बेयरिंग रोलर और सुधार विधि के लिए कोल्ड-फोर्जिंग डाइज़ का विफलता विश्लेषण

अमूर्त:Cr12MoV स्टील से बने बियरिंग के शंक्वाकार-रोलर के लिए भारी पंचिंग कोल्ड-फोर्जिंग डाई की सेवा जीवन कम है। इस डाई की विफलता मुख्य रूप से मोल्ड गुहा के भारी घिसाव, अनुदैर्ध्य और अनुप्रस्थ विस्तार फ्रैक्चर, गोल कोने में डेंट, और थकान क्षरण गड्ढे की उपस्थिति के कारण होती है। प्लास्टिक विरूपण, जिगल घिसाव और थकान फ्रैक्चर के मूल सिद्धांतों के आधार पर, लेखक ने काम के दौरान मामूली प्लास्टिक विरूपण, निचोड़ने वाले घिसाव और निचोड़ने वाले विस्तार फ्रैक्चर की विफलता तंत्र का विश्लेषण किया। यह निष्कर्ष निकाला गया है कि सेवा जीवन को बढ़ाने का सुधार तरीका नई डाई सामग्री जैसे कि कठोर मिश्र धातु और नई उच्च शक्ति और क्रूरता वाले कोल्ड वर्क डाई को डाई डिजाइन और सेवा शर्तों के अनुसार अपनाना है। मुख्य शब्द: कोल्ड-फोर्जिंग डाई; विफलता तंत्र; सुधार का तरीका

1.परिचय

GCr15 स्टील बेयरिंग टेपर्ड रोलर्स कोल्ड हेडिंग द्वारा बनाए जाते हैं, जिन्हें कोल्ड स्टैम्पिंग भी कहा जाता है। वर्तमान में, Cr12MoV स्टील का उपयोग मुख्य रूप से चीन में फॉर्मिंग मोल्ड के रूप में किया जाता है। स्टैम्पिंग प्रक्रिया के दौरान मोल्ड पर लगने वाले भारी स्टैम्पिंग बल के कारण, इसकी सेवा का जीवन अपेक्षाकृत कम होता है। शुरुआती दिनों में, Cr12MoV स्टील मोल्ड्स को 1080 डिग्री पर बुझाया जाता था और 62~64HRC की कठोरता के साथ 520 डिग्री पर टेम्पर्ड किया जाता था। इस स्टील में कार्बाइड के बड़े आकार और असमान वितरण के कारण उपयोग के दौरान फ्रैक्चर और ढहने की घटना अधिक गंभीर होती है। हाल के वर्षों में, कई कारखानों ने 1040 डिग्री शमन और मध्यम तापमान टेम्परिंग की उपचार प्रक्रिया को अपनाया है, जिसमें 60-62एचआरसी की कठोरता और प्रभाव क्रूरता में वृद्धि हुई है। फ्रैक्चर की घटना बहुत कम हो गई है, और सेवा जीवन लगभग दोगुना बढ़ गया है। उदाहरण के तौर पर 18 मिमी पतले रोलर को लेते हुए, मूल रूप से यह केवल 1700-2000 टुकड़ों को ही छेद सकता था, लेकिन अब यह 4000 से अधिक टुकड़ों को छेद सकता है, अधिकतम 10000 से 20000 टुकड़ों तक। हालाँकि, यह अभी भी अल्पकालिक साँचे से संबंधित है, जो न केवल साँचे की खपत को बढ़ाता है, बल्कि इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उत्पादन क्षमता को प्रभावित करता है। इस तथ्य के कारण कि पतला रोलर सामग्री अपेक्षाकृत उच्च कठोरता (197-227HB) के साथ GCr15 स्टील है, यह मुद्रांकन के बाद एक बेलनाकार आकार से शंक्वाकार आकार में बदल जाता है, और ऊपरी और निचले सिरे सपाट तल वाले होते हैं और एक वृत्ताकार चाप आकार में अंकित किया गया, जिससे मोल्ड गुहा की सतह स्थानीय स्तर पर भारी भार प्रभाव और घर्षण बल का क्षण भर के लिए सामना कर सके। छिद्रण दबाव के अनुसार, यह 3000MPa से अधिक तक पहुंच सकता है। Cr12MoV स्टील मोल्ड्स की कम सेवा जीवन की समस्या को हल करना मुश्किल है। इसलिए, घरेलू असर उद्योग सक्रिय रूप से नई मोल्ड सामग्री पर शोध कर रहा है।

