Abstract:De zware ponsmatrijs voor de conische lagerrol van Cr12MoV-staal heeft een kortere levensduur. Het falen van deze matrijs is voornamelijk te wijten aan de zware slijtage van de vormholte, longitudinale en transversale uitzettingsbreuken, deuken om de hoek en het uiterlijk van een vermoeidheids-erosieput. Gebaseerd op de fundamenten van plastische vervorming, schudslijtage en vermoeiingsbreuk analyseerde de auteur de faalmechanismen van lichte plastische vervorming, knijpslijtage en knijpuitzettingsbreuk tijdens het werken. Er wordt geconcludeerd dat de beste manier om de levensduur te verlengen het gebruik van nieuwe matrijsmaterialen is, zoals harde legeringen en de nieuwe koudwerkmatrijs met hoge sterkte en taaiheid, afhankelijk van het matrijsontwerp en de gebruiksomstandigheden. Sleutelwoorden: koudsmeedmatrijs; faalmechanisme; manier van verbeteren
1.Invoering
GCr15 stalen gelagerde taps toelopende rollen worden gevormd door koude kop, ook wel koudstempelen genoemd. Momenteel wordt Cr12MoV-staal voornamelijk gebruikt als vormmal in China. Door de grote stempelkracht die tijdens het stempelproces op de mal wordt uitgeoefend, is de levensduur ervan relatief kort. Vroeger werden Cr12MoV-stalen mallen geblust op 1080 graden en getemperd op 520 graden, met een hardheid van 62 ~ 64HRC. Door de grote omvang en ongelijkmatige verdeling van carbiden in dit staal is het fenomeen van breuk en bezwijken ernstiger tijdens gebruik. De afgelopen jaren zijn veel fabrieken overgestapt op het behandelingsproces van 1040 graden afschrikken en temperen op middelmatige temperatuur, met een hardheid van 60-62HRC en een toename van de slagvastheid. Het breukverschijnsel is sterk verminderd en de levensduur is ongeveer tweemaal verlengd. Als we de conische rol van 18 mm als voorbeeld nemen, kon deze oorspronkelijk slechts 1700-2000 stuks ponsen, maar nu kan hij meer dan 4000 stuks ponsen, met een maximum van 10.000 tot 20.000 stuks. Het behoort echter nog steeds tot schimmels met een korte levensduur, wat niet alleen het schimmelverbruik verhoogt, maar, nog belangrijker, de productie-efficiëntie beïnvloedt. Vanwege het feit dat het materiaal van de taps toelopende rol GCr15-staal is met een relatief hoge hardheid (197-227HB), wordt het na het stansen van een cilindrische vorm naar een conische vorm omgezet, en hebben de bovenste en onderste uiteinden een vlakke bodem en in een cirkelvormige boogvorm gestempeld, waardoor het oppervlak van de vormholte tijdelijk bestand is tegen zware belasting en plaatselijke wrijvingskrachten. Volgens de ponsdruk kan deze meer dan 3000 MPa bereiken. Het probleem van de lage levensduur van Cr12MoV-stalen mallen is moeilijk op te lossen. Daarom doet de binnenlandse lagerindustrie actief onderzoek naar nieuwe vormmaterialen.
De belangrijkste uitingen van matrijsfalen zijn veranderingen in de grootte van de walsvorm en de vraag of de verwerking in koude kop normaal kan verlopen. Als de maat van de rolplano groter wordt, of zelfs de plano niet voldoende gevuld is (onder druk genoemd), of als de rolplano vervormd is of zelfs niet meer gestempeld kan worden vanwege vormscheuren of holtedefecten, wordt de mal ongeldig en gesloopt en er moet een nieuwe mal worden vervangen. Algemeen wordt aangenomen dat de toename van de holtegrootte voornamelijk wordt veroorzaakt door onvoldoende slijtvastheid van de mal, terwijl scheuren, instortingen en interne oppervlaktedefecten voornamelijk worden veroorzaakt door onvoldoende taaiheid. Het probleem is echter niet zo eenvoudig omdat er bij zware impactkracht naast sterke wrijving en slijtage ook microplastische vervorming optreedt, die er beide voor kunnen zorgen dat de vormholte groter wordt. Schimmelbreuk vertoont ook vermoeidheidsbreukkenmerken, die verband houden met zowel brosheid als het ontstaan en ontwikkelingsproces van scheurbronnen. Het ontstaan van interne defecten in de vormholte houdt ook verband met plastische vervorming en vermoeiingsbreuk.
