CC BY
10
DOI: 10.47581/2021/SMTT/.6.38.08 ВЫБОР ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ВЫСАДКИ ЗАГОТОВОК ШАРОВ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ
Хамин Олег Николаевич, к.т.н., доцент (e-mail: out87@mail.ru) Иризбаева Екатерина Владимировна, студент (e-mail: katairizbaeva@gmail.com) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
В работе c использованием метода испытаний материалов на «циклическую» твердость осуществлен сравнительный анализ инструментальных сталей для холодной высадки заготовок шаров шарикоподшипников. Предложены критерии оценки циклической твердости, коррелирующие с результатами стойкостных испытаний формообразующих вставок хо-лодновысадочных штампов в реальных условиях.
Ключевые слова: холодная высадка, заготовки шаров, теплостойкость, усталостная прочность, инструментальные стали, циклическая твердость, оценочные критерии.
Холодная высадка шаров относится к наиболее тяжелонагруженным операциям холодной объемной штамповки, при которой высадочный инструмент (монолитный или сборный) работает в условиях сложнонапря-женного состояния и высоких удельных усилий. Гравюра штампа испытывает высокоинтенсивное температурно-силовое воздействие, численные параметры которого приближаются или даже превосходят показатели прочности инструментальных сталей, а также ресурс по теплостойкости [1].
При штамповке шаров важное значение приобретает требование стабильности размеров штамповок. Соответственно жестко регламентируется величина допустимой деформации гравюры штампов. Это обеспечивается , в первую очередь, высокой твердостью штампового материала при сохранении необходимого уровня его пластичности и вязкости.
Материал тяжелонагруженных штампов для холодного деформирования может испытывать значительное тепловое воздействие, которое нередко становится одной из основных причин его разупрочнения, когда температура разогрева превысит температуру отпуска. Так, при холодной штамповке шаров со скоростью деформации 16 с-1 и степени деформации 0,32, температура деформационного разогрева металла может достигнуть величины 130-180 0С. При этом на квазиустановившейся стадии процесса высадки шаров, с учетом производительности холодновысадочных автоматов, гравюра штампов будет разогреваться до температур, заметно более высоких, чем штампуемые заготовки, и в отдельных случаях достигает 250-300 0С [2]. Соответственно вопрос о теплостойкости инструменталь-
ных материалов в процессах холодной высадки является весьма актуальным.
Наряду с пластической деформацией гравюра холодновысадочных штампов испытывает интенсивное истирающее воздействие со стороны материала штампуемых заготовок шаров. Основное изменение размеров гравюры относится за счет накопления микропластической деформации ее контактных поверхностей. При этом наибольшие удельные усилия имеют место на участках гравюры пуансона и матрицы, прилегающих к зоне контакта цилиндрической заготовки с полусферой штамповочного ручья. На этих участках после определенного числа циклов штамповки наблюдается зона смятия гравюры, которая приводит к ее выбраковки.
Таким образом, инструментальные стали для холодновысадочного инструмента должны удовлетворять следующим основным требованиям:
- твердость более 60 единиц по шкале Роквелла;
- сохранять теплостойкость при температурах 200-300 0С;
- противостоять малым пластическим деформациям;
- иметь высокие показатели прочности при достаточном уровне пластичности и вязкости;
- способность выдерживать циклические нагрузки в условиях всестороннего сжатия;
- обладать необходимым комплексом технологических свойств (обрабатываемость резанием, давлением, закаливаемость и прокаливаемость, минимальная склонность к деформациям и т.п.).
В настоящее время группа штамповых сталей, предназначенная для холодного деформирования, включает большое число марок, которые различаются по химическому составу, структуре и эксплуатационным свойствам.
По химическому составу стали подразделяются на высокоуглеродистые, низколегированные, высокохромистые, комплекснолегированные [3].
