Сталь для горячей штамповки

Обновлено: 08.05.2024

Для обработки металлов давлением применяют инструменты штампы, пуансоны, ролики, валики и т. д., деформирующие металл. Стали, применяемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповыми сталями (по виду наиболее распространенного инструмента).

Штамповые стали делятся на две группы: деформирующие металл в холодном состоянии и деформирующие металл в горячем состоянии. Условия работы стали при различных видах штамповки сильно различаются между собой.

Для штамповки в холодном состоянии сталь, из которой изготавливают штампы, обычно должна обладать высокой твердостью, обеспечивающей устойчивость стали против истирания, хотя и вязкость, особенно для пуансонов, имеет также первостепенное значение. Сталь для "горячих штампов" должна иметь как можно меньшую чувствительность к местным нагревам. В недостаточно вязкой (пластичной) стали, например в плохо отпущенной, местный нагрев может привести к образованию трещин.

Из углеродистой стали марок У10, У11, У12 изготавливают штампы небольших размеров и простой конфигурации; ввиду неглубокой прокаливаемости их следует применять для относительно легких условий работы (малая степень деформации, невысокая твердость штампуемого материала).

Для более сложных конфигураций штампови более тяжелых условий работы применяют легированные закаливаемые в масле (глубоко прокаливающиеся) стали- чаще всего сталь Х (ШХ15).

При относительно легких условиях работы (легкие удары, малая деформация металла, например ручные клейма, ручные зубила) применяют углеродистую сталь У7, У8. У9. Необходимая твердость (HRC 58) получается путем закалки и отпуска при 250-350°С. Необходимую высокую твердость стали типа XI2 можно получить, закаливая ее от высоких температур (1150°С) в масле и получая, следовательно, большое количество остаточного аустенита, а затем путем обработки холодом и отпуска добиваться разложения остаточного аустенита и получать высокую твердость HRC 60). Переходим теперь к рассмотрению сталей, применяемых для изготовления горячих штампов, деформирующих металл в горячем состоянии. Металл, применяемый для горячих штампов, должен иметь определенный комплекс свойств:

ЖАРОПРОЧНОСТЬ. Металл горячих штампов должен обладать высоким пределом текучести и высоким сопротивлением износу при высоких температурах, чтобы замедлить процессы истирания и деформирования элементов фигуры штампа, разогревающихся от соприкосновения с горячим металлом.

КРАСНОСТОЙКОСТЬ. Высокие жаропрочные свойства не должны снижаться под длительным воздействием температуры, металл горячих штампов должен устойчиво сопротивляться отпуску.

ТЕРМОСТОЙКОСТЬ. Циклический нагрев и охлаждение поверхности штампа во время работы и, следовательно, чередующееся расширение и сжатие поверхностных слоев приводят к появлению так называемых разгарных трещин. Материал штампа должен обладать высокой разгаростойкостью или, как чаще называют, термостойкостью или высоким сопротивлением термической усталости.

ВЯЗКОСТЬ. Деформирование металла при штамповке сопровождается ударными воздействиями этого металла на штампы, поэтому металл штампов должен обладать известной вязкостью- особенно при штамповке на молотах, когда приходится достигать нужного повышения вязкости даже за счет некоторого снижения жаропрочности.

ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ. Многие штампы имеют весьма большие размеры (например, кубики ковочных штампов имеют размеры 500х500х1000 мм и т. п.). Для получения хороших свойств по всему сечению, в частности достаточной вязкости, сталь штампов должна глубоко прокаливаться.

ОТПУСКНАЯ ХРУПКОСТЬ. Сталь должна быть минимальна чувствительной к этому пороку.

СЛИПАЕМОСТЬ. При значительном давлении горячий металл может как бы прилипать к металлу штампа (явление адгезии), и когда штампуемое изделие отдирается от штампа, то оно всякий раз частично разрушает его поверхность. Это явление разрушения будет тем сильнее выражено, чем сильнее адгезионное взаимодействие штампуемого металла и металла штампа. Поэтому подобное взаимодействие штамповой стали с металлом изделия должно быть минимальным.

Для штампов, работающих в легких условиях, применяют углеродистые стали с содержанием углерода от 0, 6 до 1, 0%, т.е. стали марок У7, У8, У9. Наибольшее применение при изготовлении штампов имеет сталь У7.