2. Faalformulieren en krachtenanalyse
Na onderzoek van de bestaande mallen van Cr12MoV-staal in een bepaalde fabriek is gebleken dat er vijf hoofdsituaties van uiteindelijk falen zijn, zoals weergegeven in figuur 1: ① De maat van de malholte wordt groter en overschrijdt het toegestane foutbereik, waardoor de maat groter wordt. van de conische rolplano om de tolerantie te overschrijden, en zelfs onvoldoende vulling, resulterend in onderdruk, goed voor ongeveer 60%; ② De ontwikkeling van longitudinale scheuren in de mal resulteert in scheuren in de binnenwand van de malholte, ook wel uitzettingsscheuren genoemd, goed voor ongeveer 20%; ③ Circulaire breuk van de mal komt vooral voor bij individuele mallen, goed voor ongeveer 5%. Bij de meeste gespleten mallen treedt deze breuk doorgaans niet op; ④ Filet-instortingen of vermoeiingsputten, goed voor ongeveer 10%; ⑤ Andere scheuren, zoals materiaalterugtrekking of oppervlaktescheuren, zijn verantwoordelijk voor ongeveer 5%.
Fig.1(a)Foutvorm en positie van de matrijs
(b) foto van de uitzettingsfractuurmatrijs
Tijdens het koude kopproces van het vormen van conische rollen wordt de spanningssituatie van de matrijs weergegeven in figuur 2. De binnenwand van de matrijs wordt onderworpen aan de knijpkracht P, die een schuifspanning t vormt. De grootte van de schuifspanning houdt verband met de wrijvingskracht, en de verdeling van het oppervlak naar de binnenkant verandert geleidelijk, met een piekwaarde op het binnenoppervlak.
Fig.2 Schema van de krachtenverdeling van de koudsmeedmatrijs.
(a) de cirkelvormige schuifspanning (b) de verdeling van de schuifspanning in de werkoppervlaklaag (c) de krachten op de ronde hoek
De eerste situatie van matrijsfalen wordt veroorzaakt door twee redenen: slijtage en plastische vervorming. Tijdens het stempelen wordt het werkstuk onderworpen aan onmiddellijke extrusievervorming, die eerst optreedt aan het oppervlak van het licht convexe lichaam. Hoewel het oppervlak erg glad is, is er altijd een zekere ruwheid op het binnenoppervlak van de nieuwe mal, dat wil zeggen dat er micro-oneven oneffenheden zijn. Wanneer de druk 1000-3000MPa bereikt, is de spanning groter bij het enigszins convexe lichaam, wat leidt tot lokale plastische vervorming en aanzienlijke schuifspanning op een bepaalde diepte. Door het knijpeffect is er een kleine relatieve verplaatsing tussen het werkstuk en het oppervlak van de mal, vergelijkbaar met wrijvingsslijtage. Door de hoge positieve druk schuurt de knuppel van de bewerkte rol herhaaldelijk krachtig tegen het binnenoppervlak van de mal, waardoor slijtage ontstaat. Door de knijpwerking wordt de vormholte tevens onderworpen aan uitzettingskracht. Wanneer het werkstuk lokaal in contact komt met het matrijsoppervlak, kan de ongelijkmatige kracht de vloeigrens van Cr12MoV-staal overschrijden, wat resulteert in microplastische vervorming en een toename van de afmeting van de matrijsholte. De ringvormige verdieping in figuur 1b wordt veroorzaakt door plastische vervorming op het contactoppervlak van de gespleten mal.
Bovendien kan de warmte die wordt omgezet door de vervorming van de verwerkte rollen en de warmte die wordt gegenereerd door sterke wrijving lokaal de oppervlaktetemperatuur van de vormholte verhogen, waardoor instabiliteit in de oppervlaktestructuur van de vormholte ontstaat en deze gevoeliger wordt voor plastische vervorming en dragen.
De tweede en derde gevallen van schimmelfalen resulteren, als gevolg van de herhaalde werking van de omtrekskracht, in het lokaal ontstaan van scheuren, en de bron van de scheuren treedt vaak op in de oppervlaktelaag van blokvormige carbiden of insluitsels. Zodra er scheuren ontstaan, wordt de scheurvoortplanting hier, als gevolg van spanningsconcentratie, versneld, wat uiteindelijk leidt tot brosse breuk. Figuur 3 toont het schematische diagram van longitudinale scheurontwikkeling en breukfoto's. Als we de breukfoto's bekijken, ziet de scheurbron eruit als een cirkelvormige corrosieput. De scheurbron kan worden gevormd door het afpellen van grote carbiden of insluitsels, die na vorming waarschijnlijker aan het werkstuk zullen hechten of bijten, waardoor de scheurbron uitzet. Door de werking van wisselende slagkracht ontstaan er scheuren in zowel verticale als horizontale richtingen. Door het verschijnen van scheuren komt de omtrekkracht vrij, terwijl op andere posities geen nieuwe scheuren meer verschijnen. Daarom treedt er slechts één scheur op in een mal. De breukmorfologie vertoont quasi-splitsingskenmerken, en het breukoppervlak vertoont vermoeidheidsbreukkenmerken. Bovendien veroorzaakt de ongelijkmatige omtrekkracht op de mal een ongelijkmatige vervorming en uitzetting van de bovenste en onderste delen, wat leidt tot het ontstaan en de voortplanting van dwarsscheuren. Dwarsscheuren houden ook verband met ongelijkmatige koeling van de mal tijdens warmtebehandeling.
