В зависимости от применяемой технологии упрочнения меняется глубина деформированного слоя. Как показали исследования, наиболее эффективным методом упрочнения деталей, имеющих форму тел вращения, является метод обкатки роликом. Ои широко используется, например, в судостроительной промышленности при упрочнении гребных валов в зоне напрессовки на них втулок.
Глубина упрочненного слоя ориентировочно может быть определена по формуле / = Т^р/25т » где I — глубина упрочненного слоя, мм; р — усилие обкатки, Н; ат — предел текучести материала детали, МПа.
Исследование зависимости эффективности упрочнения обкаткой от глубины деформированного слоя для крупных деталей показывает, что наилучший эффект, позволяющий полностью нейтрализовать вредное влияние напрессовки втулки, достигается при глубине
упрочненного слоя порядка 5... 7 мм. При этом необходимые усилия обкатки для сталей с пределом текучести ат=500 н-700 МПа оказываются равными р—25 -г- 70 кН.
Более подробные сведения о необходимых величинах усилий обкатки для валов различных диаметров из сталей разных категорий прочности содержатся в литературе [11].
Другим средством защиты деталей от концентрации напряжений и фреттинг-коррозии, вызванных напрессовкой втулок, является посадка их на эпоксидную композицию, армированную стекловолокном и нанесенную на поверхность детали под втулкой. Оказывается целесообразным для повышения эффективности защиты нагнетать под давлением эпоксидную композицию в зазор между втулкой и защищаемой деталью.
Некоторые из упомянутых выше средств упрочнения применяются при создании новых конструкций крупных рабочих колес поворотно-лопастных турбин. Это позволило обеспечить необходимые запасы прочности деталей механизма поворота этих гидротурбин.
Основными штамповыми сталями в кузнечно-штамповочных цехах энергомашиностроения являются полу-теплостойкой сталь марки 5ХНМ (40 НКС при 4 ч отпуске на 600 °С) и сталь умеренной теплостойкости 4Х5В2ФС (ЭИ958). Предел текучести этих марок сталей при температуре 600 °С составляет 990 МПа. Следует ожидать, что при указанных значениях удельных усилий металл штампа может перейти в пластическое состояние. Это подтверждается производственной практикой — при штамповке жаропрочных сплавов гравюра штампа быстро теряет первоначальные размеры и его приходится ремонтировать. Поэтому нормативная стойкость штампов КГШП-6300 до первого ремонта при штамповке поковок из сплава ХН65ВМТЮ составляет 300 шт.
Развитие энергомашиностроения требует применения новых лопаточных материалов с более высокими, чем сплава ХН65ВМТЮ, механическими свойствами, поэтому проблема повышения стойкости штампового инструмента становится более актуальной. В исследованиях, проводимых с целью повышения стойкости штампов, можно выделить следующие основные направления: создание новых более теплостойких штамповых сталей; применение различных способов поверхностного упрочнения штампов (наплавка теплостойкими электродами, химико-термическая обработка, напыление на штамп теплостойких сплавов); поддержание оптимального температурного режима штампов (подогрев штампов, нанесение смазочно-охлаждающей жидкости во время работы); разработка новых составов технологических смазок; совершенствование технологии изготовления штампов.
В каждом из этих направлений достигнуты определенные успехи, но в условиях предприятий энергомашиностроения не все они могут дать эффективные результаты.
За последнее время широкое применение для тяжело-нагруженных штампов нашли стали повышенной теплостойкости типа 4Х4В2МФС (ДИ-22), 45ХЗВЗМФС (ДИ-23), 5Х2МНФ (ДИ-32) и т. п. После предварительных лабораторных исследований эти марки сталей были опробованы в условиях ЛЗТЛ: сталь 5Х2МНФ — при штамповке лопаток из стали 1Х12Н2ВМФШ {ЭИ961), а сталь 45ХЗВЗМФС — при калибровке лопаток из нержавеющей стали марки 12Х13Ш. Стойкость штампов из стали 5Х2МНФ оказалась не выше стойкости контрольных штампов из стали марки 5ХНМ, а стойкость штампов из стали 5ХЗВЗМФС — в 1,6— 2 раза выше по сравнению с опытными штампами из стали марки 4Х5В2ФС.
