PL248419B1 - Sposób wytwarzania matryc kuźniczych - Google Patents

Abstract

Sposób polega na kolejnym wykonaniu operacji: kucia półwyrobu stalowej kostki matrycowej, ulepszenia cieplnego kostki, obróbce mechanicznej skrawaniem kostki według wymiarów projektu matrycy, obróbce skrawaniem wnęki wykroju według wymiarów powiększonych względem końcowego wykroju roboczego o około 6 do 10 mm i zaokrągleniu krawędzi, podgrzaniu kostki do temperatur rzędu 330+-20°C, napawaniu co najmniej trzema warstwami, każda o grubości do 2 mm, drutami proszkowymi samoosłonowymi lub elektrodami otulonymi, czyszczeniu każdej warstwy napoiny z żużla i utwardzaniu przez młotkowanie lub śrutowanie stalowymi kulkami, obróbce cieplnej wyżarzaniem odprężającym w temp. 360 do 420°C przez 5 – 10 h i następnie z kontrolowanym chłodzeniem z prędkością mniejszą niż 50°C/h i obróbce wnęki wykroju skrawaniem lub elektroerozyjnie do wymiarów roboczych. Sposób wyróżnia się tym, że kostkę matrycową wykonuje się z niskostopowej stali konstrukcyjnej do ulepszania cieplnego, o składzie zawierającym: 0,36 - 0,54% C, 0,4 - 0,9% Mn, 0,17 – 0,37% Si, 0,8 - 1,2% Cr i do 0,3% Ni, przy czym obróbkę cieplną kostki prowadzi się hartowaniem z temperatury 820 - 870°C w oleju hartowniczym a odpuszczanie w temperaturze 540 - 680°C do uzyskania twardości 32 - 36 HRC, natomiast napawanie wykonuje się drutami proszkowymi F-812, F-818, UTOP-38.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania matryc kuźniczych, narzędzi które w procesie prasowania na gorąco kształtują metalowe półwyroby przez odkształcenie plastyczne materiału.

Kucie matrycowe wywołuje intensywne, sprzężone oddziaływanie materiałów odkuwki i matrycy, zarówno na powierzchni i warstwach powierzchniowych wykroju roboczego, jak i w kostce matrycowej. Cykliczne zmiany temperatury powodują powstanie zmiennych naprężeń cieplnych związanych z gradientem temperatury oraz niejednorodnością własności fizykochemicznych składników strukturalnych stali. Ze zwiększeniem liczby cykli cieplnych następują zmiany strukturalne i obniżenie własności wytrzymałościowych z przekroczeniem temperaturowej wytrzymałości zmęczeniowej przez naprężenia cieplne i granicy plastyczności materiału kostki matrycowej. Matryca kuźnicza zużywa się podczas eksploatacji wskutek ścierania, korozji, zmęczenia cieplnego i odkształcenia plastycznego. Ściany wykroju roboczego narażone są na ubytkowe zużycie ścierne, co narzuca konieczność regenerowania ich przez napawanie i następną obróbkę cieplną wyżarzania odprężającego. Dotychczasowo, dla spełnienia tak trudnych warunków eksploatacji matryc kuźniczych stosowane są wysokostopowe stale narzędziowe do pracy na gorąco, zwłaszcza: 37CrMoV5-1, 55NiCrMoV7, 32CrMoV12-28, X40CrMoV5-1-1,

30CrMoV12-11 i X30WCrV9-3, które z uwagi na znaczący udział pierwiastków stopowych są bardzo kosztowne. Regeneracja matryc ze stali narzędziowych wysokostopowych wymaga - okresowego i po każdym napawaniu powierzchni roboczej wykroju - wykonania obróbki cieplnej, co w wyniku zmęczenia cieplnego i tworzącej się na powierzchni siatki pęknięć ogranicza ilość regeneracji do 3 max. 4.

Znanych jest bardzo wiele rozwiązań dotyczących technologii wytwarzania matryc kuźniczych, zwłaszcza ukierunkowanych na zwiększenie odporności na zużycie ścierne powierzchni i wierzchniej warstwy wykroju roboczego. Przykładowo w opisie wynalazku PL przedstawiony jest proces modyfikacji warstwy wierzchniej matrycy kuźniczej, której kostka matrycowa wykonana ze stopowej stali narzędziowej do pracy na gorąco X37CrMoV51, zawiera 4,8 do 5,5% Cr, i obrabiana jest cieplnie w temperaturze hartowania 980-1020°C oraz odpuszczania w 450-550°C. Po wstępnym podgrzaniu do temperatury 350°C wykonywany jest proces łukowego napawania powierzchni wykroju drutem proszkowym samoosłonowym, kilkoma warstwami napoin o grubości 2 do 5 mm i twardości większej od twardości materiału obrobionej cieplnie kostki matrycowej. Następnie matrycę poddaje się wyżarzaniu odprężającemu w temperaturze 500°C a wierzchnią powierzchnię napoiny oczyszcza oraz obrabia mechanicznie do wymiarów wykroju roboczego. Dodatkowo warstwę napoiny pokrywa się dyfuzyjną warstwę azotków o grubości większej od 150 mikrometrów.

