Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

3. Стали для горячего деформирования

Штамповые стали для горячего деформирования предназ­начены для изготовления инструментов (штампов), рабо­тающих при повышенных температурах, многократных теплосменах (нагрев и охлаждение), динамических на­грузках, а в ряде случаев и при значительном коррозион­ном воздействии обрабатываемого металла (формы литья под давлением). Поэтому эти стали должны иметь высо­кую теплостойкость, вязкость, сопротивление термической усталости (разгаростойкость), коррозионную стойкость (окалиностойкость).

Теплостойкость штамповых сталей обеспечивается ком­плексным легированием вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием, иногда кобальтом. Вязкость штамповых сталей должна быть выше, чем быстрорежущих, т. е. не ниже 0,4—0,45 МДж/м2 при 20 0C и 0,6 МДж/м2 при температу­ре эксплуатации (Ю. А. Геллер).

Сопротивление термической усталости (разгаростойкость) — специфическое свой­ство штамповых сталей, характеризует устойчивость стали к образованию по­верхностных трещин при многократных теплосменах. Разгаростойкость тем. выше, чем боль­ше вязкость стали и меньше коэффициент теплового рас­ширения.

Большинство штамповых сталей является сталями с карбидным упрочнением, т. е. эти стали упрочняются пу­тем закалки на мартенсит и отпуска, однако в ряде случа­ев в’качестве штамповых могут применяться мартейситно — етареющие стали с интерметаллидным упрочнением (см. гл. XVII).

Содержание углерода в штамповых сталях для горя­чего деформирования пониженное и составляет для разных групп сталей 0,3—0,5,%. Химический состав некоторых’ штамповых сталей для горячего деформирования, регла­ментированный ГОСТ 5950—73 и ТУ,, приведен в табл. 49.

По основным свойствам штамповые стали для горяче­го деформирования подразделяют на стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости, стали повышенной теплостойкости и вязкости и стали высокой теплостойко­сти.

Стали умеренной теплостойкости и повышенной вязко­сти содержат относительно небольшие количества карби­дообразующих элементов (Cr, W, Mo) и легированы по-


Z

To ©*

Z ю ci

I

O

ZrtZZ

OO 00 CO СО

1111 •tiOOIlN

—"o—"


8

<->

О ье

П. §

А:

ООО юю^г

1

Q О Ю

О и

4 <0

I I

•о «>

Ci SS

Ci

И

•3 о

Ci

Е

Ci

¦3

Ci

¦я о S S

Со со м

OOOC coimimc

T

»0000 " Oi OO

Io —< Oi Oi Oi Oi cc

Ci >3

8

U

Ci

S

>3

Ci

А

Ci

О" о о"о"о"о о"

<со"

T

CM OO ю ~ o"o"cn

Ю

ЮО><Й(М ю

FfffIf (Neо юо со

ОЗ — .f

Ю со"

О" о*—""- о*

• оо "<м"

O1

СО OO OO IM" со

О" о — ю"

IOlOtoo OOlO

СО OO t—

. . I I1

Ioiooooo t^ со t^ со


<0 о е а ч а ы О

*

А; ^

Tx

D

As

А §

О—IiMiM

OOOO ю ю ю ~ — - — IM о—I — lO’OiOOlOiOlO Ю Ю Ю Tf" со" IM со"

IMIIlI

А ы О

LO LO "О Cv^ OO О OO Tf Tf Tf СО CvJ CvJ СЧ nomo со

Im со со ьго im

IlIlOl WWIOIO-OO


О ^ Ю TT OO О Tf Tj — Tf Tf Tf Tj — ю СО

О ю со «я1

Со гс юсо ffff

О СО СО

Юсо-^iM о"о"о"о"

Со со со со «я[25] IM о" о" о" о" о" о" о"

Рос

OOiMO "Я" "Я" Ю СО

ООО

О О IO IM о о coco-* IM

OOOO


О ©

S^mmmmS

Ю IO Ю Tf СО сч со

ХХХХХХХ

© ©

Xsscnin XXXX

Ю Tf IO со

Tf Tf Tf Tf Tf СО

Sg е’вя**

— — - — J CQ ‘-I

Шштшо®

<N IN СО СО —’ CQ ХХХХХД

СО Tf Ю !N СО X


HRC

С/},6алл

900

Woo гюо

^за к,

Рис. 229. Зависимость твердости HRC и размера зерна аустенита d3 штам­повых сталей умеренной теплостойко­сти и повышенной вязкости темпера­туры закалки (Л. А. Позияк, Ю. В. Скрыичеико, С. И. Тишаев).

