Стали с высоким сопротивлением смятию

Это как правило дисперсионнотвердеющие стали. В связи с этим их легируют элементами, вызывающими дисперсионное твердение. Они содержат пониженное количество углерода (0,8-1,0 %) и легированы хромом (4-5 %), вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием (8Х4В2С2МФ, 8Х4В3М3Ф2 и др.). Хром способствует дисперсионному твердению, т.к. входит в состав карбидной фазы, а также облегчает растворимость молибдена, вольфрама, ванадия – элементов, образующих специальные карбиды при более высоких температурах, чем хром. Стали этой группы после высокого отпуска при 520-560 С (в ряде случаев применяют многократный отпуск) склонны к дисперсионному твердению.

Вследствие высокой степени легирования стали обладают высокой прокаливаемостью и стойкостью против перегрева, в связи с чем температура аустенитизации этих сталей высока (1060-1170 С), что обеспечивает достаточную полноту растворения карбидов в аустените и образование высоколегированного мартенсита. После закалки проводят трехкратный отпуск при 530-550С. Дисперсионнотвердеющие стали с высоким сопротивлением смятию применяют для изготовления тяжелонагруженных пуансонов и матриц (прессование, высадка) для работы при давлении 2000-2300 МПа при холодном и полугорячем деформировании.

Высокопрочные стали с повышенной ударной вязкостью

Эти стали имеют высокую прочность и пониженную теплостойкость и предназначены для изготовления инструмента, работающего при ударном (динамическом) нагружении. Для повышения ударной вязкости содержание углерода в них снижено до 0,5-0,7%, введен никель, повышающий ударную вязкость и марганец, способствующий получению остаточного аустенита, т.к.понижает М_н.

Упрочнение этих сталей достигается для сталей 7ХГ2ВМ и 7ХГНМ закалкой с температур аустенитизации 850-870 С и низким отпуском 150-250С. Для дисперсионнотвердеющих сталей 6Х6В3МФС и 6Х4М2ФС температура аустенитизации должна быть повышена до 1060-1075С для более полного растворения карбидов в аустените, а после закалки проводят отпуск при температуре 520-540С (для стали 6Х6В3МФС – трехкратный). 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 6Х6В3МФС.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.

Стали для инструмента горячего деформирования

Стали этой группы предназначены для изготовления инструментов (штампов) горячей объемной штамповки, горячего прессования, выдавливания, высадки, вытяжки, прошивки,резки и вырубки, а также для литья под давлением цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Эти инструменты работают при повышенных температурах, многократных теплосменах (нагрев и охлаждение), циклических силовых воздействиях, динамических нагрузках, а в ряде случаев и при значительном коррозионном воздействии обрабатываемого металла (прессформы для литья под давлением). Поэтому стали для горячего деформирования должны обладать: 1) теплостойкостью, обеспечивающей сохранение необходимых прочностных свойств при нагреве; 2) сопротивлением термической и термомеханической усталости (разгаростойкостью); 3) вязкостью для предупреждения поломок и выкрашивания, особенно инструментов,работающих в условиях динамических нагрузок; 4) прочностью (пределом текучести), необходимой для сохранения формы инструмента при высоких давлениях при деформировании; 5) износостойкостью при повышенных температурах; 6) окалиностойкостью при разогреве поверхностных слоев инструмента выше 600ºC; 7) теплопроводностью для лучшего отвода тепла, передаваемого деформируемой заготовкой; 8) прокаливаемостью, т.к. многие штампы имеют большие размеры,и высокие прочностные свойства должны обеспечиваться по всему сечению. Наряду с вышеперечисленными свойствами стали, предназначенные для прессформ литья под давлением цветных сплавов,должны быть устойчивы против химического взаимодействия с расплавами.

Теплостойкость является важнейшим свойством для сталей, предназначенных для горячего деформирования. Обычно теплостойкость оценивается температурой дополнительного изотермического отпуска (выполняется после закалки иотпуска на рекомендуемую твердость) продолжительностью 4 ч., обеспечивающего сохранение твердости не ниже HRC40 (35). Эти значения твердости являются пределом, ниже которого в нагруженных штампах наблюдается интенсивное развитие процессов смятия, износа и т.п. Теплостойкость штамповых сталей обеспечивается комплексным легированием вольфрамом, молибденом, ванадием, хромом, иногда кобальтом.