Podobną technologię przedstawia opis DE19623148 C2, w którym po kuciu półwyrobu stalowej kostki matrycowej, ulepszeniu cieplnym kostki, obróbce mechanicznej skrawaniem kostki według wymiarów projektu matrycy, obróbce skrawaniem wnęki wykroju według wymiarów powiększonych względem końcowego wykroju roboczego o około 6 do 10 mm i zaokrągleniu krawędzi oraz podgrzaniu kostki do temperatur rzędu 400 ±20°C, dokonuje się napawania i kolejnej obróbki cieplnej, oczyszczenia i utwardzenia wykroju przez śrutowanie stalowymi kulkami oraz obróbkę skrawaniem do uzyskania końcowych wymiarów roboczych wykroju - a proces kończy węgloazotowanie. W opisanej technologii w sposób istotny wyróżniono komputerowe sterowanie urządzeń numerycznych CNC, w fazach projektowania CAD i przetwarzania na plan sterowania obrabiarki CAM.

W innym rozwiązaniu przedstawionym w opisie wynalazku EP3357601 B1 kostka matrycowa wykonana jest z wysokostopowej stali narzędziowej na bazie niklu, zawierającej 10,3-11 % W, 9-11 % Mo i 5,8-6,8% Al, a powierzchnia jej wykroju roboczego pokryta jest warstwą powłokową z materiału nieorganicznego azotków, tlenków oraz węglików Cr i Al.

Wynalazek przedstawiony w opisie US9393611 B2 dotyczy wzmacniania powierzchni wykroju roboczego w kostce matrycowej ze stali narzędziowej do pracy na gorąco, polega na napromieniowaniu wiązką elektronów wykroju i następnym azotonasiarczaniu powierzchni roboczej. Warstwa siarkowa ma grubość mniejszą od warstwy zmodyfikowanej przed azotowaniem i zawiera więcej związków siarki.

Stosowanie w kostkach matrycowych wysokostopowej stali narzędziowej do pracy na gorąco z pierwiastkami węglikotwórczymi Cr, Mo, W i V, które po procesie obróbki cieplnej zapewniają wysoką odporność na zużycie ścierne kształtując strukturę twardej osnowy martenzytu odpuszczonego i drobnodyspersyjnych węglików - stanowi o wysokich kosztach materiałowych jak i narzuca konieczność obróbki cieplnej z wysoką temperaturą hartowania, rzędu ponad 1000°C w piecach wysokotemperaturowych.

W sposobie według niniejszego wynalazku wykorzystywana jest większość znanych, powyżej opisanych operacji: kucia półwyrobu, ulepszania cieplnego, obróbki mechanicznej, podgrzania i napawania drutami proszkowymi lub elektrodami, czyszczenia napoin i mechanicznego utwardzania, wyżarzania odprężającego i obróbce wnęki wykroju skrawaniem do wymiarów roboczych. Wynalazek sposobu wyróżnia się tym, że kostkę matrycową wykonuje się z niskostopowej stali konstrukcyjnej do ulepszania cieplnego o składzie zawierającym: 0,36-0,54% C, 0,4-0,9% Mn, 0,17-0,37% Si, 0,8-1,2% Cr i do 0,3% Ni, przy czym obróbkę cieplną kostki prowadzi się hartowaniem z temperatury 820-870°C w oleju hartowniczym a odpuszczanie w temperaturze 540-680°C aż do uzyskania twardości 32-36 HRc, natomiast napawanie wykonuje się drutami: F-812, F-818, UTOP-38.

Zaleca się wykonania kostek matrycowych ze stali 41Cr4 albo 42CrMo4.

Korzystnym jest, gdy napawanie powierzchni roboczej wykroju wykonuje się strefowo, napoinami z drutów o strukturze i twardości dobranych do dominującego w danej strefie mechanizmu zużycia.

Kostki matrycowe wykonane ze wskazanych stali konstrukcyjnych o niewielkiej obecności pierwiastków stopowych, uzyskują po ulepszeniu cieplnym wymaganą dla obciążeń matrycy kuźniczej wytrzymałość, twardość, udarność i odporność na pękanie przy cyklicznych uderzeniach. Powierzchnie robocze matrycy należy napawać odpowiednio dobranym drutem, w zależności od powierzchni wykroju i mechanizmów zużycia narzędzia. Natomiast wymienione druty F-812, F-818 i UTOP-38, oraz elektrody do napawania tworzą struktury bainityczno-martenzytyczne z wydzieleniami ferrytu, które korzystnie wpływają na odporność na zużycie ścierne i adhezyjne oraz udarność w wyższych temperaturach. Drut F-818 strukturą martenzytyczną o najwyższej twardości stosowany jest w strefach powierzchni wykroju narażonych na wysokie zużycie ścierne i adhezyjne, o wysokich naciskach jednostkowych.

