Abstrato:A matriz de forjamento a frio de punção pesada para o rolo cônico do rolamento feito de aço Cr12MoV tem vida útil mais curta. A falha desta matriz se deve principalmente ao forte desgaste da cavidade do molde, fratura por expansão longitudinal e transversal, amassamento no canto redondo e aparecimento de poço de erosão por fadiga. Com base nos fundamentos da deformação plástica, desgaste por oscilação e fratura por fadiga, o autor analisou os mecanismos de falha de leve deformação plástica, desgaste por compressão e fratura por expansão por compressão durante o trabalho. Conclui-se que a forma de melhoria para prolongar a vida útil é adotar novos materiais de matriz, como ligas duras e novas matrizes de trabalho a frio de alta resistência e tenacidade, de acordo com o projeto da matriz e as condições de serviço. Palavras-chave: matriz para forjamento a frio; mecanismo de falha; maneira de melhoria
1.Introdução
Os rolos cônicos com rolamento de aço GCr15 são formados por encabeçamento a frio, também conhecido como estampagem a frio. Atualmente, o aço Cr12MoV é usado principalmente como molde de formação na China. Devido à forte força de estampagem exercida sobre o molde durante o processo de estampagem, sua vida útil é relativamente curta. No início, os moldes de aço Cr12MoV eram temperados a 1080 graus e revenidos a 520 graus, com uma dureza de 62 ~ 64HRC. Devido ao grande tamanho e à distribuição desigual dos carbonetos neste aço, o fenômeno de fratura e colapso é mais severo durante o uso. Nos últimos anos, muitas fábricas mudaram para o processo de tratamento de têmpera de 1.040 graus e revenido em temperatura média, com dureza de 60-62 HRC e aumento na resistência ao impacto. O fenômeno de fratura foi bastante reduzido e a vida útil aumentou cerca de duas vezes. Tomando o rolo cônico de 18 mm como exemplo, originalmente ele só podia perfurar 1700-2000 peças, mas agora pode perfurar mais de 4.000 peças, com um máximo de 10.000 a 20.000 peças. No entanto, ainda pertence a moldes de curta duração, o que não só aumenta o consumo de moldes, mas, mais importante, afeta a eficiência da produção. Devido ao fato de que o material do rolo cônico é o aço GCr15 com uma dureza relativamente alta (197-227HB), ele é recortado de uma forma cilíndrica para uma forma cônica após a estampagem, e as extremidades superior e inferior têm fundo plano e estampado em um formato de arco circular, fazendo com que a superfície da cavidade do molde resista momentaneamente ao impacto de carga pesada e às forças de fricção localmente. De acordo com a pressão de punção, pode atingir mais de 3000MPa. O problema da baixa vida útil dos moldes de aço Cr12MoV é difícil de resolver. Portanto, a indústria nacional de rolamentos está pesquisando ativamente novos materiais para moldes.
As principais manifestações de falha do molde são alterações no tamanho da peça bruta do rolo e se o processamento a frio pode prosseguir normalmente. Se o tamanho da peça bruta do rolo aumentar, ou mesmo a peça bruta não for preenchida o suficiente (chamado sob pressão), ou se a peça bruta do rolo estiver deformada ou mesmo incapaz de ser estampada devido a rachaduras no molde ou defeitos de cavidade, o molde se torna inválido e descartado e um novo molde precisa ser substituído. Acredita-se geralmente que o aumento no tamanho da cavidade é causado principalmente pela resistência insuficiente ao desgaste do molde, enquanto rachaduras, colapsos e defeitos superficiais internos são causados principalmente por tenacidade insuficiente. No entanto, o problema não é tão simples porque sob forte força de impacto, além de forte atrito e desgaste, também é acompanhado por deformação microplástica, ambas as quais podem fazer com que o tamanho da cavidade do molde aumente. A fratura do molde também apresenta características de fratura por fadiga, que estão relacionadas tanto à fragilidade quanto ao processo de geração e desenvolvimento de fontes de trincas. A geração de defeitos internos na cavidade do molde também está relacionada à deformação plástica e à fratura por fadiga.
