Abstrakt:Das schwere Kaltschmiedegesenk für die Kegelrolle des Lagers aus Cr12MoV-Stahl hat eine kürzere Lebensdauer. Der Ausfall dieser Matrize ist hauptsächlich auf den starken Verschleiß des Formhohlraums, Längs- und Querdehnungsbrüche, Dellen an den Ecken und das Auftreten von Ermüdungsgruben zurückzuführen. Basierend auf den Grundlagen der plastischen Verformung, des Wackelverschleißes und des Ermüdungsbruchs analysierte der Autor die Versagensmechanismen der leichten plastischen Verformung, des Quetschverschleißes und des Quetschdehnungsbruchs während der Arbeit. Daraus wird geschlossen, dass die Verbesserung der Lebensdauer durch den Einsatz neuer Matrizenmaterialien wie Hartlegierungen und der neuen Kaltarbeitsmatrize mit hoher Festigkeit und Zähigkeit entsprechend der Matrizenkonstruktion und den Einsatzbedingungen erreicht werden kann. Schlüsselwörter: Kaltschmiedegesenk; Fehlermechanismus; Verbesserungsweg
1.Einführung
GCr15-Stahllager-Kegelrollen werden durch Kaltstauchen, auch Kaltprägen genannt, geformt. Derzeit wird in China hauptsächlich Cr12MoV-Stahl als Formwerkzeug verwendet. Aufgrund der hohen Prägekraft, die beim Prägevorgang auf die Form ausgeübt wird, ist ihre Lebensdauer relativ kurz. In der Anfangszeit wurden Cr12MoV-Stahlformen bei 1080 Grad abgeschreckt und bei 520 Grad angelassen, mit einer Härte von 62–64 HRC. Aufgrund der großen Größe und ungleichmäßigen Verteilung der Karbide in diesem Stahl ist das Phänomen des Bruchs und Zusammenbruchs während des Gebrauchs schwerwiegender. In den letzten Jahren sind viele Fabriken auf den Behandlungsprozess des Abschreckens bei 1040 Grad und des Anlassens bei mittlerer Temperatur umgestiegen, mit einer Härte von 60-62HRC und einer Erhöhung der Schlagzähigkeit. Das Bruchphänomen wurde stark reduziert und die Lebensdauer um etwa das Doppelte erhöht. Nehmen wir als Beispiel die 18-mm-Kegelwalze: Ursprünglich konnte sie nur 1700-2000 Teile stanzen, aber jetzt kann sie über 4.000 Teile stanzen, mit einem Maximum von 10.000 bis 20.000 Teilen. Allerdings gehört es immer noch zu den kurzlebigen Formen, was nicht nur den Formenverbrauch erhöht, sondern, was noch wichtiger ist, die Produktionseffizienz beeinträchtigt. Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei dem Kegelrollenmaterial um GCr15-Stahl mit einer relativ hohen Härte (197-227HB) handelt, wird es nach dem Stanzen von einer zylindrischen Form in eine konische Form gestaucht und die oberen und unteren Enden haben einen flachen Boden in eine Kreisbogenform gestanzt, wodurch die Oberfläche des Formhohlraums kurzzeitig starken Belastungen und lokal auftretenden Reibungskräften standhält. Je nach Stanzdruck kann er über 3000 MPa erreichen. Das Problem der geringen Lebensdauer von Cr12MoV-Stahlformen ist schwer zu lösen. Daher forscht die heimische Lagerindustrie aktiv nach neuen Formmaterialien.
