Regeneracja matryc kuźniczych

1. Matryca kuźnicza i stempel

Matryca to narzędzie kuźnicze złożone zwykle z dwóch bloków z wykrojami odpowiadającymi kształtom odkuwanych w nich przedmiotów. Niekiedy wykroje wykonywane są we wkładkach matrycowych mocowanych w blokach. Rozróżnia się matryce kuźnicze: jednowykrojowe i wielowykrojowe, oraz jednokrotne i wielokrotne.

Stempel jest narzędziem do obróbki plastycznej mocowanym do suwaka prasy, którego zadaniem jest ukształtowanie obrabianego przedmiotu w procesach tłoczenia, dziurowania lub wycinania itp.

Powyższe elementy są najbardziej narażone na uszkodzenia w procesie kucia i jednocześnie koszty ich wykonania nie należą do niskich, przez co konieczne jest poddawanie ich procesowi regeneracji w miarę zużycia.

2. Obciążenia działające na matryce i uszkodzenia nimi spowodowane

Warunki w jakich pracują narzędzia kuźnicze oraz matryce nie należą do lekkich, co znacznie skraca ich czas eksploatacji i stwarza wymóg wykonania ich z odpowiednich stopów stali lub metali nieżelaznych zapewniających odpowiednią twardość, odporność na zmęczenie oraz odkształcenie plastyczne. Obciążenia działające na matryce kuźnicze mają charakter zmienny i dzielą się na dwie grupy:

• cieplne – czynniki na nie wpływające to temperatura narzędzia, temperatura wsadu, czas kontaktu nagrzanego narzędzia z powierzchnią matrycy, energia cieplna wywołana odkształceniem plastycznym wsadu;

• mechaniczne – nacisk jednostkowy, prędkość odkształcenia, tarcie;

Najbardziej narażoną na uszkodzenia częścią matrycy jest jej warstwa wierzchnia, w której występują naprężenia wywołane zmianą temperatury pomiędzy narzędziem kuźniczym i materiałem kutym:

• naprężenia rozciągające w warstwie wierzchniej podczas odkształcania;

• naprężenia ściskające powstające w wyniku chłodzenia matrycy cieczą chłodząco-smarującą;

Wyżej wymienione naprężenia działające w sposób cykliczny w warstwie powierzchniowej matrycy są przyczyną powstawania pęknięć zmęczeniowych eliminujących matryce z użycia.

Innymi przyczynami, które eliminują matryce z eksploatacji są:

• odkształcenia plastyczne – odkształcenie części roboczej matrycy wskutek lokalnego obniżenia wytrzymałości spowodowanego odpuszczeniem materiału podczas kucia;

• pęknięcia zmęczeniowe – czynniki je powodujące to zmienne naprężenia i zmiany temperatury; Matryce zaczynają pękać lub na wierzchniej warstwie pojawiają się ubytki;

• zmiany wymiarów geometrycznych – spowodowane zużyciem ciernym;

Na podstawie statystyk można określić ilościowy wpływ rodzaju przyczyny na wycofanie matrycy z eksploatacji.

3. Sposoby regeneracji matryc

Istnieje wiele sposobów naprawy matryc kuźniczych spośród których należy wyróżnić:

• Metoda Mold Doctor spawania na zimno bez zmian strukturalnych matrycy;

• Galwanizacja (chromowanie techniczne)

• Nakładanie termiczne metodą plazmową, łukową i w osłonie gazów ochronnych

• Powlekanie CVD i PVD

• Napawanie

4. Metoda Mold Doctor spawania na zimno

Polega ona na nanoszeniu metalu na formę poprzez wyładowania iskrowe z elektrody i pokrywanie jej stopami twardymi w atmosferze ochronnej, co jest porównywalne do napawania. Metoda ta nadaje się na zapobieganie zużyciu ściernemu i naprawę uszkodzonych matryc. Materiał elektrody przechodzi w stan zjonizowany i tworzy z iskrami zaporę przed powietrzem, wilgocią i gazem CO. Na powierzchni matrycy osadza się warstwa stopu, przy czym właściwości, ani wymiary powierzchni otaczających naprawiany obszar nie zmieniają się. Dochodzi do silnego połączenia metalurgicznego, którego nie da się już oddzielić od matrycy.

