Сталь

Горячая штамповка заключается в деформации нагретой заготовки с помощью специального инструмента (штампа), в результате чего деформируемый металл заполняет полость штампа (струйку) в конфигурации, соответствующей форме будущей поковки.

Помимо высокой производительности, штамповка обеспечивает получение поковок с высокой точностью размеров. Он позволяет значительно сократить расход металла на изготовление деталей и снизить трудоемкость при последующей обработке металла резанием. Кроме того, штамповка обеспечивает высокое качество поверхности поковки, при этом исключается необходимость последующей резки всей поковки, а обрабатывается только та ее часть, которая будет соприкасаться с другими деталями.

В большинстве случаев для штамповки используется универсальное оборудование: молоты, прессы и горизонтально-ковочные машины.

В действующих кузнечно-штамповочных цехах штамповка на молотах занимает ведущее место по количеству выпускаемых поковок. Для горячей штамповки применяют паровоздушные молоты двойного действия (с массой питающих частей до 25 т), безвальные молоты (с энергией удара до 1,47 МДж) и частично молоты простого действия (с доской, канатом, тонкий стержень и др.)

Преимуществом молотов является возможность быстро и многократно деформировать заготовки в каждой канавке, что обеспечивает большие суммарные деформации (это особенно важно при заполнении значительных выступов на поковке). Множественные обжимы позволяют выполнять чрезвычайно энергоемкие операции.

Молотковые штампы в основном используются как цельные штампы. Конструктивно молотковые штампы выполнены только с одной плоскостью разъема. При штамповке на молотах применяют открытые и закрытые штампы.

Боек молота состоит из двух массивных блоков с хвостовыми опорами для клиновидного крепления. Верхняя часть штампа прикреплена к женщине, нижняя часть - к держателю штампа. Молотковые бойки работают в условиях очень высоких динамических нагрузок. Монтаж бойков должен быть надежным и простым.

Плашки типа «ласточкин хвост» крепятся с помощью клина и ключа.

Конкретные условия работы штампов определяются их назначением. Молотовые штампы для горячей штамповки работают в сложных условиях, создаваемых температурным и энергетическим режимом их работы. В процессе эксплуатации штампы испытывают высокие напряжения, вызванные деформирующими силами, обдуваемыми машиной (молотком, прессом). При контакте с металлом, нагретым до температур ковки (обычно 900 - 1250 ℃), нагревается и штамп.

Установлено, что в процессе работы нагрев штампа изменяется циклически, увеличиваясь при каждом ударе, и к концу ковки температура достигает 450℃ на глубине 0,5–1 мм от контактной поверхности в нижней части. (неподвижная) часть штампа и 300℃ в верхней (неподвижной) его части. Разница температур на рабочих поверхностях верхней и нижней частей штампов объясняется разной продолжительностью их контакта с горячей поковкой. Контакт с нижней частью штампа более продолжительный по времени, поэтому температура на его рабочей поверхности выше. Когда поковка застревает в штампе, время контакта увеличивается, а температура нагрева достигает 500 ℃ и более. Нагрев рабочих частей штампа в процессе эксплуатации до температур отпуска резко снижает их долговечность.

Сталь для штампов горячей штамповки должна удовлетворять следующим требованиям: иметь достаточную прочность при высоких температурах (для сохранения работоспособности штампа в условиях штамповки) и жаропрочность, необходимую для обеспечения прочности штампа при нагреве от заготовки; быть вязким для предотвращения разрушения и выкрашивания при ударных нагрузках и термостойким против образования горячих трещин в результате циклического нагрева и охлаждения штампа в процессе эксплуатации; обладают высокой износостойкостью для сохранения формы и размеров поковочной фигуры при повышенных температуре и трении и глубокой прокаливаемостью, что обеспечивает прочность глубоких слоев штампа при термообработке (что особенно важно для крупногабаритных штампов); иметь высокую красную твердость для стабильной стойкости к отпуску при горячей деформации, а залипание (установка) штампованным металлом минимально. Также желательно, чтобы штамповая сталь имела высокую теплопроводность, малую деформацию при термообработке и хорошую обрабатываемость.

