추상적인:Cr12MoV 강으로 제작된 원추형 롤러 베어링용 무거운 펀칭 냉간 단조 금형은 수명이 더 짧습니다. 이 다이의 파손은 주로 금형 캐비티의 심한 마모, 세로 및 가로 확장 균열, 둥근 모서리 움푹 들어간 곳 및 피로 침식 피트의 출현으로 인해 발생합니다. 저자는 소성변형, 흔들리는 마모, 피로파괴 등의 기초를 바탕으로 작업 중 약간의 소성변형, 압착마모, 압착팽창파괴 등의 파손 메커니즘을 분석하였다. 수명을 연장하기 위한 개선 방법은 금형 설계 및 사용 조건에 따라 경질 합금과 같은 새로운 금형 재료와 새로운 고강도 및 인성 냉간 가공 금형을 채택하는 것이라고 결론지었습니다. 핵심 단어: 냉간 단조 금형; 실패 메커니즘; 개선 방법
1.소개
GCr15 강철 베어링 테이퍼 롤러는 냉간 스탬핑이라고도 알려진 냉간 압조에 의해 형성됩니다. 현재 중국에서는 Cr12MoV 강이 주로 성형 금형으로 사용됩니다. 스탬핑 공정 중 금형에 가해지는 강한 스탬핑 힘으로 인해 수명이 상대적으로 짧습니다. 초기에는 Cr12MoV 강철 금형이 1080도에서 담금질되고 520도에서 뜨임 처리되었으며 경도는 62~64HRC였습니다. 이 강철은 탄화물의 크기가 크고 분포가 고르지 않기 때문에 사용 중에 파손 및 붕괴 현상이 더욱 심해집니다. 최근 몇 년 동안 많은 공장에서는 경도가 60-62HRC이고 충격 인성이 향상된 1040도 담금질 및 중온 뜨임 처리 공정으로 전환했습니다. 파손 현상이 대폭 감소되어 수명이 약 2배 증가하였습니다. 18mm 테이퍼 롤러를 예로 들면 원래는 1700-2000개만 펀칭할 수 있었지만 이제는 4,000개 이상, 최대 10,000~20,000개를 펀칭할 수 있습니다. 그러나 이는 여전히 수명이 짧은 금형에 속하며 이는 금형 소비를 증가시킬 뿐만 아니라 더 중요한 것은 생산 효율성에 영향을 미칩니다. 테이퍼 롤러 재질은 상대적으로 경도가 높은(197-227HB) GCr15강이므로 스탬핑 후 원통형에서 원추형으로 변형되고 상단과 하단이 평저형이며 원호 모양으로 스탬핑되어 금형 캐비티 표면이 국부적으로 큰 하중 충격과 마찰력을 순간적으로 견딜 수 있습니다. 펀칭 압력에 따르면 3000MPa 이상에 도달할 수 있습니다. Cr12MoV 강철 금형의 낮은 수명 문제는 해결하기 어렵습니다. 이에 국내 베어링 업계에서는 새로운 금형 소재에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다.
금형 불량의 주요 증상은 롤러 블랭크의 크기 변화와 냉간 압조 가공이 정상적으로 진행될 수 있는지 여부입니다. 롤러 블랭크의 크기가 커지거나 블랭크가 충분히 채워지지 않은 경우(압력이라고 함), 롤러 블랭크가 변형되거나 금형 균열이나 캐비티 결함으로 인해 스탬핑할 수 없는 경우 금형이 무효화되고 폐기되어 새 금형을 교체해야 합니다. 일반적으로 캐비티 크기의 증가는 금형의 내마모성 부족으로 인해 발생하고 균열, 붕괴 및 내부 표면 결함은 주로 인성이 부족하여 발생한다고 믿어집니다. 그러나 큰 충격력에서는 강한 마찰과 마모 외에도 미세 소성 변형이 동반되어 금형 캐비티 크기가 증가할 수 있기 때문에 문제는 그리 간단하지 않습니다. 금형 파괴는 또한 취성 및 균열 소스의 생성 및 발달 과정과 관련된 피로 파괴 특성을 나타냅니다. 금형 캐비티의 내부 결함 발생은 소성 변형 및 피로 파괴와도 관련이 있습니다.