Die Hauptsymptome eines Formversagens sind Veränderungen in der Größe des Walzenrohlings und die Frage, ob die Kaltstauchbearbeitung normal ablaufen kann. Wenn die Größe des Walzenrohlings größer wird oder der Rohling nicht ausreichend gefüllt ist (sogenannter Unterdruck) oder wenn der Walzenrohling deformiert ist oder aufgrund von Formrissen oder Hohlraumdefekten gar nicht mehr gestanzt werden kann, wird die Form ungültig und verschrottet und eine neue Form muss ersetzt werden. Es wird allgemein angenommen, dass die Zunahme der Hohlraumgröße hauptsächlich auf eine unzureichende Verschleißfestigkeit der Form zurückzuführen ist, während Risse, Einbrüche und innere Oberflächendefekte hauptsächlich auf eine unzureichende Zähigkeit zurückzuführen sind. Allerdings ist das Problem nicht so einfach, denn bei starker Aufprallkraft kommt es neben starker Reibung und Verschleiß auch zu mikroplastischen Verformungen, die beide zu einer Vergrößerung des Formhohlraums führen können. Formbruch weist auch Ermüdungsbrucheigenschaften auf, die sowohl mit der Sprödigkeit als auch mit dem Entstehungs- und Entwicklungsprozess von Rissquellen zusammenhängen. Die Entstehung interner Defekte im Formhohlraum hängt auch mit plastischer Verformung und Ermüdungsbruch zusammen.
2. Fehlerformen und Kraftanalyse
Bei der Untersuchung vorhandener Gussformen aus Cr12MoV-Stahl in einer bestimmten Fabrik wurde festgestellt, dass es fünf Hauptsituationen für den endgültigen Ausfall gibt, wie in Abbildung 1 dargestellt: ① Der Formhohlraum wird größer, überschreitet den zulässigen Fehlerbereich und verursacht die Größe Überschreitung der Toleranz des konischen Walzenrohlings und sogar unzureichende Füllung, was zu einem Unterdruck führt, der etwa 60 % ausmacht; ② Die Entstehung von Längsrissen in der Form führt zu Rissen an der Innenwand des Formhohlraums, die als Dehnungsrisse bezeichnet werden und etwa 20 % ausmachen; ③ Kreisförmiger Bruch der Form tritt hauptsächlich bei einzelnen Formen auf und macht etwa 5 % aus. Bei den meisten geteilten Formen tritt dieser Bruch im Allgemeinen nicht auf; ④ Filetkollaps oder Ermüdungsgruben, die etwa 10 % ausmachen; ⑤ Andere Risse, wie Materialabtrag oder Oberflächenrisse, machen etwa 5 % aus.
Abb.1(a) Fehlerform und Position der Matrize
(b)Foto des Stumpfes mit Expansionsbruch
Beim Kaltstauchprozess der Kegelwalzenumformung ist die Spannungssituation der Form in Abbildung 2 dargestellt. Auf die Innenwand der Form wirkt die Quetschkraft P ein, die eine Schubspannung t ausbildet. Die Größe der Scherspannung hängt von der Reibungskraft ab und die Verteilung von der Oberfläche nach innen ändert sich allmählich, mit einem Spitzenwert an der Innenoberfläche.
Abb.2 Schema der Kräfteverteilung des Kaltschmiedegesenks.
(a) die kreisförmige Scherspannung (b) die Verteilung der Scherspannung in der Arbeitsoberflächenschicht (c) die Kräfte auf die runde Ecke
Die erste Situation eines Formversagens wird durch zwei Gründe verursacht: Verschleiß und plastische Verformung. Beim Prägen erfährt das Werkstück eine augenblickliche Strangpressverformung, die zunächst an der Oberfläche des leicht konvexen Körpers auftritt. Obwohl die Oberfläche sehr glatt ist, weist die Innenfläche der neuen Form immer eine gewisse Rauheit auf, das heißt, es gibt mikrounebene Unebenheiten. Wenn der Druck 1000-3000MPa erreicht, ist die Spannung am leicht konvexen Körper größer, was zu einer lokalen plastischen Verformung und einer erheblichen Scherspannung in einer bestimmten Tiefe führt. Aufgrund der Quetschwirkung kommt es zu einer leichten Relativverschiebung zwischen Werkstück und Formoberfläche, die einem Reibverschleiß ähnelt. Durch den hohen Überdruck reibt der Barren der bearbeiteten Walze immer wieder stark an der Innenfläche der Form, was zu Verschleiß führt. Durch den Quetscheffekt wird auch der Formhohlraum einer Expansionskraft ausgesetzt. Wenn das Werkstück lokal mit der Formoberfläche in Kontakt kommt, kann die ungleichmäßige Kraft die Streckgrenze von Cr12MoV-Stahl überschreiten, was zu mikroplastischer Verformung und einer Vergrößerung des Formhohlraums führt. Die ringförmige Vertiefung in Abbildung 1b entsteht durch plastische Verformung an der Kontaktfläche der geteilten Form.
