§ 2. Выбор марки стали для изготовления штампов

Классификация и характеристики

Данную категорию сталей подразделяют на 3 основные группы:

• штамповые стали для деформации металлов в холодном виде;
• для деформации металлов в горячем виде;
• устойчивые к коррозийным процессам.

В соответствии с назначением, к каждой из вышеуказанных групп предъявляются конкретные требования.

После окончательной термической обработки стали первой группы во время эксплуатации штампа должны отличаться повышенной прочностью, износостойкостью, твердостью как рабочей кромки, так и участков штампа, воспринимающих максимальные скручивающие и изгибающие нагрузки.

Выделяют следующие типы металлов, которые предназначены для штамповки в холодном виде:

• устойчивые к воздействию высокого давления, которые отличаются высокой прочностью и хорошо сопротивляются различной деформации;
• имеющие высокое содержание хрома (в пределах 6-32 %), характеризующиеся высокой твердостью и износостойкостью, которая достигается благодаря карбидам хрома;
• используемые при изготовлении чеканочных и высадочных штампов, которые эксплуатируют в условиях повышенных ударных нагрузок.

При производстве штампов небольших размеров и простой конфигурации для холодной штамповки в качестве сырья применяются углеродистые марки стали типа У10, У12, У11, а также низколегированные ХВГ, ХВСГ, Х и пр.

Вторая группа штамповых сталей при высоких температурах должна сохранять повышенные механические характеристики. Чтобы получить требуемые свойства, материал термически обрабатывают.

Горячештамповые сплавы характеризуются повышенными показателями жаропрочности, высоким уровнем прокаливаемости, а также низкой чувствительностью к прогреванию локального характера. Материал должен отвечать таким требованиям, как: высокая прочность (больше 1000 Мпа), теплостойкость и достаточная вязкость, необходимые для сохранения формы штампа при длительном температурном воздействии и высоких механических нагрузках.

Отпуск и закалка материала проводится при 550-680°С. Чтобы увеличить показатели твердости используют химико-термическую обработку (борирование, азотирование). К дополнительному требованию, предъявляемому данной группе, относят устойчивость к образованию различных трещин при постоянной смене температуры (нагревание, охлаждение).

Для выпуска горячих штампов со сложной формой применяют закаленные в масле высоколегированные углеродистые стали 5ХНТ, ШХ15, 4ХМФС, 5ХНМ, пр.

Третью группу используют при создании матриц пресс-форм для литья различных металлов под давлением. Кроме свойств, имеющихся у сталей предыдущей группы, они должны отличаться устойчивостью против влияния агрессивных сред (например, отливаемых агрессивных сплавов металла или химически активных пластмасс).

Стали для холодной штамповки

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 24Следующая ⇒

Холодная штамповка является одним из основных видов ОМД.

К ним относятся вытяжка, формовка, обтяжка, гибка и др. Наиболее часто применяемой операцией холодной штамповки является вытяжка.

Вытяжка — холодная пластическая деформация, при которой из листовой заготовки получается объемная деталь сложной формы.

Основными требованиями к сталям, предназначенным для холодной штамповки, являются:

— хорошая штампуемость, т.е. способность пластически деформироваться в холодном состоянии.

— высокое качество поверхности после деформации.

Эти требования обеспечиваются механическими свойствами и структурой стали.

Требования по механическим свойствам включают в себя минимальную твердость (обычно не более 45HRВ) и максимальную пластичность. Способность к пластической деформации оценивается относительным удлинением и отношением предела текучести к пределу прочности. Этот показатель называют числом текучести. Хорошая штампуемость наблюдается в сталях с числом текучести σт/σв = 0,5-0,6и δ = 33 – 45%.

Требования к структуре включают в себя:

1.Среднее зерно феррита.

2.Мелкие выделения зернистого перлита.

3.Отсутствие карбидной сетки цементита третичного по границам зерен.

4.Отсутствие полосчатости структуры.

5.Отсутствие текстуры.

6.Отсутствие разнозернистости.

