Обсуждение способов продления срока службы штампов горячей ковки для стали 5CrNiMo.
2026-05-08
Сталь 5CrNiMo обладает превосходной пластичностью и ударной вязкостью, хорошей ударопрочностью, высокой закаливаемостью и определенной устойчивостью к термической усталости. Поэтому, хотя она впервые была использована в качестве штамповой стали для горячей обработки в начале 1930-х годов, ее применение остается широким и сегодня. В настоящее время использование стали 5CrNiMo для штампов, изготовленных методом ковки, широко распространено в таких отраслях, как производство инструментов. Изготовление таких штампов обычно начинается с термообработки модуля для соответствия заданным техническим требованиям, а затем производится формирование полости штампа и паза типа «ласточкин хвост», в отличие от традиционной практики, когда сначала формируется полость штампа, а затем проводится термообработка. При условии гарантированного качества материала и соответствующей термообработки и механической обработки один штамп может заменить более десяти. Процесс включает в себя: после термообработки модуля производится механическая обработка полости штампа и паза типа «ласточкин хвост» (полость штампа обычно формируется с помощью электроэрозионной обработки). Когда кованая заготовка достигает заданного целевого значения (часто более 10 000 штампов, в зависимости от формы, размера и характеристик заготовки) или полость штампа сильно повреждена, поверхностный слой полости штампа может быть удален, и может быть открыта новая полость штампа (паз не обрабатывается) для дальнейшего использования. В нормальных условиях новую полость пресс-формы можно открывать более десяти раз, что значительно продлевает срок службы пресс-формы. Однако, если материал, термообработка, технология обработки или условия эксплуатации не соответствуют норме, пресс-форма может быть выброшена после обработки всего одного или двух слоев. Например, однажды мы предоставили пользователю два комплекта штампов для гвоздодеров из стали 55 (S55C). После обычной термообработки только поверхностный слой (или первый и второй слои) полости пресс-формы достиг заданного целевого значения. Последующие нижние слои полости пресс-формы сильно растрескались и разрушились всего после нескольких тысяч ковок, что сделало их непригодными для использования. Это указывает на то, что эти два комплекта ковочных штампов не обладали достаточной прочностью и ударной вязкостью, а также имели низкую устойчивость к термической усталости. Анализ показал, что твердость поверхности штампа составляла 44-47 HRC (соответствующая твердость поверхности тайваньского материала для штампа составляла 42-43 HRC), микроструктура была неравномерной, наблюдался слегка крупнозернистый закаленный троостит, а также композиционная сегрегация и неравномерный размер зерен после ковки.
Рассматривая факторы отказов пресс-форм и их процентное соотношение [1] (Таблица 1), отказы, вызванные материалом, ковкой и термообработкой, составляют 77,8% от общего числа.
В данной статье рассматриваются способы продления срока службы штампов для горячей ковки стали 5CrNiMo с точки зрения материала, ковки, термообработки, обработки и использования, а также предлагаются соответствующие меры.
1.
Материал (плавка, ковка)
К распространенным дефектам ковочных штампов относятся сегрегация элементов, дендритная сегрегация и полосчатая сегрегация, которые являются существенными причинами преждевременного выхода штампов из строя. Кроме того, сталь 5CrNiMo склонна к появлению белых пятен. Для продления срока службы штампов горячей ковки из стали 5CrNiMo можно предпринять следующие меры:
1.1 Дальнейшее снижение содержания включений и газов (особенно [H] и вредных элементов) в методе плавки. Использование плавки в электропечи + рафинирования в ковше (LF+VD) или электрошлаковой переплавки (ESn).
1.2 Сочетание нагрева при ковке с высокотемпературной гомогенизирующей обработкой значительно уменьшает дефект деформации.
1.3 В процессе ковки применяется многократный процесс осадки и вытяжки. При ковке модулей из стальных слитков выбираются коэффициенты осадки ≥2 и ковки ≥3, чтобы обеспечить сквозную ковку и уплотнение сердцевины ковочного штампа. Температура окончательной ковки и коэффициент ковки последней заготовки строго контролируются, чтобы избежать попадания деформации последней заготовки в критическую зону деформации.
1.4 После ковки применяется комбинированный процесс термообработки, который не только устраняет ковочные напряжения, снижает твердость и измельчает зерна, но и дополнительно обрабатывается диффузией водорода для предотвращения образования дефектов в виде белых пятен.
2.
Термическая обработка
Неправильные процессы и методы термообработки являются причиной значительной доли отказов пресс-форм (более 50%). Поэтому процесс термообработки, методы и требуемые технические условия имеют решающее значение для продления срока службы пресс-форм. Предлагаются следующие меры противодействия:
2.1 Технические требования (твердость)
Поверхность штампа для горячей ковки должна иметь соответствующую твердость. Если твердость слишком высока, это снизит значения Ak и KIc , тем самым уменьшив сопротивление термической усталости и сделав штамп склонным к хрупкому разрушению; если твердость слишком низка, полость штампа легко разрушится и износится.