2. Formas de falha e análise de forças
Após investigar os moldes de aço Cr12MoV existentes em uma determinada fábrica, constatou-se que existem cinco situações principais de falha final, conforme mostrado na Figura 1: ① O tamanho da cavidade do molde torna-se maior, excedendo a faixa de erro permitida, fazendo com que o tamanho do rolo cônico em bruto exceder a tolerância, e até mesmo enchimento insuficiente, resultando em sob pressão, representando cerca de 60%; ② O desenvolvimento de fissuras longitudinais no molde resulta em fissuras na parede interna da cavidade do molde, denominadas fissuras de expansão, representando cerca de 20%; ③ A fratura circular do molde ocorre principalmente em moldes individuais, representando cerca de 5%. Para a maioria dos moldes divididos, esta fratura geralmente não ocorre; ④ Colapso do filé ou poços de fadiga, representando aproximadamente 10%; ⑤ Outras fissuras, como retirada de material ou fissuras superficiais, são responsáveis por aproximadamente 5%.
Fig.1 (a) forma de falha e posição da matriz
(b) foto da matriz de fratura por expansão
Durante o processo de conformação a frio de rolos cônicos, a situação de tensão do molde é mostrada na Figura 2. A parede interna do molde é submetida à força de compressão P, que forma uma tensão de cisalhamento t. A magnitude da tensão de cisalhamento está relacionada à força de atrito, e a distribuição da superfície para o interior muda gradualmente, com valor de pico na superfície interna.
Fig.2 Esquema da distribuição de forças da matriz de forjamento a frio.
(a) a tensão de cisalhamento circular (b) a distribuição da tensão de cisalhamento na camada da superfície de trabalho (c) as forças no canto redondo
A primeira situação de falha do molde é causada por dois motivos: desgaste e deformação plástica. Durante a estampagem, a peça é submetida a uma deformação por extrusão instantânea, que ocorre primeiro na superfície do corpo ligeiramente convexo. Embora a superfície seja muito lisa, há sempre uma certa rugosidade na superfície interna do novo molde, ou seja, existem micro saliências irregulares. Quando a pressão atinge 1000-3000MPa, a tensão é maior no corpo ligeiramente convexo, levando à deformação plástica local e à tensão de cisalhamento significativa em uma determinada profundidade. Devido ao efeito de compressão, há um ligeiro deslocamento relativo entre a peça de trabalho e a superfície do molde, que é semelhante ao desgaste por atrito. Devido à alta pressão positiva, o tarugo do rolo processado esfrega repetidamente e fortemente contra a superfície interna do molde, causando desgaste. Devido ao efeito de compressão, a cavidade do molde também está sujeita a forças de expansão. Quando a peça entra em contato local com a superfície do molde, a força irregular pode exceder o limite de escoamento do aço Cr12MoV, resultando em deformação microplástica e aumento no tamanho da cavidade do molde. A depressão anular na Figura 1b é causada pela deformação plástica na superfície de contato do molde dividido.
Além disso, o calor transformado pela deformação dos rolos processados e o calor gerado pelo forte atrito podem aumentar localmente a temperatura da superfície da cavidade do molde, causando instabilidade na estrutura superficial da cavidade do molde e tornando-a mais propensa à deformação plástica e vestir.
O segundo e terceiro casos de falha do molde, devido à ação repetida da força circunferencial, resultam no início local de trincas, e a fonte da trinca geralmente ocorre na camada superficial de carbonetos em blocos ou inclusões. Uma vez que ocorrem fissuras, devido à concentração de tensão, a propagação da fissura aqui é acelerada, levando em última análise à fratura frágil. A Figura 3 mostra o diagrama esquemático do desenvolvimento de fissuras longitudinais e fotos de fraturas. Observando as fotos da fratura, a fonte da trinca aparece como um poço de corrosão circular. A fonte de trinca pode ser formada pelo descascamento de grandes carbonetos ou inclusões, que têm maior probabilidade de aderir ou morder a peça após a formação, fazendo com que a fonte de trinca se expanda. Com a ação da força de impacto alternada, as fissuras se desenvolvem nas direções vertical e horizontal. O aparecimento de fissuras libera a força circunferencial, enquanto novas fissuras não aparecem mais em outras posições. Portanto, apenas uma fissura ocorre num molde. A morfologia da fratura exibe características de quase clivagem e a superfície da fratura exibe características de fratura por fadiga. Além disso, devido à força circunferencial desigual no molde, causa deformação e expansão desiguais das partes superior e inferior, levando ao início e propagação de fissuras transversais. As fissuras transversais também estão relacionadas ao resfriamento desigual do molde durante o tratamento térmico.