Высокоуглеродистые инструментальные стали (У8А-У12А) обладают рядом особенностей: низкая прокаливаемость (от 5 до 12 мм в зависимости от охлаждающей среды); пониженная закаливаемость (не более 56 HRC в сечении более 30 мм); чувствительность к перегреву (перегрев на 10-20 0С снижает показатели прочности более, чем на 20 %); образование пластинчатого перлита после отжига (ухудшает обрабатываемость резанием); образование карбидной сетки вследствие перегрева и замедленного охлаждения при ковке; образование закалочных трещин. Вместе с тем для них характерны: низкая температура закалки; низкая прочность и твердость в отожженном состоянии; хорошая обрабатываемость резанием и давлением; чистая поверхность после закалки.
Низколегированные стали (11Х, 9ХС, 9ХС, ХВГ, 4ХВ2С и др.) по сравнению с высокоуглеродистыми сталями имеют повышенную прокаливае-мость и получают более высокие показатели прочности и твердости после термической обработки.
Высокохромистые (Х12М, Х12Ф1 и т.п.) и комплекснолегированные стали имеют высокую прокаливаемость. Кроме того, эти стали обладают хорошим сочетанием механических и технологических свойств. В частности при высокой твердости они имеют достаточно высокие показатели вязкости, сохраняют низкую величину деформации при термической обработке. Указанные свойства комплекснолегированных сталей создают целесообразность выделить их в самостоятельные классификационные группы [4]: с умеренным сопротивлением пластической деформации; с повышенным сопротивлением пластической деформации; стали повышенной вязкости.
К сталям с умеренным сопротивлением пластической деформации относятся стали: типа ХВСГ, 7ХГ2ВМ (обычной износостойкости); Х6ВФ, Х12М, Х12Ф1 (повышенной износостойкости); типа Х12Ф3, ХГ2Ф4 (высокой износостойкости).
Стали с высоким сопротивлением пластической деформации: 8Х4В2С2МФ, 6Х4В7ФМ и т.п. (полутеплостойкие с обработкой на вторичную твердость); быстрорежущие стали Р12, Р6М5.
Стали повышенной вязкости: 4ХВ2С, 6ХС, 6Х3ВС.
Исходя из условий эксплуатации холодновысадочного инструмента и проведенного анализа по инструментальным сталям для холодного деформирования в настоящей работе в качестве исследуемых сталей для изготовления формообразующих вставок для штамповки заготовок шаров выбраны следующие стали: ШХ15 (базовая сталь, наиболее часто используемая при холодной высадке деталей шарикоподшипников; 7ХГ2ВМ (ком-плекснолегированная сталь, обладающая высокой прокаливаемостью, малой деформацией при термической обработке, высокой прочностью и повышенной ударной вязкостью); 8Х4В2С2МФ (комплекснолегированная сталь, обладающая хорошим сочетанием механических, технологических и эксплуатационных свойств).
В настоящей работе, исходя из перечисленных выше требований к материалам для холодновысадочных штампов, для оценки их сравнительной работоспособности использована методика испытаний материалов на «циклическую» твердость. Сущность методики заключается в измерении диаметра отпечатка, полученного в результате воздействия алмазного ин-дентора на исследуемый материал после различного числа циклов нагру-жения при температурном воздействии на материал [5].
Методика основана на базе идеи о значительной информативности характеристик «циклической» твердости в отношении свойств материалов. Так согласно Давиденкову Н.Н., твердость является вторичной характеристикой металлических материалов, зависящей от основных характеристик механических свойств, определяемых при растяжении, и соответственно содержит всю информацию о свойствах сталей. Так, например, найдены соотношения между максимальным диаметром отпечатка, полученным на прессе ТШ-2 (измерение твердости по Бринеллю) при циклическом вдав-
ливании шарика, и некоторыми механическими характеристиками конструкционных сталей. Однако, использование этой схемы нагружения для инструментальных материалов встречает определенные трудности. Во-первых, материал шарика-индентора. Твердость исследуемых в работе инструментальных сталей близка или даже превосходит твердость закаленного индентора, а твердосплавные инденторы не являются достаточно прочными для длительных циклических нагружений в условиях различных температур. Во-вторых, испытания проводились при комнатной температуре и соответственно не учитывали вопросы теплостойкости материала. Следует также отметить, что для инструментальных сталей зависимости между максимальным диаметром отпечатка шарикового индентора и механическими характеристиками сталей будут иметь характер, существенно отличный от зависимостей для конструкционных сталей.
