تجزیه و تحلیل شکست قالب های آهنگری سرد برای غلتک بلبرینگ و روش بهبود

خلاصه:قالب فورج سرد پانچ سنگین برای غلتک مخروطی بلبرینگ ساخته شده از فولاد Cr12MoV عمر مفید کمتری دارد. خرابی این قالب عمدتاً به دلیل سایش زیاد حفره قالب، شکستگی انبساط طولی و عرضی، فرورفتگی گوشه گرد و ظاهر شدن گودال فرسایشی خستگی است. نویسنده بر اساس مبانی تغییر شکل پلاستیک، سایش و شکستگی ناشی از خستگی، مکانیسم‌های شکست تغییر شکل خفیف پلاستیک، سایش فشرده و شکستگی انبساط فشرده را در طول کار تجزیه و تحلیل کرد. نتیجه گیری می شود که راه بهبود برای افزایش طول عمر استفاده از مواد قالب جدید مانند آلیاژهای سخت و قالب سرد جدید با استحکام و چقرمگی بالا با توجه به طراحی قالب و شرایط سرویس است. کلمات کلیدی: قالب سرد آهنگری. مکانیسم شکست؛ راه بهبود

1.معرفی

غلتک های مخروطی یاتاقان فولادی GCr15 توسط هدینگ سرد تشکیل می شوند که به آن مهر زنی سرد نیز می گویند. در حال حاضر، فولاد Cr12MoV عمدتا به عنوان قالب در چین استفاده می شود. به دلیل نیروی مهر زنی سنگینی که در طی فرآیند مهر زنی به قالب وارد می شود، عمر مفید آن نسبتاً کوتاه است. در روزهای اولیه، قالب های فولادی Cr12MoV در دمای 1080 درجه خاموش و در دمای 520 درجه با سختی 62 تا 64 HRC خنک می شدند. به دلیل اندازه زیاد و توزیع نابرابر کاربیدها در این فولاد، پدیده شکستگی و فروپاشی در هنگام استفاده شدیدتر است. در سال‌های اخیر، بسیاری از کارخانه‌ها به فرآیند تصفیه 1040 درجه و حرارت متوسط، با سختی 60-62HRC و افزایش چقرمگی ضربه روی آورده‌اند. پدیده شکستگی بسیار کاهش یافته است و عمر مفید آن حدود دو برابر افزایش یافته است. با در نظر گرفتن غلتک مخروطی 18 میلی متری، در ابتدا فقط می توانست 1700-2000 قطعه را پانچ کند، اما اکنون می تواند بیش از 4000 قطعه را با حداکثر 10000 تا 20000 قطعه پانچ کند. با این حال، هنوز هم متعلق به قالب های کوتاه مدت است که نه تنها مصرف قالب را افزایش می دهد، بلکه مهمتر از آن، راندمان تولید را تحت تأثیر قرار می دهد. با توجه به اینکه جنس غلتک مخروطی از فولاد GCr15 با سختی نسبتاً بالا (197-227HB) است، پس از مهر زنی از حالت استوانه ای به شکل مخروطی در می آید و انتهای بالایی و پایینی آن ته صاف است و به شکل قوس دایره ای کوبیده می شود و باعث می شود که سطح حفره قالب به طور لحظه ای در برابر ضربه بار سنگین و نیروهای اصطکاک موضعی مقاومت کند. با توجه به فشار پانچ، می تواند به بیش از 3000MPa برسد. حل مشکل عمر کم قالب های فولادی Cr12MoV دشوار است. بنابراین، صنعت بلبرینگ داخلی به طور فعال در حال تحقیق در مورد مواد قالب جدید است.

