Mogilev, Belarus
Mogilev, Belarus
VAC 2.5.8 Сварка, родственные процессы и технологии
UDK 621.9.047 Химическая и электрохимическая обработка
UDK 669 Металлургия. Металлы и сплавы
BBK 342 Металловедение
The study objective is to develop a technique for hardening die steels with a glow discharge in a cathode magnetic field. The task to which the paper is devoted is to find out how the treatment by glow discharge in a cathode magnetic field affects microhardness and wear resistance. Research methods are pilot industrial tests. The novelty of the work: the mathematical dependence of the change in microhardness and wear resistance of the main die steels on the technological parameters of the treatment by glow discharge in a cathode magnetic field is obtained. Research results: recommendations for the industrial application of technology. Conclusions: the results of industrial tests confirm that there is an effect of increasing the production life of die tooling modified by the complex effect of a glow discharge in a constant magnetic field in average by 1.5 - 4 times. The total economic effect of using the technology reaches $ 2,300.
glow discharge, magnetic field, microhardness, wear resistance
Введение
Штамповая оснастка является одним из основных видов инструментов, применяемых в условиях массового и крупносерийного производства. Стоит отметить, что ее использование при получении изделий машиностроительного профиля составляет порядка 60%. Стоимость данной оснастки занимает значительный объем в структуре себестоимости изготавливаемой продукции. Как следствие в последнее время актуально стоят вопросы повышения ее эксплуатационных свойств.
В условиях сложной экономической ситуации, которая в последние годы сложилась мире, одной из наиболее важных и ключевых задач, стоящих на многих предприятиях, особенно машиностроительного профиля, является конкурентоспособность продукции, которая напрямую зависит от эффективности всего производства.
Повышение эксплуатационных характеристик технологической оснастки из штамповых сталей является важной задачей, решение которой позволяет обеспечивать рост производительности труда, экономию дорогостоящих и дефицитных инструментальных материалов, энергии и трудовых ресурсов.
Как показала практика, обработка изделий из штамповых сталей в тлеющем разряде с использованием прикатодного магнитного поля обеспечивает формирование уникальных структурных состояний в поверхностных слоях. Это приводит к изменению макросвойств материалов, определяющих эксплуатационное поведение упрочняемых изделий, особенно, в условиях трибомеханического и термоциклического нагружения [1-3].
В статье ниже изложены материалы, полученные в результате исследований, выполненных в рамках выполнения кандидатской диссертации Рабыко М.А. Исследования проводились на технологической штамповой оснастке для изготовления гайки колесной (артикул 4370-3104038 ОАО «ТАиМ»), предназначенной для крепления дисковых колес к ступице автомобилей и тракторов (рис.1).
Рис. 1. Гайка колесная, артикул 4370-3104038
ОАО «ТАиМ»
Fig. 1. Wheel nut, article 4370-3104038
JSC "TAiM"
Гайка колесная считается одним из ходовых товаров, так как имеет большой спрос, объемы выпуска около 50 000 шт. в месяц. Она используется на сборочных конвейерах практически всех автомобильных заводах на территории Республики Беларусь и Российской Федерации. В последнее время существует тенденция к повышению программы выпуска грузовых автомобилей, что приводит к росту актуальности задачи, повышения износостойкости штамповой оснастки.
В современной практике для повышения износостойкости технологической оснастки производителями часто используются методы связанные с нанесением защитных покрытий и азотированием. Однако нанесение покрытий на матрицу, работающую на «горячий» удар с пуансоном, в большинстве случаев наблюдается раскалывание покрытия. Указанных недостатков лишен процесс азотирования, который позволяет насытить поверхность азотом, создать барьерный поверхностный слой с повышенными физико-механическими свойствами. Однако и данный метод не лишен недостатков, связанных с длительностью процесса (в среднем от 13 часов и более), а так же обладает высокой энергоёмкостью, громоздким оборудованием, сложностью автоматизации процесса и токсичностью. Поэтому обработка тлеющим разрядом с использованием прикатодного магнитного поля, может быть интересна для решения озвученной проблемы.
Эксперименты и методы
Для исследования состояния поверхностного слоя штамповых сталей использовался комплекс современных методов, позволяющих изучить влияние на формирование качественных параметров поверхностного слоя, таких как твердость и износостойкость [7-14].
Измерение микротвердости рабочей поверхности образцов проводились на микротвердомере Zwick Roell ZHV 1M, исследование влияния обработки в тлеющем разряде на износостойкость производилось в условиях реального производства ОАО «ТАиМ» при изготовлении серийного изделия «Гайка колесная» (артикул 4370-3104038).