Сопротивление термической усталости (разгаростойкость) характеризует устойчивость стали против образования поверхностных трещин при многократном нагреве и охлаждении. Рабочие слои штампов при каждом нагреве и охлаждении испытывают объемные изменения, вызывающие и усиливающие при резкой смене температур напряжения в поверхностном слое. Под действием накапливающихся напряжений образуются сначала микроскопические трещинки, не видимые глазу. Разгаростойкость зависит от скорости дальнейшего развития трещин и превращения их в сетку трещин, увеличивающуюся в глубину и ширину, и приводящую к разрушению. У более пластичных и одновременно достаточно прочных сталей этот процесс развивается медленнее. Таким образом, разгаростойкость тем выше, чем больше пластичность и вязкость стали и меньше коэффициент теплового расширения.

Вязкость, характеризующая сопротивление образованию трещин и разрушению под действием ударных нагрузок, для штамповых сталей должна быть выше, чем для быстрорежущих, т.е не ниже 0,4-0,45 МДж/м²при 20ºC и 0,6 МДж/м²при температуре эксплуатации.

Чем быстрее происходит деформирование (быстрыми ударами на молотах и на быстроходных прессах) и интенсивнее охлаждение штампов, тем сильнее на первый план выдвигается требования вязкости и разгаростойкости наряду с высоким сопротивлением пластической деформации. Теплостойкость в этих условиях может быть принята более низкой.

Стали для инструментов более медленного деформирования (прессования, выдавливания, вытяжки, многих операций штамповки), у которых температуры поверхностных слоев штампа более высокие, должны, в первую очередь, обладать повышенной теплостойкостью и окалиностойкостью.

Большинство штамповых сталей для горячего деформирования является сталями с карбидным упрочнением, однако в ряде случаев в качестве штамповых могут применяться мартенситностареющие стали с интерметаллидным упрочнением.

Содержание углерода в штамповых сталях для горячего деформировании более низкое, чем в сталях для холодного деформировании, и составляет 0,3 - 0,6 %, что предопределяется повышенными требованиями к ним относительно вязкости и разгаростойкости. Легирование карбидообразующими элементами хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием повышает теплостойкость, обеспечивает мелкое зерно, карбидное и карбонитридное упрочнение, износостойкость, а также прокаливаемость. Из некарбидообразующих элементов кремний и кобальт также повышают теплостойкость, кроме того, кремний упрочняет ферритную матрицу, увеличивает прокаливаемость и окалиностойкость. Отдельные стали содержат марганец (1,0 – 1,2 %) для увеличения прокаливаемости. Легирование никелем (1,2 – 2,0 %) также повышает прокаливаемость и,кроме того, увеличивает ударную вязкость и сопротивление хрупкому разрушению. Молибден уменьшает склонность к отпускной хрупкости. Иногда в стали вводят азот, который в сочетании с ванадием образует нитриды и карбонитриды, повышающие износостойкость.

Химический состав некоторых штамповых сталей для горячего деформировании приведен в таблице 4.1

Таблица 4.1 –Штамповые стали для горячего деформирования

Сталь	Содержание основных элементов, %
	C	Cr	W	Mo	V	другие
Стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости
5ХНМ	0,50 – 0,60	0,50 – 0,80	-	0,15 – 0,30	-	1,4 – 1,8 Ni
4ХМФС	0,37 – 0,45	1,50 – 1,80	-	0,90 – 1,20	0,30 – 0,50	0,5 – 0,8 Si
5Х2МНФ	0,46 – 0,53	1,50 – 2,0	-	0,80 – 1,20	0,30 – 0,50	1,2 – 1,6 Ni
ЗХ2МНФ	0,26 – 0,34	2,0 – 2,5	-	0,40 – 0,60	0,25 – 0,40	1,2 – 1,6 Ni
Стали повышенной теплостойкости и вязкости
4Х5МФС	0,32 – 0,40	4,5 – 5,5	-	1,2 – 1,5	0,3 – 0,5	0,8 – 1,2 Si
4Х5МФ1С	0,37 – 0,44	4,5 – 5,5	-	1,2 – 1,5	0,8 – 1,1	0,8 – 1,2 Si
4Х5В2ФС	0,35 – 0,45	4,5 – 5,5	1,6 – 2,2	-	0,6 – 0,9	0,8 – 1,2 Si
4Х4ВМФС	0,37 – 0,44	3,2 – 4,0	0,8 – 1,2	1,2 – 1,5	0,6 – 0,9	≤ 0,6 Ni; 0,6 – 1,0 Si
4Х3ВМФ	0,40 – 0,48	2,8 – 3,5	0,6 – 1,0	0,4 – 0,6	0,6 – 0,9	0,6 – 0,9 Si
4Х2В2МФС	0,42 – 0,50	2,0 – 2,5	2,0 – 2,4	0,8 – 1,1	0,6 – 0,9	0,3 – 0,6 Si
3Х3М3Ф	0,27 – 0,34	2,8 – 3,5	-	2,5 – 3,0	0,4 – 0,6	-
Стали высокой теплостойкости
3Х2В8Ф	0,30 – 0,40	2,2 – 2,7	7,5 – 8,5	-	0,2 – 0,5	-
4Х2В5МФ	0,30 – 0,40	2,2 – 3,0	4,5 – 5,5	0,6 – 0,9	0,6 – 0,9	-
5Х3В3МФС	0,45 – 0,52	2,5 – 3,2	3,0 – 3,6	0,8 – 1,1	1,5 – 1,8	0,5 – 0,8 Si
2Х6В8М2К8	0,22 – 0,30	6,5 – 7,0	7,0 – 8,0	1,8 – 2,3	0,10 – 0,25	7,5 – 8,5 Со
Х2В6М6К12Н2	0,10	1,8 – 2,3	6,0 – 7,0	5,6 – 6,5	0,3 – 0,5	11,0 – 12,0 Со 2,0 – 2,5 Ni