मोल्ड विफलता की मुख्य अभिव्यक्तियाँ रोलर ब्लैंक के आकार में परिवर्तन हैं और क्या कोल्ड हेडिंग प्रसंस्करण सामान्य रूप से आगे बढ़ सकता है। यदि रोलर ब्लैंक का आकार बड़ा हो जाता है, या ब्लैंक भी पर्याप्त रूप से नहीं भरा जाता है (दबाव कहा जाता है), या यदि रोलर ब्लैंक विकृत हो जाता है या मोल्ड दरारों या गुहा दोषों के कारण मुद्रांकित होने में भी असमर्थ हो जाता है, तो मोल्ड अमान्य हो जाता है और नष्ट कर दिया गया है, और एक नए सांचे को प्रतिस्थापित करने की आवश्यकता है। आमतौर पर यह माना जाता है कि गुहा के आकार में वृद्धि मुख्य रूप से मोल्ड के अपर्याप्त पहनने के प्रतिरोध के कारण होती है, जबकि दरारें, पतन और आंतरिक सतह दोष मुख्य रूप से अपर्याप्त कठोरता के कारण होते हैं। हालाँकि, समस्या इतनी सरल नहीं है क्योंकि भारी प्रभाव बल के तहत, मजबूत घर्षण और घिसाव के अलावा, माइक्रोप्लास्टिक विरूपण भी होता है, जिसके कारण मोल्ड गुहा का आकार बढ़ सकता है। मोल्ड फ्रैक्चर थकान फ्रैक्चर विशेषताओं को भी प्रदर्शित करता है, जो भंगुरता और दरार स्रोतों की पीढ़ी और विकास प्रक्रिया दोनों से संबंधित हैं। मोल्ड गुहा में आंतरिक दोषों की उत्पत्ति प्लास्टिक विरूपण और थकान फ्रैक्चर से भी संबंधित है।

2. विफलता प्रपत्र और बल विश्लेषण

एक निश्चित कारखाने में Cr12MoV स्टील के मौजूदा सांचों की जांच करने के बाद, यह पाया गया है कि अंतिम विफलता की पांच मुख्य स्थितियाँ हैं, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है: ① मोल्ड गुहा का आकार बड़ा हो जाता है, स्वीकार्य त्रुटि सीमा से अधिक हो जाता है, जिससे आकार खराब हो जाता है सहनशीलता से अधिक होने के लिए शंक्वाकार रोलर खाली, और यहां तक ​​कि अपर्याप्त भराव, जिसके परिणामस्वरूप दबाव होता है, लगभग 60% के लिए लेखांकन; ② मोल्ड में अनुदैर्ध्य दरारों के विकास के परिणामस्वरूप मोल्ड गुहा की भीतरी दीवार पर दरारें पड़ जाती हैं, जिन्हें विस्तार दरारें कहा जाता है, जो लगभग 20% होती हैं; ③ सांचे का गोलाकार फ्रैक्चर मुख्य रूप से व्यक्तिगत सांचों पर होता है, जो लगभग 5% होता है। अधिकांश विभाजित सांचों के लिए, यह फ्रैक्चर आम तौर पर नहीं होता है; ④ पट्टिका पतन या थकान गड्ढे, लगभग 10% के लिए लेखांकन; ⑤ अन्य दरारें, जैसे सामग्री की निकासी या सतह दरारें, लगभग 5% होती हैं।

चित्र 1(ए) पासे का विफलता रूप और स्थिति

(बी) विस्तार फ्रैक्चर डाई की तस्वीर

शंक्वाकार रोलर बनाने की कोल्ड हेडिंग प्रक्रिया के दौरान, मोल्ड की तनाव स्थिति को चित्र 2 में दिखाया गया है। मोल्ड की आंतरिक दीवार को निचोड़ने वाले बल पी के अधीन किया जाता है, जो एक कतरनी तनाव टी बनाता है। कतरनी तनाव का परिमाण घर्षण बल से संबंधित है, और सतह से अंदर तक वितरण धीरे-धीरे बदलता है, आंतरिक सतह पर चरम मूल्य होता है।

