Abstrait:La matrice de forgeage à froid pour le rouleau conique du roulement en acier Cr12MoV a une durée de vie plus courte. La défaillance de cette matrice est principalement due à l'usure importante de la cavité du moule, à la fracture par expansion longitudinale et transversale, au coin rond bosselé et à l'apparition d'une fosse d'érosion par fatigue. Sur la base des principes fondamentaux de la déformation plastique, de l'usure par tremblement et de la rupture par fatigue, l'auteur a analysé les mécanismes de défaillance liés à une légère déformation plastique, à l'usure par compression et à la fracture par expansion par compression pendant le travail. Il est conclu que la meilleure façon de prolonger la durée de vie consiste à adopter de nouveaux matériaux de matrice tels que des alliages durs et la nouvelle matrice de travail à froid à haute résistance et ténacité en fonction de la conception de la matrice et des conditions de service. Mots clés : matrice de forgeage à froid ; mécanisme de défaillance ; voie d'amélioration
1.Introduction
Les rouleaux coniques à roulement en acier GCr15 sont formés par frappe à froid, également connue sous le nom d'estampage à froid. À l'heure actuelle, l'acier Cr12MoV est principalement utilisé comme moule de formage en Chine. En raison de la forte force d'estampage exercée sur le moule pendant le processus d'estampage, sa durée de vie est relativement courte. Au début, les moules en acier Cr12MoV étaient trempés à 1 080 degrés et revenus à 520 degrés, avec une dureté de 62 ~ 64 HRC. En raison de la grande taille et de la répartition inégale des carbures dans cet acier, le phénomène de fracture et d'effondrement est plus grave lors de l'utilisation. Ces dernières années, de nombreuses usines sont passées au processus de traitement de trempe à 1 040 degrés et de revenu à température moyenne, avec une dureté de 60-62HRC et une augmentation de la ténacité aux chocs. Le phénomène de fracture a été considérablement réduit et la durée de vie a été augmentée d'environ deux fois. En prenant comme exemple le rouleau conique de 18 mm, à l'origine il ne pouvait perforer que 1700-2000 pièces, mais il peut désormais perforer plus de 4 000 pièces, avec un maximum de 10 000 à 20 000 pièces. Cependant, il appartient toujours aux moules de courte durée, ce qui non seulement augmente la consommation de moules, mais, plus important encore, affecte l'efficacité de la production. En raison du fait que le matériau du rouleau conique est de l'acier GCr15 avec une dureté relativement élevée (197-227HB), il passe d'une forme cylindrique à une forme conique après emboutissage, et les extrémités supérieure et inférieure sont à fond plat et estampé en forme d'arc de cercle, ce qui permet à la surface de la cavité du moule de résister momentanément aux forces d'impact et de friction de fortes charges localement. Selon la pression de poinçonnage, elle peut atteindre plus de 3000MPa. Le problème de la faible durée de vie des moules en acier Cr12MoV est difficile à résoudre. Par conséquent, l’industrie nationale des roulements recherche activement de nouveaux matériaux de moule.
Les principales manifestations d'une défaillance du moule sont des changements dans la taille de l'ébauche du rouleau et la question de savoir si le traitement de frappe à froid peut se dérouler normalement. Si la taille de l'ébauche de rouleau devient plus grande, ou même si l'ébauche n'est pas suffisamment remplie (appelée sous pression), ou si l'ébauche de rouleau est déformée ou même incapable d'être estampée en raison de fissures du moule ou de défauts de cavité, le moule devient invalide et mis au rebut et un nouveau moule doit être remplacé. On pense généralement que l'augmentation de la taille de la cavité est principalement causée par une résistance à l'usure insuffisante du moule, tandis que les fissures, les effondrements et les défauts de la surface interne sont principalement causés par une ténacité insuffisante. Cependant, le problème n'est pas si simple car sous une forte force d'impact, en plus d'une forte friction et d'une forte usure, une déformation microplastique s'accompagne également d'une déformation microplastique, qui peuvent toutes deux entraîner une augmentation de la taille de la cavité du moule. La rupture du moule présente également des caractéristiques de rupture par fatigue, qui sont liées à la fois à la fragilité et au processus de génération et de développement des sources de fissures. La génération de défauts internes dans la cavité du moule est également liée à la déformation plastique et à la rupture par fatigue.