По уровню основных свойств (теплостойкость, вязкость и др.), определяемых характером легирования и термической обработкой, штамповые стали для горячего деформирования условно разделяются на стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости, стали повышенной теплостойкости и вязкости и стали высокой теплостойкости.

К сталям умеренной теплостойкости и повышенной вязкостиотносятся стали, предназначенные в основном для молотовых штампов, работающих в условиях одновременного циклического воздействия высоких температур и удельных давлений при высоких скоростях деформирования, когда гравюра штампа разогревается до относительно небольших температур (500 - 550 ºC). Применяемые стали должны обладать повышенной вязкостью и прокаливаемостью при умеренной теплостойкости. Они содержат относительно небольшие количества карбидообразующих элементов (Cr,W,Mo) илегированы повышеннымколичеством никеля (1,2 – 1,8 %) для увеличения прокаливаемости и ударной вязкости. В ряде сталей присутствует марганец (0,5 – 1,0 %), увеличивающий прокаливаемость. Легирование ванадием (0,3 – 0,5 %) повышает теплостойкость и обеспечивает мелкое зерно. По содержанию углерода эти стали относя к доэвтектоидным (при 0,35 – 0,40 %) и близким к эвтектоидным (при 0,5 – 0,6 %). Предварительная термообработка – полный отжиг (структура пластинчатый перлит с участками феррита) или высокий отпуск (структура сорбит отпуска). Благодаря небольшим количествам легирующих элементов при отпуске в сталях этой группы выделяется в основном легированный цементитMe₃Cи в небольших количествах (около 3,0 %) – специальные карбидыMe₂₃C₆,Me₆C, в сталях с ванадиемMeC. Типовой окончательной термообработкой является закалка с высоким или среднимотпуском. В связи с тем, что карбидMe₃Cсравнительно легко растворяется при аустенитизации, такие стали, как 5XHMили 5HXB, необходимо нагревать под закалку до невысокой температуры (порядка 920 – 950 ºC). Стали легированные ванадием и содержащие, кроме цементита, карбидыMe₆CиMeC, характеризуются большей устойчивостью к перегреву и могут нагреваться под закалку до 980 - 1020 ºC.

Структура, получаемая после закалки, зависит от состава стали и размера штампа. Как правило, в крупногабаритных штампах при закалке получают смешанную мартенситно – бейнитную структуру, а также остаточный аустенит. Соотношение между этими составляющими зависит от состава стали. Наименьшую прокаливаемость имеют стали типа 5XHM, поэтому их используют для штампов со стороной не более 250 – 300 мм. Более высокую прокаливаемость имеют стали 4ХСМФ, 3Х2МНФ 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. Твердость после отпуска составляетHRC40 – 45. применяют средний или высокий отпуск в зависимости от условий работы штампового инструмента и выбранной марки стали.