चित्र.2 कोल्ड-फोर्जिंग डाई के बलों के वितरण की योजना।

(ए) गोलाकार कतरनी तनाव (बी) कामकाजी सतह परत में कतरनी तनाव का वितरण (सी) गोल कोने पर बल

मोल्ड विफलता की पहली स्थिति दो कारणों से होती है: घिसाव और प्लास्टिक विरूपण। स्टैम्पिंग के दौरान, वर्कपीस तात्कालिक एक्सट्रूज़न विरूपण के अधीन होता है, जो पहले थोड़ा उत्तल शरीर की सतह पर होता है। हालाँकि सतह बहुत चिकनी है, नए साँचे की आंतरिक सतह पर हमेशा एक निश्चित खुरदरापन होता है, यानी सूक्ष्म असमान उभार होते हैं। जब दबाव 1000-3000एमपीए तक पहुंच जाता है, तो थोड़ा उत्तल शरीर पर तनाव अधिक होता है, जिससे स्थानीय प्लास्टिक विरूपण होता है और एक निश्चित गहराई पर महत्वपूर्ण कतरनी तनाव होता है। निचोड़ने के प्रभाव के कारण, वर्कपीस और मोल्ड की सतह के बीच थोड़ा सापेक्ष विस्थापन होता है, जो झल्लाहट के समान होता है। उच्च सकारात्मक दबाव के कारण, संसाधित रोलर का बिलेट बार-बार मोल्ड की आंतरिक सतह के खिलाफ दृढ़ता से रगड़ता है, जिससे घिसाव होता है। निचोड़ने के प्रभाव के कारण, मोल्ड गुहा भी विस्तार बल के अधीन होता है। जब वर्कपीस मोल्ड की सतह के साथ स्थानीय संपर्क में आता है, तो असमान बल Cr12MoV स्टील की उपज ताकत से अधिक हो सकता है, जिसके परिणामस्वरूप माइक्रोप्लास्टिक विरूपण होता है और मोल्ड गुहा के आकार में वृद्धि होती है। चित्र 1बी में कुंडलाकार अवसाद विभाजित मोल्ड की संपर्क सतह पर प्लास्टिक विरूपण के कारण होता है।

इसके अलावा, संसाधित रोलर्स के विरूपण से परिवर्तित गर्मी और मजबूत घर्षण से उत्पन्न गर्मी स्थानीय रूप से मोल्ड गुहा की सतह के तापमान को बढ़ा सकती है, जिससे मोल्ड गुहा की सतह संरचना में अस्थिरता पैदा होती है और यह प्लास्टिक विरूपण के प्रति अधिक संवेदनशील हो जाती है और घिसाव।

मोल्ड विफलता के दूसरे और तीसरे मामले में, परिधीय बल की बार-बार कार्रवाई के कारण, दरारों की स्थानीय शुरुआत होती है, और दरार स्रोत अक्सर ब्लॉकी कार्बाइड या समावेशन की सतह परत पर होता है। एक बार दरारें पड़ने पर, तनाव सघनता के कारण, यहां दरार का प्रसार तेज हो जाता है, जिससे अंततः भंगुर फ्रैक्चर हो जाता है। चित्र 3 अनुदैर्ध्य दरार विकास और फ्रैक्चर तस्वीरों का योजनाबद्ध आरेख दिखाता है। फ्रैक्चर तस्वीरों का अवलोकन करने पर, दरार का स्रोत एक गोलाकार संक्षारण गड्ढे के रूप में दिखाई देता है। दरार स्रोत बड़े कार्बाइड या समावेशन के छीलने से बन सकता है, जिसके बनने के बाद वर्कपीस के साथ चिपकने या काटने की अधिक संभावना होती है, जिससे दरार स्रोत का विस्तार होता है। वैकल्पिक प्रभाव बल की कार्रवाई के साथ, ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज दोनों दिशाओं में दरारें विकसित होती हैं। दरारों की उपस्थिति से परिधीय बल मुक्त हो जाता है, जबकि नई दरारें अब अन्य स्थितियों में दिखाई नहीं देती हैं। इसलिए, एक साँचे में केवल एक ही दरार पड़ती है। फ्रैक्चर आकृति विज्ञान अर्ध दरार विशेषताओं को प्रदर्शित करता है, और फ्रैक्चर सतह थकान फ्रैक्चर विशेषताओं को प्रदर्शित करती है। इसके अलावा, सांचे पर असमान परिधि बल के कारण, यह ऊपरी और निचले हिस्सों में असमान विरूपण और विस्तार का कारण बनता है, जिससे अनुप्रस्थ दरारें शुरू होती हैं और फैलती हैं। अनुप्रस्थ दरारें गर्मी उपचार के दौरान मोल्ड के असमान शीतलन से भी संबंधित हैं।

