1. Роль легирующих элементов

Состав штамповых сталей по углероду и легирующим эле­ментам может изменяться в широких пределах в завиЬи — мости от условий работы инструментов. Выбор рациональ­ного состава штамповых сталей основан на соблюдении

Ряда условий (Л. А. Поз — няк, Ю. М. Скрынченко, С. И. Тишаев):

1) применение комплекс­ного легирования нескольки­ми элементами в минималь­но необходимых количест­вах;

24*

379

2) состав стали должен обеспечивать максималь­ные значения свойств, опре-

J W,"а

Mo, %

Рис. 222. Влияние содержания хрома в стали на состав твердого раствора А, ко­личество К и состав Kg избыточных карбидов ъ закаленной стали 4Х2В2МВС <И. В. Лев, Л. А. Позняк, Ю. M. Скрыиченко)

Рис. 223. Влияние вольфрама н молибдена на размер d3 действительного зерна Температура закалки, "С: 1 — 1050; 2 — IlOO

Аустенита в сталях типа 4Х4ВМФС. Температура закалки, "С: 1 — 1050; 2— UOO <Л. А. Позияк, Ю. М. Скрынчеико, С. И. Тишаев).

Деляющих работоспособность данного типа инструмента, при этом остальные характеристики должны быть не ниже определенного уровня;

3) универсальных по назначению штамповых сталей нет. Необходима специализация сталей по назначению в соответствии с условиями эксплуатации инструментов.

Штамповые стали легируют такими’ элементами, как хром, вольфрам, молибден, ванадий, кремний, реже ни­кель, марганец, кобальт, титан. Содержание углерода в штамповых сталях может меняться от 0,3 до 2,0,%, а в от­дельных случаях и выше. Рассмотрим влияние некоторых элементов на фазовый состав и свойства их.

Ч б Cr, % (по массе)

Хром в штампобых сталях может изменяться в очень широких пределах: от 0,5 до 13 % и выше. В зависимости от содержания хрома и углерода в сталях могут образовы­ваться наряду с легированным хромом цементитом специ­альные карбиды Me7C3 и Ме2зСб.

Входя в состав специальных карбидов, хром может су­щественно снижать температуру их растворения и, следо­вательно, увеличивать легированность твердого раствора. На рис. 222 показано влияние хрома на содержание леги­рующих элементов в твердом растворе и специальных кар­бидах в комплексно легированной штамповой стали 4Х2В2М2ФС. Увеличение содержания хрома с 2,0 до 6,0% способствует растворению карбидов при аустенитизации и соответственно уменьшению количества нерастворенной карбидной фазы и изменению ее состава.

Увеличение содержания хрома и других легирующих элементов в аустените благоприятно влияет на прокалива­емость, а после закалки — на склонность к дисперсионно­му твердению и теплостойкость.

В комплексно легированных штамповых сталях хром способствует протеканию дисперсионного твердения при высоком отпуске закаленных сталей, хотя в чисто хро­мистых сталях эффект дисперсионного твердения отсут­ствует (см. гл. XIX). Оптимальное содержание хрома в комплексно легированных дисперсионнотвердеющих штам­повых сталях обычно составляет 4,5—5,5 %. В штамповых сталях высокой износостойкости содержание хрома обыч­но составляет около 12%, что обусловлено необходимо­стью иметь достаточное количество высокотвердых карби­дов.

К недостаткам высокохромистых штамповых сталей (более 5 % Cr) относятся резко выраженная карбидная неоднородность и повышенная склонность к коагуляции карбидов (выше 2—3 % Cr), способствующая разупроч­нению сталей при нагреве.

В штамповых сталях горячего деформирования умерен­ной теплостойкости и повышенной вязкости содержание хрома ограничивается 1—2 %, а необходимый уровень прочностных свойств и прокаливаемость сталей достига­ются комплексным легированием никелем, молибденом и ванадием.

Вольфрам и молибден в штамповых сталях могут вхо­дить в состав твердого раствора и карбидов Me23C6, Me6C, а также образовывать карбиды типа Me2C и MeC. В без­углеродистых или низкоуглеродистых сплавах с железом могут выделяться интерметаллидные фазы Fe2W и Fe3Mo2.

Увеличение содержания вольфрама и молибдена в ком­плексно легированных штамповых сталях (рис. 223) спо­собствует измельчению зерна аустенита, т. е. увеличивает устойчивость стали против перегрева, при этом молибден менее эффективен, чем вольфрам.

Благоприятное влияние вольфрама на структуру и свойства штамповых сталей при увеличении его содержа­ния до 5,0 % связывают с увеличением количества карби­да Me6С по отношению к карбиду Me2зС6, что ведет к фор­мированию более дисперсных выделений. Повышение со­держания вольфрама до 5,0—6,0 % способствует увеличению эффекта дисперсионного твердения после за­калки и высокого (500—550 0C) отпуска. Вольфрам повы­шает теплостойкость комплексно легированных штамповых сталей и механические свойства как при комнатной, так и при повышенных температурах.

Оптимальное содержание вольфрама в штамповых ста­лях для холодного деформирования составляет 2,0—3,0%.

Роль молибдена заключается в дополнительном усиле­нии дисперсионного твердения при отпуске, благоприятном влиянии на уменьшение склонности к отпускной хрупко­сти.

Вместе с тем молибден при содержании более 1,5— 2,0 % повышает склонность стали к обезуглероживанию (особенно в сочетании с кремнием в количестве 1,0—2,0%), усиливает степень гетерогенности распада при высоком от­пуске и тем самым снижает прочность стали при изгибе. Поэтому содержание молибдена в дисперсионнотвердею — щих штамповых сталях с высоким сопротивлением смятию ограничивается 1,5—1,8 %.