Также предъявляются требования по недефицитности легирующих элементов, входящих в состав стали для штампов, и дешевизне.

Поскольку одна и та же сталь не может удовлетворить всем требованиям, ее выбирают в зависимости от конкретных условий конкретного штампа.

Боек паровоздушных и пневматических молотов изготавливают из легированной, инструментальной стали 5ХНМ - полужаростойкой повышенной вязкости. Наличие молибдена в стали 5ХНМ повышает жаропрочность, прокаливаемость и снижает склонность к обратимой отпускной хрупкости.

Химический состав (ГОСТ 5950-73)

Механические свойства

штамповки стали на

600 ℃

Ударная вязкость штамповых сталей

после отпуска при 500℃

В этой стали жаропрочность сочетается с теплостойкостью (термической усталостью), т. е. стойкостью против образования трещин, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации при многократном нагреве и охлаждении поверхностного слоя. Теплостойкость увеличивается с увеличением вязкости и пластичности и уменьшением коэффициента теплового расширения. Вязкость стали 3-4 кгс*м/см2 при твердости 42-46 HRS. Она несколько уменьшается с увеличением сечения. Прокаливаемость и прокаливаемость стали высокая. Сталь 5ХМН прокаливается полностью в сечениях до 400-500 мм; эта сталь используется для штампов со стороной до 500-600 мм. Механические свойства штамповочных сталей при комнатной температуре можно оценить следующими цифрами (после закалки и отпуска при 550 ℃).

Из стали этой марки изготавливают так называемые кубы, т. е. крупные поковки призматической формы (на одной из плоскостей которых вырезана фигура). После ковки кубы отжигают в печах непрерывного действия с роликовым подом, обеспечивающих равномерный нагрев, возможность всех видов отжига, высокий уровень механизации и автоматизации.

Критические точки, температура отжига и твердость стали 5ХМН.

Режим отжига изотермический. Поковки погружаются в печь при температуре 400 - 500 ℃. Сталь, нагретая выше верхней (или только нижней) критической точки, быстро остывает до температуры ниже точки А1 (600 - 650 ℃). При этой температуре назначают изотермическую выдержку 3-6 часов, необходимую для полного распада аустенита с последующим охлаждением на воздухе. Поскольку температуру легче контролировать, чем скорость охлаждения, такой отжиг дает более стабильные результаты. Преимущества изотермического отжига: сокращается время отжига, получается более однородная железисто-перлитная структура.

Для получения твердости, износостойкости и прочности штампы подвергают закалке и отпуску. Для защиты от окисления и обезуглероживания штампы покрывают обмазкой и устанавливают в печь. Для предотвращения образования значительных внутренних напряжений при неравномерном нагреве штампы необходимо нагревать медленно. Обычно при нагреве под закалку штампы загружают в печь с температурой не выше 650 ℃.

Температура отпуска на 20-40 ℃ выше точки Ac3 (820 ℃). Для штампов с наименьшей гранью (высотой) 200 мм при нагреве в электропечи принимают выдержку после загрузки в печь в течение 25 мин, нагрева до температуры закалки в течение 9 ч, выдержки при температуре закалки в течение 1,5 ч. часы. После выдержки при температуре закалки для снижения напряжения и деформации штампы охлаждают на воздухе до 750 - 780 ℃, очищают от изоляции, затем погружают в масло с температурой до 70 ℃. Штампы выдерживают в масле до тех пор, пока температура нагретой поверхности штампа не упадет до 200 - 150℃. HRC после закалки 57.1.

После закалки штампы сразу отпускают. Отпуск штампов снижает их твердость и снижает напряжение, возникающее в штампах в результате закалки. Закалочные напряжения в штампах настолько велики, что если после закалки штампы оставить без отпуска, в них некоторое время образуются трещины. Если закаленный штамп поместить в печь до температуры отпуска (500 ℃), поверхностные слои быстро нагреваются и разница между температурой поверхности и температурой ядра велика, в штампе могут появиться трещины. Поэтому после закалки штампы помещают в печь отпуска, нагретую до температуры не выше 400℃, а затем нагревают до заданной температуры отпуска (500℃).