CC BY
10
УДК 621.794
А.А. Фомин, М.Е. Федосеев, П.А. Палканов, А. Аман, В.А. Кошуро, А.И. Шумилин
ИНДУКЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЬНЫХ ПУАНСОНОВ С МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ И ДИАГРАММЫ ПРЕДЕЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ДЛЯ СТАЛИ 45
Аннотация. В работе представлены результаты по влиянию упрочняющей индукци-оино-термической обработки образцов вытяж'ных штампов на их эксплуатационные характеристики. Показано, что наличие на поверхности инструментальной стали износостойкого циркон ийсодержащего покрытия повышает качество процесса вытяжки тонколистовой стали С45 (аналог конструкционной стали 45). При анализе экспериментальных диаграмм предельных деформаций установлено, что пуансоны из углеродистой стали УН с мет алл оке рам ичее /аш Zr(0) покрытием расширяют область вытяжки по основной компоненте деформации в] с 28-31 до 43-44% и по побочной компоненте деформации '¿2 с 23 до 26 % (области растяжения) и с -3 до -11% (области сжатия).
Ключевые слова: иидукционио-термическая обработка, меттл о керамическое покрытие, вытяж ной штамп, Оиаграмма предельных деформаций
А.А. Fomin, М.Е. Fedoseev, Р.А. Palkanov, A. Aman, V.A. Koshuro, A.I. Shumilin
INDUCTION-HEAT TREATMENT OF STEEL PUNCHES WITH CERAMIC METAL COATING AND STRESS-STRAIN DIAGRAMS FOR 45# STEEL
Abstract. Effects of induction-heat treatment of the drawing die samples on their operational characteristics are presented. As is demonstrated, cmii lability of wear-resistant zirconium coating over the instrument steel surface improves the drawing quality of the steel sheet C45 (an analogue of the structural steel 45). Analysis of the stress-strain test diagrams showed that the carbon UH steel punches with ceramic metal Zr (O) coalings expand the drawing area with the main strain component к 1 from 28-31 to 43-44%, and with the minor strain component '¿2 from 23 to 26% (in tensile regions) and from -3 to -11% (in compression areas).
Keywords: induction-heat treatment, ceramic metal coating, drawing die, stress-strain diagram
ВВЕДЕНИЕ
При металлообработке, в частности формоизменяющих операциях листовой штамповки, важно определить предельные деформации, которые может воспринимать металл [1,2]. Главной характеристикой, описывающей деформационную способность любого металла и сплава, является диаграмма предельных деформаций {Forming Limit Diagram) или FLD-диаграмма. Эта характеристика используется для прогнозирования формообразования тонколистового металла. Обычно для определения FLD-диаграммы используются методы Наказимы (Nakazima Test) и Марсиниака (Marciniak Test), в которых предусмотрено ис-
пользование пуансона с полусферической или плоской со скруглениями рабочей частью (зарубежный стандартно 12004-2:2008).
В системе «пуансон - листовой металл» необходимо обеспечить максимальную вытяжку при минимальных напряжениях без образования дефектов, например трещин, разрывов и складок (рис. I).
Известно, что для снижения усилия трения и улучшения характеристик вытяжки на поверхность стального штампового инструмента наносятся износостойкие покрытия, например нитридов, карбидов и карбонитридов, а также алмазоподобных пленок [3]. Однако есть экспериментальные результаты, согласно которым для повышения износостойкости и улучшения функциональных качеств металлообрабатывающего инструмента (сменных пластин режущего инструмента) можно использовать оксидные покрытия, в частности диоксида титана и циркония [4-6]. Для улучшения условий трения необходимо правильно выбрать смазочно-охлаждающую жидкость или использовать покрытие с твердой смазкой, например из дисульфидов металлов [2].
