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).