Sposób według wynalazku wykorzystany został w procesach wykonania dwóch matryc kuźniczych, procesach których główne operacje prowadzone były przy następujących parametrach technologicznych:

Przykład 1

Materiał kostki matrycowej: stal konstrukcyjna stopowa do ulepszania cieplnego 41Cr4, Obróbka cieplna kostki: hartowanie 820°C, odpuszczanie 600°C, Twardość po obróbce cieplnej 32 HRC, Temperatura podgrzania przed napawaniem: 320°C, Napawanie powierzchni roboczej matrycy: 3-4 warstwy napoin drutami F 812, F 818 i UTOP-38, Wyżarzanie odprężające w temperaturze 380-420°C.

Twardość po napawaniu: UTO-P - 36:38 HRC, F-812 - 42:44 HRC, F-818 - 53:55 HRC.

P rzy kła d 2

Materiał kostki matrycowej: stal konstrukcyjna stopowa do ulepszania cieplnego 42CrMo4, Obróbka cieplna kostki: hartowanie 840°C, odpuszczanie 620°C, Twardość po obróbce cieplnej: 33-36 FIRC

Temperatura podgrzania przed napawaniem: 340°C

Napawanie powierzchni roboczej matrycy: 3-4 warstwy napoin drutami proszkowymi F 812, F 818 i UTOP-38,

Wyżarzanie odprężające w temp. 360°C

Przeprowadzone badania matryc wykonanych według wynalazku wykazały co najmniej dwukrotny a w niektórych przypadkach nawet trzykrotny wzrost trwałości, ocenianej jako ilość wykonanych odkuwek do zużycia wyznaczonego dopuszczalnymi wymiarami granicznymi, istotną obniżkę kosztów materiałowych w wyniku 3 do 4 razy niższej za 1 kg ceny stali konstrukcyjnych w stosunku do stali narzędziowych. Ważnym jest również efekt wynikający z wielokrotnej regeneracji wykroju - praktycznie możliwą jest kilkunastorazowe odnawianie wykroju matrycy według wynalazku, natomiast matryce z narzędziowych stali stopowych mogą być tylko 3 do 4 razy regenerowane napawaniem. Dodatkowo wskazać można efekt oszczędności w kosztach robocizny - co wynika z faktu, że kolejne regeneracje napawaniem matryc według wynalazku nie wymagają ponownej obróbki cieplnej.

Claims (3)

1. Sposób wytwarzania matryc kuźniczych, polegający na kolejnym wykonaniu operacji: - kucia półwyrobu stalowej kostki matrycowej,

- ulepszenia cieplnego kostki,

- obróbce mechanicznej skrawaniem kostki według wymiarów projektu matrycy,

- obróbce skrawaniem wnęki wykroju według wymiarów powiększonych względem końcowego wykroju roboczego o około 6 do 10 mm i zaokrągleniu krawędzi,

- podgrzaniu kostki do temperatur rzędu 330 ±20°C,

- napawaniu co najmniej trzema warstwami, każda o grubości do 2 mm, drutami proszkowymi samoosłonowymi lub elektrodami otulonymi,

- czyszczeniu każdej warstwy napoiny z żużla i utwardzaniu przez młotkowanie lub śrutowanie stalowymi kulkami,

- obróbce cieplnej wyżarzaniem odprężającym w temp. 360 do 420°C przez 5-10 h i następnie z kontrolowanym chłodzeniem z prędkością mniejszą niż 50°C/h,

- obróbce wnęki wykroju skrawaniem lub elektroerozyjnie do wymiarów roboczych, znamienny tym, że kostkę matrycową wykonuje się z niskostopowej stali konstrukcyjnej do ulepszania cieplnego, o składzie zawierającym: 0,36-0,54% C, 0,4-0,9% Mn, 0,17-0,37% Si, 0,8-1,2% Cr i do 0,3% Ni, przy czym obróbkę cieplną kostki prowadzi się hartowaniem z temperatury 820-870°C w oleju hartowniczym a odpuszczanie w temperaturze. 540-680°C do uzyskania twardości 32-36 HRC, natomiast napawanie wykonuje się drutami proszkowymi F-812, F-818, UTOP-38.

2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że kostkę matrycową wykonuje się ze stali 41Cr4 albo 42CrMo4.

3. Sposób według zastrz. 2 znamienny tym, że napawanie powierzchni roboczej wykroju wykonuje się strefowo, napoinami z drutów lub elektrod o strukturze i twardości dobranych do dominującego w danej strefie mechanizmu zużycia.