CC BY
91
УДК 621.74.043.2
АНАЛИЗ ПРИЧИН ПРЕЖДЕВРЕМЕННОГО ВЫХОДА ИЗ СТРОЯ
ФОРМООБРАЗУЮЩИХ ДЕТАЛЕЙ ПРЕСС-ФОРМ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Котельников Дмитрий Васильевич, магистрант (e-mail: kotelnickow.d@yandex.ru) Якубович Ефим Абрамович, к.т.н., доцент, профессор (e-mail: eyakubovich@mail.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В работе рассматриваются проблемы низкой стойкости пресс-форм для полуучения деталей из алюминиевых сплавов методом литья под давлением. Выполнен анализ микроструктуры рабочих поверхностей и образования разгарных трещин. Основное внимание уделено определению причин преждевременного выхода из строя формообразующих деталей пресс-форм при изготовлении корпусов предпусковых автомобильных нагревателей.
Ключевые слова: литье под давлением, пресс-форма, стойкость пресс-форм, алюминиевые сплавы, формообразующие детали, термообработка, азотирование.
Проблема обеспечения эксплуатационной стойкости пресс-форм для получения деталей из алюминиевых сплавов методом литья под давлением (ЛПД) носит комплексный многоплановый характер [1-4]. Для ее решения разрабатываются мероприятия по совершенствованию конструкции пресс-форм, оптимизации режимов термической и химико-термической обработки, нанесению упрочняющих износостойких покрытий на формообразующие поверхности, разработке и применению новых марок инструментальных сталей [5-8 ].
Успешная реализация указанных путей предполагает в качестве необходимого этапа изучение и анализ причин снижения эксплуатационной стойкости пресс-форм применительно к конкретным вариантам изготавливаемых изделий, маркам алюминиевых сплавов, конструктивным особенностям пресс-форм и технологическим режимам работы оборудования. К основным факторам выхода из строя пресс-форм относятся температурно-силовое и физико-химическое воздействие материала формообразующих элементов с жидким расплавом. Кроме воздействия внешних механических нагрузок на рабочую поверхность пресс-форм существенное влияние имеет температура заливаемого расплава, неравномерность заполнения полости формы и гидравлический удар. Комплексное воздействие этих факторов приводит к формированию сложнонапряженного состояния в поверхностном слое элементов пресс-формы, вызывающему необратимое формоизменение и износ, зарождение и развитие трещин термической усталости [6]. Для повышения стойкости
пресс-форм используют различные технологические мероприятия: применяют теплостойкие стали и сплавы, объемную упрочняющую и химико-термическую обработку (азотирование, цианирование, фосфатирование, сульфатирование, алитирование, хромирование), а также нанесение покрытий [7]. Тем не менее, существенного систематического прироста стойкости пресс-форм известные методы не приносят. Отмеченное указывает на необходимость углубленного анализа причин, природы и характера эксплуатационных дефектов инструмента, приводящих к снижению стойкости и выбраковке формообразующих элементов.
При этом ГОСТ 19946-74 [9] определяет, что установленный ресурс до первого профилактического ремонта пресс-формы в зависимости от применяемых для ее изготовления материалов и требований к изготавливаемым деталям для сплавов на основе алюминия составляет 6000 отпрессовок.
Таблица 1 - Причины выхода из строя деталей пресс-формы
Наименование дефекта деталей пресс-формы Брак, %
вкладышей стержней Причина брака
Сетка разгара 25,0 1,5 Термическая
Трещины 18,0 3,5 усталость
Смятие 13,0 5,0 Формоизменение
Приваривание 10,0 32,0
Изменение размеров при устранении приваривания 7,0 30,0 Износ
Изменение размеров при естественном износе 13,0 13,0
Задиры 6,0 2,5
Механические повреждения 8,0 12,5 Механические повреждения
Опыт эксплуатации пресс-форм для изготовления корпусов предпусковых автомобильных подогревателей в условиях производства и исследований, проводимых в ООО «Адверс», г.Самара, показали, что пресс-формы ЛПД алюминиевых сплавов из применяемых штамповых сталей выходят из строя значительно раньше, чем достигается установленное нормативное значение количества отпрессовок из-за недопустимого снижения основных эксплуатационных характеристик: образования сетки разгара, снижения теплостойкости и интенсивного физико-химического взаимодействия с жидким расплавом. Ниже приведены результаты оценки причин низкой износостойкости пресс-форм
из стали 4Х5МФС при производстве корпуса предпускового автомобильного подогревателя из сплава АК9.