На основании статистической обработки экспериментальных данных получена зависимость приращения поверхностной микротвердости по Виккерсу 
образцов из стали в натуральном выражении, адекватно представляющая эксперимент
(1)
Таблица 1
Теоретические коэффициенты регрессии (1)
Table 1
Theoretical regression coefficients (1)
|
Марка стали |
b0 |
b1 |
b2 |
b3 |
b12 |
b13 |
b23 |
b11 |
b22 |
b33 |
|
5Х3В3МФС |
125,9 |
0,2 |
-1,3 |
0,8 |
0,3 |
1,2 |
0,1 |
0,5 |
0,4 |
-0,5 |
|
4Х4ВМФС |
110,6 |
-1,1 |
0 |
-0,4 |
0,2 |
-0,1 |
0,2 |
-1,7 |
0,7 |
0,6 |
|
Х12МФ |
103,3 |
-3,3 |
-0,2 |
-0,2 |
0 |
0,1 |
0 |
1,1 |
1,2 |
2,0 |
Графическая интерпретация полученной модели, показывающая зависимость приращения микротвердости образцов из штамповой стали от двух технологических факторов обработки тлеющим разрядом при значении третьего, находящимся на основном уровне представлены на рисунках 2-4.
|
в) |
|
б) |
|
а) |
Рис. 2. Графическая интерпретация математической модели (1) образцов из стали 5Х3В3МФС:
а - влияние U, кВ и T, мин, при I=50mА; б - влияние U, кВ и I, mА, при Т=30мин;
в - влияние I, mА и T, мин, при U=2кВ
Fig. 2. Graphical interpretation of the mathematical model (1) of samples from steel 5Х3В3MFS:
a) Influence U, kV and T, min, at I=50mA; b) Influence U, kV and I, mA, at T=30min;
c) Influence I, mA and T, min, at U=2kV
|
а) |
|
в) |
|
б) |
 |
 |
||||
 |
|||||
Рис. 3. Графическая интерпретация математической модели (1) образцов из стали 4Х4ВМФС:
а - влияние U, кВ и T, мин, при I=50mА; б - влияние U, кВ и I, mА, при Т=30мин;
в - влияние I, mА и T, мин, при U=2кВ
Fig. 3. Graphical interpretation of the mathematical model (1) of samples from steel 4Х4ВMFS:
a) Influence U, kV and T, min, at I=50mA; b) Influence U, kV and I, mA, at T=30min;
c) Influence I, mA and T, min, at U=2kV
а) б) в)
Рис. 4. Графическая интерпретация математической модели (1) образцов из стали Х12МФ: а - влияние U, кВ и T, мин, при I=50mА; б - влияние U, кВ и I, mА, при Т=30мин;
в - влияние I, mА и T, мин, при U=2кВ
Fig. 4. Graphical interpretation of the mathematical model (1) of samples from steel Х12MF:
a) Influence U, kV and T, min, at I=50mA; b) Influence U, kV and I, mA, at T=30min;
c) Influence I, mA and T, min, at U=2kV
Таким образом, максимальная твердость образцов достигается путем упрочнения с оптимальными режимами с учетом наименьшей удельной мощности горения (W, кВт/м2), приведенными в таблице 2.
Таблица 2
Оптимальные режимы обработки образцов тлеющим разрядом
в прикатодном магнитном поле
Table 2
Optimal modes of sample processing by glow discharge
in the cathode magnetic field
|
Сталь |
Оптимальные значения технологических параметров обработки |
Приращение твердости, ∆HV % |
||||
|
U, кВ |
J, А/м2 |
T, мин |
W, кВт/м2 |
В, Тл |
||
|
5Х3В3МФС |
2,7 |
0,19 |
25 |
0,6 |
0,04-0,06 |
130,8 |
|
Х12МФ |
1,25 |
0,17 |
20 |
0,8 |
120,9 |
|
|
4Х4ВМФС |
1,2 |
0,13 |
18 |
0,2 |
119,2 |
|
На основании статистической обработки экспериментальных данных получена зависимость приращения коэффициента износостойкости kL, образцов из стали в натуральном выражении, адекватно представляющая эксперимент
(2)
Теоретические коэффициенты регрессии для рассматриваемых сталей приведены в таблице 3.