चित्र 3(ए) फ्रैक्चर डाई का फोटो और (बी) थकान दरारों के प्रसार का स्केच

मोल्ड विफलता का चौथा मामला गोलाकार कोने पर संपीड़न तनाव की तात्कालिक एकाग्रता के कारण होता है, 3000-4000एमपीए तक, जिससे उस बिंदु पर सतह के नीचे एक निश्चित गहराई (लगभग कुछ) होती है μ मी के भीतर, महत्वपूर्ण कतरनी तनाव उत्पन्न होता है, जिससे सामग्री का उत्पादन होता है और प्लास्टिक विरूपण क्षेत्र बनता है। बार-बार तनाव के तहत, सतह के समानांतर माइक्रोक्रैक उत्पन्न होते हैं, जो अंततः पतन और संपर्क थकान का प्रदर्शन करते हैं।

पांचवीं स्थिति अनिवार्य रूप से ②, ③, या ④ के समान है, सिवाय इसके कि वह स्थान जहां थकान फ्रैक्चर और पतन होता है, अलग है। विफलता रूपों के विश्लेषण के अनुसार, मुख्य विफलता तंत्र माइक्रोप्लास्टिक विरूपण, झल्लाहट और थकान फ्रैक्चर हैं।

माइक्रोप्लास्टिक विरूपण तंत्र भी अव्यवस्था पर्ची के कारण होता है। क्या विकृति नई अव्यवस्थाओं के केंद्रीकरण से शुरू होती है या मौजूदा अव्यवस्थाओं के सक्रिय होने से? दो दृष्टिकोण हैं. पहला सुझाव देता है कि प्लास्टिक विरूपण शुरू में नए अव्यवस्थाओं के न्यूक्लियेशन से संबंधित है, जो सतह पर एकल परमाणुओं, अनाज सीमाओं, उपग्रेन सीमाओं आदि के छोटे चरणों में बन सकता है; दूसरा दृष्टिकोण बताता है कि प्लास्टिक विरूपण का प्रारंभिक चरण अनाज की सीमाओं पर ऊपरी अव्यवस्था स्रोतों की सक्रियता के कारण होता है [1]। इसलिए, मोल्ड की सतह परत अव्यवस्था पर्ची की घटना को प्राथमिकता देती है, जिससे माइक्रोप्लास्टिक विरूपण होता है, जो धीरे-धीरे आंतरिक भाग में फैलता है। माइक्रोप्लास्टिक विरूपण के प्रतिरोध में सुधार करने के लिए, वास्तव में सभी अव्यवस्थाओं की गति में बाधाएँ पैदा करना आवश्यक है। सबसे पहले, जाली के घर्षण प्रतिरोध को बढ़ाना आवश्यक है। ठोस घोल की प्रभावी मिश्रधातु अव्यवस्था आंदोलन के जाली प्रतिरोध में सुधार कर सकती है। विभिन्न मिश्र धातु तत्वों का मैट्रिक्स की ताकत पर अलग-अलग प्रभाव पड़ता है। Si, W, Cr, Mo, V, आदि सभी प्रभावी सुदृढ़ीकरण तत्व हैं, विशेष रूप से Si और W, जो उपज शक्ति में काफी सुधार कर सकते हैं। अनुसंधान से पता चला है कि लोचदार सीमा के लिए एक लोचदार सीमा मूल्य है, जिसके नीचे अव्यवस्था पर्ची शुरू नहीं की जा सकती है। इसलिए, सामग्रियों की उपज शक्ति बढ़ाने से विरूपण प्रतिरोध ऊर्जा में प्रभावी ढंग से सुधार हो सकता है, खासकर जब अधिकतम प्रभाव दबाव स्थिर होता है। अनाज के आकार और मार्टेंसिटिक परिवर्तन उपसंरचना को परिष्कृत करने से अव्यवस्था घनत्व बढ़ सकता है और पिनिंग की डिग्री बढ़ सकती है। दूसरी ओर, कठोर कार्बोनाइज्ड सामग्री बिंदुओं के शोधन के दौरान, अव्यवस्थाएं कणों की एक श्रृंखला के चारों ओर अव्यवस्था के छल्ले बनाती हैं। जब कण अत्यधिक बिखरे हुए होते हैं, तो माइक्रोप्लास्टिक विरूपण का प्रतिरोध अधिकतम होता है।