Figura 3(a) Foto da matriz de fratura e (b) esboço da propagação das trincas por fadiga
O quarto caso de falha do molde é devido à concentração instantânea de tensão de compressão no canto arredondado, até 3000-4000MPa, causando uma certa profundidade (cerca de alguns) abaixo da superfície naquele ponto μ Dentro de m, cisalhamento significativo tensão é gerada, fazendo com que o material ceda e formando uma zona de deformação plástica. Sob tensões repetidas, são geradas microfissuras paralelas à superfície, exibindo, em última análise, colapso e corrosão por fadiga de contato.
A quinta situação é essencialmente semelhante a ②, ③ ou ④, exceto que o local onde ocorrem a fratura por fadiga e o colapso é diferente. De acordo com a análise das formas de falha, os principais mecanismos de falha são deformação microplástica, desgaste por atrito e fratura por fadiga.
O mecanismo de deformação microplástica também é causado pelo deslizamento das discordâncias. A deformação começa com a nucleação de novas discordâncias ou com a ativação de discordâncias existentes? Existem duas visões. A primeira sugere que a deformação plástica está inicialmente relacionada à nucleação de novas discordâncias, que podem se formar em pequenos degraus de átomos únicos, contornos de grão, contornos de subgrãos, etc. na superfície; O segundo ponto de vista sugere que o estágio inicial da deformação plástica é devido à ativação de fontes de discordância superiores nos contornos de grão [1]. Portanto, a camada superficial do molde prioriza a ocorrência de deslizamento por deslocamento, causando deformação microplástica, que se propaga gradativamente para o interior. Para melhorar a resistência à deformação microplástica, é realmente necessário criar obstáculos ao movimento de todas as discordâncias. Em primeiro lugar, é necessário aumentar a resistência ao atrito da rede. A liga eficaz da solução sólida pode melhorar a resistência da rede ao movimento de discordância. Diferentes elementos de liga têm efeitos diferentes na resistência da matriz. Si, W, Cr, Mo, V, etc. são todos elementos de reforço eficazes, especialmente Si e W, que podem melhorar significativamente o limite de escoamento. A pesquisa mostrou que existe um valor limite elástico para o limite elástico, abaixo do qual o deslizamento da discordância não pode ser iniciado. Portanto, aumentar o limite de escoamento dos materiais pode efetivamente melhorar a energia de resistência à deformação, especialmente quando a pressão máxima de impacto é constante. O refinamento do tamanho do grão e da subestrutura de transformação martensítica pode aumentar a densidade de discordância e aumentar o grau de fixação. Por outro lado, durante o refinamento de pontos de material carbonizado duro, as discordâncias formam anéis de discordância em torno de uma série de partículas. Quando as partículas estão altamente dispersas, a resistência à deformação microplástica é máxima.
O microdesgaste é principalmente semelhante ao desgaste adesivo no estágio inicial. O movimento relativo entre a peça de trabalho e a superfície do molde é alternativo. Depois de quebrar repetidamente as juntas de solda fria do corpo micro convexo, a tendência adesiva diminui gradualmente e finalmente transita para um estágio estável. No estágio de estado estacionário, os mecanismos de adesão e desgaste abrasivo desempenham um papel, resultando em desgaste por delaminação na superfície. Em geral, quanto maior a dureza da martensita e do metal duro temperados na matriz do molde, maior será a resistência ao desgaste. Além disso, embora no caso de desgaste por deslizamento, especialmente na presença de partículas abrasivas, quando o tamanho das partículas de metal duro é grande, elas podem ser firmemente incorporadas na matriz para desempenhar um papel maior. No entanto, sob condições de estampagem a frio, a velocidade de descascamento de carbonetos de pequeno porte devido à extrusão é relativamente pequena, e a quantidade de desgaste é amplamente determinada pela fração volumétrica e pela dureza dos carbonetos. Quanto maior a fração volumétrica dos carbonetos, maior será a dureza e menor será o desgaste.