Для необходимых молотовых штампов при разогреве гравюры до 500 – 550 ºC применяют стали 5ХНМ или 5ХНВ. При ужесточении требований по теплостойкости (> 550 ºC) используют стали 4ХСМФ и 3Х2МНФ. Для крупногабаритныхтяжелонагруженных молотовых штампов применяют сталь 5Х2МНФ. Она имеет наиболее высокое сочетание прочности и пластичности и высокое сопротивление термомеханической усталости. Стойкость штампов из стали 5Х2МНФ примерно в 1,5 – 2,0 раза выше, чем из стали 5ХНМ.

Стали повышенной теплостойкости и вязкости (4Х5МФ1С, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС, 3Х3МЗФ и др.) в отличие от сталей умеренной теплостойкости содержат повышенное количество карбидообразующих элементов при пониженном содержании углерода (0,3 – 0,4 %) для сохранения вязкости. Теплостойкость этих сталей 600 – 650 ºC. Они нашлиширокое применение для прессового инструмента для горячего деформирования (прошивных пуансонов, игл для прошивки труб, прессовых инструментов для высадки и выдавливания, прессформ литья под давлением и др.).

В оттоженном состоянии это заэвтектоидные стали, поэтому в качестве предварительной термообработки применяют неполный отжиг. Структура после отжига - сорбитообразный перлит и избыточные карбиды типа Me₂₃C₆,Me₆C,MeC.

Температуру нагрева под закалку штампового инструмента из этих сталей выбирают из условия получения максимальной теплостойкости, т.е. получения наиболее полного легирования твердого раствора карбидообразующими элементами за счет растворения части карбидов при сохранении величины аустенитного зерна не крупнее № 9 – 10. Закалку производят в масле от температуры 1030 – 1070 ºC. Стали этой группы являются дисперсионнотвердеющими; максимум твердости в них достигается после отпуска при 500 – 550 ºC в течение 1,5 – 2 ч. Однако эти стали отпускают при более высоких температурах 560 – 600 ºC на твердостьHRC47 - 49, чтобы избежать разупрочнения при эксплуатации.

Прочностные свойства при повышенных температурах (до 600 – 610 ºC) после обработки на твердость HRC47-49 примерно одинаковы для всех статей, 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.Износостойкостьпри 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 ºC (например, для горизонтальных прессов – пресс-штампели, иглы для прошивки труб и т.д.).

Наиболее теплостойкие стали 4Х3ВМФ и 4Х4ВМФС используют для инструментов, работающих в условиях высоких удельных давлений (800 – 1500 МПа) и температур 650 – 660 ºC (деформирование коррозионостойких и жаропрочных сталей и сплавов).

Стали высокой теплостойкостиотличаются более высоким содержанием карбидообразующих элементов: вольфрама, молибдена и ванадия, некоторые из сталей этой группы дополнительно легируют кобальтом в количестве 8 – 15 % (таблица 4.1). В зависимости от легирования стали высокой теплостойкости могут иметь карбидное (3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ, 5Х3В3МФС) или смешанное карбидо-интерметаллидное упрочнение (2Х6В8М2К8, 3Х10В7М2К10). Упрочняющими фазами в сталях этой группы являются карбидыMe₆CиMeC, а при легировании кобальтом – также интерметаллиды (Fe,Co)₂W, (Fe,Co)₇W₆. Стали этой группы характеризуются высокой устойчивостью к перегреву, что обусловлено наличием труднорастворимых карбидов Ме₆С и МеС, часть этих карбидов остается нераствореннойи сдерживает рост зернааустенита. Это позволяет использовать высокие температуры аустенитизации при нагреве под закалку (таблица 4.2). После закалки проводится высокий отпуск.

Таблица4.2 –Режим термической обработки и свойства штамповых сталей высокой теплостойкости

Сталь	Температура закалки, ºC	HRC после закалки	Температура отпуска, ºC	HRC после отпуска	Теплостойкость, ºC, при HRC40
3Х2В8Ф	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
5Х3В3МФС	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
2Х10В7М2К10	1100 - 1120	54-56	640-650	48-52	700
Х2В6М6К12Н2	1150 - 1170	40-42	680-700	48-52	750

* Обработка на высокую теплостойкость. ** Обработка на повышенную прочность и вязкость.