Рис. 1. Диаграмма предельных деформаций для определения вытяжной способности тонколистового металла: I - зона разрушения; II - недопустимое утонение: III - опасность возникновения разрывов;
IV - отсутствие дефектов: V - опасность возникновения складок; VI - возникновение складок: /7Х' - кривая предельных деформаций; основная и побочная компоненты деформаций
Таким образом, в данной работе исследуется твердость полученных металлокерамиче-ских ¿г(О) покрытий на стальных пуансонах и определяются диаграммы предельных деформаций по методу Наказимы при вытяжке тонколистовой конструкционной стали С45.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Стальные пуансоны диаметром 14 мм и радиусом полусферической части 7 мм, изготовленные из высокоуглеродистой инструментальной стали У8 (мас%: С - 0,76-0,83; 81 -0,17-0,33; Мп - 0,17-0,33; N1 - <0,25; 5 - <0,028; Р - <0,03; Сг - <0,2; Си - <0,25; Ге -остальное), подвергались индукционной закалке (от температуры 780-800°С) и среднему отпуску для обеспечения твердости 50-52 НИС. Для сравнения использовался стандартный пуансон, изготовленный из стали ОПЧ 1.3343 (зарубежный аналог быстрорежущей инструментальной стали Р6М5; мас%: С - 0,82-0,9; 81 <0,5; Мп - <0,5; N1 - <0,4; 8 - <0,025; Р - <0,03; Сг - 3,8-4,4; Мо - 4,8-5,3; \У - 5,5-6,5; V - 1,7-2,1; Со - <0,5; Ре - остальное) с твердостью рабочей части 62-64 НЯС без износостойкого покрытия.
Далее на поверхность экспериментальных образцов пуансонов, предварительно подготовленных шлифованием с обеспечением шероховатости 1(а 0,16, вакуумно-
£1 А
0
£2
конденсационным методом (магнетронным распылением на постоянном токе) было нанесено покрытие циркония (мишень изготовлена из циркония марки Э110) с толщиной около 800-810 нм.
Затем проводилась упрочняющая индукционно-термическая обработка (ИТО) для получения кислородно-насыщенного 2г(0) слоя с высокой твердостью (Рис. 2а). Температура обработки /'составила 400-450 и 500-550°С при продолжительной выдержке / = 5 мин. При большей температуре и продолжительности ИТО покрытия 2г(0) растрескивались, что исключало их использование в качестве износостойкого слоя для пуансонов.
Рис. 2. Общий вид процесса вытяжки: а - расположение пуансона 3 с Zr(O) покрытием в кварцевой камере 2 камеры для термической обработки с индуктором 1,6- расположение матрицы 6, хвостовика пуансона 5 и штока пресса 4 на гидравлическом прессе
Микротвердость Zr(O) покрытия на поверхности стальных пуансонов измерялась с применением твердомера «ПМТ-3» при нагрузке на алмазный индентор Виккерса равной 50 гс.
Тест на вытяжку (по методу Наказимы) предусматривал изготовление стальных дисков из стали С45 толщиной 1 мм, диаметром 44 мм и с диаметрально расположенными краевыми вырезами разного радиуса R от 0 до 20 мм. На поверхности дисков с помощью лазера со сканирующей системой делалась разметка в виде сетки с шагом 1,5 мм для последующего контроля деформации с применением анализатора геометрических параметров «АГПМ-6М».
Подготовленные образцы размещались в штампе, состоящем из верхней и нижней половин (рис. 26). Сменная часть соединялась с хвостовиком инструмента и устанавливалась в отверстие матрицы. Штамп в сборе располагался в гидравлическом прессе, который обеспечивал усилие не менее 10 тс. При испытании рабочее усилие не превышало 22 кН, которое изменялось в зависимости от формы стальных дисков и выбранного типа функционального слоя (покрытия). Проводимые испытания осуществлялись в условиях трения скольжения с применением смазочно-охлаждающей жидкости «Kerry KR-941» на основе полидиметил-силоксановой жидкости (<30%), алифатических углеводородов (>30%), нафтеновых и ароматических углеводородов (<10%).
Измеренные деформации наносились на диаграмму в виде кластера точек, через которые строилась кривая предельных деформаций (Forming Limit Curve) или FLC-кривая. Далее FLC-кривые наносились на один график для последующего сравнения функциональных характеристик пуансонов без покрытия и с износостойкими Zr(O) покрытиями.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ АНАЛИЗ
Микротвердость покрытий циркония характеризовалась умеренным значением около 420-450 HV. Полученное значение не достаточно для повышения износостойкости штампо-вого инструмента, поэтому практический интерес представляли покрытия после упрочняющей ИТО. В составе модифицированных покрытий помимо циркония фиксировалось возрастание концентрации кислорода (не менее 4-7 мол.%). Твердость Zr(O) покрытий достигла 670-700 HV, что эквивалентно 59-60 HRC. Твердость стальной основы имела сниженное значение относительно рабочего значения, что необходимо для определения влияния покрытия на качество вытяжки.