प्रारंभिक चरण में सूक्ष्म घिसाव मुख्य रूप से चिपकने वाले घिसाव के समान होता है। वर्कपीस और मोल्ड सतह के बीच सापेक्ष गति पारस्परिक है। सूक्ष्म उत्तल शरीर के ठंडे सोल्डर जोड़ों को बार-बार तोड़ने के बाद, चिपकने वाली प्रवृत्ति धीरे-धीरे कम हो जाती है और अंत में एक स्थिर चरण में परिवर्तित हो जाती है। स्थिर-अवस्था चरण में, आसंजन और अपघर्षक घिसाव तंत्र दोनों एक भूमिका निभाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप सतह पर प्रदूषण घिस जाता है। सामान्य तौर पर, मोल्ड मैट्रिक्स में टेम्पर्ड मार्टेंसाइट और कार्बाइड की कठोरता जितनी अधिक होगी, पहनने का प्रतिरोध उतना ही मजबूत होगा। इसके अलावा, हालांकि फिसलन घिसाव के मामले में, विशेष रूप से अपघर्षक कणों की उपस्थिति में, जब कार्बाइड कणों का आकार बड़ा होता है, तो उन्हें बड़ी भूमिका निभाने के लिए मैट्रिक्स में मजबूती से एम्बेड किया जा सकता है। हालांकि, ठंडी मुद्रांकन स्थितियों के तहत, एक्सट्रूज़न के कारण छोटे आकार के कार्बाइड की छीलने की गति अपेक्षाकृत कम होती है, और पहनने की मात्रा काफी हद तक कार्बाइड की मात्रा अंश और कठोरता से निर्धारित होती है। कार्बाइड का आयतन अंश जितना बड़ा होगा, कठोरता उतनी ही अधिक होगी और घिसाव की मात्रा उतनी ही कम होगी।

भंगुर फ्रैक्चर और थकान दरार का दरार स्रोत अधिमानतः मैक्रोस्कोपिक दोषों पर उत्पन्न होता है, और सीआर 12 एमओवी स्टील में मोटे कार्बाइड या समावेशन दरार स्रोत की शुरुआत स्थल हो सकते हैं। दरार प्रसार की गति टेम्पर्ड मार्टेंसाइट की ताकत और कठोरता के साथ-साथ कार्बाइड के आकार से संबंधित है। कार्बाइड का आकार जितना छोटा होगा, सामग्री की फ्रैक्चर कठोरता उतनी ही अधिक होगी, और दरार प्रसार की गति धीमी होगी।

अंत में, यह उल्लेख किया जाना चाहिए कि स्टैम्पिंग प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न गर्मी मोल्ड की सतह के तापमान को बढ़ाती है, जो थर्मल सक्रियण प्रक्रिया को मजबूत करती है, अव्यवस्था पिनिंग को आराम देती है, और यहां तक ​​कि मैट्रिक्स की कठोरता को कम करती है, पहनने और प्लास्टिक विरूपण को बढ़ाती है। इसलिए, नई सामग्रियों में भी रिबाउंड के लिए अच्छा प्रतिरोध होना चाहिए।

