Инструментальные легированные (штамповые) стали

В качестве материалов для деформирующих инструментов для горячего деформирования применяют легированные инструментальные стали (штамповые стали).

Штамповые стали для горячего деформирования условно можно разделить на три основные группы:

1) стали умеренной теплостойкости и повышенной ударной вязкости (стали типа 5ХНМ, 5Х2МНФ и др.);

2) стали повышенной теплостойкости и ударной вязкости (4Х5МФС и др.);

3) стали высокой теплостойкости (5Х3В3МФС, 3Х2В8Ф, 5Х4В18Ф1 и др.).

Общим характерным признаком штамповых сталей для горячего деформирования является более низкое по сравнению со сталями для холодного деформирования содержание углерода (0,3 – 0,6 %). Это необходимо для обеспечения повышенной ударной вязкости.

Стали умеренной теплостойкости (типа 5ХНМ, 5Х2МНФ и др.) используются для изготовления молотовых штампов, работающих в условиях относительно невысоких (до 400-450 С) температур поверхностей гравюры в процессе штамповки, крупных прессовых штампов, контейнеров и блоков матриц для ГКМ. Содержание небольшого количества карбидообразующих элементов (до 2 % хрома, 0,7-1,0 % молибдена или вольфрама, 0,3-0,5 % ванадия) позволяет сохранять повышенную ударную вязкость в крупных сечениях (до 700-800 мм) и задерживать распад мартенсита при нагреве. Однако этого количества карбидообразующих элементов недостаточно для вторичного твердения. Легирование никелем или марганцем в пределах 1,5–2,5% увеличивает прокаливаемость.

Эти стали после закалки от температур 820-870 С и отпуска при 420-600 С приобретают твердость HRC 42-44 и сохраняют предел текучести 1000 МПа до 350-400 С. Механические свойства штамповых сталей умеренной теплостойкости при комнатной температуре: =1200-1300 МПа,=10–13 %, =40-45 %, 400–500 кДж/м². При температуре 600 С: =350 МПа,=65 %, 800 кДж/м².

Стали повышенной теплостойкости (4Х5МФС и др.) применяют для изготовления крупных молотовых и прессовых штампов, прессовых вставок, инструмента для высадки и выдавливания, разогревающихся в процессе работы до температуры 620-650 С. Характерной особенностью сталей второй группы является комплексное легирование (до 2,5–5,5 % Cr, 2-3 % W и Mo; 1% V), позволяющее повысить температуры закалки до 1000 -1100С при охлаждении в масле и обеспечивающее склонность к дисперсионному твердению при отпуске в интервале температур 540-560 С. При этом достигается твердость около 45-50 HRC

Благодаря меньшему содержанию углерода (0,3-0,4 %) эти стали, обладая повышенной теплостойкостью, сохраняют достаточно высокую ударную вязкость.

Стали высокой теплостойкости (до 660-680 С) отличаются повышенным содержанием вольфрама и молибдена (от 3 до 18 %). Штамповые стали с содержанием вольфрама и молибдена до 12 -8 % являются практически полными аналогами быстрорежущих сталей типа Р6М5, Р9, Р12 и Р18 с содержанием углерода 0,5-0,6 %. Эти стали очень дорогие, их применяют для некоторых наиболее ответственных операций, при деформировании трудно деформируемых и жаропрочных сплавов, а также для изготовления некоторых видов прессовых и холодновысадочных инструментов.

Стали для холодного деформирования также можно разделить на три группы:

1) износостойкие стали типа Х12 (Х12М, Х12Ф1) и типа Х6ВФ;

2) вторичнотвердеющие стали с высоким сопротивлением смятию (например, 8Х4В2С2МФ);

3) высокопрочные стали с повышенной ударной вязкостью (типа 7ХГ2ВМ или типа 6Х6В3МФС).

Стали первой группы, содержащие 1,3-2,2 % С и 11-13 % Cr, могут быть дополнительно легированы в небольших количествах молибденом, ванадием и вольфрамом. Повышению износостойкости способствует легирование ванадием (до 4-5 %). Основное назначение этих сталей – инструменты для вырубки и пробивки высокопрочных материалов, накатки, объемного прессования, вставки вытяжных и формовочных штампов и др. при удельных давлениях до 1700 МПа. Пониженные теплостойкость и предел текучести при сжатии ограничивают применение этих сталей для тяжелых условий работы. Стали типа Х6ВФ с небольшим содержанием вольфрама, молибдена и ванадия и с меньшим содержанием углерода (0,8 -1,1 %) характеризуются меньшим количеством и более благоприятным распределением избыточных карбидов, что способствует повышению прочности и ударной вязкости при некотором снижении теплостойкости и износостойкости.

Стали второй группы (типа 8Х4В2С2МФ) содержат хром, вольфрам, молибден и ванадий при содержании углерода 0,8 -1,2 %. Они склонны к вторичному твердению при отпуске от температуры 520-560 С, что обеспечивает повышенную теплостойкость и износостойкость. После окончательной термической обработки эти стали обладают также высокой прочностью и ударной вязкостью. Эти стали соответствуют требованиям к материалу для тяжелонагруженных инструментов (операций объемного прессования, резки, высадки и калибровки).

Высокопрочные стали с повышенной ударной вязкостью, выделенные в третью группу, могут быть разделены на две подгруппы. К первой относятся стали типа 7ХГ2ВМ, содержащие около 2 % марганца и небольшие количества хрома, молибдена, вольфрама, ванадия. Высокомарганцовистые стали способны закаливаться на воздухе, обладают высокой прокаливаемостью, приобретают высокую прочность и ударную вязкость. После отпуска от 170 – 200 С приобретают твердость HRC 57-59. Инструменты из этих сталей применяют для прецизионной вырубки, пробивки, вытяжки и формовки изделий из низкоуглеродистых сталей и цветных сплавов.

Стали второй подгруппы (типа 6Х6В3МФС), благодаря вторичному твердению, имеют не только повышенное сопротивление смятию, но и повышенную теплостойкость. Это расширяет область их рационального применения для изготовления инструментов ударного выдавливания, высадки и т.п.

Наряду с рассмотренными сталями в качестве материала для тяжелонагруженных штампов холодного и горячего деформирования используют быстрорежущие стали (Р6М5К5, Р6М5, Р12, Р12Ф4К5, Р18, Р18К5Ф2), которые более подробно будут рассмотрены ниже. Применение быстрорежущих сталей позволяет повысить стойкость штампов при высоких удельных давлениях до 2200 – 2400 МПа. Недостатком применения быстрорежущих сталей в качестве штамповых является их высокая стоимость, а также повышенная склонность к охрупчиванию из-за наличия большого количества крупных избыточных карбидов.