2. 파손 형태 및 힘 분석
특정 공장에서 기존 Cr12MoV 강의 금형을 조사한 결과 그림 1과 같이 최종 실패의 5가지 주요 상황이 있음이 밝혀졌습니다. ① 금형 캐비티 크기가 허용 오차 범위를 초과하여 크기가 커지게 됩니다. 원추형 롤러 블랭크가 공차를 초과하고 충전이 충분하지 않아 압력이 약 60%를 차지합니다. ② 금형에 종방향 균열이 발생하면 금형 캐비티 내벽에 균열이 발생하는데, 이를 확장 균열이라고 하며 약 20%를 차지합니다. ③ 금형의 원형파괴는 주로 개별 금형에서 발생하며 약 5%를 차지한다. 대부분의 분할 금형에서는 일반적으로 이러한 파손이 발생하지 않습니다. ④ 필렛 붕괴 또는 피로 피트가 약 10%를 차지합니다. ⑤ 재료의 탈락이나 표면의 균열 등 기타 균열이 약 5%를 차지한다.
그림 1(a) 다이의 파손 형태 및 위치
(b) 팽창 파괴 다이의 사진
원추형 롤러 성형의 냉간 압조 공정 중 금형의 응력 상황은 그림 2에 나와 있습니다. 금형의 내벽은 압착력 P를 받아 전단 응력 t를 형성합니다. 전단응력의 크기는 마찰력과 관련이 있으며, 표면에서 내부로의 분포는 점차 변화하며 내부 표면에서 최대값을 갖는다.
그림 2 냉간 단조 금형의 힘 분포 계획.
(a) 원형 전단 응력 (b) 작업 표면층의 전단 응력 분포 (c) 둥근 모서리에 가해지는 힘
금형 고장의 첫 번째 상황은 마모와 소성 변형이라는 두 가지 이유 때문에 발생합니다. 스탬핑 중에 공작물은 순간적인 압출 변형을 겪게 되는데, 이는 먼저 약간 볼록한 몸체의 표면에서 발생합니다. 표면은 매우 매끄러우나 새 금형의 내부 표면에는 항상 어느 정도 거칠기가 있습니다. 즉, 미세한 고르지 못한 돌기가 있습니다. 압력이 1000-3000MPa에 도달하면 약간 볼록한 몸체에서 응력이 더 커지고 특정 깊이에서 국부적인 소성 변형과 상당한 전단 응력이 발생합니다. 압착 효과로 인해 공작물과 금형 표면 사이에 약간의 상대 변위가 발생하며 이는 프레팅 마모와 유사합니다. 높은 정압으로 인해 가공된 롤러의 빌렛이 금형 내부 표면에 반복적으로 강하게 마찰되어 마모가 발생합니다. 압착 효과로 인해 금형 캐비티에도 팽창력이 가해집니다. 공작물이 금형 표면과 국부적으로 접촉하면 불균일한 힘이 Cr12MoV 강의 항복 강도를 초과하여 미세 소성 변형이 발생하고 금형 캐비티 크기가 증가할 수 있습니다. 그림 1b의 환형 함몰은 분할 금형 접촉 표면의 소성 변형으로 인해 발생합니다.
또한, 가공된 롤러의 변형에 의해 변형된 열과 강한 마찰에 의해 발생된 열은 국부적으로 금형 캐비티의 표면 온도를 상승시켜 금형 캐비티의 표면 구조를 불안정하게 만들고 소성 변형이 발생하기 쉽고 입다.
두 번째, 세 번째 경우는 원주방향 힘의 반복 작용으로 인해 국부적으로 균열이 발생하게 되며, 균열 발생원은 괴상한 탄화물이나 개재물 표층에서 발생하는 경우가 많다. 일단 균열이 발생하면 응력집중으로 인해 이곳의 균열 전파가 가속화되어 결국 취성파괴로 이어진다. 그림 3은 종방향 균열 발생 및 파단 사진의 개략도를 보여줍니다. 균열 사진을 관찰하면 균열 원인이 원형 부식 구멍으로 나타납니다. 균열 발생원은 형성 후 공작물에 부착되거나 물려 균열 발생원을 확장시키기 쉬운 큰 탄화물이나 개재물의 박리에 의해 형성될 수 있습니다. 교번 충격력의 작용으로 수직 및 수평 방향 모두에서 균열이 발생합니다. 균열이 나타나면 원주방향 힘이 해제되고, 다른 위치에서는 새로운 균열이 더 이상 나타나지 않습니다. 따라서 금형에 균열이 하나만 발생합니다. 파괴 형태는 준벽개 특성을 나타내고, 파괴 표면은 피로 파괴 특성을 나타냅니다. 또한, 금형에 작용하는 원주방향의 힘이 불균일하여 상부와 하부의 변형 및 팽창이 불균일하게 되어 횡균열이 발생 및 확산되게 됩니다. 가로 균열은 열처리 중 금형의 불균일한 냉각과도 관련이 있습니다.