تظاهرات اصلی شکست قالب، تغییر در اندازه غلتک خالی و اینکه آیا پردازش سرد به طور معمول می تواند ادامه یابد. اگر اندازه غلتک بزرگتر شود یا حتی قسمت خالی به اندازه کافی پر نشده باشد (که تحت فشار نامیده می شود)، یا اگر به دلیل ترک های قالب یا عیوب حفره، رول خالی تغییر شکل داده یا حتی نمی تواند مهر و موم شود، قالب نامعتبر می شود و قراضه شده و قالب جدید باید تعویض شود. عموماً اعتقاد بر این است که افزایش اندازه حفره عمدتاً ناشی از مقاومت ناکافی در برابر سایش قالب است، در حالی که ترک‌ها، فروپاشی‌ها و نقص‌های سطح داخلی عمدتاً ناشی از چقرمگی ناکافی است. با این حال، مشکل به این سادگی نیست زیرا تحت نیروی ضربه سنگین، علاوه بر اصطکاک و سایش شدید، با تغییر شکل میکروپلاستیک نیز همراه است که هر دو می توانند باعث افزایش اندازه حفره قالب شوند. شکست قالب همچنین ویژگی‌های شکست خستگی را نشان می‌دهد که هم به شکنندگی و هم به فرآیند تولید و توسعه منابع ترک مربوط می‌شود. ایجاد عیوب داخلی در حفره قالب نیز با تغییر شکل پلاستیک و شکستگی ناشی از خستگی مرتبط است.

2. اشکال شکست و تجزیه و تحلیل نیرو

پس از بررسی قالب‌های موجود فولاد Cr12MoV در یک کارخانه مشخص، مشخص شد که پنج موقعیت اصلی شکست نهایی وجود دارد، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است: ① اندازه حفره قالب بزرگ‌تر می‌شود، از محدوده خطای مجاز فراتر می‌رود و باعث ایجاد اندازه می‌شود. غلتک مخروطی خالی بیش از تحمل، و حتی پر شدن کافی، و در نتیجه تحت فشار، حسابداری برای حدود 60٪. ② ایجاد ترک های طولی در قالب منجر به ایجاد ترک در دیواره داخلی حفره قالب می شود که به آن ترک های انبساط می گویند که حدود 20٪ را تشکیل می دهد. ③ شکستگی دایره ای قالب عمدتاً در قالب های فردی رخ می دهد که حدود 5٪ را شامل می شود. برای اکثر قالب های تقسیم شده، این شکست معمولاً رخ نمی دهد. ④ فروپاشی فیله یا چاله های خستگی، تقریباً 10٪. ⑤ سایر ترک‌ها، مانند برداشت مواد یا ترک‌های سطحی، تقریباً 5 درصد را تشکیل می‌دهند.

شکل 1(الف) شکل خرابی و موقعیت قالب

(ب) عکس قالب شکستگی انبساط

در طول فرآیند سرد شدن غلتک مخروطی، وضعیت تنش قالب در شکل 2 نشان داده شده است. دیواره داخلی قالب تحت فشار فشار P قرار می گیرد که تنش برشی t را تشکیل می دهد. بزرگی تنش برشی مربوط به نیروی اصطکاک است و توزیع از سطح به داخل به تدریج تغییر می کند و مقدار اوج آن در سطح داخلی است.

شکل 2 طرح توزیع نیرو در قالب آهنگری سرد.

(الف) تنش برشی دایره ای (ب) توزیع تنش برشی در لایه سطح کار (ج) نیروهای وارد بر گوشه گرد

اولین وضعیت شکست قالب به دو دلیل ایجاد می شود: سایش و تغییر شکل پلاستیک. در طول مهر زنی، قطعه کار در معرض تغییر شکل اکستروژن آنی قرار می گیرد که ابتدا در سطح بدنه کمی محدب رخ می دهد. اگرچه سطح بسیار صاف است، اما همیشه در سطح داخلی قالب جدید زبری خاصی وجود دارد، یعنی برجستگی های میکرو ناهموار وجود دارد. وقتی فشار به 1000-3000MPa می‌رسد، تنش در جسم کمی محدب بیشتر می‌شود که منجر به تغییر شکل پلاستیک موضعی و تنش برشی قابل‌توجه در عمق معین می‌شود. به دلیل اثر فشردن، جابجایی نسبی جزئی بین قطعه کار و سطح قالب وجود دارد که شبیه به سایش فرتینگ است. به دلیل فشار مثبت بالا، شمش غلتک فرآوری شده به طور مکرر به شدت به سطح داخلی قالب ساییده می شود و باعث سایش می شود. به دلیل اثر فشردن، حفره قالب نیز تحت نیروی انبساط قرار می گیرد. هنگامی که قطعه کار در تماس موضعی با سطح قالب قرار می گیرد، نیروی ناهموار می تواند از استحکام تسلیم فولاد Cr12MoV تجاوز کند که منجر به تغییر شکل میکروپلاستیک و افزایش اندازه حفره قالب می شود. فرورفتگی حلقوی در شکل 1b به دلیل تغییر شکل پلاستیک در سطح تماس قالب شکاف ایجاد می شود.

