Стали повышенной (высокой) износостойкости

Это полутеплостойкие стали с высоким содержание хрома (6-12 %) и углерода (1,0 %). В отожженном состоянии они в основном относятся к ледебуритному классу, в нормализованном – к мартенситному. Наиболее распространены стали с 12 %Cr: Х12М, Х12, Х12Ф1, Х12ВМ, Х12Ф4 и др.

После закалки и отпуска в этих сталях выделяются специальные карбиды, в основном Ме₇С₃, и в меньшем количестве Ме₂₃С₆и МеС. Объемная доля карбидных фаз высока и составляет 12-24 % (по массе) в зависимости от содержания хрома и других элементов. Износостойкость таких сталей зависит от типа и количества карбидной фазы. При возрастании доли более твердого карбида МеС (VC) износостойкость стали растет, однако одновременно значительно снижается ударная вязкость и прочность, возрастает вероятность выкрашивания рабочих поверхностей инструментов. Вследствие пониженной вязкости такие стали пригодны для инструментов, работающих без значительных динамических нагрузок: вытяжные и вырубные штампы, матрицы прессования порошков и т.п.

Термическая обработка сталей высокой износостойкости заключается в закалке от высоких температур (950-1050 °С) и низком (150-250 °С) отпуске. Вследствие пониженной теплопроводности нагрев под закалку легированных штамповых сталей осуществляют ступенчато с предварительным подогревом (650-700 °С). В структуре закаленной стали, кроме мартенсита, присутствует некоторое количество нерастворенных карбидов и остаточный аустенит. Повышение температуры закалки способствует уменьшению количества нерастворенных карбидов, увеличению содержания хрома в твердом растворе и, следовательно, повышению теплостойкости, но при этом возрастает количество остаточного аустенита и увеличивается размер аустенитного зерна, что сопровождается понижением твердости и прочности стали. Легирование сталей молибденом, вольфрамом и ванадием способствует сохранению более мелкого аустенитного зерна до более высоких температур аустенитизации, а также повышает температуру отпуска стали, при которой сохраняется требуемая твердость. Устойчивость 12 %-ных хромистых сталей против отпуска высокая: после нагрева до 400-500 °С твердость сохраняется на уровне HRC55-57. При этом возрастают значения ударной вязкости и прочности при изгибе. Дальнейшее повышение температуры отпуска сопровождается падением ударной вязкости и прочности вследствие распада остаточного аустенита и коагуляции карбидов.

Низкие значения ударной вязкости и прочности при изгибе в сталях типа ХІ2 обусловлены образованием крупных карбидов хрома, повышенной карбидной неоднородностью. Легирование стали типа Х12 молибденом и вольфрамом, а также и ванадием уменьшает карбидную неоднородность, увеличивает прочность и вязкость и позволяет изготавливать из стали Х12М, Х12ВМ, Х12Ф4М более крупные штампы.

Для сталей, легированных молибденом и вольфрамом возможен второй вариант термообработки с использованием дисперсионного твердения. Для обработки на вторичную твердость применяют более высокие температуры аустенитизации: 1110-1140 С для стали Х12Ф1 и 1120-1130 °С для стали Х12М. При этом в большой степени растворяются избыточные карбиды, растет легированность аустенита. Высокая твердость стали (HRC60-62) достигается после трех- или четырехкратного отпуска при 490-530 °С благодаря выделению высокодисперсных карбидов и образованию мартенсита из остаточного аустенита при охлаждении. При этом также повышается и теплостойкость стали, однако снижается прочность и ударная вязкость вследствие роста аустенитного зерна.

Наиболее высокоизносостойкие стали легируют ванадием в количестве до 4 %, при этом возрастает количество карбида VС: в сталях с 12 %Crоно достигает 4-5 %, а в сталях с 6 %Cr– 8 %. Недостатком этих сталей является пониженная шлифуемость.

Все стали с 12 % Crобладают карбидной неоднородностью. Чтобы ее уменьшить понижают содержание хрома (стали Х6ВФ, Х6МФ). Эти стали имеют более высокую прочность при изгибе и значительно (почти в 2 раза) более высокую ударную вязкость, чем стали с 12 %Cr(Х12Ф1).