그림 3(a) 파단 다이 사진 및 (b) 피로균열 전파 스케치
금형 고장의 네 번째 사례는 둥근 모서리에 최대 3000-4000MPa까지 압축 응력이 순간적으로 집중되어 해당 지점 μ에서 표면 아래에 특정 깊이(약 몇 개)가 발생하기 때문입니다. m 내에서 상당한 전단력 응력이 발생하여 재료가 항복하고 소성 변형 영역이 형성됩니다. 반복적인 응력을 받으면 표면에 평행한 미세 균열이 생성되어 궁극적으로 붕괴 및 접촉 피로 구멍이 나타납니다.
다섯 번째 상황은 피로파괴 및 붕괴가 일어나는 위치가 다른 점을 제외하면 ②, ③, ④와 본질적으로 유사하다. 파손 형태 분석에 따르면 주요 파손 메커니즘은 미세소성 변형, 프레팅 마모 및 피로 파괴입니다.
미세소성 변형 메커니즘은 전위 미끄러짐에 의해서도 발생합니다. 변형은 새로운 전위의 핵형성으로 시작됩니까, 아니면 기존 전위의 활성화로 시작됩니까? 두 가지 견해가 있습니다. 첫 번째는 소성 변형이 초기에 표면의 단일 원자, 입자 경계, 하위 입자 경계 등의 작은 단계에서 형성될 수 있는 새로운 전위의 핵생성과 관련되어 있음을 시사합니다. 두 번째 관점은 소성 변형의 초기 단계가 결정립 경계에서 상부 전위 소스의 활성화로 인한 것임을 시사합니다[1]. 따라서 금형의 표면층은 전위슬립의 발생을 우선시하여 미세소성변형을 일으키고, 이는 점차 내부로 전파된다. 미세소성 변형에 대한 저항성을 향상시키기 위해서는 실제로 모든 전위의 이동에 장애물을 만드는 것이 필요합니다. 첫째, 격자의 마찰 저항을 높이는 것이 필요하다. 고용체의 효과적인 합금화는 전위 이동의 격자 저항을 향상시킬 수 있습니다. 서로 다른 합금 원소는 매트릭스의 강도에 서로 다른 영향을 미칩니다. Si, W, Cr, Mo, V 등은 모두 효과적인 강화 원소이며, 특히 Si와 W는 항복 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 연구에 따르면 탄성 한계에 대한 탄성 임계값이 있으며, 이 값 이하에서는 탈구 미끄러짐이 시작될 수 없습니다. 따라서 재료의 항복 강도를 높이면 특히 최대 충격 압력이 일정한 경우 변형 저항 에너지를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 결정립 크기와 마르텐사이트 변태 하부 구조를 개선하면 전위 밀도를 높이고 피닝 정도를 향상시킬 수 있습니다. 반면, 경질 탄화 재료 점을 정제하는 동안 전위는 일련의 입자 주위에 전위 고리를 형성합니다. 입자가 고도로 분산되면 미세소성 변형에 대한 저항이 최대가 됩니다.
미세 마모는 주로 초기 단계의 접착 마모와 유사합니다. 공작물과 금형 표면 사이의 상대 운동은 왕복 운동입니다. 마이크로 볼록체의 콜드 솔더 조인트를 반복적으로 파손한 후 접착 경향이 점차 감소하고 최종적으로 안정적인 단계로 전환됩니다. 정상 상태 단계에서는 접착 및 연마 마모 메커니즘이 모두 중요한 역할을 하여 표면에 박리 마모가 발생합니다. 일반적으로 금형 매트릭스의 템퍼링 마르텐사이트와 카바이드의 경도가 높을수록 내마모성이 강해집니다. 또한 미끄럼 마모의 경우, 특히 연마 입자가 있는 경우 탄화물 입자의 크기가 크면 매트릭스에 단단히 매립되어 더 큰 역할을 할 수 있습니다. 그러나 Cold Stamping 조건에서는 압출로 인한 소형 탄화물의 박리 속도가 상대적으로 작고 마모량은 탄화물의 부피 분율과 경도에 따라 크게 결정됩니다. 탄화물의 부피분율이 클수록 경도는 높아지고 마모량은 작아집니다.