علاوه بر این، گرمای تبدیل شده توسط تغییر شکل غلتک های فرآوری شده و گرمای تولید شده توسط اصطکاک قوی می تواند به طور موضعی دمای سطح حفره قالب را افزایش دهد و باعث ناپایداری در ساختار سطحی حفره قالب شود و آن را مستعد تغییر شکل پلاستیک و پوشیدن.

موارد دوم و سوم شکست قالب، به دلیل اعمال مکرر نیروی محیطی، منجر به شروع موضعی ترک ها می شود و منبع ترک اغلب در لایه سطحی کاربیدهای بلوکی یا آخال ها رخ می دهد. هنگامی که ترک ها رخ می دهند، به دلیل تمرکز تنش، انتشار ترک در اینجا تسریع می شود و در نهایت منجر به شکستگی شکننده می شود. شکل 3 نمودار شماتیک توسعه ترک های طولی و عکس های شکستگی را نشان می دهد. با مشاهده عکس های شکستگی، منبع ترک به صورت یک گودال خوردگی دایره ای ظاهر می شود. منبع ترک ممکن است در اثر کندن کاربیدهای بزرگ یا اجزاء تشکیل شود که احتمال چسبیدن یا گاز گرفتن آنها با قطعه کار پس از تشکیل بیشتر است و باعث انبساط منبع ترک می شود. با اعمال نیروی ضربه متناوب، ترک ها در هر دو جهت عمودی و افقی ایجاد می شوند. ظاهر ترک ها نیروی محیطی را آزاد می کند، در حالی که ترک های جدید دیگر در موقعیت های دیگر ظاهر نمی شوند. بنابراین، تنها یک ترک در قالب ایجاد می شود. مورفولوژی شکست ویژگی‌های شبه برش را نشان می‌دهد، و سطح شکستگی ویژگی‌های شکست خستگی را نشان می‌دهد. علاوه بر این، به دلیل نیروی محیطی ناهموار وارد بر قالب، باعث تغییر شکل و انبساط ناهموار قسمت های بالایی و پایینی می شود که منجر به شروع و انتشار ترک های عرضی می شود. ترک های عرضی نیز به سرد شدن ناهموار قالب در طی عملیات حرارتی مربوط می شود.

شکل 3(الف) عکس قالب شکستگی و (ب) طرحی از انتشار ترک های خستگی

مورد چهارم شکست قالب به دلیل تمرکز لحظه ای تنش فشاری در گوشه گرد، تا 3000-4000MPa است که باعث ایجاد عمق معینی (تقریباً چند) زیر سطح در آن نقطه μ در عرض متر، برش قابل توجهی می شود. تنش ایجاد می شود و باعث تسلیم شدن مواد و تشکیل ناحیه تغییر شکل پلاستیک می شود. تحت تنش مکرر، ریزترک‌های موازی با سطح ایجاد می‌شوند که در نهایت فروپاشی و حفره‌های خستگی تماس را نشان می‌دهند.

وضعیت پنجم اساساً مشابه ②، ③ یا ④ است، با این تفاوت که محل وقوع شکستگی و فروپاشی خستگی متفاوت است. با توجه به تجزیه و تحلیل اشکال شکست، مکانیسم‌های اصلی شکست عبارتند از تغییر شکل میکروپلاستیک، سایش فرتینگ و شکستگی ناشی از خستگی.