В современных условиях углеродистая сталь мало применима для штампов, так как штамповку проводят с большой интенсивностью, и штампы из углеродистой стали не будут обладать достаточной стойкостью в работе.

Для более тяжелых условий работы применяют легированные стали. Типичной наиболее распространенной и, пожалуй, наилучшей из указанных является сталь 5ХНМ. Остальные представляют собой стализаменители, в которых никель (или молибден) заменен другими элементами, что несколько ухудшает качество.

ШТАМПОВЫЕ СТАЛИ

Для обработки металлов давлением применяют инструменты— штампы, пуансоны, ролики, валики и т. д., деформирующие металл. Стали, применяемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповыми сталями (по виду наиболее распространенного инструмента).
Штамповые стали делятся на две группы:

деформирующие металл в холодном состоянии
деформирующие металл в горячем состоянии.

Условия работы стали при различных видах штамповки сильно различаются между собой.
При штамповке в горячем состоянии штампуемый металл под действием сближающихся половинок штампа деформируется и заполняет внутреннюю полость штампа. В работе внутренняя полость штампа («фигура»), которая деформирует металл, соприкасается с нагретым металлом, поэтому штамповал сталь для горячей штамповки должна обладать не только определенными механическими свойствами в холодном состоянии, но и достаточно высокими механическими свойствами в нагретом состоянии. Особенно желательно иметь высокий предел текучести (упругости), чтобы при высоких давлениях штамп не деформировался. Для кузнечных штампов большое значение имеет и вязкость, чтобы штамп не разрушился во время работы при ударах по деформируемому металлу. Устойчивость против износа во всех случаях очень важна, так как она обеспечивает сохранение размеров «фигуры» — долговечность работы штампа.
Для прессового инструмента, работающего без ударов, большое значение имеет износостойкость в горячем состоянии и относительно меньшее — вязкость. Поэтому для молотовых штампов и для прессового инструмента применяют стали различных марок.
Для штамповки в холодном состоянии сталь, из которой изготавливают штампы, обычно должна обладать высокой твердостью, обеспечивающей устойчивость стали против истирания, хотя и вязкость, особенно для пуансонов, имеет также первостепенное значение.
Сталь для «горячих штампов» должна иметь как можно меньшую чувствительность к местным нагревам. В недостаточно вязкой (пластичной) стали, например в плохо отпущенной, местный нагрев может привести к образованию трещин.
Еще в более тяжелых условиях работы находится сталь и штампах (прессформах) для литья под давлением. Нагрев рабочей поверхности формы расплавленным металлом и охлаждение водой внутренних частей формы вызывают значительные тепловые напряжения. Сталь, применяемая для прессформ, должна быть также достаточно износостойкой, иметь высокие механические свойства в нагретом состоянии и хорошо сопротивляться разъеданию поверхности формы расплавленным металлом.

Стали для штампов холодного деформирования

Стали этого типа должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, высокой прочностью и удовлетворительной вязкостью для работы при ударных нагрузках.

В зависимости от назначения различают три группы штамповых сталей для деформирования в холодном состоянии.
К первой группе относятся стали для вытяжных и вырубных штампов. Основным требованием к этим сталям является высокая твердость и износостойкость. Для изготовления штампов этого типа применяют углеродистые стали марок У10—У12 и низколегированные стали X, ХВГ, ХВСГ. После неполной закалки их отпускают при 150—180 °С на твердость НКС 60. На поверхности образуется твердый износостойкий слой за счет несквозной прокаливаемости — сравнительно вязкая сердцевина, позволяющая работать при умеренных ударных нагрузках.

Вторую группу составляют стали для штампов холодного выдавливания, испытывающие большие удельные давления. Эти стали должны хорошо сопротивляться деформации и иметь высокую прочность. Присутствие в их структуре остаточного аустенита недопустимо. Для этого необходимо проведение высокого отпуска при температуре не менее 500 °С. Поэтому, хотя эти стали и относятся к сталям для штампов холодного деформирования, они должны иметь довольно высокую теплостойкость. Этим требованиям удовлетворяет сталь 6Х4М2ФС.