취성파괴 및 피로균열의 균열원은 거시적 결함에서 우선적으로 발생하며, Cr12MoV강의 조대한 탄화물이나 개재물이 균열원의 시작점이 될 수 있다. 균열 전파 속도는 템퍼링 마르텐사이트의 강도와 인성, 탄화물 크기와 관련이 있습니다. 탄화물의 크기가 작을수록 재료의 파괴인성이 높아지고 균열 전파 속도가 느려집니다.
마지막으로, 스탬핑 과정에서 발생하는 열은 금형의 표면 온도를 증가시켜 열 활성화 과정을 강화하고 전위 고정을 완화하며 심지어 매트릭스의 경도를 감소시키고 마모 및 소성 변형을 증가시킨다는 점을 언급해야 합니다. 따라서 신소재는 반동에 대한 저항력도 좋아야 합니다.
4. 신규 금형소재 적용
고장 분석에 따르면 금형 재료의 미세 구조 및 성능에 대한 네 가지 주요 요구 사항이 있습니다. ① 높은 소성 변형 저항성, ② 높은 내마모성, ③ 높은 피로 파괴 저항성, ④ 새로운 철강 응용 분야의 경우 냉간 가공을 선택해야 합니다. 탄화물을 정제하여 체적분율이 높고 경도가 높은 금형강입니다.
소형 테이퍼 롤러의 경우 경질 합금 금형을 사용하는 것이 합리적입니다. 경질 합금의 초고경도 및 높은 탄성 계수로 인해 내마모성과 소성 변형 저항이 높아 가공 부품의 정확성을 보장할 수 있습니다. 사용 수명은 원래 Cr12MoV 강철 금형의 10-20배에 달할 수 있습니다. 대형 테이퍼 롤러의 경우 스탬핑 공작 기계는 160-250 톤에 도달할 수 있으며 경질 합금 금형을 사용하면 취성 파괴로 인해 조기 파손이 발생할 수 있습니다. 서비스 수명의 증가는 비용 증가를 상쇄하기에 충분하지 않습니다. 따라서 새로운 고강도 및 인성 냉간가공 금형강에 대한 연구가 필요하다.
우리는 상평형 열역학을 기반으로 새로운 유형의 고강도 연성 금형강 DM9의 조성을 계산했습니다. 용융, 단조, 압연, 열처리, 미세 구조 및 성능 연구를 통해 강철의 어닐링 상태에는 M3C, M6C, M23C6, M7C3 및 MC의 5가지 유형의 탄화물이 있음이 밝혀졌습니다. 오스테나이트에서 다양한 유형의 탄화물의 핵 생성, 성장 및 용해의 열역학적 및 동역학적 차이로 인해 탄화물은 μm 어닐링 후 평균 크기가 0.66으로 균일하게 정제될 수 있습니다. 담금질 후 남은 탄화물의 평균 크기 0.5μm. Cr12MoV강의 남은 탄화물 크기의 1/8-1/10입니다. DM9강의 마르텐사이트 고용강화 원소에 Cr, Mo, V 외에 Si, W를 첨가함으로써 Cr12MoV에 비해 항복한계가 증가한다. 또한 열처리 후에는 경도가 높은 M6C 및 MC 탄화물이 더 많고 내마모성도 높습니다. 대형 원추형 롤러 금형에 적용되는 강종으로 기존 Cr12MoV강 대비 수명이 2-3배 이상 길어졌습니다.
담금질 및 가열 과정에서 DM9 강의 M3C 및 M23C6은 오스테나이트에 더 쉽게 용해되므로 더 낮은 담금질 온도에서 오스테나이트의 고용도를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 그러나 용해되지 않은 M6C 및 VC의 다량은 입자 성장을 효과적으로 방해할 수 있습니다. 따라서 이 강은 중온 담금질 및 저온 템퍼링에 사용될 수 있으며 기술 성능 및 사용 효과가 Cr12MoV 강보다 우수합니다.
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