مکانیسم تغییر شکل میکروپلاستیک نیز در اثر لغزش دررفتگی ایجاد می شود. آیا تغییر شکل با هسته دررفتگی های جدید شروع می شود یا با فعال شدن دررفتگی های موجود؟ دو دیدگاه وجود دارد. مورد اول نشان می‌دهد که تغییر شکل پلاستیک در ابتدا به هسته‌زایی نابجایی‌های جدید مربوط می‌شود، که می‌توانند روی پله‌های کوچک تک اتم‌ها، مرزهای دانه، مرزهای زیردانه و غیره روی سطح ایجاد شوند. دیدگاه دوم نشان می دهد که مرحله اولیه تغییر شکل پلاستیک به دلیل فعال شدن منابع نابجایی بالایی در مرزهای دانه است [1]. بنابراین، لایه سطحی قالب، وقوع لغزش نابجایی را در اولویت قرار می دهد و باعث تغییر شکل میکروپلاستیک می شود که به تدریج به داخل منتشر می شود. به منظور بهبود مقاومت در برابر تغییر شکل میکروپلاستیک، در واقع ایجاد موانع برای حرکت همه نابجایی ها ضروری است. ابتدا باید مقاومت اصطکاکی شبکه را افزایش داد. آلیاژسازی موثر محلول جامد می تواند مقاومت شبکه در حرکت نابجایی را بهبود بخشد. عناصر آلیاژی مختلف اثرات متفاوتی بر استحکام ماتریس دارند. Si، W، Cr، Mo، V و غیره همگی عناصر تقویت کننده موثر به ویژه Si و W هستند که می توانند به طور قابل توجهی استحکام تسلیم را بهبود بخشند. تحقیقات نشان داده است که یک مقدار آستانه الاستیک برای حد الاستیک وجود دارد که زیر آن نمی توان لغزش دررفتگی را آغاز کرد. بنابراین، افزایش مقاومت تسلیم مواد می تواند به طور موثر انرژی مقاومت در برابر تغییر شکل را بهبود بخشد، به ویژه زمانی که حداکثر فشار ضربه ثابت است. پالایش اندازه دانه و زیرساخت تبدیل مارتنزیتی می تواند هم تراکم نابجایی را افزایش دهد و هم درجه سنجاق را افزایش دهد. از طرف دیگر، در طی پالایش نقاط مواد کربنی شده سخت، نابجایی ها حلقه های نابجایی را در اطراف یک سری ذرات تشکیل می دهند. هنگامی که ذرات بسیار پراکنده هستند، مقاومت در برابر تغییر شکل میکروپلاستیک حداکثر است.

سایش میکرو عمدتا شبیه به سایش چسب در مرحله اولیه است. حرکت نسبی بین قطعه کار و سطح قالب بصورت رفت و برگشتی است. پس از شکستن مکرر مفاصل لحیم سرد بدنه ریز محدب، تمایل چسب به تدریج کاهش می یابد و در نهایت به مرحله پایدار منتقل می شود. در مرحله حالت پایدار، هر دو مکانیسم چسبندگی و سایش ساینده نقش دارند و در نتیجه ساییدگی لایه لایه روی سطح ایجاد می شود. به طور کلی، هر چه سختی مارتنزیت و کاربید تمپر شده در ماتریس قالب بیشتر باشد، مقاومت به سایش قوی‌تر است. علاوه بر این، اگرچه در مورد سایش کشویی، به ویژه در حضور ذرات ساینده، زمانی که اندازه ذرات کاربید بزرگ است، می توان آنها را به طور محکم در ماتریس قرار داد تا نقش بیشتری را ایفا کنند. با این حال، در شرایط مهر زنی سرد، سرعت لایه برداری کاربیدهای کوچک به دلیل اکستروژن نسبتاً کم است و میزان سایش تا حد زیادی توسط کسر حجمی و سختی کاربیدها تعیین می شود. هرچه کسر حجمی کاربیدها بیشتر باشد، سختی بالاتر و میزان سایش کمتر می شود.

منبع ترک شکستگی شکننده و ترک خستگی ترجیحاً بر روی عیوب ماکروسکوپی ایجاد می شود و کاربیدهای درشت یا آخال در فولاد Cr12MoV ممکن است محل شروع منبع ترک باشد. سرعت انتشار ترک به استحکام و چقرمگی مارتنزیت تمپر شده و همچنین به اندازه کاربیدها مرتبط است. هرچه اندازه کاربیدها کوچکتر باشد، چقرمگی شکست ماده بالاتر است و سرعت انتشار ترک کمتر می شود.

در نهایت لازم به ذکر است که گرمای تولید شده در طی فرآیند مهر زنی باعث افزایش دمای سطح قالب می شود که این امر باعث تقویت فرآیند فعال سازی حرارتی، شل شدن پین دررفتگی و حتی کاهش سختی ماتریس، افزایش سایش و تغییر شکل پلاستیک می شود. بنابراین، مواد جدید نیز باید مقاومت خوبی در برابر برگشت داشته باشند.