2. Formes de défaillance et analyse des forces
Après avoir étudié les moules existants en acier Cr12MoV dans une certaine usine, il a été constaté qu'il existe cinq situations principales de défaillance ultime, comme le montre la figure 1 : ① La taille de la cavité du moule devient plus grande, dépassant la plage d'erreur autorisée, entraînant une taille plus grande. de l'ébauche du rouleau conique pour dépasser la tolérance, et même un remplissage insuffisant, entraînant une sous-pression, représentant environ 60 % ; ② Le développement de fissures longitudinales dans le moule entraîne des fissures sur la paroi interne de la cavité du moule, appelées fissures de dilatation, représentant environ 20 % ; ③ La fracture circulaire du moule se produit principalement sur des moules individuels, représentant environ 5 %. Pour la plupart des moules fendus, cette fracture ne se produit généralement pas ; ④ Effondrements de congé ou puits de fatigue, représentant environ 10 % ; ⑤ Les autres fissures, telles que le retrait de matière ou les fissures superficielles, représentent environ 5 %.
Fig.1 (a) forme de défaillance et position de la matrice
(b)photo de la matrice de fracture par expansion
Pendant le processus de frappe à froid du formage au rouleau conique, la situation de contrainte du moule est illustrée à la figure 2. La paroi interne du moule est soumise à la force de compression P, qui forme une contrainte de cisaillement t. L'ampleur de la contrainte de cisaillement est liée à la force de frottement, et la répartition de la surface vers l'intérieur change progressivement, avec une valeur maximale sur la surface intérieure.
Fig.2 Schéma de répartition des forces de la matrice de forgeage à froid.
(a) la contrainte de cisaillement circulaire (b) la répartition de la contrainte de cisaillement dans la couche de surface de travail (c) les forces sur le coin rond
La première situation de défaillance du moule est causée par deux raisons : l’usure et la déformation plastique. Lors de l'emboutissage, la pièce est soumise à une déformation instantanée par extrusion, qui se produit d'abord à la surface du corps légèrement convexe. Bien que la surface soit très lisse, il y a toujours une certaine rugosité sur la surface intérieure du nouveau moule, c'est-à-dire des micro-bosses inégales. Lorsque la pression atteint 1000-3000 MPa, la contrainte est plus importante au niveau du corps légèrement convexe, entraînant une déformation plastique locale et une contrainte de cisaillement importante à une certaine profondeur. En raison de l'effet de compression, il se produit un léger déplacement relatif entre la pièce et la surface du moule, semblable à l'usure par fretting. En raison de la pression positive élevée, la billette du rouleau traité frotte fortement et à plusieurs reprises contre la surface intérieure du moule, provoquant ainsi une usure. En raison de l'effet de compression, la cavité du moule est également soumise à une force d'expansion. Lorsque la pièce entre en contact local avec la surface du moule, la force inégale peut dépasser la limite d'élasticité de l'acier Cr12MoV, entraînant une déformation microplastique et une augmentation de la taille de la cavité du moule. La dépression annulaire de la figure 1b est provoquée par une déformation plastique sur la surface de contact du moule fendu.
De plus, la chaleur transformée par la déformation des rouleaux traités et la chaleur générée par un fort frottement peuvent augmenter localement la température de surface de la cavité du moule, provoquant une instabilité de la structure de surface de la cavité du moule et la rendant plus sujette à la déformation plastique et porter.
Les deuxième et troisième cas de défaillance du moule, dus à l'action répétée de la force circonférentielle, entraînent l'initiation locale de fissures, et la source des fissures se produit souvent au niveau de la couche superficielle de carbures en blocs ou d'inclusions. Une fois que des fissures se produisent, en raison de la concentration des contraintes, la propagation des fissures est ici accélérée, conduisant finalement à une fracture fragile. La figure 3 montre le diagramme schématique du développement des fissures longitudinales et des photos de fracture. En observant les photos de fracture, la source de la fissure apparaît comme une fosse de corrosion circulaire. La source de fissure peut être formée par le pelage de gros carbures ou d'inclusions, qui sont plus susceptibles d'adhérer ou de mordre avec la pièce après formation, provoquant l'expansion de la source de fissure. Sous l’action d’une force d’impact alternée, des fissures se développent dans les directions verticale et horizontale. L'apparition de fissures libère la force circonférentielle, tandis que de nouvelles fissures n'apparaissent plus dans d'autres positions. Par conséquent, une seule fissure apparaît dans un moule. La morphologie de la fracture présente des caractéristiques de quasi-clivage et la surface de fracture présente des caractéristiques de rupture par fatigue. De plus, en raison de la force circonférentielle inégale exercée sur le moule, celle-ci provoque une déformation et une expansion inégales des parties supérieure et inférieure, conduisant à l'initiation et à la propagation de fissures transversales. Les fissures transversales sont également liées à un refroidissement irrégulier du moule lors du traitement thermique.
