и ~ 3% в сталях типа 5Х3В3Ф2МС. Содержание молибдена, как правило, составляет 1,5-3%. Молибден в этих сталях с заменяет вольфрам в соотношении 1: 2.

Стали, в которых молибден заменяет более 2-3% W, имеют меньшую карбидную неоднородность. Молибден при замене 3-4% W (и одинаковом ванадии) почти не изменяет теплостойкости, вследствие чего прочностные свойства вольфрамомолибденовых сталей при нагреве такие же, как вольфрамовых. Выбор конкретный соотношений между вольфрамом и молибденом определяется условиями эксплуатации инструмента, и он должен быть экономически обоснован.

Влияние ванадия

Ванадий оказывает эффективное влияние на процессы собирательной рекристаллизации и существенно уменьшает чувствительность штамповых сталей к перегреву. В относительно невысоколегированных сталях (типа 5ХНМ и др.) его действие оказывается заметным уже при содержании порядка 0,10-0,30%. Для других групп сталей, содержащих карбиды типа М 7 С 3 , М 6 С, М 23 С 6 , требуется большее количество ванадия для существенного смещения температур начала интенсивного роста зерна.

Ванадий, также, как и хром, обладает сильно выраженной склонностью к дендритной ликвации, но в отличие от него ванадий благоприятно влияет на дисперсность и характер распределения первичных карбидов в высокоуглеродистых сталях.

Влияние кремния

Кремний является ферритообразующим элементом и «выклинивает» область существования г-железа в сплавах системы Fe - Si уже при содержании около 2%. Аналогично влияет он на диаграмму состояния углеродистых сталей (0,5-1% С), однако в этом случае полное завершения б > г-превращения достигается при содержаниях 3-5% кремния. Не образуя в сплавах на основе железа соединений с углеродом, кремний практически не оказывает влияния на тип и состав карбидов в штамповых сталях, но вызывает их укрупнение в отожженном состоянии.

Влияние никеля и марганца

Легирование сталей никелем и марганцем повышает прокаливаемость. Этим определяется целесообразность легирования ими штамповых сталей, предназначенных для изготовления крупногабаритных инструментов. Мало изменяя чувствительность к перегреву и, как следствие, оптимальные температуры закалки, никель и марганец сильно понижают критическую скорость охлаждения.

Никель эффективно повышает пластичность, что очень важно для материалов, испытывающих воздействие динамических нагрузок.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

    Назначение и особенности эксплуатации инструментальных сталей и сплавов, меры по обеспечению их износостойкости. Требования к сталям для измерительного инструмента. Свойства углеродистых и штамповых сталей для деформирования в различных состояниях.

    контрольная работа , добавлен 20.08.2009

    Виды сталей для режущего инструмента. Углеродистые, легированные, быстрорежущие, штамповые инструментальные стали. Стали для измерительных инструментов, для штампов холодного и горячего деформирования. Алмаз как материал для изготовления инструментов.

    презентация , добавлен 14.10.2013

    Условия эксплуатации матрицы. Оценка воздействия технологических факторов на свойства материалов. Требования, предъявляемые к стали для штампов горячего деформирования. Перечень марок сталей и сплавов для изготовления пуансона-матрицы. Режимы обработки.

    курсовая работа , добавлен 11.06.2013

    Закаливаемость и прокаливаемость стали. Характеристика конструкционных сталей. Влияние легирующих элементов на их технологические свойства. Термическая обработка сплавов ХВГ, У8, У13 и их структуры после нее. Выбор вида и режима термообработки детали.

    курсовая работа , добавлен 12.01.2014

    Сравнительная характеристика быстрорежущих сталей марок: вольфрамомолибденовой Р6М5 и кобальтовой Р9М4К8 - различие в свойствах этих сталей и оптимальное назначение каждой из них. Разработка и обоснование режимов обработки изделий из этих сталей.

    практическая работа , добавлен 04.04.2008

    Повышение механических свойств стали путем введения в нее легирующих элементов. Классификация стали в зависимости от химического состава. Особенности сварки углеродистых и легированных сталей. Причины возникновения трещин. Типы применяемых электродов.

    курсовая работа , добавлен 06.04.2012

    Классификация сталей. Стали с особыми химическими свойствами. Маркировка сталей и области применения. Мартенситные и мартенсито-ферритные стали. Полимерные материалы на основе термопластичных матриц, их свойства. Примеры материалов. Особенности строения.