Таким образом, применение новых штамповых сталей повышенной теплостойкости в условиях энергомашиностроительных заводов может быть эффективным. Но целесообразность замены штамповой стали на более теплостойкую в конкретных условиях может быть установлена только после соответствующих экономических расчетов. В состав указанных марок штамповых сталей повышенной теплостойкости входят дефицитные и дорогие легирующие элементы, поэтому необходимо разрабатывать новые способы повышения стойкости штампов.
На некоторых предприятиях широко применяют упрочнение гравюры штампов азотированием и борированием. Но толщина упрочненного слоя находится в пределах 0,03 ... 0,3 мм, в то время как при работе штампа по всей его высоте уровень напряжений остается высоким. Вследствие этого возможна пластическая деформация металла штампа под упрочненным слоем и, как следствие, изменение размеров гравюры.
Экономически более выгодно, а следовательно, более перспективно применять наплавки штампов из недорогих штамповых сталей типа 5ХНМ, 5ХНВ теплостойкими электродами [4]. Для наплавки тяжело-нагруженных прессовых штампов отечественной промышленностью выпускаются две марки электродов ОЗИ-4 и ОЗИ-5. Опробование электродов марки ОЗИ-4 для наплавки прессовых штампов на ЛЗТЛ показало положительные результаты. Стойкость их возросла в 1,6 раза. Хотя в состав электродов марок ОЗИ-4 и ОЗИ-5 входят дефицитные легирующие элементы (ОЗИ-4 содержит 6,5 % , Мо — 5 %, V — 0,8 %, Со — 15%, а ОЗИ-5 содержит \У 10 %, Мо — 9 %, V — 0,8 %, Со — 18 %), этот способ упрочнения штампов является более дешевым по сравнению с применением теплостойких сталей типа ДИ, так как наплавляется сравнительно тонкий слой металла. Исследования в этом направлении будут продолжены.
Выше отмечалась необходимость комплексного подхода к вопросу стойкости штампов. Поэтому наряду с поисками новых способов упрочнения штампов следует обратить внимание на температурный режим работы штампов. Для уменьшения разогрева поверхности штампа применяют смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ). Однако само применение СОЖ еще не решает проблемы. Большое значение имеет способ подачи СОЖ на поверхность штампов. Проведенные исследования температурного режима работы штампа на КГШП-6300 усилием 63 кН показали, что при подаче СОЖ марки ВКГСО распылением из пистолета максимальная температура поверхности штампа снижалась на 30 °С по сравнению с применяемым на ЛЗТЛ способом подачи при помощи квача. В настоящее время имеются более совершенные устройства для подачи СОЖ [5], значительно улучшающие температурный режим работы прессовых штампов. Внедрение их на заводах энергомашиностроения помогло бы повысить стойкость прессовых штампов.
Большое значение для повышения стойкости штампов имеет качество исходного металла. Вот почему на передовых предприятиях большое внимание уделяют технологии ковки штамповых кубиков и для лучшей проковки металла вводят дополнительные операции по сравнению с рекомендуемыми ГОСТ 7831—71. ГОСТ 7831—71 допускает требуемую величину укова штамповых кубиков (не менее 3 для обычных и не менее 2,5 для удлиненных слитков) получать посредством только операции вытяжки. На передовых предприятиях страны ковку штамповых кубиков ведут с двойной осадкой или двойной вытяжкой. Величина укова в этом случае бывает значительно выше указанной в ГОСТ 7831—71 [4].
Для оценки эффективности влияния схемы ковки на стойкость штампов в условиях ЛЗТЛ была откована поковка размером 200 X 330 X 2175 мм из стали 5ХНМ для штампов по опытному техпроцессу, включающему две осадки и три протяжки. Из поковки изготовили два комплекта штампов для штамповки заготовок лопаток из сплава ХН65ВМТЮ (Х,=350 мм) на КГЩП-6300. При промышленном испытании стойкость штампов до первого ремонта составила 420 ... 440 поковок. Средняя стойкость (по девяти комплектам) штампов, изготовленных из поковок по серийной технологии, до первого ремонта составила 311 поковок.
Таким образом, только за счет изменения технологического процесса ковки было достигнуто повышение стойкости в 1,4 раза. Выводы
1. Проблему повышения стойкости тяжелонагруженных штампов следует решать комплексно.
2. Перспективным направлением повышения стойкости тяжелонагруженных прессовых штампов в энергомашиностроении следует признать наплавку штампов из недорогих штамповых сталей типа 5ХНМ, 5ХНВ теплостойкими электродами.
3. Для повышения качества исходного металла штампов необходимо совершенствовать технологический процесс ковки штамповых кубиков.