Использовали машину для литья под давлением с горизонтальной холодной камерой прессования с усилием запирания 250 тн.
Среднестатистическая наработка пресс-форм составила 1500 циклов теплосмен. Причины выхода из строя деталей, соприкасающихся с жидким металлом, приведены в таблице 1.
Пресс-формы в большинстве случаев были отбракованы вследствие образования сетки разгара, термических трещин, смятия кромок и приваривания.
Промышленная технология предусматривает использование для изготовления названных деталей стали марки 4Х5МФС с упрочняющей термообработкой. В качестве упрочняющей термообработки обработки формообразующих деталей пресс-форм литья под давлением из стали 4Х5МФС применяют закалку и высокий отпуск. Согласно [10] температура нагрева под закалку для штамповой стали 4Х5МФС составляет 1010- 1030 °С.
Деталь "стержень" дополнительно подвергается азотированию [11,12] на глубину 0,2-0,3 мм для получения твердости упрочненного слоя 700-850 НУ.
При макроанализе на конусной части детали "стержень" обнаружены скалывание азотированного слоя и следы смятия кромок, что свидетельствует о низкой формостойкости материала. На формообразующей поверхности вкладыша обнаружены поверхностные трещины и наличие алюминиевого сплава в местах входа струи жидкого металла.
аря(211)
и - Ре (200)
Рем Рв// \ Й^
НО 130 110 110 100 90 во 70 № 50
Рисунок 1. Штрих-диаграмма детали "стержень"
При исследовании стержня рентгеноструктурным и мелаллографическим методами анализа обнаружено, что нитридный слой включает легированную Б-фазу [13] состава (Бе, Ме)2-3(КС) и у'-фазу состава (Бе, Ме)4К (рисунок 1), а зона внутреннего азотирования состоит из легированного азотистого феррита и карбонитридов (рисунок 2).
Общая толщина азотированного слоя, измеренная по глубине зоны внутреннего азотирования, составила около 0,3 мм, а эффективная, определенная по минимальной твёрдости 500 НУ - около 0,2 мм, что соответствует технологическим требованиям.
На рисунке 2 также видно, что поверхностный слой имеет поры размером до 20 мкм.
увеличение х200 Рисунок 2. Азотированный слой детали "стержень"
При оценке поверхностной хрупкости азотированного слоя обнаружены следы деформации вокруг отпечатков алмазной пирамиды (рисунок 3), что соответствует II баллу шкалы хрупкости и характеристики как "слегка хрупкий" [12]. Вместе с отмеченными выше фактами скалывания это свидетельствует о недостаточной пластичности азотированного слоя исследуемой детали.
, - * -
увеличение х500
Рисунок 3. Отпечатки от алмазной пирамиды на поверхности азотируемого
слоя
Основной металл деталей пресс-формы имеет структуру сорбита отпуска (рисунок 4). Структура имеет явно выраженную полосчатость,
вызванную ликвацией легирующих элементов в стали, что приводит к снижению термостойкости материала пресс-формы.
■ -г '^гйРКййУ^"', - -'" ■'' .
1 ■ ■' .-л}«
* - . . ■ V
г; -ъ^Ьв - ** * ■ • ■
■ - г . -«Ай**6
■ ... .. •.• • •• /"^'л.' • -
увеличение х100 Рисунок 4. Структура основного металла деталей пресс-формы
Так же на поверхности детали "вкладыш" наблюдаются трещины глубиной до 5 мм (рисунок 5). Форма трещин имеет циклический характер распространения, что обусловлено температурными условиями эксплуатации пресс-формы.
увеличение х50 Рисунок 5. Трещина на поверхности детали "вкладыш"
Таким образом, можно предположить, что трещина возникла за счет термической усталости материала пресс-формы, а распространение ее шло преимущественно по скоплениям пор и вдоль границ раздела ликвационных зон.
На поверхности угловой части вкладыша, омываемой жидким металлом, наблюдается смятие кромок (растворение металла пресс- формы), а также налипание алюминиевого сплава (рисунке 6). Причем налипание обнаружено как на угловой кромке, так и на плоской.
увеличение х100
Рисунок 6. Смятие кромок угловой части поверхности пресс-формы
Между налипшим алюминием и материалом инструмента обнаружен диффузионный слой (рисунок 7), что и обуславливает высокую степень сцепления сплава с поверхностью вкладыша.