A fonte de trinca de fratura frágil e trinca por fadiga é gerada preferencialmente em defeitos macroscópicos, e carbonetos grossos ou inclusões no aço Cr12MoV podem ser o local de iniciação da fonte de trinca. A velocidade de propagação da trinca está relacionada à resistência e tenacidade da martensita revenida, bem como ao tamanho dos carbonetos. Quanto menor o tamanho dos carbonetos, maior será a tenacidade à fratura do material e mais lenta será a velocidade de propagação da trinca.
Por fim, deve-se mencionar que o calor gerado durante o processo de estampagem aumenta a temperatura superficial do molde, o que fortalece o processo de ativação térmica, relaxa a fixação das discordâncias e ainda reduz a dureza da matriz, aumenta o desgaste e a deformação plástica. Portanto, novos materiais também devem ter boa resistência ao rebote.
4. Aplicação de novos materiais de molde
De acordo com a análise de falhas, existem quatro requisitos principais para a microestrutura e desempenho dos materiais do molde: ① alta resistência à deformação plástica, ② alta resistência ao desgaste, ③ alta resistência à fratura por fadiga e ④ para novas aplicações de aço, é necessário escolher trabalho a frio aço para molde com carbonetos refinados, alta proporção de fração volumétrica e alta dureza.
Para rolos cônicos de pequeno porte, é razoável usar um molde de liga dura. Devido à dureza ultra-alta e ao alto módulo de elasticidade da liga dura, possui alta resistência ao desgaste e à deformação plástica, o que pode garantir a precisão das peças processadas. A vida útil pode atingir 10-20 vezes a do molde de aço Cr12MoV original. Para rolos cônicos de grande porte, a máquina-ferramenta de estampagem pode atingir 160-250 toneladas, e o uso de moldes de liga dura pode causar falha prematura devido à fratura frágil. O aumento da vida útil é insuficiente para compensar o aumento do custo. Portanto, faz-se necessário o estudo de novos aços para matrizes de alta resistência e tenacidade para trabalho a frio.
Calculamos a composição de um novo tipo de aço DM9 de alta resistência e dúctil com base na termodinâmica de equilíbrio de fases. Após estudos de fusão, forjamento, laminação, tratamento térmico, microestrutura e desempenho, descobriu-se que existem cinco tipos de carbonetos, M3C, M6C, M23C6, M7C3 e MC, no estado recozido do aço. Devido às diferenças termodinâmicas e cinéticas na nucleação, crescimento e dissolução de diferentes tipos de carbonetos na austenita, os carbonetos podem ser refinados uniformemente, com um tamanho médio de 0 0,66 após o recozimento μm. Tamanho médio do metal duro restante após têmpera 0,5 μm. É 1/8-1/10 do tamanho de metal duro restante do aço Cr12MoV. Devido à adição de Si e W além de Cr, Mo e V nos elementos de reforço de solução sólida martensítica do aço DM9, o limite de escoamento é aumentado em comparação com Cr12MoV. Além disso, após o tratamento térmico, há mais carbonetos de alta dureza M6C e MC, e sua resistência ao desgaste também é alta. Este aço é aplicado em moldes de rolos cônicos de grande porte e sua vida útil é mais de 2-3 vezes maior que a do aço Cr12MoV original.
Durante o processo de têmpera e aquecimento, M3C e M23C6 do aço DM9 são mais facilmente solúveis em austenita, o que pode efetivamente melhorar a solubilidade sólida da austenita em temperaturas de têmpera mais baixas. No entanto, a grande quantidade de M6C e VC não dissolvidos pode efetivamente impedir o crescimento dos grãos. Portanto, este aço pode ser usado para têmpera em média e baixa temperatura, e seu desempenho técnico e efeito de uso são melhores do que o aço Cr12MoV.
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