Таблица 3
Теоретические коэффициенты регрессии
Table 3
Theoretical regression coefficients
|
Сталь |
b0 |
b1 |
b2 |
b3 |
b12 |
b13 |
b23 |
b11 |
b22 |
b33 |
|
5Х3В3МФС |
1,413 |
0,117 |
-0,07 |
-0,146 |
0,044 |
0,088 |
0,181 |
0,038 |
-0,064 |
0,008 |
|
4Х4ВМФС |
1,958 |
-0,047 |
-0,040 |
0,091 |
0,006 |
-0,014 |
-0,03 |
-0,037 |
-0,004 |
0,056 |
|
Х12МФ |
1,722 |
0,022 |
-0,028 |
-0,002 |
0,061 |
0,023 |
0,017 |
0,020 |
0,020 |
0,051 |
Графическая интерпретация полученной модели, показывающая зависимость приращения коэффициента износостойкости образцов от двух технологических факторов обработки тлеющим разрядом при значении третьего, находящимся на основном уровне представлены на рисунках 5-7.
 |
|||||
 |
|||||
 |
|||||
а) б) в)
Рис. 5. Графическая интерпретация математической модели (2) образцов из стали 5Х3В3МФС:
а - влияние U, кВ и T, мин, при I=50mА; б - влияние U, кВ и I, mА, при Т=30мин;
в - влияние I, mА и T, мин, при U=2кВ
Fig. 5. Graphical interpretation of the mathematical model (2) of samples from steel 5Х3В3MFS:
a) Influence U, kV and T, min, at I=50mA; b) Influence U, kV and I, mA, at T=30min;
c) Influence I, mA and T, min, at U=2kV
а) б) в)
Рис. 6. Графическая интерпретация математической модели (2) образцов из стали 4Х4ВМФС: а - влияние U, кВ и T, мин, при I=50mА; б - влияние U, кВ и I, mА, при Т=30мин;
в - влияние I, mА и T, мин, при U=2кВ
Fig. 6. Graphical interpretation of the mathematical model (2) of samples from steel 4Х4ВMFS:
a) Influence U, kV and T, min, at I=50mA; b) Influence U, kV and I, mA, at T=30min;
c) Influence I, mA and T, min, at U=2kV
а) б) в)
Рис. 7. Графическая интерпретация математической модели (1) образцов из стали Х12МФ:
а - влияние U, кВ и T, мин, при I=50mА; б - влияние U, кВ и I, mА, при Т=30мин;
в - влияние I, mА и T, мин, при U=2кВ
Fig. 7. Graphical interpretation of the mathematical model (1) of samples from steel Х12MF:
a) Influence U, kV and T, min, at I=50mA; b) Influence U, kV and I, mA, at T=30min;
c) Influence I, mA and T, min, at U=2kV
Таким образом, максимальный коэффициент износостойкости образцов достигается путем упрочнения с оптимальными режимами, приведенными в таблице 4.
Таблица 4
Оптимальные режимы обработки образцов тлеющим разрядом
в прикатодном магнитном поле
Table 4
Optimal modes of sample processing by glow discharge
in the cathode magnetic field
|
Сталь |
Оптимальные значения технологических параметров обработки |
Приращение коэффициента износостойкости, kL |
||||
|
U, кВ |
J, А/м2 |
T, мин |
W, кВт/м2 |
В, Тл |
||
|
5Х3В3МФС |
1,25 |
0,19 |
15 |
0,2 |
0,04-0,06 |
2,0 |
|
Х12МФ |
1,5 |
0,25 |
20 |
0,8 |
2,1 |
|
|
4Х4ВМФС |
0,5 |
0,175 |
10 |
0,17 |
2,3 |
|
Результаты
Рассмотрена эффективность использования данного метода на примере комплекта штамповой оснастки для получения гайки колесной 4370-3104038 ОАО «ТАиМ».
В результате сотрудничества с ОАО «ТАиМ» проводились испытание штамповой оснастки из стали 5Х3В3МФС ГОСТ 5950-2000. Испытания упрочненного инструмента проводились в термическом отделении МСЦ (горячая штамповка). Обрабатываемый материал: сталь 40Х по ГОСТ 4543-71. Оборудование: штамп 576.587.1330-4008, температура заготовки перед операцией штамповки Т ≈900˚.
Типичная картина износа матрицы и пуансона представлена на рисунках 8 и 9.
Типовой технологией по восстановлению работоспособности данной штамповой оснастки является ее перешлифовка. Стойкость инструмента составляет от 500 до 600 шт., после перешлифовки по передней поверхности стойкость будет от 300 до 400 шт., т.е. можно сделать вывод, что стойкость инструмента без упрочнения составляет: от 500 до 1000 шт.