Fig. 3 (a) Foto van de breukmatrijs en (b) schets van de voortplanting van vermoeiingsscheuren
Het vierde geval van schimmelfalen is te wijten aan de momentane concentratie van drukspanning op de afgeronde hoek, tot 3000-4000 MPa, waardoor op dat punt een bepaalde diepte (ongeveer een paar) onder het oppervlak ontstaat μ Binnen m, aanzienlijke afschuiving Er ontstaat spanning, waardoor het materiaal meegeeft en een plastische vervormingszone ontstaat. Onder herhaalde spanning worden microscheuren parallel aan het oppervlak gegenereerd, die uiteindelijk instorting en contactvermoeidheidsputjes vertonen.
De vijfde situatie is in wezen vergelijkbaar met ②, ③ of ④, behalve dat de locatie waar vermoeiingsbreuk en instorting optreden anders is. Volgens de analyse van faalvormen zijn de belangrijkste faalmechanismen microplastische vervorming, wrijvingsslijtage en vermoeiingsbreuk.
Het microplastische vervormingsmechanisme wordt ook veroorzaakt door dislocatieslip. Begint vervorming met de kernvorming van nieuwe dislocaties of met de activering van bestaande dislocaties? Er zijn twee weergaven. De eerste suggereert dat plastische vervorming aanvankelijk verband houdt met de kiemvorming van nieuwe dislocaties, die zich kunnen vormen in kleine stappen van afzonderlijke atomen, korrelgrenzen, subkorrelgrenzen, enz. op het oppervlak; Het tweede gezichtspunt suggereert dat de eerste fase van plastische vervorming het gevolg is van de activering van bovenste dislocatiebronnen bij korrelgrenzen [1]. Daarom geeft de oppervlaktelaag van de mal prioriteit aan het optreden van dislocatieslip, waardoor microplastische vervorming ontstaat, die zich geleidelijk naar het interieur voortplant. Om de weerstand tegen microplastische vervorming te verbeteren, is het feitelijk noodzakelijk om obstakels te creëren voor de beweging van alle dislocaties. Ten eerste is het noodzakelijk om de wrijvingsweerstand van het rooster te vergroten. De effectieve legering van de vaste oplossing kan de roosterweerstand van dislocatiebewegingen verbeteren. Verschillende legeringselementen hebben verschillende effecten op de sterkte van de matrix. Si, W, Cr, Mo, V, etc. zijn allemaal effectieve versterkende elementen, vooral Si en W, die de vloeigrens aanzienlijk kunnen verbeteren. Uit onderzoek is gebleken dat er een elastische drempelwaarde bestaat voor de elastische grens, waaronder geen dislocatieslip kan optreden. Daarom kan het verhogen van de vloeigrens van materialen de vervormingsweerstandsenergie effectief verbeteren, vooral wanneer de maximale botsdruk constant is. Het verfijnen van de korrelgrootte en de martensitische transformatie-substructuur kan zowel de dislocatiedichtheid vergroten als de mate van vastzetten verbeteren. Aan de andere kant vormen dislocaties tijdens de verfijning van punten van hard verkoold materiaal dislocatieringen rond een reeks deeltjes. Wanneer de deeltjes sterk verspreid zijn, is de weerstand tegen microplastische vervorming maximaal.
Micro-slijtage is in de beginfase grotendeels vergelijkbaar met lijmslijtage. De relatieve beweging tussen het werkstuk en het matrijsoppervlak is heen en weer gaande. Na herhaaldelijk breken van de koude soldeerverbindingen van het micro-convexe lichaam neemt de neiging tot hechten geleidelijk af en gaat uiteindelijk over naar een stabiel stadium. In de steady-state-fase spelen zowel adhesie- als schurende slijtagemechanismen een rol, wat resulteert in delaminatie-slijtage aan het oppervlak. Over het algemeen geldt dat hoe hoger de hardheid van getemperd martensiet en carbide in de matrijsmatrix, hoe sterker de slijtvastheid. Bovendien kunnen ze, hoewel in het geval van glijslijtage, vooral in de aanwezigheid van schurende deeltjes, wanneer de grootte van de carbidedeeltjes groot is, stevig in de matrix worden ingebed om een grotere rol te spelen. Onder koude stempelomstandigheden is de afpelsnelheid van kleine carbiden als gevolg van extrusie echter relatief klein, en wordt de mate van slijtage grotendeels bepaald door de volumefractie en de hardheid van carbiden. Hoe groter de volumefractie van carbiden, hoe hoger de hardheid en hoe kleiner de mate van slijtage.