В настоящей работе для реализации циклического нагружения использована испытательная установка, собранная на базе твердомера ТК-2М со стандартным алмазным индентором с подогревом исследуемого материала. Схема установки и принципиальная электрическая схема узла подогрева образцов представлены на рис. 1.
Головка 1 твердомера через алмазный конус 3 воздействует стандартным усилием в 150 кгс на образец 5, который вместе со специальной подставкой 6 помещены в малогабаритную электропечь с нихромовым нагревателем 2, расположенным в цилиндрических пазах футеровки 4 печи. Подставка 6 опирается на опору 7, которая перемещается по вертикали с помощью регулировочного винта 8.
Для поддержания постоянной температуры образца электропечь R (рис. 1б) питается от сети через автотрансформатор. Измерение температуры образцов производилось с помощью приваренной разобщенной термопары, термоэлектроды которой располагались в отверстиях подставки 6.
На каждом образце, представляющем собой цилиндр диаметром 25 мм и высотой 10 мм, фиксировались отпечатки после 1, 5, 10, 20, 40 и 60 циклов нагружения. Все исследованные в работе образцы в процессе испытаний находились в одинаковых температурных условиях (температура нагрева составляла 220 0С, что соответствовало средней температуре разогрева гравюры холодновысадочных штампов для штамповки заготовок шаров).
Максимальное число циклов нагружения было выбрано на основе предварительных исследований, которые показали, что после 60 циклов нагру-жения диаметр отпечатка для сталей практически не изменялся.
Измерение послециклического диаметра отпечатка производили на микроскопе ММУ-3 при увеличении Х200. Цена деления измерительной шкалы окуляра составляла 6,48 мкм/дел. Диаметр каждого отпечатка измерялся в трех направлениях и фиксировалось его среднее значение. Для каждой марки инструментальной стали испытывали по 10 образцов. Все образцы подвергались термической обработке по базовым рекомендуемым режимам для каждой стали.
Р
а)
ДТ
б)
Рис. 1. Схема установки для проведения испытаний на «циклическую» твердость (а) и принципиальная электрическая схема узла подогрева (б): 1 - головка твердомера; 2 - спиральный нагреватель; 3 - алмазный конус; 4 - футеровка электропечи; 5 - образец; 6 - подставка; 7 - регулировочный винт
С методической точки зрения наиболее важным представляется обоснованный выбор оценочных параметров (критериев) «циклической» твердости. В работе [5] в качестве критерия оценки предложена величина
У=(ё6о - ё1)-ё6о/60, мкм /цикл, (1)
где ёбо - диаметр отпечатка после 60 циклов нагружения, мкм; - диаметр отпечатка после первого цикла нагружения, мкм.
С физической точки зрения критерий согласно зависимости (1) пропорционален средней величине приращения отпечатка за один цикл на-гружения в интервале от 1 до 60 циклов. Очевидно, что с точки зрения работоспособности, согласно принятому критерию, предпочтение следует отдавать сталям с минимальной величиной У.
Авторы настоящей работы с использованием аппарата анализа размерностей [6] получили оценочный критерий в виде
У1=(ё60 - йУ ёь (2)
Критерий У1 является безразмерным и оценивает степень разупрочнения материалов при циклическом нагружении по отношению к исходному состоянию. Согласно этому критерию, предпочтение следует также отдавать сталям с минимальной величиной У1.
В настоящей работе, с целью сравнения оценочных критериев У и У1, результаты измерения отпечатков после различных циклов нагружения подвергались обработке по зависимостям (1) и (2).
