Инструментальные стали для обработки давлением

Штамповые стали, применяемые для изготовления инструмента, предназначенного для изменения формы материала деформированием без снятия стружки, по условиям работы делят на стали для холодного и горячего деформирования.

Штамповые стали легируют хромом (от 0,5 до 13%), вольфрамом (от 2 до 6 %), молибденом (от 0,6 до 1,8 %), ванадием (до 4 %), кремнием (от 3 до 5 %), никелем (0,5–1 %), марганцем (1,5–2 %), кобальтом (до 0,8 %).

Штамповые стали для холодного деформирования должны иметь высокую твердость, износостойкость, повышенную вязкость (особенно для инструментов работающих при динамических нагрузках) и теплостойкостью. Для обеспечения заданных свойств используются нетеплостойкие углеродистые и легированные стали, или полутеплостойкие высокохромистые (3–12% Cr) с 0,7–1,5% С, дополнительно легированные ванадием, молибденом, вольфрамом и другими элементами.

Углеродистые и малолегированные стали имеют высокую твердость после закалки (60–63 HRC и выше), достаточную вязкость, хорошую обрабатываемость резанием в отожженном состоянии. Однако пониженная теплостойкость и износостойкость ограничивает их применение вытяжными и вырубными штампами.

Стали с высоким содержанием хрома (6–12 %) имеют более высокую износостойкость и глубокую прокаливаемость благодаря присутствию в структуре большого числа карбидов хрома, ванадия. Однако при этом снижается ударная вязкость и прочность и возрастает вероятность выкрашивания рабочих поверхностей инструментов. Такие стали пригодны инструментов, работающих без значительных динамических нагрузок: для вытяжных и вырубных штампов, матриц прессования порошков.

Термическая обработка этих сталей заключается в закалке от
950–150 ºС и невысоком отпуске (150–250 ºС). Из-за пониженной теплопроводности нагрев под закалку осуществляется ступенчато с предварительным подогревом до 700 ºС.

Высокая температура закалки способствует уменьшению количества нерастворенных карбидов, увеличению содержания хрома в твердом растворе, повышению теплостойкости, но при этом повышению количества остаточного аустенита и увеличению аустенитного зерна, что приводит к понижению твердости и прочности стали. Для ликвидации этого стали легируют молибденом, вольфрамом и ванадием.

Для изготовления тяжелонагруженных пуансонов и матриц для прессования и высадки, для работы при высоких давлениях (2000–2300 МПа) при холодном и горячем деформировании применяют дисперсионнотвердеющие стали с высоким сопротивлением смятию. Они содержат пониженное количество углерода (0,8–1%), легированы хромом (4–5%), вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием (8Х4В2С2МФ, 11Х4В2С2Ф3М, Х5В2С4Ф2НМ). Стали этой группы после высокого отпуска при
520–560 °С (в ряде случаев после многократного отпуска) склонны к дисперсионному твердению.

Дисперсионнотвердеющие стали имеют невысокую твердость, прочность, теплостойкость и удовлетворительную вязкость. Вследствие высокой степени легирования стали обладают высокой прокаливаемостью и стойкостью против перегрева, в связи с чем температура аустенитизации этих сталей довольно высока (выше 1050 ºС), что обеспечивает достаточную полноту растворения карбидов в аустените и образование высоко-легированного мартенсита.

Недостатком сталей данного типа является образование крупных избыточных карбидов при отжиге заготовок, что требует применения больших деформаций для раздробления крупных карбидных фаз.

Высокопрочные стали с повышенной ударной вязкостью имеют высокую прочность и пониженную теплостойкость и предназначены для изготовления инструмента, работающего при динамическом нагружении. Упрочнение сталей осуществляют закалкой и низким отпуском (7ХГ2ВМ, 7ХГНМ) или путем дисперсионного твердения (6Х6ВЗМС, 6Х4М2ФС). Важным для этих сталей является минимальное изменение объема при закалке, что достигается в низкоотпущенных сталях сохранением значительных количеств остаточного аустенита (18–20%).

Дисперсионнотвердеющие стали характеризуются более высокой теплостойкостью, сопротивлением смятию и износостойкостью по сравнению с низкоотпущенными.