Полученное тонкое Zr(O) покрытие улучшало характеристики вытяжки, в частности предельная деформация превышала 40% по основной компоненте ej, 26% по побочной компоненте '¿2 в области растяжения и -11% - в области сжатия (рис. 3, кривая 3). Пуансон без покрытия имел сниженные характеристики для вытяжки, а именно S] и S2 не превышало 25% (рис. 3, кривая 1). Для области сжатия (левая полуплоскость диаграммы) хорошие результаты также отмечались у Zr(O) покрытий после ИТО (рис. 3, кривая 3,4).
40 45
£2, %
Рис. 3. Диаграммы предельных деформаций и РЬС-кривые для различных пуансонов: I - сталь 1.3343 (без покрытия): 2 - стаггь У8 с покрытием циркония; 3 - сталь У8 с Zr(0) покрытием (ИТО при Т = 400-450°С); 4 - сталь У8 с Zr(0) покрытием (ИТО при Г= 500-550°С)
Данные вытяжки, в частности РЬС-кривые, необходимо исследовать в комплексе с данными усилий вытяжки, которые определялись при анализе диаграмм растяжения. Усилия вытяжки также снижались при использовании пуансонов с покрытиями, подвергнутыми ИТО в среднем 0,5-1 кН.
ВЫВОДЫ
Таким образом, стальные пуансоны с Zr(0) покрытиями, полученными вакуумно-конденсационным методом (магнетронным распылением на постоянном токе) с последую-
щей индукционно-термической обработкой имеют высокую микротвердость 670-700 НУ (эквивалентно 59-60 НЯС) и улучшенные эксплуатационные характеристики.
Анализ ИЬО данных показал, что повышенная твердость и наличие умеренного содержания кислорода в составе циркониевых покрытий позволили расширить область бездефектной вытяжки конструкционной стали С45. Численные показатели процесса формообразования характеризовались относительными величинами, в частности возрастанием деформации в} по основной компоненте с 28-31 до 43-44% и деформации по побочной компоненте с 23 до 26% (в области растяжения) и с -3 до -11% (в области сжатия).
Научные результаты получены в рамках гранта Президента Российской Федерации Оля молодых докторов наук (проект Л±> МД-157.2019Я).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ma B.L., Wan M., ¡Vu X.1X, Cat Z.Ï., l)iao K.S., Han J.(J. Investigation on forming limit of advanced high strength steels (AHSS) under hot stamping conditions // Journal of Manufacturing Processes, 2017. V. 30. pp. 320-327.
2. Ma B., Yuan WWu X, Li X., Wan. M. Study on temperature distribution of HSS in hot FLD test // Applied Thermal Engineering, 2015. V. 89. pp. 144-155.
3. Pesch P., Sattel S., Woestmann S., Masarczyk P., Her den K., Stucky T., Martens A., Ulrich S., Hoi leek H. Performance of hard coated steel tools for steel sheet drawing // Surface and Coatings Technology, 2003. V. 163-164. pp. 739-746.
4. Fomin A., Fgorov /., Shchelkunov A., Fomina M., Koshuro V., Rodionov 1. Composite «1.2361 tool steel - Ti - Ti(>2» structure and its production by resistance welding with subsequent induction heat treatment // Composite Structures, 2018. V. 206. pp. 467^173.
5. Fomin A. Superhard titania coatings produced on titanium using induction heat treatment // Ceramics International, 2019. V. 45(7). pp. 8258-8264.
6. Fomin A. Functionally graded zirconium oxide coatings produced on zirconium using induction heat treatment // Composite Structures, 2019. V. 220. pp. 3 18-323.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Фомин Александр Александрович -
доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия», Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Aleksander A. Fomin -
Dr. Sc. (Engineering), Professor, Head: Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Федосеев Максим Евгеньевич -
аспирант Саратовского государственного
технического университета
имени Гагарина Ю.А.
Палканов Павел Алексеевич -
студент Саратовского государственного
технического университета
имени Гагарина Ю.А.
Maksim E. Fedoseev -
Postgraduate Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Pavel A. Palkanov -
Student, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Александр Аман -
Ph.D., руководитель R&D отдела компании «Vollmann Group», Германия
Alexander Aman -
Ph.D., Head of R&D Department, Vollmann Group, Germany
Кошуро Владимир Александрович -
кандидат технических наук, доцент Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Шумилин Александр Иванович -
кандидат технических наук, доцент Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Vladimir A. Koshuro -
PhD (Technical Science), Associate Professor, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Aleksander T. Shumilin -
PhD (Technical Science), Associate Professor, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 20.02.2(1 принята к опубликованию 15.03.20