Metoda dzieli się na cztery fazy:

1. Ładowanie – Kondensatory ładują się, gdy elektroda i naprawiany przedmiot oddalone są od siebie w odpowiedniej odległości.

2. Wyładowania elektryczne – Następują pomiędzy elektrodą, a materiałem podstawowym. W obszarze stykających się powierzchni temperatura osiąga od 8000°C do 25000°C.

3. Przenoszenie – Niewielkie ilości elektrody przenoszone są w stanie zjonizowanym na obrabianą matrycę.

4. Warstwa twarda – Zostaje wytworzone silne połączenie metalurgiczne.

Zalety metody:

• Wzrost produktywności i oszczędność energii

• Brak kosztów transportu i łatwa eksploatacja (napawanie na miejscu)

• Łatwość obsługi

• Przenośność z możliwością zasilania 110 V lub 220 V

• Rezygnacja z doprowadzenia ciepła eliminuje odkształcenia, jamy, skurcz i naprężenia wewnętrzne

• Zbędna obróbka cieplna przed i po zastosowaniu metody

• Wysokiej jakości połączenie dzięki powstaniu warstwy dyfuzyjnej

• Możliwość pokrycia materiału grubą warstwą przedłużającą trwałość matrycy

• Uzyskanie gładkiej powierzchni dzięki wibracyjnemu urządzeniu nanoszącemu

• Użycie argonu jako gazu osłonowego nie pozwala na dostanie się do warstwy zanieczyszczeń

• Brak nieprzyjemnych zapachów, hałasu, czy też wydzieleń szkodliwych gazów

5. Galwanizacja (chromowanie techniczne)

Na uszkodzoną matrycę nakłada się grubsze warstwy chromu (nawet do 1 mm) bezpośrednio na stal w celu polepszenia własności mechanicznych i zwiększenia odporności na korozję. Zaletami tej metody jest:

• Gładkość powierzchni

• Odporność chemiczna

• Niski współczynnik tarcia warstw chromu

• Duża twardość, co zwiększa trwałość formy

6. Nakładanie termiczne

Metoda zwana także metalizacją natryskową polegająca na stopieniu i rozpyleniu metalu powłokowego na drobne cząsteczki w palniku do natryskiwania, a następnie nadaniu im takiej prędkości przy wylocie z palnika, aby uderzając w pokrywaną powierzchnię uzyskały wystarczającą energię do przyczepienia się do niej. Natryskiwanie dzieli się ze względu na źródło ciepła potrzebne do stopienia metalu:

• płomieniowe (gazowe)

• łukowe

• plazmowe

Bardzo ważne przed rozpoczęciem procesu natryskiwania jest przygotowanie powierzchni poprzez jej dokładne odtłuszczenie, usunięcie zanieczyszczeń i warstwy tlenków za pomocą takich procesów jak piaskowanie. Proces natryskiwania składa się z kilku etapów:

1. Mechaniczne podawanie materiału powłokowego w stanie stałym lub ciekłym do strefy topienia w urządzeniu do natryskiwania.

2. Ciągłe topienie i rozpylanie materiału powłokowego. W czasie topienia następuje jednocześnie rozpylanie cząstek metalu za pomocą sprężonego gazu i ewentualnie gazów spalinowych. Czas topienia i rozpylania wynosi 0,001 s.

3. Lot stopionych cząstek wyrzucanych z dyszy palnika w kierunku pokrywanej powierzchni. Cząstki ulegają utlenieniu, co powoduje powstanie na nich otoczek tlenkowych.

4. Tworzenie się powłok, co następuje od uderzenia cząstki w materiał pokrywany do ostygnięcia warstwy do temperatury otoczenia.

