Криогенное упрочнение пуансонов и матриц для холодной штамповки

Штампы и другие инструменты холодной обработки металлов давлением работают в условиях переменных нагрузок. Утрата работоспособности чаще происходит в результате хрупкого разрушения, малоцикловой усталости и потери размерной точности из-за износа и смятия. Негативное влияние оказывает и разогрев рабочих поверхностей инструмента, вызванный высокими скоростями деформирования. По возможности, пуансоны и матрицы покрывают износостойкими покрытиями.

Существуют ориентировочные нормы стойкости штампов и инструмента для холодной штамповки:

• высадочный пуансон – 50-300 тыс. ударов при работе по стали, 140-360 тыс. ударов (латунь), 110-480 тыс. ударов (медь);
• высадочная матрица – 10-25 тыс. ударов (сталь), 20-50 тыс. ударов (латунь и медь);
• штамп для объемной формовки и калибровки – 50-100 тыс. ударов (сталь), 70-130 тыс. ударов (латунь), 100-170 тыс. ударов (медь), 150-280 тыс. ударов (алюминий).

В этой связи материал инструмента для холодной штамповки должен иметь высокую износостойкость, прочность, теплостойкость и сопротивление пластическим деформациям. В плане названных требований приоритетными являются высокохромистые стали (Х12МФ), применяемые для сложных точных крупных штампов, и низколегированные стали типа 9ХС, используемые для небольших инструментов.

Если выбранный материал и степень его легирования не обеспечивает в полной мере получение заданной структуры и эксплуатационной стойкости, обращаются к технологическим методам упрочнения, таким как нанесение покрытий и криогенная обработка.

В производстве штампового инструмента нанесение покрытия является средством дополнительного повышения стойкости за счет: высокой твердости, низкого коэффициента трения, высокой химической устойчивости, повышения теплопроводности. Стойкость инструмента с покрытием повышается в 1,5 – 2 раза.

Упрочняющая криогенная обработка позволяет снизить себестоимость обработки и затраты на штамповый инструмент. В результате криогенного упрочнения повышается износостойкость за счет: высокой и стабильной твердости, низкого коэффициента трения, повышения теплопроводности. Стойкость инструмента для холодной штамповки из легированной инструментальной стали с криогенным упрочнением повышается в 1,2 – 2 раза.

Проведены исследования влияния операций нанесения PVD-покрытий и криогенного упрочнения на абразивную размерную износостойкость образцов Ø 6 мм из сталей Х12МФ и 9ХС, используемых для производства штампового инструмента. Относительная размерная износостойкость исследуемых сталей, обработанных по различным технологическим схемам, приведена на рисунке.

Рис. Относительная размерная износостойкость образцов из сталей Х12МФ и 9ХС, обработанных по различным технологическим схемам

Если принять за 1,0 размерную износостойкость термообработанной стали 9ХС, то размерная износостойкость стали Х12МФ выше на 66%. Криогенная обработка стали Х12МФ позволяет достичь такого уровня относительной износостойкости, который достигается на стали 9ХС обработкой с наибольшей добавленной стоимостью – нанесением PVD-покрытия и дополнительной криогенной обработкой. При этом стоимость инструментальной стали определенного сортамента Х12МФ составляет 140 руб./кг, что более, чем в 3 раза выше стоимости килограмма стали 9ХС.

Для того, чтобы инструмент из стали 9ХС мог конкурировать с инструментом из стали Х12МФ по стойкости необходимо на него нанести PVD-покрытие и упрочнить криогенной обработкой. Дополнительная криогенная обработка инструмента из стали 9ХС с PVD-покрытием обеспечивает повышение стойкости до уровня стойкости инструмента из стали Х12МФ с PVD-покрытием. Что в конечном счете обеспечит повышение стойкости, снижение себестоимости операции холодной штамповки и затрат на штамповый инструмент.