Сталь должна иметь среднее зерно (средний бал зерна 6-8 мм). Мелкое зерно не желательно, т.к. вызывает повышенную жесткость листа и, следовательно, быстрый износ штампов. Крупное зерно не желательно, т.к. ухудшает качество поверхности после штамповки. На поверхности появляются шероховатость, которую называют апельсиновой коркой. Особенно нежелательно иметь в сталях для холодной штамповки разнозернистость. При деформации такой стали в первую очередь растягиваются крупные зерна, как более пластичные, и в этих местах затем появляются мелкие трещины и надрывы, что является непоправимым браком.

Цементит в сталях для холодной штамповки должен иметь округлую форму, т.е. быть сферическим. Это обеспечивает наилучшую штампуемость. Недопустимо в таких сталях образование цементитной сетки по границам зерен, т.к. это приводит к резкому снижению пластичности. Нежелателен также мелкий сорбитообразный перлит, т.к. это резко повышает жесткость и упругость листа.

Полосчатость структуры и текстура прокатки также нежелательна т.к. вызывают неоднородность деформации по разным направлениям и на штамповках появляются фестоны (рис. 13).

А б

Рис.13. Различие свойств по разным направлениям (а) в листе

и фестоны после штамповки (б)

Наиболее часто для холодной штамповки применяют углеродистые стали с содержанием углерода 0,05 — 0,2%, Mn ≤ 0,4% и минимальным содержанием газов N, O2, H2. Например, 05кп, 08кп, 08пс, 08сп, 10, 15, 20, Ст. 1 — Ст. 3.

Основной маркой стали для холодной штамповки является сталь 08кп. Она отличается наилучшей пластичностью и минимальной стоимостью. Однако недостатком этой стали является повышенная газонасыщенность. Повышенное содержание газов вызывает склонность этой стали к деформационному старению.

Деформационное старение это повышение предела текучести стали вызванное накапливанием атомов N2 и О2 вокруг дислокаций. Создание таких атмосфер атомов называют атмосферами котрелла

.

Рис. 14. Диаграммы растяжения для стали склонной к деформационному

старению (а) и нестареющей (б).

Они блокируют перемещение дислокации и требуют большего усилия для начала пластической деформации. После отрыва дислокаций напряженность сдвига понижается и пластическая деформация облегчается. В результате на кривой растяжения появляется пик на площадке текучести (рис.14).

Отрыв дислокаций от атмосфер примесных атомов проходит неравномерно. В результате объем металла начинает деформироваться по плоскостям наиболее благоприятно ориентированным по отношению к действующей нагрузке. Такая преимущественная деформация проявляется в виде появления линий скольжения на поверхности металла. Сетка таких линий выглядит как царапины и снижает качество поверхности, что является дефектом для деталей после холодной штамповки. Для устранения этого дефекта применяется предварительная деформация металла в прокатных валках с обжатием 2%. Она называется дрессировка. Малая пластическая деформация вызывает отрыв дислокаций от атмосфер примесных атомов и последующая штамповка уже не вызывает появлений скольжения. Однако эффект от дрессировки сохраняется от 10 до 12 дней.

Таблица 3

Основные марки стали, применяемые для холодной штамповки

Устранить склонность стали к деформационному старению можно введением в нее алюминия или ванадия в процессе получения. Малые добавки этих элементов в количестве 0,02 — 0,05% связывают атомы азота в нитриды. В результате диффузия атомов азота блокируется. Такая сталь называется нестареющей, например 08Ю, 08Ф, 08ЮА, 08ГСЮТ, 08ГСЮФ.

Для обеспечения высокой пластичности стали для холодной штамповки, основным видом термообработки для нее является отжиг на рекристаллизацию. Стальной лист после холодной прокатки обладает повышенной прочностью, в результате наклепа и для его устранения применяют отжиг при температуре 660 — 680ºС. Отжиг применяют для стали в рулонах либо для пачек нарезанных листов. Продолжительность такого отжига определяется массой рулона и составляет 10-20 час. Для того чтобы получить после такого отжига среднее зерно необходимо, чтобы предшествующая деформация составляла 30-40%. При малой деформации возможно появление крупно зернистости. А при большой степени деформации возможно образование текстуры.