Darüber hinaus kann die durch die Verformung der bearbeiteten Walzen umgewandelte Wärme und die durch starke Reibung erzeugte Wärme die Oberflächentemperatur des Formhohlraums lokal erhöhen, was zu einer Instabilität der Oberflächenstruktur des Formhohlraums führt und ihn anfälliger für plastische Verformungen macht tragen.
Der zweite und dritte Fall von Formversagen aufgrund der wiederholten Einwirkung von Umfangskräften führt zur lokalen Bildung von Rissen, und die Rissquelle liegt häufig in der Oberflächenschicht aus blockigen Karbiden oder Einschlüssen. Sobald aufgrund der Spannungskonzentration Risse entstehen, wird hier die Rissausbreitung beschleunigt, was letztendlich zu Sprödbruch führt. Abbildung 3 zeigt das schematische Diagramm der Längsrissentwicklung und Bruchfotos. Bei Betrachtung der Bruchfotos erscheint die Rissquelle als kreisförmige Korrosionsgrube. Die Rissquelle kann durch das Ablösen großer Karbide oder Einschlüsse entstehen, die nach der Bildung eher am Werkstück haften oder sich festsetzen, wodurch sich die Rissquelle ausdehnt. Durch die Einwirkung wechselnder Aufprallkräfte entstehen Risse sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung. Durch die Entstehung von Rissen wird die Umfangskraft freigesetzt, während an anderen Stellen keine neuen Risse mehr entstehen. Daher entsteht in einer Gussform nur ein einziger Riss. Die Bruchmorphologie weist Quasi-Spaltungseigenschaften auf und die Bruchoberfläche weist Ermüdungsbrucheigenschaften auf. Darüber hinaus kommt es aufgrund der ungleichmäßigen Umfangskraft auf die Form zu einer ungleichmäßigen Verformung und Ausdehnung der Ober- und Unterteile, was zur Entstehung und Ausbreitung von Querrissen führt. Querrisse hängen auch mit einer ungleichmäßigen Abkühlung der Form während der Wärmebehandlung zusammen.
Abb. 3(a) Foto des Bruchwerkzeugs und (b) Skizze der Ausbreitung von Ermüdungsrissen
Der vierte Fall eines Formversagens ist auf die augenblickliche Konzentration der Druckspannung an der abgerundeten Ecke von bis zu 3000-4000MPa zurückzuführen, die an diesem Punkt in einer bestimmten Tiefe (etwa einige wenige μ) unter der Oberfläche zu einer erheblichen Scherung führt Es entstehen Spannungen, die dazu führen, dass das Material nachgibt und eine plastische Verformungszone entsteht. Bei wiederholter Beanspruchung entstehen Mikrorisse parallel zur Oberfläche, die letztendlich zu Kollaps und Kontaktermüdungsfraß führen.
Die fünfte Situation ähnelt im Wesentlichen ②, ③ oder ④, außer dass der Ort, an dem Ermüdungsbruch und Kollaps auftreten, unterschiedlich ist. Nach der Analyse der Versagensformen sind die Hauptversagensmechanismen mikroplastische Verformung, Reibverschleiß und Ermüdungsbruch.