Вышенным количеством никеля и марганца для увеличе­ния прокаливаемости и обеспечения повышенной ударной вязкости. По содержанию углерода эти стали относят к эвтектоидным или доэвтектоидным. Благодаря Небольшим количествам легирующих элементов при отпуске в сталях этой группы выделяется в основном легированный цемен­тит Me3С и в небольших коли­чествах (около 3,0 %) — спе­циальные карбиды Me23C6, Me6С, в сталях с ванадием Me С. Стали предназначены

За к.

Рис. 230. Зависимость твердости HRC и размера зерна da аустенита штам­повых сталей повышенной теплостой­кости и вязкости от температуры за­калки (Л. А. Позияк, Ю. М. Скрыи­чеико, С. И. Тишаев):


/ — 5ХНМ; 2 — 4ХСМФ; 3 — ЗХ2МНФ: 4 — 5Х2МНФ

I — 4Х5МФС; 2 — 4Х5В2ФС; 3 — ЗХЗМ5Ф; 4 — 4ХЗВМФ; 5 — 4Х4ВМФС


В основном для крупных прессовых и молотовых штампов, поэтому они должны обеспечить повышенную _ вязкость в сечениях до 700—800 мм. Типовой термообработкой явля­ется закалка с высоким отпуском. В связи с тем, что кар­бид Me3C сравнительно легко растворяется при аустенитиза — ции, такие стали, как 5ХНМ или 5ХНВ, необходимо нагре­вать под закалку до невысокой температуры (порядка 920—950 0C). Стали, легированные ванадием и содержа­щие, кроме цементита, карбиды Me6C и MeC, характеризу-


Ются большей устойчивостью к перегреву и могут нагре­ваться под закалку до 980—1020 0C (рис. 229).

Структура, получаемая после закалки, зависит от со­става стали и размера штампа. Как правило, в крупнога­баритных штампах при закалке получают смешанную мартенсито-бейнитную структуру, а также остаточный аус­тенит. Соотношение между этими составляющими зависит от состава стали. Наименьшую прокаливаемость имеют стали типа 5ХНВ, поэтому их используют для штампов со стороной не более 250—300 мм. Более высокую прокалива­емость имеют стали 4ХСМФ, ЗХ2МНФ и особенно 5Х2МНФ. В общем случае бейнитная структура для штам­повых сталей менее желательна, чем мартенситная, так как характеризуется меньшей теплостойкостью и менее склонна к дисперсионному твердению. Кроме того, образо­вание бейнита может приводить к понижению пластичности и ударной вязкости.

Наиболее высокое сочетание прочности и пластичности имеет сталь 5Х2МНФ. Она имеет наиболее высокое сопро? тивление термомеханической усталости. Для стали 5Х2МНФ необходимый уровень ударной вязкости состав­ляет 0,35—0,40 МДж/м2 при комнатной температуре и 0,8— 1,0 МДж/м2 при 600 0C. Этот уровень достигается для структуры мартенсита после отпуска при 580-^-600° на твердость HRC 46—49, а для смешанной мартенситно — бейнитной структуры после отпуска на HRC 42—44.

Для небольших молотовых штампов применяют сталь 5ХНВ или 5ХНМ. При ужесточении требований по тепло — стойкости используют стали 4ХСМФ и ЗХ2МНФ. Для круп­ногабаритных тяжелонагруженных молотовых штампов применяют сталь 5Х2МНФ. Стойкость штампов из стали 5Х2МНФ примерно в 1,5—2,0 раза выше, чем из стали 5ХНМ.