Для штамповки изделий, требующих повышенной прочности, применяют низколегированные «двухфазные стали» со структурой, ‘состоящей из высоко-пластичной ферритной матрицы и упрочняющей фазы мартенсита или бейнита в количестве 20—30 %. Такие стали называют двухфазными ферритно-мартенситными (ДФМС). Для получения такой структуры в сталь добавляют легирующие элементы и проводят перед штамповкой предварительную, упрочняющую термообработку. В качестве основных легирующих элементов вводят Mn – 1,4-2%,Si от 0,5 до 1,5%, Cr – до 08 — 1%, Mo — до 0,2-0,4%, а так же небольшие добавки Al и W. Количество углерода в этих сталях 0,03-0,06%.

Типовые марки сталей:

03ХГЮ

06ХГСЮ

12ХМ

06Г2СЮ

Для создания необходимой структуры стали при её производстве проводят ускоренное охлаждение после горячей прокатки, либо дополнительно нагревают и охлаждают сталь с температурой превышающей точку А1, но ниже точки А3.. По своей сути такая термообработка называется неполной закалкой. В результате структура такой стали состоит из 70% феррита и 30% мартенсита. Феррит обеспечивает высокую пластичность, хорошую штампуемость, а мартенсит повышенную прочность. В процессе штамповки деформация сосредотачивается в зернах феррита, и повышенная степень наклепа увеличивает прочность готового изделия. После штамповки предел прочности такой стали в 1,3÷1,5раза превышает предел прочности обычных углеродистых сталей. Дополнительный отпуск не требуется.

⇐ Предыдущая7Следующая ⇒

Рекомендуемые страницы:

Отличительные особенности

К технологическим свойствам, которые характерны штамповым сталям, относятся:

• Малая чувствительность к перегреву. Имеется возможность закалки с нагреванием в весьма широком интервале температурных отметок;
• Хорошая обрабатываемость. Стали обладают способностью хорошо принимать обработку с помощью резания и давлением в горячем и холодном состоянии;
• Малая деформация при термообработке;
• Хорошая шлифуемость, необходимая для высокого качества полированной и шлифованной поверхности;
• Хорошая прокаливаемость. Есть возможность получить высокого уровня однородную твердость, мелкокристаллическую равномерную структуру на достаточно большую глубину;
• Невысокая чувствительность к обезуглероживанию во время нагрева, снижающему твердость рабочего слоя металла (поверхностного).

История возникновения технологии штамповки металла

Считается, что штамповка возникла из ковки. Археологические раскопки свидетельствуют, что человек с древних времен научился изготавливать из металла различные плоские и объемные изделия. Например, используя штампы-обжимки, люди делали наконечники для стрел.

Полноценная горячая объемная штамповка возникла в начале 19 века. В России первыми изделиями, созданными с помощью процессов, схожих с современными технологиями, стали курки для оружия. Тогда использовали винтовой рычажный пресс и подкладные штампы.

В 1819-м в Туле на оружейном заводе освоили одноручьевую штамповку, с помощью которой делали целый ряд деталей. Далее их правили, обрезали заусенцы. Основную роль играл молот простого действия, а во второй половине 19 века его заменил паровой механизм. Благодаря этому произошло массовое распространение и совершенствование штамповки.

К 30-м годами 20 века процессы автоматизировали. Собственные цеха для штамповки деталей из металла появились на авиационных, машиностроительных, автомобильных и прочих предприятиях. Долгие годы использовались паровые прессы. От них не отказывались даже с изобретением гидравлической установки, которая впервые внедрена в 1861 году. Но постепенно гидравлика вытеснила молоты, работающие под силой пара.

Еще в 20 веке преимущественно производство было серийным. Только отдельные заводы применяли методы штамповки для выпуска крупных серий изделий из металла. Сложности были обусловлены необходимостью многократной перенастройки оборудования.