Fig. 3 (a) Photo de la matrice de fracture et (b) croquis de la propagation des fissures de fatigue
Le quatrième cas de rupture du moule est dû à la concentration instantanée de contraintes de compression au coin arrondi, jusqu'à 3000-4000MPa, provoquant une certaine profondeur (environ quelques-unes) sous la surface à ce point μ En m, un cisaillement important des contraintes sont générées, provoquant la déformation du matériau et formant une zone de déformation plastique. Sous des contraintes répétées, des microfissures parallèles à la surface sont générées, présentant finalement un effondrement et des piqûres de fatigue de contact.
La cinquième situation est essentiellement similaire à ②, ③ ou ④, sauf que l'emplacement où se produisent la rupture par fatigue et l'effondrement est différent. Selon l’analyse des formes de défaillance, les principaux mécanismes de défaillance sont la déformation microplastique, l’usure par frottement et la rupture par fatigue.
Le mécanisme de déformation microplastique est également provoqué par le glissement des luxations. La déformation commence-t-elle par la nucléation de nouvelles luxations ou par l’activation de luxations existantes ? Il y a deux points de vue. La première suggère que la déformation plastique est initialement liée à la nucléation de nouvelles dislocations, qui peuvent se former sur de petits pas d'atomes uniques, des joints de grains, des joints de sous-grains, etc. à la surface ; Le deuxième point de vue suggère que l’étape initiale de la déformation plastique est due à l’activation de sources de dislocations supérieures aux joints de grains [1]. Par conséquent, la couche superficielle du moule donne la priorité à l’apparition d’un glissement de dislocation, provoquant une déformation microplastique, qui se propage progressivement vers l’intérieur. Afin d'améliorer la résistance à la déformation microplastique, il est en effet nécessaire de créer des obstacles au mouvement de toutes les luxations. Premièrement, il est nécessaire d’augmenter la résistance au frottement du réseau. L'alliage efficace de la solution solide peut améliorer la résistance du réseau au mouvement de dislocation. Différents éléments d'alliage ont des effets différents sur la résistance de la matrice. Si, W, Cr, Mo, V, etc. sont tous des éléments de renforcement efficaces, notamment Si et W, qui peuvent améliorer considérablement la limite d'élasticité. La recherche a montré qu'il existe une valeur seuil élastique pour la limite élastique, en dessous de laquelle le glissement de dislocation ne peut pas être initié. Par conséquent, l’augmentation de la limite d’élasticité des matériaux peut améliorer efficacement l’énergie de résistance à la déformation, en particulier lorsque la pression d’impact maximale est constante. Le raffinement de la taille des grains et de la sous-structure de transformation martensitique peut à la fois augmenter la densité des dislocations et améliorer le degré de blocage. D'autre part, lors du raffinement de points de matériaux durs carbonisés, les dislocations forment des anneaux de dislocations autour d'une série de particules. Lorsque les particules sont fortement dispersées, la résistance à la déformation microplastique est maximale.
La micro-usure est principalement similaire à l’usure adhésive au stade initial. Le mouvement relatif entre la pièce et la surface du moule est alternatif. Après avoir brisé à plusieurs reprises les joints de soudure à froid du corps micro-convexe, la tendance adhésive diminue progressivement et passe finalement à un stade stable. Au stade stationnaire, les mécanismes d’adhésion et d’usure par abrasion jouent un rôle, entraînant une usure par délaminage de la surface. En général, plus la dureté de la martensite et du carbure trempés dans la matrice du moule est élevée, plus la résistance à l'usure est forte. De plus, bien que dans le cas d'usure par glissement, notamment en présence de particules abrasives, lorsque la taille des particules de carbure est importante, elles peuvent être fermement ancrées dans la matrice pour jouer un rôle plus important. Cependant, dans des conditions d'emboutissage à froid, la vitesse de pelage des carbures de petite taille due à l'extrusion est relativement faible et le degré d'usure est largement déterminé par la fraction volumique et la dureté des carbures. Plus la fraction volumique des carbures est grande, plus la dureté est élevée et plus le degré d'usure est faible.