Первоначальная малая штамповка (вес <1 т, высота <275 мм) требовала твердости поверхности штамповки от 42 до 47 HRC, а сейчас считается, что более подходящей является твердость от 39 до 42 HRC [2] (в зависимости от условий, разные спецификации и размеры поковок имеют разные требования). В настоящее время она обладает хорошей ударной вязкостью и трещиностойкостью, отвечающими требованию AK≥30 Дж/см² [3] .
2.2 Температура закалочного нагрева
Традиционная температура закалки для стали 5CrNiMo составляет 850–860 ℃ . Недавние исследования показывают, что повышение температуры закалки до 890–910 ℃ приводит к образованию пластинчатого мартенсита с остаточным аустенитом (по сравнению с игольчатым и пластинчатым мартенситом, получаемым с недостаточной ударной вязкостью после закалки в масле при 860 ℃). Кроме того, повышение температуры нагрева приводит к большему включению легирующих элементов в матрицу, что, следовательно, улучшает закаливаемость, прочность, ударную вязкость и термическую стабильность, замедляет образование трещин термической усталости и, таким образом, продлевает срок службы ковочных штампов. Однако крайне важно обеспечить, чтобы температура закалки не была чрезмерно крупной, предотвращая чрезмерное увеличение размеров зерен аустенита. Данные показывают, что закалка в масле при 900℃ приводит к размеру зерна 7–8 , а закалка в масле при 930℃ — к размеру зерна 6, что считается перегревом.
2.3 Закалка и охлаждение
Традиционный процесс закалки и охлаждения стали 5CrNiMo выглядит следующим образом: после термообработки предварительное охлаждение до 750–800℃ после извлечения из печи, закалка в масле при температуре 30–80℃ или в закалочном агенте на водной основе с аналогичными охлаждающими свойствами, а затем извлечение и воздушное охлаждение, когда поверхность формы достигнет несколько более низкой температуры. Некоторые производители, чтобы предотвратить растрескивание при закалке ковочных штампов в масле, часто используют более высокие температуры масла (250℃±). При этой температуре температура сердцевины формы высока, и мартенситное превращение еще не произошло. Если отпуск производится непосредственно в нагретом состоянии, аустенит в сердцевине превращается в верхний бейнит и другие структуры, что часто приводит к термической усталости или недостаточной прочности при высоких температурах во время эксплуатации, вызывая износ, разрушение, хрупкое излом, пластическую деформацию и преждевременное разрушение полости формы. Примером этого является форма для гвоздодера, упомянутая в данной статье.
Более эффективным подходом является ожидание, пока форма не будет охлаждена маслом до температуры поверхности 150–200 ℃ (при этом будет выделяться только синий дым без воспламенения) (или будет подвергнута сортировке и выдержана в нитрате при температуре 160–180 ℃), а затем помещение ее в изотермическую ванну (280–300 ℃) на 2–3 часа для получения многофазной структуры под мартенситом/бейнитом . Прочность и ударная вязкость многофазной структуры под мартенситом/бейнитом не только лучше, чем у однофазного мартенсита, но и лучше, чем у однофазного нижнего бейнита [5, 6] . Сообщается [7] , что при использовании этого процесса срок службы штампов для ковки зубчатых колес увеличился с 1500 циклов до более чем 5000 циклов.
Для модулей без литейных полостей, благодаря их простой форме и конструкции, а также гарантированному качеству материала и металлургическим характеристикам, конечная температура охлаждения может быть относительно низкой. Как правило, стержень можно охладить до определенной температуры ниже точки Ms, что способствует получению большего количества мартенсита для удовлетворения требований послойного раскрытия литейной формы при ковке.
Если позволяют условия, можно использовать процесс изотермического охлаждения с закалкой. После нагрева ковочного штампа его непосредственно изотермически нагревают в нитратной ванне при температуре 230–350℃ для получения структуры нижнего бейнита + мартенсита. [4] Во время изотермической закалки K IC увеличивается с повышением изотермической температуры. После отпуска значения K IC увеличиваются, причем наибольшее увеличение наблюдается при изотермической закалке при 230℃.
2.4 Закалка
Различные температуры отпуска следует выбирать в зависимости от требований к твердости поверхности штампа и паза типа «ласточкин хвост». Текущие требования к твердости поверхности штампа и паза типа «ласточкин хвост» для ковки приведены в таблице 2:
твердость поверхности штампа составляет 38-42 HRC при отпуске при 520-540 ℃ и 34-37 HRC при отпуске при 560-580 ℃ . Твердость паза типа «ласточкин хвост» составляет 34-37 HRC при отпуске при 620-640 ℃ и 30-35 HRC при отпуске при 640-660 ℃ . Фактическое значение твердости также зависит от таких факторов, как закалка и охлаждение, а также от размера штампа.
Ковочные штампы следует отпускать дважды, поскольку после закалки в микроструктуре остается некоторое количество остаточного аустенита. При первом отпуске остаточный аустенит превращается в мартенсит, а это превращение должно произойти при втором отпуске.