К настоящему моменту предприятия пришли к идее специализации на изготовлении определенной продукции. Современные технологические решения упростили процесс переналадки инструментов и оборудования. Благодаря этому технология штамповки из металла стала более экономичной и простой одновременно с ростом производительности.

Сферы применения штамповой стали

Широкое применение штамповые стали нашли в современной промышленности. Зачастую их используют для изготовления:

• штампов для машин горизонтально-ковочного типа;
• крупных молотовых и прессовых вставок;
• измерительного оборудования;
• наборных и формовочных матриц, пуансонов;
• высокоточных изделий;
• изготовления резьбонакатных инструментов;
• ножей для холодного резания металла;
• валков холоднопрокатных станов;
• пресс-форм, функционирующих под давлением, для литья медных, цинковых, алюминиевых, титановых и других сплавов.

Штамповка как разновидность ковки

Выделяют свободную ковку и штамповку, которые различаются по технологии и качеству результата.

Может применяться для заготовок любой массы и объема. Производится на молотах или прессах. Заготовки укладывают на основание без закрепления, обрабатывают ударами паровоздушного или пневматического молота. После обжима с одной стороны полуфабрикат поворачивают и продолжают обработку до полной готовности поковки. Процесс на прессах проходит приблизительно так же. Недостатком свободной ковки является невозможность получения точных размеров, следствием чего являются:

• необходимость последующей обработки на металлообрабатывающих станках;
• большое количество отходов, уходящих в стружку;
• необходимость в широком перечне металлообрабатывающего оборудования.

Основное отличие от свободной ковки – ограничение растекания металла заготовки штампом, состоящим из двух частей: нижняя неподвижно закреплена на наковальне, а верхняя свободно перемещается вверх и вниз. Получаемые изделия – штамповки – гораздо ближе по размерам к желаемому результату, по сравнению с кованой продукцией.Объемная штамповка позволяет получать из листа небольшое по массе, геометрически сложное изделие.

Благодаря этой технологии, возможно:

• производить детали и изделия различных размеров и конфигураций с чистотой поверхности, позволяющей не прибегать к последующей обработке;
• осуществлять серийное производство продукции, одинаковой по геометрическим параметрам;
• обеспечивать высокую производительность процесса – большинство операций штамповки выполняется на линиях с высоким уровнем автоматизации.

Внимание! Полностью отказаться от свободной ковки в пользу штамповки невозможно, потому что изготовление штампа – дорогой и сложный процесс, оправдывающий себя при массовом производстве.

По температуре, при которой осуществляется операция, различают горячую и холодную штамповку.

Этапы изготовления штампов

Большую роль в обеспечении требуемого качества готового изделия играет проектирование штампов для холодной штамповки, за счет которых и происходит формирование детали с требуемыми геометрическими параметрами. Выполняться рабочие чертежи таких рабочих инструментов, устанавливаемых на штамповочных прессах, могут как в двух-, так и в трехмерном формате. Для решения этой задачи требуются соответствующие знания и навыки.

Разработка чертежа и последующее изготовление штампа, используемого для холодной штамповки, выполняются в несколько этапов:

• составление эскиза будущего штампа;
• изучение схемы, по которой будет выполняться раскрой материала, проверка такой схемы посредством специальной компьютерной программы;
• редактирование эскиза, если в том есть необходимость;
• окончательная проверка размеров разработанного штампа;
• обозначение положения и точных размеров отверстий, которые будут выполнены на рабочей поверхности штампа.

Разрабатывая штампы для холодной штамповки, необходимо разбить чертеж готового изделия на отдельные части и внимательно изучить их. После того как такая процедура будет выполнена, осуществляют производство штампов. При этом необходимо уделить особое внимание требованиям, которые предъявляются к параметрам готового изделия. Для каждого этапа технологического процесса холодной штамповки разрабатывается маршрутная карта, в которой учитываются как время выполнения отдельных операций, так и характеристики поковок на отдельных этапах обработки.

В таком вопросе, как выполнение холодной штамповки металлической заготовки, значение имеют очень многие параметры, к которым, в частности, относятся последовательность выполнения технологических операций, распределение материала в полости рабочего инструмента, используемое оборудование и режимы обработки.

