Штамповые стали повышенной теплостойкости

Стали с карбидным упрочнением показаны в таблице 4 [2].

Таблица 4 Химически состав сталей(средний), %

Это наиболее характерные и широко применяемые стали для большинства штампов и многих форм литья.

Содержание углерода и хрома в разных сталях этой группы (кроме стали 6Х4В6М5) изменяется в относительно небольших пределах (0,3—0,5% С и 3—5% Сr), при которых температуры начала α —> ɣ-превращения, а следовательно, и температуры раз­упрочнения металлической основы изменяются сравнительно мало. Они составляют 800-820° С, а температуры окончания превращения 840-860° С.

Повышение теплостойкости достигается увеличением коли­чества карбидной фазы и повышением в ней доли карбида М_вС. Этот эффект не очень значителен и создается, если при нагреве для закалки растворяется большая часть карбида с сохранением мелкого зерна (балла 10—9). Поэтому различие в теплостойкости сталей указанных двух групп не очень велико. Для твердости HRC 45 она составляет 590-630 С. Влияние хрома, кремния и ванадия на устойчивость против нагрева сталей этого типа показано на рисунках 2 и 3 [2].

Рисунок 2 Влияние кремния, хрома и ванадия на вторичную твердость и теплостойкость стали с 0,4 % С и 4 % W

Рисунок 3 Предел текучести при нагреве штамповых сталей. Закалка на мелкое зерно и отпуск на твердость

Больше различия этих сталей в вязкости разгаростойкости и в износостойкости при повышенных температурах.

СТАЛИ С СОДЕРЖАНИЕМ до 2% W и 3% Мо

Теплостойкость сталей (для твердости, HRC 45) составляет 590—610° С. В их карбидной фазе значительнее доля карбида М_гзС_в при меньшем общем количестве карбидов, чем у рассматриваемых ниже сталей, содержащих больше вольфрама и молибдена.

Механические свойства сталей приведены в табл. 110. Они могут немного отклоняться от указанных в ней и на рис. 305 при изменении содержания углерода в пределах марки. Таким же образом они различаются по механическим свойствам, указанным разными авторами.

Более высокие вязкость и разгаростойкость имеют стали, ле­гированные молибденом из-за особенностей его влия­ния на пограничные слои зерна. Кроме того, тепло­проводность молибденовых сталей несколько больше, чем воль­фрамовых. [2]

Рисунок 4 Влияние вольфрама и молибдена на теплопроводность стали с 0,3 % С и 1,5 % Сr при нагреве

СтальЗХЗМЗФ, содержащая меньше углерода, имеет удовле­творительную вязкость и разгаростойкость; она используется для штампов быстроходных прессов при работе с интенсивным охла­ждением. Стойкость пуансонов в этих условиях деформирования на 20—30% выше, чем из стали 4Х5В2ФС, и почти в 2 раза выше, чем из вольфрамовой стали ЗХ2В8Ф 1267. Стали 4Х5МФС и 4Х4М2ВФС являются основными для разно­образных штампов деформирования стали и цветных металлов и для форм литья под давлением алюминиевых и магниевых сплавов диаметром (стороной) до 70—80 мм.

Разгаростойкость этих сталей значительно лучше, чем у ши­роко применявшейся ранее вольфрамовой стали ЗХ2В8Ф. Кроме того, из-за влияния повышенного содержания хрома, взаимодей­ствие с заливаемым металлом и растворимость в нем у стали 4Х5МФС (как и стали 4Х5В2ФС) меньше, чем у более легирован­ной стали ЗХ2В8Ф. [2]

Таблица 5 Влияние состава и твердости штамповой стали на потерю массы в расплавленном силумине (700 С, 3ч.).

Соответственно и стойкость форм из сталей 4Х5МФС (45В2ФС) и 4ХХ4ВМФС в 1,5—2 раза выше.

Прокаливаемость стали 4Х5МФС больше, чем у стали 4Х5В2ФС. Сталь 4Х5МФ1С имеет более высокое содержание ванадия. Это позволяет предупредить крупнозернистость в более крупных поковках (диаметром80-90 мм) и использовать сталь для штампов и форм больших сечений. У стали 4Х5В2ФС несколько больше теплостойкость (до 600— 610°С), но меньше вязкость (см. рис. 303). Устойчивость ее против разгара немного ниже, чем у стали 4Х5МФС. Сталь 4Х5В2ФС используют для штампов, главным образом простой конфигу­рации: высадочных, формующих игл, прошивных пуансонов, оправок прессования груб и др. В отличие от молибденовых ста­лей она менее чувствительна к обезуглероживанию. Это техно­логическое преимущество становится существенным при необ­ходимости длительного нагрева для закалки и при отсутствии достаточных мер защиты от обезуглероживания.