Der mikroplastische Verformungsmechanismus wird auch durch Versetzungsschlupf verursacht. Beginnt die Verformung mit der Entstehung neuer Versetzungen oder mit der Aktivierung bestehender Versetzungen? Es gibt zwei Ansichten. Der erste legt nahe, dass plastische Verformung zunächst mit der Entstehung neuer Versetzungen zusammenhängt, die sich auf kleinen Stufen einzelner Atome, Korngrenzen, Subkorngrenzen usw. auf der Oberfläche bilden können; Der zweite Standpunkt legt nahe, dass das Anfangsstadium der plastischen Verformung auf die Aktivierung oberer Versetzungsquellen an Korngrenzen zurückzuführen ist [1]. Daher hat die Oberflächenschicht der Form Vorrang vor dem Auftreten von Versetzungsschlupf, was zu mikroplastischen Verformungen führt, die sich allmählich ins Innere ausbreiten. Um den Widerstand gegen mikroplastische Verformung zu verbessern, ist es tatsächlich notwendig, Hindernisse für die Bewegung aller Versetzungen zu schaffen. Erstens ist es notwendig, den Reibungswiderstand des Gitters zu erhöhen. Die wirksame Legierung der festen Lösung kann den Gitterwiderstand der Versetzungsbewegung verbessern. Verschiedene Legierungselemente haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Festigkeit der Matrix. Si, W, Cr, Mo, V usw. sind wirksame Verstärkungselemente, insbesondere Si und W, die die Streckgrenze deutlich verbessern können. Untersuchungen haben gezeigt, dass es einen elastischen Schwellenwert für die Elastizitätsgrenze gibt, unterhalb dessen ein Versetzungsgleiten nicht eingeleitet werden kann. Daher kann eine Erhöhung der Streckgrenze von Materialien die Verformungswiderstandsenergie wirksam verbessern, insbesondere wenn der maximale Aufpralldruck konstant ist. Durch die Verfeinerung der Korngröße und der Martensitumwandlungsunterstruktur kann sowohl die Versetzungsdichte erhöht als auch der Grad der Verankerung erhöht werden. Andererseits bilden Versetzungen bei der Verfeinerung harter karbonisierter Materialpunkte Versetzungsringe um eine Reihe von Partikeln. Wenn die Partikel stark dispergiert sind, ist der Widerstand gegen mikroplastische Verformung maximal.
Der Mikroverschleiß ähnelt im Anfangsstadium hauptsächlich dem adhäsiven Verschleiß. Die Relativbewegung zwischen Werkstück und Formoberfläche erfolgt hin und her. Nach wiederholtem Aufbrechen der kalten Lötstellen des mikrokonvexen Körpers nimmt die Klebeneigung allmählich ab und geht schließlich in ein stabiles Stadium über. Im stationären Zustand spielen sowohl Adhäsions- als auch abrasive Verschleißmechanismen eine Rolle, was zu Delaminationsverschleiß an der Oberfläche führt. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Härte des angelassenen Martensits und Karbids in der Formmatrix, desto stärker ist die Verschleißfestigkeit. Obwohl im Fall von Gleitverschleiß, insbesondere in Gegenwart von abrasiven Partikeln, die Größe der Carbidpartikel groß ist, können sie fest in der Matrix eingebettet sein und eine größere Rolle spielen. Unter Kaltprägebedingungen ist jedoch die Ablösegeschwindigkeit kleiner Karbide aufgrund der Extrusion relativ gering, und das Ausmaß des Verschleißes wird weitgehend durch den Volumenanteil und die Härte der Karbide bestimmt. Je größer der Volumenanteil der Karbide ist, desto höher ist die Härte und desto geringer ist der Verschleiß.
Die Rissquelle für Sprödbruch und Ermüdungsriss entsteht vorzugsweise an makroskopischen Defekten, und grobe Karbide oder Einschlüsse in Cr12MoV-Stahl können der Ursprungsort der Rissquelle sein. Die Geschwindigkeit der Rissausbreitung hängt von der Festigkeit und Zähigkeit des angelassenen Martensits sowie von der Größe der Karbide ab. Je kleiner die Größe der Karbide ist, desto höher ist die Bruchzähigkeit des Materials und desto langsamer ist die Rissausbreitungsgeschwindigkeit.