    контрольная работа , добавлен 24.07.2012

    Классификация инструментальных сталей. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства штамповых сталей. Химический состав стали 4Х5МФ1С. Влияние температуры закалки на структуру и твердость материала. Оценка аустенитного зерна и износостойкости.

    дипломная работа , добавлен 19.02.2011

    Что такое сталь. Классификация конструкционных сталей по химическому составу и качеству. Примеры маркировки стали. Схемы и способы разливки стали, их достоинства и недостатки. Основные способы обработки металлов давлением, особенности их применения.

    контрольная работа , добавлен 05.01.2010

    Изменение механических, физических и химических свойств углеродистых конструкционных и инструментальных сталей в результате химико–термической обработки. Марки сталей, их назначение и свойства. Структурные превращения при нагреве и охлаждении стали.

Валы и диски газотурбинных двигателей, работающие при повышенных температурах и нагрузках, передающие большие крутящие моменты изготовляют из высококачественных и дорогостоящих никелевых сплавов. Поставка валов и дисков ответственного назначения осуществляется в термически и механически обработанном состоянии с обеспечением полного металлургичес­кого контроля качества, включающего контроль свойств, ультразвуковой контроль, контроль поверхности люминесцентным (капиллярным) методом, а также контроль макро- и микроструктуры штамповок.

Многолетний опыт в области производства штамповок из жаропрочных сплавов позволяет успешно решать задачи изготовления сложных штамповок валов и дисков с учетом требований заказчика. Разработанные технологии, в первую очередь, ориентированы на минимизацию расхода металла и получение максимально высокого комплекса свойств за счет создания регламентированной структуры в процессе деформации и термической обработки.

Существуют три основных вида штамповки жаропрочных сплавов по температуре оснастки :

    традиционная горячая штамповка в относительно холодных штампах;

    штамповка в обогреваемых штампах, при которой Т штампа на 200400С ниже температуры заготовки;

    изотермическая штамповка, при которой температуры штампа и заготовки равны.

Температурный интервал, в пределах которого жаропрочный сплав, может быть, подвергнут горячей обработке давлением, относительно невелик и зависит от состава сплава. Для жаропрочных сплавов на основе никеля температурный интервал деформируемости в горячем состоянии сужается при переходе от сплавов с малым объемным содержанием -фазы к сплавам с повышенным ее содержанием. Для большей части операций деформации этот интервал определяется температурой начала плавления, с одной стороны и температурой -сольвуса, с другой. С увеличением объемной доли -фазы температура начала плавления сплава понижается, а температура -сольвуса повышается. Одновременно повышается температура рекристаллизации и снижается пластичность. Ширина интервала технологической пластичности может составлять, т. о. всего 10С. Дополнительные трудности возникают в следствии адиабатического разогрева заготовки, особенно существенного при повышенных скоростях деформации, а также в следствии захолаживания материала стенками штампа. При выборе оптимальных условий горячей деформации жаропрочных сплавов необходимо учитывать всю совокупность технологических факторов, включающую:

    характеристики пластического течения заготовки, зависящие от микроструктуры, температуры, степени деформации и скорости деформации;

    свойства материала матрицы, определяемые составом, температурой и величиной контактных напряжений;

    свойства смазки в зазоре между заготовкой и стенками штампа, выражаемые коэффициентом трения и коэффициентом теплопередачи;

    характеристиками штампового оборудования;

    микроструктуру штампованной детали и связанные с нею механические свойства.

Большинство поковок дисков выполняют на молотах и гидравлических прессах в стальных штампах, подогреваемых до температуры 200450°С, т.е. до лимитированной температуры отпуска материала штампа. При штамповке на молотах наблюдается существенная неравномерность температуры, степени и скорости деформации по объему заготовки. Неравномерность деформации проявляется в виде застойных зон и зон сосредоточенной деформации. При температуре заготовки в начале штамповки 1150°С ее поверхностные слои захолаживаются до 600-1000°С, а повышенная скорость деформирования (6-8 м/с) приводит к росту сопротивления деформации, затруднению заполнения полости ручья штампа и повышению его износа. Локализация деформации и теплового эффекта деформации приводят к структурной неоднородности поковок, которая не устраняется последующей термической обработкой. Однако высокая мощность молотового оборудования в сочетании с очень тонким контролем процесса штамповки позволяют решить сложную задачу получения заданной микроструктуры путем реализации широкого диапазона энергий удара (от легкого касания до полного удара), выполняемых с достаточно высокими воспроизводимостью и точностью.