Наиболее высокая теплостойкость и разгаростойкость достигаются в сталях с пониженным содержанием углерода, легированных кобальтом и содержащих вольфрам и молибден с суммарным количеством около 9 – 10 %. Высокая теплостойкость (700 – 750 ºC) обусловлена тем, что интерметаллиды кобальта (Fe,Co)₇ (W,Mo)₆выделяются при более высоких температурах и более устойчивы к коагуляции по сравнению с карбидными фазами Me₆CиMeC,

Стали типа 5Х3В3МФС, 3Х2В8Ф и 4Х2В5МФ применяют для изготовления тяжелонагруженного инструмента прессов и горизонтально-ковочных машин в условиях разогрева до 680 – 690 ºC. Его используют при горячем деформировании легированных сталей и жаропрочных сплавов. Для повышения стойкости инструментов против истирания их дополнительно подвергают азотированию. Из сталей типа 2Х6В8М2К8 и 3Х10В7М2К10\0 изготовляют пуансоны для горячего прессования (720 – 750 ºC) жаропрочных металлов и сплавов.

Для повышения износостойкости штампов применяют – азотирование, борирование, наплавку сормайтом.

Стали для измерительного инструмента

Применяются для изготовления измерительных плиток, шаблонов, лекал, скоб и т.п. В большинстве случаев это заэвтектоидные стали, иногда – ледебуритные, в отдельных случаях – низкоуглеродистые цементуемые стали. К сталям для измерительного инструмента предъявляется комплекс требований, из которых наиболее важными являются: 1) высокая твердость и износостойкость (НRC58 - 65); 2) стабильность линейных размеров и формы при эксплуатации в течении длительного времени; 3) хорошая полируемость, которая обеспечивается высокой твердостью (не ниже HRC63 - 64), отсутствием крупных карбидных включений и карбидной неоднородности, металлургической чистотой стали. Наличие крупныхнеметаллических включений может привести к выкрашиванию в процессе полирования. Кроме того, неметаллические включения могут стать центрами развития коррозии на поверхности измерительного инструмента.

Высокая твердость обеспечивается повышенным содержанием углерода, закалкой на мартенсит с низким отпуском. Износостойкость зависит от твердости и наличия дисперсных равномерно распределенных избыточных карбидов.

Для измерительных плиток наиболее часто используют стали Х (0,95-1,1% С; 1,3-1,65 % Cr) и 12Х1 (1,5-1,25% С; 1,3-1,65 % Cr).

В отожженном состоянии они заэвтектоидные, в нормализованном – перлитного класса. Предварительная термообработка – отжиг на зернистый перлит, окончательная – закалка из межкритического интервала (неполная) и низкий отпуск. Температура аустенитизации для стали Х составляет 840-860 °С, для стали 12Х1 - 850-870 °С, температура отпуска для стали Х 130-150 °С, а для стали 12Х1 – 120-130 °С, структура после отпуска: отпущенный мартенсит, избыточные карбиды и остаточный аустенит, твердость составляет HRC 62-65.

Поскольку для измерительного инструмента важна стабильность линейных размеров, а остаточный аустенит может претерпевать мартенситное превращение, приводящее к уменьшению размеров, то его количество должно быть минимальным. Для уменьшения количества остаточного аустенита делают многократную обработку холодом при – 70 °С и последующий низкий отпуск при 120-125 °С.

Размерные изменения после закалки и отпуска при эксплуатации могут быть вызваны следующими процессами:

1. релаксацией остаточных напряжений;

2. дальнейшим распадом мартенсита, вызывающим уменьшение тетрагональности его решетки;

3. мартенситным превращением некоторой части остаточного аустенита.

Первые два процесса уменьшают объем, а третий – увеличивает. Причем увеличение объема на порядок выше, чем его уменьшение при распаде мартенсита. Отсюда следует, что имея в структуре небольшое количество остаточного аустенита, можно избежать объемных изменений инструмента в процессе эксплуатации.

Из сталей ледебуритного класса используют стали 9Х18, Х12Ф1. Применение этих сталей обеспечивает высокую твердость, износостойкость, незначительную деформируемость во время закалки.

Плоские измерительные инструменты типа лекал, шаблонов, скоб изготавливаются путем вырубки из листовой стали, поэтому для этой группы инструментов применяют низкоуглеродистые (20, 20Х) и среднеуглеродистые (50, 50Г) стали. Для повышения твердости и износостойкости низкоуглеродистые стали подвергают цементации, закалке с 790-810 °С в масле для стали 20Х и в воде для стали 20 и низкотемпературному отпуску при 150-180 °С, 2-3 ч. Инструменты из среднеуглеродистых сталей 50, 50Г подвергают поверхностной закалке с нагревом токами высокой частоты и низкотемпературному отпуску.