увеличение х500
Рисунок 7. Переходный слой между налипшим алюминием и металлом
пресс-формы
Полученные данные позволяют предполагать, что в рассматриваемой технологической ситуации главными причинами преждевременного выхода из строя деталей пресс-форм являются:
• недостаточная формостойкость, обусловленная повышенной твердостью и низкой пластичность поверхностного слоя за счет образование хрупких интерметаллидов алюминия;
• недостаточная термостойкость (термические трещины), обусловленная тем, что реальные напряжения при работе детали выше предела текучести материала детали при температуре эксплуатации.
Учет выявленных закономерностей и причин снижения ресурса пресс-форм обеспечит принятие обоснованных технологических решений и будет способствовать достижению повышенных показателей технико-экономической эффективности производственного процесса.
Исследование выполнено при поддержке грантов РФФИ (проекты № 17- 08-00593, 19-08-00232).
Список литературы
1. Позняк Л.А. Штамповые стали / Л.А. Позняк, Ю.М. Скрынченко, С.И. Тишаев. -М.: Металлургия, 1980. - 244 с.
2. Геллер Ю. А. Выбор стали для пресс-форм при литье под давлением алюминиевых сплавов / Ю. А. Геллер, Е. С. Голубева, Л. П. Павлова и др. // Литейное производство. 1969, №2. - 295 с.
3. Горюнов И.И. Пресс-формы для литья под давлением. Справочное пособие / И.И. Горюнов. - М.: Машиностроение, 1973. - 256 с.
4. Леванцевич М.А. Анализ причин выхода из строя формообразующих деталей пресс-форм машин литья под давлением / М.А.Леванцевич, Н.Н. Максименко ,
B.Н.Калач // Актуальные вопросы машиноведения. 2014, № 4. С. 284-287.
5. Коваленко В.А. Высокостойкие покрытия для пресс-форм литья под давлением цветных сплавов / В.А. Коваленко, Д.В.Коваленко // Литейное производство. 2001, №5.
C. 31-32.
6. Давиденко Н.Н. Необратимое формоизменение при циклическом тепловом воздействии / Н.Н. Давиденко, В. А. Лихачев. - М.: Машгиз, 1962. - 224 с.
7. Денисов П.Ю. Взаимодействие сплавов алюминия с материалами пресс-форм и повышение их стойкости функциональными покрытиям: дис. ... канд. техн. наук: защищена 23.12.2005 : утв. 11.06.2006 / Денисов Павел Юрьевич. - Тюмень, 2005. - 110 с.
8. Жуков А. А. Разработка и исследование высокохромистых сталей для пресс-форм литья под давлением / А.А.Жуков, О.В.Немтырев, Л.А.Хасанова // Заготовительные производства в машиностроении. 2017, т.15, №12. С. 566-572.
9. ГОСТ 19946-74. Пресс-формы для литья под давлением деталей из цветных сплавов. Технические условия; введ. 1975-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 2002. - 115с.
10. Лахтин Ю.М. Термическая обработка в машиностроении. Справочник / Ю.М.Лахтин, А.Г.Рахштадт. - М.: Машиностроение, 1980. - 783 с.
11. Лахтин Ю.М. Азотирование стали / Ю.М.Лахтин, Я.Д.Коган. - М.: Машиностроение, 1976. - 256 с.
12. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металловв и сплавов / А.Н.Миткевич. - М.: Машгиз, 1965. - 432с.
13. Лейкин А.Е. Материаловедение.Учебник для машиностр. спец. вузов / А.Е. Лейкин, Б.И.Родин. - М.: Высшая школа, 1971. - 146 с.
Kotelnikov Dmitry Vasilevich, undergraduate (e-mail: kotelnickow.d@yandex.ru) Samara State Technical University,Samara, Russia Yakubovich Efim Abramovich, Cand.Techn.Sci., associate professor (e-mail: eyakubovich@mail.ru) Samara State Technical University, Samara, Russia
ANALYSIS OF THE REASONS FOR PREMATURE EXIT FROM THE SYSTEM OF FORMING DETAILS OF PRESS-FORM FOR DIE-CASTING OF ALUMINUM ALLOYS
Abstract. The paper discusses the problems of low resistance of molds for producing parts from aluminum alloys by injection molding. The analysis of the microstructure of the working surfaces and the formation of hot cracks is performed. The main attention is paid to determining the causes of premature failure of the mold-forming parts of molds in the manufacture of pre-heater automobile heater bodies
Keywords: die-casting, press-form, press-form resistance, aluminum alloys, forming parts, heat treatment, nitriding