Для штамповки вращающихся деталей реактивных двигателей рекомендуется штамповка в закрытых штампах с целью повышения деформационной проработки периферийных частей поковок, а для уменьшения захолаживания поверхностных слоев заготовок – использование в качестве материала штампов жаропрочных сталей, допускающих подогрев штампа до 500700°С. Кроме того известно, что штамповка на молотах значительно дешевле штамповки на гидравлических прессах.

Более благоприятные скоростные условия деформации реализуются при штамповке на гидравлических прессах. При штамповке на прессах появляется возможность снижать температуру нагрева на 50100°С при сохранении тех же удельных усилий, что и при молотовой штамповке. При переходе от динамического приложения нагрузки на молотах к статическому на прессах при той же пластичности сплавов снижается их сопротивление деформации. Однако быстрое остывание заготовок вследствие длительного контакта с относительно холодным штампом снижает эффект, достигаемый за счет снижения деформирующих усилий при штамповке с малыми скоростями.

Выходом из положения является применение изотермической штамповки и штамповки в обогреваемых штампах. Основной принцип изотермической штамповки заключается в обеспечении равенства температуры заготовки и температуры штампа. В этом случае поковка не охлаждается и деформирование может происходить с пониженной скоростью при небольшом сопротивлении деформации. Применение первого или второго варианта штамповки определяется как техническими, так и экономическими обстоятельствами.

При штамповке никелевых сплавов в обогреваемых штампах успех во многом определяется правильным выбором высокотемпературной смазки. Штамповка сплавов на основе никеля осуществляется с использованием смазок на основе стекла, поскольку эти смазки обеспечивают гидроди­намический режим трения с коэффициентом трения  < 0,05. Различные фирмы ограничивают температуру инструмента при штамповке в обогреваемых штампах 750850°С. Перепад температур в пределах 200400°С между заготовкой и штампом приводит к незначительному остыванию заготовки, которое компенсируют повышением скорости деформирования с целью сокращения времени контакта штампа с заготовкой. Этот прием является компромиссом между изотермической и обычной штамповкой и широкого практического применения при штамповке никелевых сплавов не нашел.

Перечисленные недостатки традиционных способов штамповки и штамповки в обогреваемых штампах поковок из никелевых сплавов, постоянно растущие мощности штамповочного оборудования и повышенные требования к точности и свойствам штампованных поковок заставили производителей обратить основное внимание на внедрение изотермической штамповки. Предотвращение потерь тепла и, как следствие, поверхностного захолаживания заготовки, обусловливают следующие преимущества изотермической штамповки: меньшие деформирующие усилия, лучшее заполнение полости штампа и возможность штамповки поковок сложной формы с тонкими ребрами и полотнами, возможность штамповки сплавов с узким температурным интервалом и при более низких температурах, повышение пластичности заготовок, большая равномерность деформации и высокая точность поковок.

Изотермическая штамповка требует дополнительных затрат, связанных с применением уникальных и дорогостоящих жаропрочных штамповых материалов, мощных электрических или газовых устройств для обогрева штампов, специальных гидравлических прессов с пониженной скоростью перемещения плунжера. При изотермической штамповке никелевых сплавов применяют штампы из молибденовых сплавов. Наиболее широкое распространение получил молибденовый сплав TZM (0,5 Ti; 0,1 Zr; 0,01-0,04 С) с карбидным упрочнением. Сплав плотностью 10,2 г/см 3 обладает высокими прочностью и сопротивлением ползучестью до 1200°С. Заготовки массой до 4,5 т получают порошковой металлургией путем изостатического прессования, спекания и последующей ковки. Основные недостатки молибденовых штампов – высокая стоимость и интенсивное окисление при температурах выше 600°С. Поэтому процесс штамповки проводят в вакууме или в защитной атмосфере, для осуществления которого разработаны специальные установки на станине пресса для подачи заготовки в рабочую зону через шлюз с помощью механической системы транспортировки и сложной системы контроля температуры.

Более простым и технологичным приемом изотермирования очага деформации является теплоизоляция нагретой заготовки от соприкосновения с холодным инструментом. В качестве теплоизолирующих слоев могут применяться расплавы солей, стекло, керамика, асбест и сталь. Они несколько затрудняют контроль размеров, но зато существенно снижают растрескивание, обусловленное захолаживанием заготовки инстру­ментом. Затраты на защитные покрытия окупаются вследствие меньших припусков на механическую обработку. В промышленности для этих целей широко используют стеклянные, эмалевые и стеклоэмалевые покрытия, которые наряду с теплоизоляционными свойствами, выполняют роль смазки. Стеклосмазки обеспечивают незначительное падение температуры в процессе переноса заготовки из нагревательных устройств, однако не дают возможности поддерживать изотермические условия в течение всего процесса деформации заготовки. В последние годы появились публикации об исследованиях изотермической и соответственно сверхпластической штамповки в холодном инструменте за счет использования гибких органических тканей-прокладок между инструментом и нагретой заготовкой. Ряд американских фирм при штамповке титановых и никелевых сплавов использует гибкую керамическую ткань Nextell, применяемую для изоляции в космических системах «Шатл». Прокладка выдерживает температуру нагрева до 1400С. В отечественной промышленности в качестве теплоизолирующих прокладок опробуется муллитокремнеземный войлок.