Стали типа 6Х6ВЗМФС и 6Х4М2ФС применяют для инструментов, работающих при значительных динамических нагрузках и давлениях
до 1500 МПа (высадочные пуансоны и матрицы, гильотинные ножницы и др.), стали типа 7ХГ2ВМ и 7ХГНМ – для инструмента прецизионной вырубки, пробивки и т. п.

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. 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.

Сопротивление термической усталости (разгаростойкость) – специ-фическое 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 мартенситно-стареющие стали с интерметаллидным упрочнением.

Содержание углерода в штамповых сталях для горячего деформирования пониженное и составляет для разных групп сталей 0,3–0,5,%.

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 (Сr, W, Мо) и легированы повышенным 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 Ме₃С и в небольших количествах специальные карбиды Ме₂₃С₆, Ме₆С, в сталях с ванадием МеС. Стали предназначены 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 Ме₃С сравнительно легко растворяется при аустенитизации, такие стали, как 5ХНМ или 5ХНВ, необходимо нагревать под закалку до невысокой температуры (порядка 920–950 °С). Стали, легированные ванадием и содержащие, кроме цементита, карбиды Ме₆С и МеС, характеризуются большей устойчивостью к перегреву и могут нагреваться под закалку до 980–1020 °С 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 сопротивление термомеханической усталости.

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

Стали повышенной теплостойкости и вязкости в отличие от сталей умеренной теплостойкости содержат повышенное количество карбидообразующих элементов при пониженном содержании углерода: 0,3–0,4 %. 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 Ме₂₃С₆, Ме₆С, МеС. 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.

Повышение температуры нагрева под закалку увеличивает теплостойкость сталей, твердость после закалки вследствие растворения карбида Ме₆С, однако при этом значительно растет зерно аустенита. Твердость стали после закалки зависит от содержания в мартенсите углерода и легирующих элементов. Стали этой группы обычно закаливают в масле от температуры аустенитизации, обеспечивающей наибольшую твердость при сохранении размера аустенитного зерна балла 9–10. В ряде случаев, когда определяющим свойством является износостойкость, температуры аустенитизации могут быть повышены.

Стали этой группы являются дисперсионно твердеющими. Максимум твердости в них достигается после отпуска при 500–550 °С в течение полутора–двух часов, 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. Прочностные свойства при повышенных температурах (до 600–610 °С) после обработки на твердость 47–49 НRС 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 °С (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 °С (деформирование коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов).

Стали высокой теплостойкости отличаются более высоким содержанием карбидообразующих элементов: вольфрама, молибдена и ванадия, некоторые из сталей этой группы дополнительно легируют кобальтом в количестве 8–15 %. В зависимости от легирования стали высокой теплостойкости могут иметь карбидное (ЗХ2В8Ф, 4Х2В5МФ, 5ХЗВЗМФС) или смешанное карбидо-интерметаллидное упрочнение (2Х6В8М2К8, ЗХЮВ7М2КЮ). Упрочняющими фазами в сталях этой группы являются карбиды Ме₆С и МеС, а при легировании кобальтом – интерметаллиды (Fe, Co)₂W, (Fe, Co)₇W₆. Фазовый состав сталей и их свойства зависят от количества углерода и суммарного содержания W+Мо (рис. 5.10).

Стали этой группы характеризуются высокой устойчивостью к перегреву, что обусловлено наличием труднорастворимых карбидов. 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% (ЗХЮВ7М2КЮ, 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 °С, что объясняется наличием интерметаллидов.

Рис. 5.10. Фазовый состав штамповых сталей после отпуска (700 °С)

(I – пониженная теплостойкость, II – высокая теплостойкость и разгаростойкость,

III – высока теплостойкость и пониженная разгаростойкость, IV – низкая твердость)

Стали типа ЗХ2В8Ф, 4Х2В5МФ, 5ХЗВЗМФС применяют для изготовления тяжело нагруженного 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 штампов против истирания их дополнительно азотируют. Из сталей типа ЗХЮВ7М2КЮ, 2Х6В8М2К8 изготавливают пуансоны для горячего прессования жаропрочных металлов и сплавов.