4. کاربرد مواد قالب جدید

با توجه به تجزیه و تحلیل شکست، چهار الزام اصلی برای ریزساختار و عملکرد مواد قالب وجود دارد: ① مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک، ② مقاومت در برابر سایش بالا، ③ مقاومت در برابر شکست در برابر خستگی بالا، و ④ برای کاربردهای فولادی جدید، انتخاب کار سرد ضروری است. فولاد قالب با کاربیدهای تصفیه شده، نسبت کسر حجمی بالا و سختی بالا.

برای غلتک های مخروطی با اندازه کوچک، استفاده از قالب آلیاژ سخت منطقی است. با توجه به سختی فوق العاده بالا و مدول الاستیک بالا آلیاژ سخت، دارای مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک است که می تواند دقت قطعات پردازش شده را تضمین کند. عمر مفید می تواند به 10-20 برابر قالب فولادی اصلی Cr12MoV برسد. برای غلتک‌های مخروطی با اندازه بزرگ، ابزار دستگاه مهر زنی می‌تواند به 160-250 تن برسد و استفاده از قالب‌های آلیاژی سخت می‌تواند باعث شکست زودرس به دلیل شکستگی شکننده شود. افزایش عمر مفید برای جبران افزایش هزینه کافی نیست. بنابراین مطالعه فولادهای قالب سرد جدید با مقاومت بالا و چقرمگی ضروری است.

ما ترکیب نوع جدیدی از فولاد قالب DM9 با مقاومت بالا و شکل‌پذیر را بر اساس ترمودینامیک تعادل فاز محاسبه کرده‌ایم. پس از ذوب، آهنگری، نورد، عملیات حرارتی، ریزساختار و مطالعات عملکرد، مشخص شد که پنج نوع کاربید M3C، M6C، M23C6، M7C3 و MC در حالت آنیل شده فولاد وجود دارد. با توجه به تفاوت‌های ترمودینامیکی و جنبشی در هسته‌زایی، رشد و انحلال انواع مختلف کاربیدها در آستنیت، می‌توان کاربیدها را به طور یکنواخت و با اندازه متوسط ​​0.66 پس از بازپخت میکرومتر تصفیه کرد. میانگین اندازه کاربید باقی مانده پس از خاموش کردن 0.5 میکرومتر. 1/8-1/10 اندازه کاربید باقیمانده فولاد Cr12MoV است. با توجه به افزودن Si و W علاوه بر کروم، مو و V در عناصر تقویت‌کننده محلول جامد مارتنزیتی فولاد DM9، حد تسلیم نسبت به Cr12MoV افزایش می‌یابد. علاوه بر این، پس از عملیات حرارتی، کاربیدهای سختی بالا M6C و MC بیشتری وجود دارد و مقاومت به سایش آنها نیز بالا است. این فولاد روی قالب های غلتکی مخروطی با اندازه بزرگ اعمال می شود و عمر مفید آن بیش از 2-3 برابر فولاد اصلی Cr12MoV است.

در طول فرآیند کوئنچ و حرارت دادن، M3C و M23C6 فولاد DM9 به راحتی در آستنیت حل می‌شوند، که می‌تواند به طور موثر حلالیت جامد آستنیت را در دمای پایین‌تر رفع کند. با این حال، مقدار زیادی از M6C و VC حل نشده می تواند به طور موثر مانع رشد دانه شود. بنابراین می توان از این فولاد برای کوئنچ با دمای متوسط ​​و تلطیف دمای پایین استفاده کرد و عملکرد فنی و اثر استفاده آن بهتر از فولاد Cr12MoV است.

2023 نوامبر 4هفتمهفتهتوصیه محصول WBM:

توپ های فولادی کروم بالا:

G5,G10,G16 توپ کروم ما معمولاً مطابق استانداردهای GBT 308.1-2013 و ISO 3290-1:2014 تولید می‌شود. سختی بر اساس نیاز شما سفارشی می شود.

https٪3a٪2f٪2fwww.bearingroller.com٪2ffrolling-elements٪2ffsteel-ball٪2fhigh-chrome-steel-balls.html