393

Стали повышенной теплостойкости и вязкости в отли­чие от сталей умеренной теплостойкости содержат повы­шенное количество карбидообразующих элементов при пониженном содержании углерода: 0,3—0,4 % (табл. 49). Стали этой группы наиболее широко применяют для изго­товления инструментов горячего деформирования и форм литья под давлением. В отожженном состоянии в структу­ре сталей имеются карбиды типа Me23C6, Me6С, MeС. Ста­ли этой группы 4Х5МФС, ЗХЗМЗФ, 4Х4ВМФС и др. харак­теризуются более высокой теплостойкостью и прочностью при рабочих температурах по сравнению со сталями уме­ренной теплостойкости 5ХМН и 5ХМВ.

25—970

Повышение температуры нагрева под закалку увеличи­вает теплостойкость сталей, твердость после закалки вследствие растворения карбида Me6С, однако при этом значительно растет зерно аустенита (рис. 230). Стали с большей относительной долей карбидов Me6С и MeС (4Х4ВМФС) имеют более высокую стойкость к перегреву. Твердость стали после закалки зависит от содержания в мартенсите углерода и легирующих элементов. Стали этой группы обычно закаливают в масле от температуры аусте — нитизации, обеспечивающей наибольшую твердость при со — хранении размера аустенитного зерна балла 9—10. В ря­де случаев, когда определяющим свойством является изно­состойкость, температуры аустенитизадии могут быть повышены.

Стали этой группы являются дисперсионнотвердеющи — ми (см. гл. XIX1 п. 2); максимум твердости в них достига­ется после отпуска при 500—550 0C в течение 1,5—2 ч, однако теплостойкость сталей зависит в основном не от уровня твердости, полученной при дисперсионном тверде­нии, а от скорости разупрочнения при более высоких тем­пературах.

Прочностные свойства теплостойких сталей при ком­натной температуре в основном определяются твердостью и мало зависят от их состава. Пластичность и ударная вязкость сталей этой группы снижаются с увеличением со­держания карбидообразующих элементов. Однако тепло­стойкие стали 4Х4ВМФС и 4ХЗВМФ имеют достаточно высокие характеристики пластичности при комнатной тем­пературе при одновременно высоком уровне прочностных свойств (ав= 1700—1800 МПа, а0,2= 1550—1650 МПа, Чг==40—45 %). Наиболее теплостойкая сталь 4Х2В2МФС имеет ударную вязкость примерно в 2 раза ниже по срав­нению со сталями 4Х4ВМФС и 4ХЗВМФ как при комнат­ной, так и при повышенных температурах. Прочностные гвойства при повышенных температурах (до 600—610 0C) после обработки на твердость HRC 47—49 примерно оди­наковы для всех сталей, что обусловлено достаточной ус­тойчивостью этих сталей к отпуску, небольшими различи­ями в количестве карбидной фазы и составе твердого раствора. Сопротивление хрупкому разрушению, а также сопротивление термомеханической усталости теплостойких сталей растет с уменьшением прочности и повышением пластичности, износостойкость при повышенных темпера­турах в основном определяется теплостойкостью и проч­ностью стали.

Стали типа 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х5МФ1С применяют для инструментов, работающих в условиях длительных теплосмен до температур 600—630 0C (например, для го­ризонтальных прессов — пресс-штемпели, иглы для про­шивки труб и т. д.).

Наиболее теплостойкие стали 4ХЗВМФ и 4Х4ВМФС используют для инструментов, работающих в условиях вы­соких удельных давлений (800—1500 МПа) и темпера­тур 650—660 cC (деформирова­ние коррозионностойких и жа­ропрочных сталей и сплавов).

Стали высокой теплостой­кости отличаются более высо­ким содержанием к’арбидооб- разующих элементов: вольфра­ма, молибдена и ванадия, не­которые из сталей этой группы дополнительно легируют ко­бальтом в количестве 8—15 % (табл. 49). В зависимости от легирования стали. высокой те­плостойкости могут иметь кар­бидное (ЗХ2В8Ф, 4Х2В5МФ/ 5ХЗВЗМФС) или смешанное карбидо-интерметаллидное уп­рочнение (2Х6В8М2К8, ЗХ10В7М2КЮ). Упрочняющи­ми фазами в сталях этой груп­пы являются карбиды Me5С и MeС, а при легировании ко­бальтом— также интерметаллиды (Fe, Co)2W, (Fe, Co)7W6. Фазовый состав сталей и их свойства зависят от количе­ства углерода и суммарного содержания W+Mo (рис. 231).