В штамповых сталях для крупногабаритных инстру­ментов (молотовый и прессовый инструмент) применяют легирование молибденом и вольфрамом в сочетании с хро­мом и другими элементами в минимальных количествах, обеспечивающих необходимую прокаливаемость, развитие дисперсионного твердения при отпуске и ограничивающих развитие ликвационных процессов и выделения грубых карбидов по границам зерен. Обычно для этих сталей co-L держание молибдена составляет 0,6—1,0.%. Во многих случаях комплексное легирование сталей типа 4Х5ВМФС и 4ХЗВМФ молибденом и вольфрамом осуществляют при суммарных их количествах 1,5—3,0 %, а для сталей высо­кой теплостойкости до 4,0—5,0 %.

Ванадий в штамповых сталях присутствует в карбиде VC и твердом растворе. Растворимость карбида типа MeС в аустените и, следовательно, степень насыщения ванади — ^m твердого раствора зависят от содержания ванадия и углерода в стали, а также от количества других элементов: Cr, W, Mo.

Ванадий благоприятно влияет на чувствительность штамповых сталей к перегреву. Повышая температуру ин­тенсивного роста зерна аустенита, он значительно усили­вает интенсивность дисперсионного твердения и повышает

Элемент,"/" (помассе)

Рис. 224. Влияние кремния и кобальта на механические свойства штамповых сталей типа 4Х4В2Ф2М. (Ю. М. Скрынченко, Л. А. Позняк, А. В. Ковальчук):

1 — Si; 2 — Со+0,30 % Si; 3 — Со+2,0 % Si

Теплостойкость сталей. Теплостойкость штамповых сталей типа 5ХЗВЗМФС растет при увеличении отношения V: С до 0,25—0,30. Дальнейшее увеличение этого отношения не приводит к существенному повышению теплостойкости. Увеличение содержания углерода до 0,45—0,50 приводит к повышению теплостойкости.

Влияние ванадия на механические свойства штамповых сталей неоднозначно. При содержании до 1,0 % ванадий повышает прочность и пластичность высокоуглеродистых и среднеуглеродистых 0,4% С) сталей. Однако при высоких температурах ванадий в повышенных количествах может снижать пластичность. Снижение пластичности ста­лей с высоким содержанием ванадия при обработке на дисперсионное твердение может приводить к уменьшению износостойкости инструмента, работающего при ударных нагрузках, из-за скалывания и микровыкрашивания рабо­чих поверхностей. В то же время ванадий может повышать износостойкость низкоотпущенных штамповых сталей для холодного деформирования типа Х12, особенно крупнога­баритных вырубных штампов вследствие уменьшения кар­бидной неоднородности.

К недостаткам высокованадиевых сталей относится по­ниженная шлифуемость (из-за присутствия очень твердого карбида MeС) и склонности к окалинообразованию.

Кремний и кобальт входят в состав некоторых штамповых сталей. Эти элементы, как некарбидообразующие, в основном находятся в твер­дом растворе. Кремний значительно упрочняет ферритную матрицу. Легирование штамповых сталей увеличенным содержанием кремния повышает их окалииостойкость. К недостаткам легирования кремнием относится укрупнение карбидов и возрастание хрупкости при отжиге.

Кобальт и особенно кремний существенно ускоряют процесс диспер­сионного твердения в комплекснолегированных штамповых сталях и способствуют достижению более высокой твердости при отпуске, одна­ко при этом наблюдается смещение пика вторичной твердости в сторону более низких температур отпуска, что отрицательно сказывается на теплостойкости сталей. В связи с этим содержание кремния и кобальта в штамповых сталях для горячего деформирования ограничивается 0,7—0,8 %, за исключением некоторых специальных случаев.

В штамповых сталях для холодного деформирования, температура эксплуатации которых не превышает 350—400 °С, содержание кремния может достигать 3,0—5,0 %. При этом существенно расТут твердость и сопротивление малым пластическим деформациям (предел упругости), но снижается предел прочности при изгибе и особенно уд-арная вязкость. На рис. 224 показано влияние кремния и кобальта на механические свойства штамповых сталей типа 4Х4В2Ф2М.

Влияние кобальта наиболее значительно в низкоуглеродистых ста­лях и сплавах с преимущественно интерметаллидным или смешанным (карбидным и интерметаллидным) упрочнением. Кобальт уменьшает растворимость вольфрама и молибдена, увеличивая пересыщение твер­дого раствора и повышая как количество интерметаллидной фазы, так и степень ее дисперсности.

К недостаткам легирования кобальтом относится склонность штам­повых сталей к обезуглероживанию.

Никель и марганец используют для повышения прокаливаемости крупногабаритного штампового инструмента. Никель повышает пластич­ность сталей, в то же время при содержаниях более 2 % ускоряется выделение карбидов по границам аустенитных зерен в интервале 650— 750 °С, что снижает пластичность стали. Кроме того, никель способству­ет разупрочнению сталей при нагреве и снижает сопротивление терми­ческой усталости. B связи с этим содержание никеля в штампо>зых ста­лях повышенной прокаливаемости для горячего деформирования огра­ничивается 1,5—2,0, а марганца 0,5—1,0 %.

Полезным является легирование никелем и марганцем штамповых сталей для холодного деформирования с высокой ударной вязкостью типа 7ХГ2ВМ и 7ХГНМ. B этом случае оптимальным является содер­жание марганца в пределах 1,5—2,0 % и никеля 0,5—1,0 % (Ю. А. Гел­лер).