В ходе испытаний было выявлено, что стойкость инструментов, подвергнутых упрочнению, оказалась выше по сравнению с неупрочненными инструментами и составила от 2500 до 4000 шт. Упрочнение проводилось по методике, описанной в [4 - 6].
|
|
|
Рис. 8. Матрица 576.587.1330-4006.012 ОАО «ТАиМ»: а - вид матрицы;
б - края матрицы до начала работы; в - матрица со стертыми краями
Fig. 8. Matrix 576.587.1330-4006.012 JSC "TAiM":
- type of matrix; b) the edges of the matrix before starting work; c) matrix with erased edges
|
а) б) в)
Рис. 9. Пуансон 576.587.1330-4011.012 ОАО «ТАиМ»:
а - вид пуансона; б - край пуансона до начала работы; в - пуансон со стертыми,
потрескавшимися краями
Fig. 9. Punch 576.587.1330-4011.012 JSC "TAiM":
a) type of punch; b) the edge of the punch before starting work; c) a punch with worn, cracked edges
Заключение
Упрочнение инструмента методом «структурно-фазового модифицирования поверхностных слоев тлеющим разрядом» позволяет увеличить стойкость инструмента в 3 - 4 раза, тем самым сократить затраты на изготовление нового инструмента.
Применение в условиях ОАО «ТАиМ» штамповой оснастки, модифицированной обработкой комплексным воздействием тлеющего разряда и постоянного магнитного поля, позволило получить экономический эффект в эквиваленте 2300 долларов США в ценах на 16 мая – 20 июня 2019 г.
1. Shemenkov VM. Structural and phase modification of surface layers of products made of stamped steels by glow discharge in a magnetic field. Proceedings of the XIV International Scientific and Technical Conference: Modern Problems of Mechanical Engineering. Tomsk: National Research Tomsk Polytechnic University; 2021.
2. Shemenkov VM, Belaya MA, Shemenkova AL, Obidina OV. Effect of glow discharge treatment on structure, phase composition and wear resistance of tool die steels. Vesnik of the Belarusian-Russian University. 2018;4:28-38.
3. Rabyko MA, Shemenkov VM, Eliseeva AN. Structural phase modification of die steels by glow discharge treatment in the magnetic field. Vesnik of the Belarusian-Russian University. 2022;2:23-31.
4. Shemenkov VM, Belaya MA. Patent No. 19126 Republic of Belarus, MPK C 23C 14/38. Method of hardening products made of metal or alloy, or superhard material. 2013 Dec 30.
5. Shemenkov VM, Belaya MA, Malutin VV, Shemenkova AL, Batrakov AS. Patent No. 9478 Republic of Belarus, MPK C 23C 14/00. Vacuum installation for hardening products by the complex effect of a glow discharge and a permanent magnetic field No. 9478. 2013 Aug 30.
6. Shemenkov VM. Structural and phase modification of instrumental materials by glow discharge: monograph. Mogilev: Belarusian-Russian University; 2017.
7. Dukhopelnikov DV, Kirillov DV. Influence of a magnetic field on the volt-ampere characteristic of a vacuum arc discharge. Science and Education. 2015;11:124-135. DOI:https://doi.org/10.7463/1115.0820267
8. Panchenko EV, Skakov YuA, Krimer BI. Metallography Laboratory. Moscow: Metallurgiya; 1965.
9. GOST 2999-75. Metals and alloys. Vickers’ method to measure hardness. Moscow: Publishing House of Standards; 1987.
10. Spiridonov AA. Experiment planning in the study of technological processes. Moscow: Mashinostroenie; 1981.
11. Bely AV, Kukarenko VA, Choy KI. Structure and properties of tool martensitic-aging steel of FeCo-W type treated with concentrated nitrogen ion flows. Materialovedenie. 2011;12:11-15.
12. Shemenkov VM, Lovshenko FG, Belaya MA, Shemenkova AL. The effect of glow discharge treatment on the structure, phase composition and wear resistance of steels subjected to chemical-thermal treatment. Vesnik of the Belarusian-Russian University. 2016;1:100-113.
13. Shemenkov VM. In Structural and phase modification of single-carbide hard alloys by treating in a glow discharge [dissertation]. [Mogilev (Belorussia)]; 2009.
14. Shemenkov VM, Belaya MA, Shemenkova AL, Obidina OV. The effect of glow discharge treatment on the structure, phase composition and wear resistance of tool die steels. Vesnik of the Belarusian-Russian University. 2018;4:28-38.