Сталь 4Х2СВ2МФ из-за более высокого содержания углерода имеет большую износостойкость, но она чувствительнее к трещи­нам разгара. Ее используют при отсутствии интенсивного охла­ждения.

Общая особенность этих сталей-чувствительность к влиянию масштабного эффекта; она больше, чем у сталей, рассмотренных в разделе 98. Вязкость их с увеличением диаметра (стороны) за­готовок >100-120 мм уменьшается из-за возрастающей неодно­родности в распределении карбидов.Эти стали не усту­пают полутеплостойким 5ХНМ и 5XI1B и др. (см. раздел 66) в вязкости инструментов в небольших и средних сечениях (до 60- 80 мм), но значительно превосходят их в сопротивлении пла­стической деформации при повышенных температурах 300-400° С. Поэтому стали ЗХЗМЗФ, 4Х5МФС, 4Х5В2ФС используют и для молотовых штампов, особенно чистовой штамповки с наи­меньшей стороной до 100-125 мм.

СТАЛИ С СОДЕРЖАНИЕМ >3% W и 2% Мо

Теплостойкость сталей (при твердости HRC 45) 610-630° С. Количество карбидной фазы несколько больше, чем в сталях, рас­смотренных выше; в ее составе преобладает карбид М₀С. Дости­гаемое этим путем улучшение теплостойкости и износостойкости сопровождается ухудшением вязкости и разгаростойкости. Это определяет и область применения сталей. Они предназначены для деформирования металлов с повышенным сопротивлением пласти­ческой деформации (в частности, жаропрочных), а также в усло­виях более длительного контакта с деформируемым металлом, в том числе для пуансонов выдавливания, но без интенсивного охлаждения и больших динамических нагрузок. В связи с этим стали, несмотря на высокую прокаливаемость, целесообразно использовать для инструментов небольших сече­ний и в виде вставок. Вязкость сталей этой группы сильно сни­жается с увеличением диаметра заготовок >50-70 мм из-за значительного отрицательного воздействия мас­штабного эффекта и создающегося менее однородного распреде­ления карбидов.

Стали 5ХЗВЗМФС, а также 4Х2В5ФМ близки по основным свойствам. По сталь 5ХЗВЗМФС содержит меньше вольфрама и рациональнее легирована; она получает поэтому более широкое применение для штампов прессования и высадки.

Сталь типа 6Х4В2М из-за большего содержания углерода получает повы­шенную твердость (до URC 60 после закалки) и износостойкость, но имеет более низкие вязкость и разгаростойкость. Ее используют реже преимущественно для пуансонов небольшого диаметра при отсутствии динамических нагрузок и интенсивного охлаждения.

Сталь ЗХ2В8Ф, разработанная еще в 20-е гг. теперь применяется мало. Общее количество карбидов в стали после отжига 9—9,5%. Вместе с тем, растворимость карбида М₆С из-за недостаточ­ного содержания хрома пониженная. По этим причинам тепло­стойкость при закалке на мелкое зерно (балла 10) лишь немного выше, чем у рас­смотренных здесь сталей с 3—5% W. Карбиды M₂₃С₀ при нагреве для закалки переходят в раствор при 1050— 1100 С; в этом случае концентрация вольфрама в твердом растворе не превышает 4% (что меньше, чем в других сталях с таким же содержанием вольфрама). [3].

Рисунок 5 Твердость и вязкость стали ЗХ2В8Ф в зависимости от температуры закалки и отпуска

Для растворения карбидов А1_вС нужен более высокий нагрев (>1200 C); при этом значительно повышается теплостойкость, но из-за сильного роста зерна (до балла 7—8) очень ухудшается вязкость. Для большинства штампов приходится выбирать более низкие температуры закалки. Лишь штампы-вставки, работающие без динамических нагрузок и интенсивного охлаждения, закаливают с повышенных температур.

Вязкость стали ЗХ2В8Ф вследствие большого количества карбидов ниже, чем сталей 4Х5В2ФС и 4ХМФС. Эта характеристика, как и проч­ность, сильно изменяется в различных плавках при изменении содержания угле­рода в пределах одной марки.