В таблице (1) приведены окончательные результаты по минимальным значениям оценочных критериев У и У1 во всем интервале циклического нагружения для исследованных сталей.
Таблица 1
Марка стали ШХ-15 7ХГ2ВМ 8Х4В2С2МФ
У, мкм2/цикл 186 191 56
У1 0,041 0,0623 0,0147
Из анализа результатов, представленных в таблице 1 видно, что наименьшими значениями оценочных критериев обладает сталь 8Х4В2С2МФ, а наибольшими - сталь 7ХГ2ВМ, сталь ШХ-15 занимает промежуточное положение.
Для экспериментальной проверки полученных в работе результатов из сталей марок ШХ-15 и 8Х4В2С2МФ был изготовлен штамповый инструмент для холодной высадки заготовок шаров диаметром % ". Из стали ШХ-15 изготовлены цельные полуматрицы, из стали 8Х4В2С2МФ были изготовлены вставки к полуматрицам. Результаты штамповки заготовок колец показали следующее: средняя стойкость полуматриц из стали ШХ-15 составила 22600 штамповок; средняя стойкость полуматриц со вставками из стали 8Х4В2С2МФ - 59800 штамповок.
Промышленные испытания показали, что стойкость полуматриц со вставками из стали 8Х4В2С2МФ в 2,8 раза выше, чем монолитных из стали ШХ-15. Результаты, представленные в таблице 1, показывают, что соотношения по оценочному критерию У для этих сталей составляет 3,3 раза, а по критерию У1 - 2,78 раза.
Таким образом, использование оценочных критериев, полученных на основе испытаний материалов на «циклическую» твердость, обеспечивает не только качественную, но и количественную корреляцию с результатами промышленных испытаний стойкости холодновысадочного инструмента. Соответственно метод оценки сопротивления инструментальных сталей циклическому вдавливанию и предложенные критерии для его оценки могут быть использованы для прогнозной оценки работоспособности штам-повой оснастки для тяжелонагруженных операций холодной объемной штамповки.
Список литературы
1. Воронцов А.Л. Теория и расчеты процессов обработки металлов давлением (в 2-х томах): Учебное пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. - 848 с.
2. Северденко В.П., Мурас В.С., Олендер Л. А. Штамповка шариков. - Минск: Наука и техника, 1972. - 207 с.
3. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. - М.: Металлургия, 1983. - 348 с.
4. Позняк Л. А., Скрынченко Ю.М., Тишаев С.И. Штамповые стали. - М.: Металлургия , 1980. - 243 с.
5. Натанзон М.Я., Хамин О.Н. Оценка сравнительной работоспособности инструментальных материалов для холодного деформирования методом «циклической» твердости: Сб. «Контактные и циклические задачи теплопроводности. Вопросы прочности и работоспособности инструментальных материалов. Вып. 2. - Куйбышев: КПтИ, 1977, с. 115-119.
6. Хамин О.Н. Моделирование силовых параметров нестационарных процессов обработки давлением // Современные материалы, техника и технологии (научно-практический журнал). - 2019. - N 5 (26). - С. 202-217.
Khamin Oleg Nikolaevich, candidate of technical Sciences, associate Professor Samara State Technical University, Samara, Russian Federation(E-mail: out87@mail.ru) Irizbaeva Ekaterina Vladimirovna, student Samara State Technical University, Samara, Russian Federation(E-mail: katairizbaeva@gmail.com)
SELECTION OF INSTRUMENTAL STEELS FOR COLD DISEMBARKING BILLETS BALL BEARINGS
Abstract. In working using the method of testing materials on the "cyclic" hardness, a comparative analysis of instrumental steels was carried out for a cold landing of blanks of ball bearings. The criteria for estimating cyclic hardness, correlating with the results of the endless tests of the formative inserts of colder stamps in real conditions, are proposed.
Keywords: cold disembarkation, ballobs, heat resistance, fatigue strength, instrumental steel, cyclic hardness, assessment criteria.