Кроме того, следует отметить, что второй отпуск необходимо проводить только после того, как первый отпуск остынет до комнатной температуры. Быстрое охлаждение после отпуска, как правило, желательно для получения более высокого значения Ak. Для уменьшения чрезмерного напряжения, вызванного быстрым охлаждением, следует провести второй низкотемпературный отпуск для снятия напряжений.
проявляет первоклассную хрупкость при отпуске при температуре 300-350 ℃ [8] , чего следует избегать.
2.5 Тестирование
Помимо стандартных проверок твердости и микроструктуры, после термообработки рекомендуется проводить ультразвуковой контроль штампов для горячей ковки.
Стандарт GB11880–89 устанавливает стандарты ультразвуковой дефектоскопии для горячеобрабатываемых пресс-форм. (1) Допускаются отдельные, рассеянные металлургические дефекты с эквивалентным диаметром не более Φ2 мм. (2) В пределах площади 100 см² допускается не более 3 металлургических дефектов с эквивалентным диаметром Φ4 мм, из которых допускается только 1 металлургический дефект с эквивалентным диаметром 3–4 мм. (3) Допускаются 2–4 плотных зоны металлургических дефектов меньшего диаметра, чем Φ2 мм, но каждая зона не должна превышать 10 см³, а расстояние между зонами должно быть не менее 150 мм. (4) Для модулей весом более 5 т, за исключением модулей различной длины (длинных полос), допускается один металлургический дефект с эквивалентным диаметром Φ6 мм. Было установлено, что модули, прошедшие ультразвуковую дефектоскопию до термообработки, превышают стандарт дефектоскопии после термообработки. Предполагается, что мелкие дефекты (включения, шлаковые включения, пористость и т. д.) в сырье дополнительно увеличиваются в процессе термической обработки, что должно привлечь внимание отрасли термической обработки. Именно поэтому зарубежные предприятия по обработке пресс-форм требуют от металлургических заводов предварительной закалки модулей.
3.
Процесс формования полости пресс-формы
Помимо правильного проектирования и использования корректных переходов скругления, процесс формования полости пресс-формы оказывает существенное влияние на срок службы этого типа штампов для горячей ковки.
Во-первых, при формировании полости формы следует обратить внимание на то, что направление линии потока металла модуля должно быть перпендикулярно направлению силы ковки. Как только максимальное растягивающее напряжение окажется перпендикулярным направлению линии потока, ковочная матрица будет склонна к раннему хрупкому растрескиванию [9] .
Во-вторых, следует обратить внимание на повреждения, вызванные электроэрозионной обработкой (ЭЭО) пресс-форм. Обработка пресс-форм с определенной твердостью часто включает послойное удаление старых полостей и создание новых, в основном, фрезерованием и ЭЭО. При использовании ЭЭО (сверление, формовка, проволочная резка) высокая температура и быстрое охлаждение, вызванные локализованной электрической дугой, могут привести к образованию белого модифицированного слоя, который по сути представляет собой переплавленный слой литых зерен. За ним следует вторичный закаленный слой (перегретый закаленный мартенсит + остаточный аустенит, с растягивающим напряжением приблизительно 800 МПа и микротрещинами) и отпускной слой. Этот белый модифицированный слой существенно влияет на срок службы пресс-формы. После ЭЭО белый модифицированный слой следует удалить механически (шлифовка и т. д.), а затем провести низкотемпературный отпуск (180–200 °C).
4.
Использование и техническое обслуживание
Техническое обслуживание и эксплуатация также имеют решающее значение для продления срока службы стали 5CrNiMo.
4.1 Перед использованием форму следует предварительно нагреть для повышения ее прочности. Это уменьшает температурный градиент и термическое напряжение на поверхности полости, предотвращая преждевременное растрескивание формы. Температура предварительного нагрева обычно составляет около 200 ℃ (некоторые используют около 250 ℃ ). Предварительный нагрев формы лучше всего проводить с помощью резистивной проволоки или нагрева в печи; избегайте нагрева полости формы раскаленной заготовкой.
4.2 Во время эксплуатации необходимо уделять должное внимание смазке, охлаждению и удалению окалины из полости пресс-формы. Строго запрещено крушить полость пресс-формы молотком при чрезмерно высоких температурах. Избегайте заклинивания пресс-формы, так как это приведет к резкому повышению температуры в полости пресс-формы, снижению ее твердости и, как следствие, к разрушению и деформации во время эксплуатации.
4.3 Во время периодической работы форму следует поддерживать в теплом состоянии, при этом температура выдержки обычно совпадает с температурой предварительного нагрева. После определенного периода эксплуатации формы следует провести промежуточную закалку для снятия напряжений, при этом температура может быть на 30-50℃ ниже первоначальной температуры закалки.
5.
Заключение
Благодаря применению вышеупомянутого ряда контрмер и вниманию к нескольким важным аспектам формирования, обработки, использования и обслуживания полости пресс-формы, штамп для горячей ковки из стали 5CrNiMo может удовлетворить требование пользователя о послойном открытии полости пресс-формы после однократной термообработки, что обеспечивает длительный срок службы.