W momencie uderzenia cząstki kuliste spłaszczają się na powierzchni, co powoduje pęknięcie osłonek tlenkowych i odsłonięcie czystego metalu. Płynne cząstki wypełniają wszelkie nierówności w matrycy nie nadtapiając powierzchni materiału rodzimego. Łączą się one z podłożem mechanicznie, siłami adhezji i kohezji i czasem wiązaniami metalicznymi dyfuzyjnymi. Wytworzona powłoka składa się z czystego metalu, jego tlenków i porów, których obecność sięga 10%. Materiałami najczęściej stosowanymi do natryskiwania są stopy twarde na bazie niklu, kobaltu, żelaza z chromem, barem, krzemem, węgliki tytanu, hafnu i cyrkonu, węgliki mieszane, azotki wanadu, niobu, tantalu, borki chromu, molibdenu, wolframu. Zalety natryskiwania to:

• Możliwość dowolnego doboru składu powłoki

• Łatwość obsługi palników natryskowych

• Możliwość automatyzacji i robotyzacji procesu

• Natryskiwanie niemal dowolnych miejsc konstrukcji

• Wielokrotne natryskiwanie tym samym lub różnymi rodzajami materiału

• Niski koszt inwestycji

Wady natryskiwania:

• Trudność pokrycia trudnodostępnych powierzchni wewnętrznych

• Porowatość warstw

• Niska przyczepność do podłoża

• Obniżenie właściwości mechanicznych

7. Metoda CVD i PVD

Wytwarzanie powłok metodami CVD polega na osadzaniu materiału powłokowego z fazy gazowej w konsekwencji zachodzących w nich reakcji chemicznych. Metodami CVD wytwarza się najczęściej twarde i odporne na ścieranie a także na korozję powłoki węglików, azotków, węglikoazotków i oraz tlenków metali na podłożach stalowych, ceramicznych oraz metalach wysokotopliwych.

Procesy CVD przeprowadzane są w szczelnych, ogrzewanych oporowo retortach przy ciśnieniu nie większym, niż atmosferyczne. Atmosfera obróbcza wytwarzana jest na bazie związków halogenków metali, natomiast atmosfery reaktywne są mieszankami amoniaku, azotu, wodoru i metanu.

Na przebieg procesu wpływają takie parametry jak: temperatura, skład chemiczny i warunki przepływu reagentów przez retortę. Temperatura procesu musi być utrzymywana na poziomie 900-950°C. Proces ten jest mniej wydajny od procesu PVD i rzadko znajduje zastosowanie w regeneracji matryc m.in. z powodu małej grubości warstwy nanoszonej.

Metoda PVD również polega na osadzaniu materiału powłokowego z fazy gazowej, lecz przy użyciu technik próżniowych wykorzystując zmiany skupienia materiału powłokowego takie jak odparowanie lub sublimację oraz rozpylanie pod wpływem innych niż cieplne wymuszeń.

Metoda ta wymaga dokładnego oczyszczenia powierzchni matrycy przed zastosowaniem z powodu niskich temperatur nanoszenia materiału powłokowego. Zaletami metody PVD są:

• Zwiększenie odporności na ścieranie

• Ochrona przed utlenieniem powierzchni

• Ograniczenie dyfuzji metal-metal

• Izolacja termiczna

• Obniżenie tarcia

8. Napawanie

Wyróżniamy kilka metod regeneracji matryc polegających na napawaniu:

• Napawanie gazowo-proszkowe metaliczne na zimno – zwiększa odporność na tarcie i odbudowuje wytarte fragmenty;

• Napawanie drutowe polegające na uzupełnianiu ubytku poprzez wtopienie weń metalu uzupełniającego w postaci drutu;

Bibliografia:

http://www.konstrukcjeinzynierskie.pl/inne/72-fragmenty2012/czerwiec2012/765-badanie-zuycia-ciernego-narzdzi-kuniczych.html

http://www.pg.gda.pl/mech/kim/Skrypt/Inz_pow_roz4.pdf

http://www.stalnierdzewna.com/baza-wiedzy/powlekanie-cvd-i-pvd/