La source de fissure de rupture fragile et de fissure de fatigue est générée de préférence sur des défauts macroscopiques, et les carbures grossiers ou les inclusions dans l'acier Cr12MoV peuvent être le site d'initiation de la source de fissure. La vitesse de propagation des fissures est liée à la résistance et à la ténacité de la martensite revenue, ainsi qu'à la taille des carbures. Plus la taille des carbures est petite, plus la ténacité du matériau est élevée et plus la vitesse de propagation des fissures est lente.
Enfin, il convient de mentionner que la chaleur générée lors du processus d'emboutissage augmente la température de surface du moule, ce qui renforce le processus d'activation thermique, détend le goupillage de dislocation, et même réduit la dureté de la matrice, augmente l'usure et la déformation plastique. Par conséquent, les nouveaux matériaux doivent également avoir une bonne résistance au rebond.
4. Application de nouveaux matériaux de moule
Selon l'analyse des défaillances, il existe quatre exigences principales pour la microstructure et les performances des matériaux de moulage : ① une résistance élevée à la déformation plastique, ② une résistance élevée à l'usure, ③ une résistance élevée à la rupture par fatigue et ④ pour les nouvelles applications en acier, il est nécessaire de choisir un travail à froid acier de moulage avec des carbures raffinés, un rapport de fraction volumique élevé et une dureté élevée.
Pour les rouleaux coniques de petite taille, il est raisonnable d’utiliser un moule en alliage dur. En raison de la dureté ultra-élevée et du module élastique élevé de l'alliage dur, il présente une résistance élevée à l'usure et à la déformation plastique, ce qui peut garantir la précision des pièces traitées. La durée de vie peut atteindre 10-20 fois celle du moule en acier Cr12MoV d'origine. Pour les rouleaux coniques de grande taille, la machine-outil d'emboutissage peut atteindre 160-250 tonnes, et l'utilisation de moules en alliage dur peut provoquer une défaillance prématurée due à une rupture fragile. L'augmentation de la durée de vie est insuffisante pour compenser l'augmentation du coût. Par conséquent, il est nécessaire d’étudier de nouveaux aciers pour matrices de travail à froid à haute résistance et ténacité.
Nous avons calculé la composition d'un nouveau type d'acier pour matrices à haute résistance et ductile DM9 sur la base de la thermodynamique d'équilibre de phase. Après des études de fusion, de forgeage, de laminage, de traitement thermique, de microstructure et de performances, il a été constaté qu'il existe cinq types de carbures, M3C, M6C, M23C6, M7C3 et MC, à l'état recuit de l'acier. En raison des différences thermodynamiques et cinétiques dans la nucléation, la croissance et la dissolution des différents types de carbures dans l'austénite, les carbures peuvent être uniformément raffinés, avec une taille moyenne de 0,66 après recuit μ m. Taille moyenne du carbure restant après trempe 0,5 µm. Il s'agit de 1/8-1/10 de la taille de carbure restante de l'acier Cr12MoV. En raison de l'ajout de Si et de W en plus de Cr, Mo et V dans les éléments de renforcement en solution solide martensitique de l'acier DM9, la limite d'élasticité est augmentée par rapport à Cr12MoV. De plus, après traitement thermique, il existe davantage de carbures M6C et MC de haute dureté, et leur résistance à l'usure est également élevée. Cet acier est appliqué sur des moules à rouleaux coniques de grande taille et sa durée de vie est plus de 2-3 fois supérieure à celle de l'acier Cr12MoV d'origine.
Pendant le processus de trempe et de chauffage, les M3C et M23C6 de l'acier DM9 sont plus facilement solubles dans l'austénite, ce qui peut améliorer efficacement la solubilité solide de l'austénite à des températures de trempe plus basses. Cependant, la grande quantité de M6C et de VC non dissous peut effectivement entraver la croissance des grains. Par conséquent, cet acier peut être utilisé pour la trempe à moyenne température et le revenu à basse température, et ses performances techniques et son effet d'utilisation sont meilleurs que l'acier Cr12MoV.
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