Технология изотермической штамповки позволяет также осуществлять штамповку в условиях сверхпластичности, что является идеальным для точной штамповки поковок сложной формы с тонкими ребрами. Реализация условий сверхпластической деформации снижает рас­ход металла более чем в 2 раза, при этом уменьшаются затраты на обработку резанием, появляется возможность штамповки поковок сложной формы за один ход пресса. Например, при штамповке турбинного диска из сплава Astroloy способом «геторайзинг» масса исходной заготовки – 72,6 кг, а масса диска после обработки резанием – 68 кг. Ранее такие диски получали обычной штамповкой из заготовки массой 181 кг. Как свиде­тельствуют расчеты, сверхпластическое деформирование является серьезной альтернативой при использовании обычных прессов усилием от 50 МН. Выгоды от снижения усилия прессования превосходят затраты на обогрев штампов и защитную атмосферу.

По сравнению с традиционными методами метод изотермической штамповки позволяет изготавливать изделия сложной формы с высокой точностью, с заданной структурой и физико-механическими свойствами. Максимальный диаметр штампуемых заготовок - 1000 мм. Благодаря минимальным припускам значительно сокращаются расходы на последующую механическую обработку изделий.

Технология обеспечивает:

    повышение ресурса и эксплуатационных характеристик деталей на 20-25%

    уменьшение в 1,5-3 раза расхода металла

    снижение в 10 раз мощности используемого кузнечно-прессового оборудования

    значительное сокращение себестоимости изделий

В частности, заготовка корпуса тормоза для самолета ТУ-204 получена методом изотермической штамповки при температуре 950 O С из титанового сплава ВТ9 (вес 48 кг, коэффициент использования металла - 0,53). Технология позволяет исключить болтовые и сварные соединения в конструкции корпуса, снизить на 19% массу детали, повысить в 2 раза срок эксплуатации, сократить расход титанового сплава, уменьшить на 42% объем механической обработки.

Заготовка диска привода подпорных ступеней авиационного двигателя получена газовой формовкой (аргон) в изотермических условиях при температуре 9600С из титанового сплава ВТ9 (вес - 18 кг, коэффициент использования металла - 0,58). Технология позволяет исключить сварные соединения в детали, повысить на 15% ресурс эксплуатации, сократить расход титанового сплава, снизить на 52% объем механической обработки.

Материалы используемые для штамповки: - алюминиевые, магниевые, медные, латунные сплавы; - электротехнические и автоматные стали.

Габариты штампуемых заготовок: - диаметр 10...250 мм; - высота 20...300 мм; - масса 0,05...5,0 кг.

Используемое оборудование: - пилы для разделки исходного материала; - прессы (гидропрессы усилием от 160тс до 630тс); - электропечи для разогрева исходных и для закалки штампованных заготовок; - универсальное металлорежущее оборудование.

Изотермическая штамповка заготовок сложного профиля

Магниевые заготовки

Рис.3.2. Титановый сплав

Рис.3.3.Титановый сплав

Потребность повышения рабочих температур никелевых сплавов и соответствующий рост степени их легирования, а также ограничения, связанные с ликвацией при литье слитков, гетерогенизация структуры и, как следствие, снижение технологической пластичности и стабильности эксплуатационных свойств открыли перспективу развития технологии порошковой металлургии . Уже к середине семидесятых годов стало возможным создание газовой турбины, практически полностью изготовленной методами порошковой металлургии . Известны следующие схемы обработки порошков-гранул с использованием пластической деформации :

    спекание + изотермическая штамповка;

    ГИП + обычная штамповка;

    ГИП + экструзия + изотермическая штамповка.

Области применения определяют и границы использования порошковой технологии для изготовления деталей из суперсплавов для газовых турбин. Порошковые суперсплавы применяют в тех случаях, когда «обычные детали», изготовленные методами литья и штамповки, не отвечают предъявляемым рабочими условиями требованиям. Разрушение обычных материалов, как правило, происходит в результате образования сегрегации, что вызывает ухудшение механических свойств или их нестабильность и снижение термомеханических свойств. В таких случаях порошковая технология, вполне может заменить другие (более предпочтительные) методы изготовления деталей, не способные обеспечить требуемое качество изделий.