4. नई साँचे की सामग्री का अनुप्रयोग

विफलता विश्लेषण के अनुसार, मोल्ड सामग्री के माइक्रोस्ट्रक्चर और प्रदर्शन के लिए चार मुख्य आवश्यकताएं हैं: ① उच्च प्लास्टिक विरूपण प्रतिरोध, ② उच्च पहनने का प्रतिरोध, ③ उच्च थकान फ्रैक्चर प्रतिरोध, और ④ नए स्टील अनुप्रयोगों के लिए, ठंडे काम का चयन करना आवश्यक है परिष्कृत कार्बाइड, उच्च मात्रा अंश अनुपात और उच्च कठोरता के साथ मोल्ड स्टील।

छोटे आकार के पतले रोलर्स के लिए, कठोर मिश्र धातु मोल्ड का उपयोग करना उचित है। कठोर मिश्र धातु की अति-उच्च कठोरता और उच्च लोचदार मापांक के कारण, इसमें उच्च पहनने का प्रतिरोध और प्लास्टिक विरूपण प्रतिरोध है, जो संसाधित भागों की सटीकता सुनिश्चित कर सकता है। सेवा जीवन मूल Cr12MoV स्टील मोल्ड के 10-20 गुना तक पहुंच सकता है। बड़े आकार के पतले रोलर्स के लिए, स्टैम्पिंग मशीन उपकरण 160-250 टन तक पहुंच सकता है, और कठोर मिश्र धातु के सांचों का उपयोग भंगुर फ्रैक्चर के कारण समय से पहले विफलता का कारण बन सकता है। सेवा जीवन में वृद्धि लागत में वृद्धि की भरपाई के लिए अपर्याप्त है। इसलिए, नए उच्च शक्ति और क्रूरता वाले कोल्ड वर्किंग डाई स्टील्स का अध्ययन करना आवश्यक है।

हमने चरण संतुलन थर्मोडायनामिक्स के आधार पर एक नए प्रकार के उच्च शक्ति और नमनीय डाई स्टील DM9 की संरचना की गणना की है। पिघलने, फोर्जिंग, रोलिंग, गर्मी उपचार, माइक्रोस्ट्रक्चर और प्रदर्शन अध्ययन के बाद, यह पाया गया है कि स्टील की एनील्ड अवस्था में पांच प्रकार के कार्बाइड, एम 3 सी, एम 6 सी, एम 23 सी 6, एम 7 सी 3 और एमसी हैं। ऑस्टेनाइट में विभिन्न प्रकार के कार्बाइड के न्यूक्लियेशन, विकास और विघटन में थर्मोडायनामिक और गतिज अंतर के कारण, कार्बाइड को μm एनीलिंग के बाद 0.66 के औसत आकार के साथ समान रूप से परिष्कृत किया जा सकता है। शमन के बाद शेष कार्बाइड का औसत आकार 0.5 μ मीटर। यह Cr12MoV स्टील के शेष कार्बाइड आकार का 1/8-1/10 है। DM9 स्टील के मार्टेंसिटिक ठोस घोल को मजबूत करने वाले तत्वों में Cr, Mo और V के अलावा Si और W को शामिल करने के कारण, Cr12MoV की तुलना में उपज सीमा बढ़ जाती है। इसके अलावा, गर्मी उपचार के बाद, अधिक उच्च कठोरता वाले कार्बाइड एम 6 सी और एमसी होते हैं, और उनका पहनने का प्रतिरोध भी अधिक होता है। इस स्टील को बड़े आकार के शंक्वाकार रोलर मोल्डों पर लगाया जाता है, और इसकी सेवा का जीवन मूल Cr12MoV स्टील की तुलना में 2-3 गुना अधिक है।

शमन और हीटिंग प्रक्रिया के दौरान, DM9 स्टील के M3C और M23C6 ऑस्टेनाइट में अधिक आसानी से घुलनशील होते हैं, जो कम शमन तापमान पर ऑस्टेनाइट की ठोस घुलनशीलता में प्रभावी ढंग से सुधार कर सकते हैं। हालाँकि, अघुलनशील M6C और VC की बड़ी मात्रा प्रभावी रूप से अनाज के विकास में बाधा डाल सकती है। इसलिए, इस स्टील का उपयोग मध्यम तापमान शमन और कम तापमान तड़के के लिए किया जा सकता है, और इसका तकनीकी प्रदर्शन और उपयोग प्रभाव Cr12MoV स्टील से बेहतर है।

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