De scheurbron van brosse breuk en vermoeiingsscheuren wordt bij voorkeur gegenereerd door macroscopische defecten, en grove carbiden of insluitsels in Cr12MoV-staal kunnen de aanvangsplaats van de scheurbron zijn. De voortplantingssnelheid van scheuren houdt verband met de sterkte en taaiheid van getemperd martensiet, evenals met de grootte van carbiden. Hoe kleiner de grootte van carbiden, hoe hoger de breuktaaiheid van het materiaal en hoe langzamer de voortplantingssnelheid van de scheuren.
Ten slotte moet worden vermeld dat de warmte die wordt gegenereerd tijdens het stempelproces de oppervlaktetemperatuur van de mal verhoogt, wat het thermische activeringsproces versterkt, de dislocatiepinning ontspant en zelfs de hardheid van de matrix vermindert, waardoor slijtage en plastische vervorming toeneemt. Daarom moeten nieuwe materialen ook een goede weerstand tegen rebound hebben.
4. Toepassing van nieuwe vormmaterialen
Volgens faalanalyse zijn er vier hoofdvereisten voor de microstructuur en prestaties van vormmaterialen: ① hoge weerstand tegen plastische vervorming, ② hoge slijtvastheid, ③ hoge weerstand tegen vermoeidheidsbreuken, en ④ voor nieuwe staaltoepassingen is het noodzakelijk om koud werk te kiezen vormstaal met verfijnde carbiden, hoge volumefractieverhouding en hoge hardheid.
Voor kleine conische rollen is het redelijk om een mal van een harde legering te gebruiken. Vanwege de ultrahoge hardheid en hoge elasticiteitsmodulus van een harde legering heeft het een hoge slijtvastheid en weerstand tegen plastische vervorming, wat de nauwkeurigheid van de verwerkte onderdelen kan garanderen. De levensduur kan 10-20 keer zo hoog zijn als die van de originele Cr12MoV-stalen mal. Voor grote taps toelopende rollen kan de stempelmachine 160-250 ton bereiken, en het gebruik van mallen van harde legeringen kan voortijdig falen veroorzaken als gevolg van brosse breuk. De verlenging van de levensduur is onvoldoende om de stijging van de kosten te compenseren. Daarom is het noodzakelijk om nieuwe koudwerkende matrijsstaalsoorten met hoge sterkte en taaiheid te bestuderen.
We hebben de samenstelling van een nieuw type zeer sterk en nodulair matrijsstaal DM9 berekend op basis van fase-evenwichtsthermodynamica. Na smelt-, smeden-, wals-, warmtebehandeling-, microstructuur- en prestatiestudies is gebleken dat er vijf soorten carbiden zijn, M3C, M6C, M23C6, M7C3 en MC, in de gegloeide toestand van het staal. Vanwege de thermodynamische en kinetische verschillen in de kiemvorming, groei en oplossing van verschillende soorten carbiden in austeniet, kunnen de carbiden uniform worden verfijnd, met een gemiddelde grootte van 0.66 na uitgloeien μm. Gemiddelde grootte van het resterende carbide na afschrikken 0,5 μm. Het is 1/8-1/10 van de resterende carbidegrootte van Cr12MoV-staal. Door de toevoeging van Si en W naast Cr, Mo en V in de martensitische vaste oplossing versterkende elementen van DM9-staal, wordt de vloeigrens verhoogd vergeleken met Cr12MoV. Bovendien zijn er na warmtebehandeling meer carbiden met hoge hardheid M6C en MC, en is hun slijtvastheid ook hoog. Dit staal wordt toegepast op grote conische rolmallen en de levensduur is meer dan 2-3 maal die van het originele Cr12MoV-staal.
Tijdens het afschrik- en verwarmingsproces zijn M3C en M23C6 van DM9-staal gemakkelijker oplosbaar in austeniet, wat de vaste oplosbaarheid van austeniet bij lagere afschriktemperaturen effectief kan verbeteren. De grote hoeveelheid onopgeloste M6C en VC kan echter de graangroei effectief belemmeren. Daarom kan dit staal worden gebruikt voor afschrikken bij gemiddelde temperaturen en temperen bij lage temperaturen, en zijn de technische prestaties en het gebruikseffect beter dan Cr12MoV-staal.
2023 November 4eweekWBM-productaanbeveling:
Hoge chroomstalen ballen:
G5,G10,G16 Onze Chrome-bal produceert meestal volgens GBT 308.1-2013 en ISO 3290-1:2014-normen. De hardheid wordt aangepast op basis van uw behoefte.
https://www.bearingroller.com/rolling-elements/steel-ball/high-chrome-steel-balls.html