Очень значительна также роль масштабного эффекта; вязкость стали умень­шается почти в два раза при увеличении диаметра заготовки с 40-50 до 70-80 мм.

Кроме того, сталь ЗХ2В8Ф из-за недостаточного содержания хрома больше взаимодействует с заливаемым жидким металлом.

Мало применяются также высоколегированные стали с 10—15% W типа 6Х4В6М5. Их основной карбид — М_вС, что обеспечивает более высо­кую теплостойкость. Эти стали сохраняют твердость HRC 45 после нагрева 640-650С. Однако преимущество в теплостойкости в большой степени погашается низкими вязкостью и разгаростойкостыо. Вязкость стали 4ХЗВ11 при твер­дости HRC 45 не превышает 1 и 2 кгс∙м/см² при 20 и при 650° С соответственно. Это вызвано интенсивным развитием дисперсионного твердения при отпуске и влиянием значительного количества карбидов: до 15-18% после отпуска на твердость HRC 45.

Стали используют для небольших штампов,’ преимущественно вставок, работающих в условиях повышенного трения, но без динамических нагрузок и интенсивного охлаждения.

Линейный коэффициент теплового расширения сталей повы­шенной теплостойкости (при трооститной структуре и твердосги HRC 40—45) примерно одинаков. Из-за влияния хрома он не­сколько меньше, чем у полутеплостойких сталей.

Объемные изменения при закалке, а следовательно, и дефор­мация штампов и прессформ зависят от содержания углерода в стали. Они больше у 4Х5В2ФС и 4Х4М2ВФС и особенно у стали 6Х4В2М.

ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ.

Для растворения вторичных карбидов в пределах, обеспечи­вающих высокую легированность аустенита и теплостойкость, необходим повышенный нагрев (см. табл. 116) до температур,

при которых еще остается часть избыточных карбидов, главным образом М₆С и для большинства сталей (кроме ЗХ2В8Ф), сохра­няется мелкое зерно (балла 10). Дальнейшее повышение темпе­ратуры закалки дополнительно увеличивает теплостойкость, но вызывает рост зерна и ухудшает вязкость. Достаточно указать, что сталь 4Х5В2ФС сохраняет твердость HRC 45 после отпуска при следующих условиях:

Температура закалки, °С.... 1020 1080 1120

Величина зерна, балл.... 12 10 8

Температура отпуска, °С.... 580 600 640

Рост зерна сравнительно мало изменяет прочность. Поэтому для штампов, не испытывающих значительных динамических нагрузок или резкого охлаждения, но работающих при более высоком нагреве, допустимо небольшое повышение температуры закалки на зерно балла 9.

Устойчивость переохлажденного аустенита сталей с 3,5— 5% Сr в перлитной области повышенная; она больше у сталей, легированных молибденом. Прокаливаемость их не ниже, чем у полутеплостойких сталей. Однако это свойство нельзя полностью использовать. Распаду аустенита в перлитной и промежуточной областях предшествует выделение части карбидов, протекающее по границам зерен, что снижает вязкость на 30-40%. Несмотря на то, что стали 4Х5МФС и 4Х5МФ1С получают высокую твердость (HRC 55- 56) при закалке с охлаждением на воздухе (например, в штампах диаметром до 100 мм) такая закалка по этим причинам нецелесообразна. Для этой цели необходимо быстрое охлаждение при температурах 700-300°С. Крупные штампы целесообразно охлаждать по способу прерываемой закалки.

В закаленном состоянии после нагрева на зерно балла 10 сохраняется 4-5% аустенита. Количество его возрастает при замедлении охлаждения, а следовательно, и в больших сечениях из-за частичного развития бейнитного превращения и повышения стабильности переохлажденного аустенита. В образцах диамет­ром 50 и 150 мм, охлажденных в масле, сохраняется соответственно 3 и 6% аустенита, а в образцах, охлажденных на воздухе, 7 и 12%. В правильно отпущенной стали остаточный аустенит не сохраняется; он устойчив лишь до 550°С, тогда как температуры отпуска на твердость HRC 50-40 значительно выше.

Изменение твердости следует из зависимости, на­блюдаемой у быстрорежущих сталей. Ее снижение после, отпуска при 300-350° С вызвано уменьшением концен­трации углерода в мартенсите и выделением цементитного кар­бида, а повышение для температуры отпуска 540-560° С -вы­делением карбидов легирующих элементов.

Дата добавления: 2015-06-27