После того как в процессе летных испытаний дисков полученных ГИП в двигателе F 404 в 1980 с перерывом в два месяца два истребителя F 18 ВМС США потерпели аварию, зарубежные фирмы отдают предпочтение технологическим схемам, включающим пластическую деформацию.

Разработанный фирмой Pratt and Whitney в конце 60-х годов процесс «геторайзинг» позволил традиционно необрабатываемые литые никелевые сплавы, такие как сплав IN100, подвергать штамповке подобно деформируемым сплавам. Сущность процесса заключается в том, что материал заготовки методом прессования переводят в сверхпластичное состояние, а затем изотермической штамповкой в определенных температурно-скоростных условиях штампуют полуфабрикаты, близкие к конечной форме изделия. Процесс запатентован фирмой разработчиком и пригоден только для сплавов, способных проявлять сверхпластичность. В сочетании с термической обработкой этот процесс обеспечивает более высокую прочность при повышенных температурах и большую долговечность при жаропрочных испытаниях, чем у литейных и обычных деформируемых сплавов, и наиболее эффективен доя изготовления сплошных изделий типа дисков.

С помощью процесса «геторайзинг» получены из сплава IN100 на прессе усилием 18МН такие изделия, которые традиционным способом невозможно изготовить даже на прессе усилием 180МН (180000 т).

В настоящее время конфигурация штамповок для дисков авиационных двигателей определяется возможностями ультразвуковой дефектоскопии, хотя применяемые методы деформации с малыми скоростями позволяют получать более точные и легкие заготовки.

Неполная горячая деформация от горячей отличается:

1. Возможностью изготовления поковок повышенной точности (8…10 квалитет) с высоким качеством поверхности (Rа = 2,5мкм; Rz = 20мкм) и с улучшенными механическими характеристиками (деформационное упрочнение в зависимости от химического состава сплава и условий деформации составляет 20…150% от первоначального предела текучести);

2. Высокими технико-экономическими показателями (коэффициент использования металла достигает 0,68…0,95, трудоемкость последующей обработки резанием снижается на 25…75%);

3. Снижением уровня технологической себестоимости штампованной поковки, обусловленным меньшими затратами на нагрев и практическим отсутствием потерь металла в результате окалинообразования;

4. Повышением эксплуатационных характеристик деталей, изготовленных из штампованных поковок, в результате образования благоприятной макро- и микроструктуры поковки.

По сравнению с холодной штамповкой неполную горячую осуществляют при приложении меньших удельных деформирующих сил, что приводит к увеличению стойкости рабочих деталей штамповой оснастки, возможности изготовлять поковки из более высокопрочных сталей и сплавов, использовать кузнечное оборудование меньшей мощности.

В условиях неполной горячей деформации пластичность металлов и сплавов выше, чем при холодной. Это позволяет сократить число переходов при штамповке.

Наиболее широкое распространение объемная штамповка в условиях неполной горячей деформации получила для изготовления поковок из среднеуглеродистых и жаропрочных сталей, титановых сплавов.

Листовая штамповка

При листовой штамповке исходной заготовкой является лист, полоса или лента, свернутая в рулон, полученная прокаткой, имеющая постоянную толщину.

Листовой штамповкой могут быть изготовлены как плоские, так и пространственные заготовки, которые обычно подвергают незначительной последующей механической обработке, а в ряде случаев они могут поступать на сборку без механической обработки. Технологический процесс листовой штамповки обычно состоит из ряда операций и переходов, осуществляемых в штампах. Штампы представляют собой приспособления, содержащие рабочий инструмент, осуществляющий заданное формоизменение заготовки, а также направляющие, фиксирующие крепежные детали. Штампы закрепляют в рабочих элементах пресса, молота или иной машины - орудия. Сложность конструкции, а, следовательно, и стоимость штампа зависят от серийности производства и определяют целесообразность изготовления деталей листовой штамповкой. Себестоимость заготовок, получаемых листовой штамповкой, в основном определяется стоимостью расходуемого металла и доли стоимости штампа, приходящейся на штампуемую деталь. Количество операций и переходов, а, следовательно, и длительность технологического цикла штамповки определяется сложностью конфигурации штампуемой детали и требованиями к точности размеров и чистоте ее поверхности.

mob_info