К процессу изготовления штампов для холодной штамповки также предъявляются серьезные требования, поскольку именно от точности данного инструмента зависит качество формируемого изделия.

Штамповка деталей, при которой в качестве заготовки используется листовой металл, может включать в себя целый перечень механических операций. Такими операциями, в частности, являются резка, вырубка, выдавливание, гибка, холодная высадка, формовка, обжим и вытяжка. При этом резка, вырубка и ряд других технологических операций относятся к разделительным операциям, а холодная высадка, формовка, гибка и др. – к формоизменяющим.

Горячая штамповка металла

Горячая штамповка металла позволяет обрабатывать более толстые заготовки, так как в раскаленном сплаве гораздо слабее межмолекулярные связи, и он лучше поддается сгибанию. Металлические изделия перед началом процедуры проходят те же самые подготовительные этапы, как и в случае с холодной штамповкой. Но оборудование для штамповки металла уже существенно отличается. Оно состоит из двух основных частей: печи и пресса. Печь используется для предварительного нагрева заготовки до температуры красного каления. В таком виде сплав хорошо поддается физическому воздействию и при этом полностью отсутствует риск его пережога.

Для создания оптимальных условий внутри печи современные станки оборудуются высокоточной автоматизированной системой управления. Она требует лишь выставления начальных параметров, которые зависят от типа обрабатываемой детали. Обо всем остальном позаботится компьютер. Прессы для штамповки металла горячим способом изготавливают из твердых, высоколегированных марок стали, которые проходят дополнительную обработку для повышения стойкости к термическим нагрузкам. Они должны выдержать определенное количество технологических операций без потери своих первоначальных характеристик, поэтому очень важно использовать наиболее качественный материал для их производства.

Горячая штамповка требует непосредственного участия человека в производственном процессе. Заготовка быстро остывает в нормальных условиях, так что ее необходимо оперативно доставлять от печи к станку для штамповки металла. Этим занимается рабочий, который при помощи кузнечных клещей переносит изделие на нужное место. Работа в среде с постоянно высоким температурным режимом негативно отражается на организме, поэтому необходимо правильно рассчитывать продолжительность смен, чтобы минимизировать вредное влияние условий на работников. Автоматизация процесса также сталкивается с большими трудностями и требует высоких затрат, поэтому практически нигде не используется.

Для охлаждения деталей не применяют дополнительного оборудования, они остывают естественным путем. В большинстве случаев после штамповки не требуется дополнительной обработки деталей. Исключение составляют изделия для автомобильной промышленности, которые подвергаются процедуре оцинковке. Иногда при штамповке листового металла возникает необходимость обрезать лишние элементы. Для этого используется специальный станок с высокоточным резаком.

Покупка оборудования для штамповки

Компании, производящие оборудование для холодной и горячей штамповки металлов, проводят постоянные модификации своих станков с той целью, чтобы оно позволяло получать высококачественные детали и функционировать длительный срок.

К такому оборудованию относятся:

• электрические пресса;
• пневматические пресса;
• гидравлические прессовые устройства.

Продажи производятся непосредственно с сайтов компаний-производителей, где с клиентом предварительно проводятся различные беседы консультационного типа. Большинство этих компаний занимаются изготовлением не только стандартной прессовой техники, но и производят оборудование с учётом требований заказчиков.

Современные гидравлические прессовые станки изготовлены из такого металла, что практически могут создавать деформации любого материала. На сайте производителя клиенту предлагают прессовое оборудование в широкой номенклатуре. Чтобы купить оборудование для листовой штамповки, достаточно оформить свой заказ и произвести предварительную оплату.

Условия доставки заказа в любой регион РФ также нужно обговорить заранее. Компании охотно оказывают транспортные услуги, но уже за дополнительную плату. По дополнительному же договору специалисты поставщика берутся за установку и пуско-наладку поставляемых прессовых устройств. Очень важно при этом не забыть оформить договорённость на гарантийное обслуживание станков, которая предусматривает их бесплатный ремонт в случае выхода из строя в период действия гарантии поставщика.