Стали этой группы характеризуются высокой устойчивостью’ к пе­регреву, что обусловлено наличием трудиорастворимых карбидов Me6С и MeC. Наиболее высокая теплостойкость и разгаростойкость достига­ются в сталях (область II) с пониженным содержанием углерода, леги­рованных кобальтом и содержащим вольфрам и молибден с суммарным количеством около 9—10% (ЗХ10В7М2КЮ, 2Х6В8М2К8). Повышенные содержания углерода снижают теплостойкость стали (область I), высо­кие значения вольфрама и молибдена снижают ударную вязкость и раз­гаростойкость. Наиболее легированные стали этой группы сохраняют теплостойкость до 700—750 0C (табл. 50).

0,1 ———- 1_____ I——— L

Рис. 231. Фазовый состав штампо­вых сталей (6—8 % Cr; 0,2—0,5 % V; 0—15 % Co) после отпуска при 700 °С, 1 ч (л: С. Крем’иев, Ю. А. Геллер, Т. Г. Сагадеева):

8 9 10 11 IZ SN+ Мо,%

I — пониженная теплостойкость;

II — высокая теплостойкость н разгаростойкость; )П — высокая — теплостойкость и пониженная раз­гаростойкость; IV — низкая твер­дость

25*

395

Наиболее высокая теплостойкость таких сталей обусловлена тем, что интерметаллиды (Fe, CoJ2W и (Fe, CobW6 выделяются при более высоких температурах и более устойчивы к коагуляции по сравнению с карбидными фазами Me6C н MeС.

Таблица 50. Режимы термической обработки и свойства штамповых сталей высокой теплостойкости (Л. А. Позняк, Ю. М. Скрынчеико, С. И. Тишаев)

Сталь

Температура закалки, 0C

HRC

Темпера­тура от­пуска, 0C

HRC

Тепло­стойкость, "С, при HRC.40

ЗХ2В8Ф

1130—1150*

53—55

630—650

42—47

660

1180—1100**

48—52

600—620

45—49

650

4Х2В5МФ

1080—1100*

54—56

640—650

44—47

670

1050—1080**

52—55

610—630

45—49

660

5ХЗВЗМФС

1130—1150*

54—58

650—660

44—47

685

1100—1120**

52—55

640—650

45—49

670

2Х6В8М2К8

1180—1200

52—54

670—690

48—52

730

ЗХ10В7М2КЮ

-ЖЮ—1120

54—56

640—650

48—52

700

Х2В6М6К12Н2

1150—1170

40—42

680—700

48—52

750

* Обработка иа высокую теплостойкость. ** Обработка на повышенную проч­ность н вязкость.

Стали типа ЗХ2В8Ф, 4Х2В5МФ и 5ХЗВЗМФС имеют близкие зна­чения прочностных и пластических свойств при комнатной и повышен­ных температурах. После отпуска иа твердость HRC 45—47 стали име­ют наиболее удовлетворительный комплекс механических свойств: Ct0i2= 1450—1500 МПа, г|з=35—40 %, KCU==O,2—0,3 МДж/м2 при 200C и Ct0i2=900—950 МПа, Цз=40—45 %, KCU=0,3—0,4 МДж/м2 при 600 °С.

Стали типа 2Х6В8М2К8 и ЗХ10В7М2КЮ после отпуска на твер­дость HRC 48—50 имеют очень низкие значения ударной зязкости (0,005—0,1 МДж/м2) при комнатной температуре и только при повыше­нии температуры до 660—650 0C ударная вязкость этих сталей повыша­ется до 0,20—0,25 МДж/м2. В связи с этим необходимым условием эксплуатации инструмента из таких сталей является предварительный подогрев его до 500—600 °С.

Стали типа 5ХЗВЗМФС, ЗХ2В8Ф и 4Х2В5МФ применяют для изго­товления тяжелоиагружениого инструмента прессов и горизонтально — ковочных машин в условиях разогрева до 680—690 °С. Его используют при горячем деформировании легированных сталей и жаропрочных спла­вов. Для повышения стойкости инструментов против истирания их до полнительно подвергают азотированию. Из сталей типа 2Х6В8М2К8 и ЗХ10В7М2КЮ изготовляют пуаисоиы для горячего прессования (720— 750 °С) жаропрочных металлов и сплавов.