Abschließend ist zu erwähnen, dass die beim Prägevorgang entstehende Wärme die Oberflächentemperatur der Form erhöht, was den thermischen Aktivierungsprozess verstärkt, die Versetzungsfixierung entspannt und sogar die Härte der Matrix verringert, den Verschleiß und die plastische Verformung erhöht. Daher sollten neue Materialien auch eine gute Rückprallbeständigkeit aufweisen.
4. Anwendung neuer Formmaterialien
Laut Fehleranalyse gibt es vier Hauptanforderungen an die Mikrostruktur und Leistung von Formmaterialien: ① hohe plastische Verformungsbeständigkeit, ② hohe Verschleißfestigkeit, ③ hohe Ermüdungsbruchfestigkeit und ④ für neue Stahlanwendungen ist es notwendig, Kaltarbeit zu wählen Formenstahl mit raffinierten Karbiden, hohem Volumenanteil und hoher Härte.
Für kleine Kegelrollen ist es sinnvoll, eine Hartlegierungsform zu verwenden. Aufgrund der ultrahohen Härte und des hohen Elastizitätsmoduls der Hartlegierung weist sie eine hohe Verschleißfestigkeit und plastische Verformungsbeständigkeit auf, was die Genauigkeit der verarbeiteten Teile gewährleisten kann. Die Lebensdauer kann das 10-20-fache der ursprünglichen Cr12MoV-Stahlform erreichen. Bei großen Kegelrollen kann die Stanzmaschine ein Gewicht von 160-250 Tonnen erreichen, und die Verwendung von Hartlegierungsformen kann zu vorzeitigem Ausfall aufgrund von Sprödbruch führen. Die Erhöhung der Lebensdauer reicht nicht aus, um den Kostenanstieg auszugleichen. Daher ist es notwendig, neue Kaltarbeitsstähle mit hoher Festigkeit und Zähigkeit zu untersuchen.
Wir haben die Zusammensetzung eines neuen Typs von hochfestem und duktilem Gesenkstahl DM9 auf der Grundlage der Phasengleichgewichts-Thermodynamik berechnet. Nach Schmelz-, Schmiede-, Walz-, Wärmebehandlungs-, Mikrostruktur- und Leistungsstudien wurde festgestellt, dass im geglühten Zustand des Stahls fünf Arten von Karbiden vorhanden sind: M3C, M6C, M23C6, M7C3 und MC. Aufgrund der thermodynamischen und kinetischen Unterschiede bei der Keimbildung, dem Wachstum und der Auflösung verschiedener Arten von Karbiden im Austenit können die Karbide gleichmäßig verfeinert werden, mit einer durchschnittlichen Größe von 0,66 nach dem Glühen μm. Durchschnittliche Größe des verbleibenden Karbids nach dem Abschrecken 0,5 μm. Sie beträgt 1/8-1/10 der verbleibenden Karbidgröße von Cr12MoV-Stahl. Aufgrund der Zugabe von Si und W zusätzlich zu Cr, Mo und V in den martensitischen Mischkristallverfestigungselementen von DM9-Stahl ist die Streckgrenze im Vergleich zu Cr12MoV erhöht. Darüber hinaus liegen nach der Wärmebehandlung mehr Karbide mit hoher Härte M6C und MC vor, und auch ihre Verschleißfestigkeit ist hoch. Dieser Stahl wird für großformatige konische Walzenformen verwendet und seine Lebensdauer ist mehr als 2-3-mal so hoch wie die des ursprünglichen Cr12MoV-Stahls.
Während des Abschreck- und Erwärmungsprozesses sind M3C und M23C6 von DM9-Stahl leichter in Austenit löslich, was die Feststofflöslichkeit von Austenit bei niedrigeren Abschrecktemperaturen effektiv verbessern kann. Allerdings kann die große Menge an ungelöstem M6C und VC das Kornwachstum wirksam behindern. Daher kann dieser Stahl zum Abschrecken bei mittlerer Temperatur und zum Anlassen bei niedriger Temperatur verwendet werden, und seine technische Leistung und Gebrauchswirkung sind besser als bei Cr12MoV-Stahl.
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