К третьей группе относятся стали для высадочных и чеканочных штампов, работающих при высоких ударных нагрузках. Сложность создания таких сталей состоит в том, что для повышения твердости необходимо увеличение содержания углерода, что может приводить к снижению ударной вязкости. Обычно для штампов этого назначения используют сталь 7X3. Более высокую стойкость показала сталь марки 6ХЗФС.

Стали для штампов горячего деформирования

В еще более тяжелых условиях работают штамповые инструменты для горячего формообразования. Материал штампов соприкасается с горячим металлом и нагревается, причем нагрев чередуется с охлаждением. Эффективность использования таких прогрессивных методов точного формообразования, как горячая объемная штамповка, прессование и литье под давлением, зависит от стойкости инструмента. С расширением номенклатуры обрабатываемых сплавов, увеличением производительности и мощности оборудования формообразующий инструмент испытывает возрастающие нагрузки. Требования к материалу инструмента непрерывно растут.

Материал для горячих штампов должен удовлетворять комплексу требований. К ним в первую очередь относятся высокая прочность (не менее 1000 МПа), необходимая для сохранения формы штампа при высоких удельных давлениях во время деформирования, и высокая теплостойкость, позволяющая сохранить высокие твердость и прочностные свойства при длительном температурном воздействии. В рабочих условиях штамп должен деформировать заготовку, а не наоборот — заготовка деформировать штамп. Стали должны иметь достаточную вязкость для предупреждения поломок при ударном нагружении. Они должны обладать высоким сопротивлением термической усталости (разгаростойкости), сохраняя способность выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования сетки трещин. Горячештамповые стали должны иметь хорошую окалиностойкость и высокую прокаливаемость для обеспечения необходимых механических свойств по всему сечению, что особенно важно для массивных штампов.

В соответствии с указанными требованиями для штампов горячего формообразования применяют легированные стали, содержащие 0,3—0,6 % углерода, подвергаемые закалке и отпуску при 550—680 °С с целью получения трооститной и трооститно-сорбитной структуры.

Для молотовых штампов применяют сталь 5ХНМ и ее аналоги: 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХГМ. После закалки и отпуска при 550 °С сталь 5ХНМ при комнатной температуре имеет следующие механические свойства: ав = 1200^1300 МПа, 6= 10—12%, КСЦ = = 0,4 МДж/м2. При нагреве до 500 °С ав = 850-=-900 МПа, оп,3 = 600-5-650 МПа. При температурах эксплуатации выше 500 °С стойкость инструмента из стали 5ХНМ резко падает.

Хорошо зарекомендовали себя на автотракторных машиностроительных заводах стали 4ХМФС, 5Х2СФ и 4ХСНМФЦР. Внедрение этих сталей взамен 5ХНМ для штамповки углеродистых и низколегированных сталей позволило повысить стойкость инструмента в 2—3 раза. Для изготовления крупногабаритных прессовых и молотовых штампов применяют сталь 5Х2НМФС, обеспечивающую повышение стойкости более чем в 2 раза.

Для пресс-форм литья под давлением и прессования цветных металлов и сплавов до последнего времени использовали сталь ЗХ2В8Ф. Ее недостатком является низкая технологичность, что ограничивает возможность ее применения для крупного инструмента. Кроме того, сталь ЗХ2В8Ф чувствительна к ударным нагрузкам и содержит значительные количества дорогого и дефицитного вольфрама.

Взамен этой стали предложена сталь марки ЗХ2М2Ф, используемая для изготовления пресс-форм литья под давлением медных и алюминиевых сплавов, а также для изготовления пресс-шайб и внутренних втулок контейнеров при прессовании медных сплавов. Применение стали ЗХ2М2Ф позволило повысить стойкость инструмента в 1,5—3 раза.

Для изготовления крупного прессового инструмента — пресс-штемпелей, втулок контейнеров и матриц на заводах цветной металлургии применяют стали ЗХВ4СФ и 4ХСН2МВФ.

Прогресс техники требует расширения рабочего температурного диапазона штамповых сталей. Уже сейчас нужны стали с рабочей температурой 700—800 °С. Обычные жаропрочные сплавы нетехнологичны, так как плохо обрабатываются резанием. Разработан принципиально новый класс штамповых сталей для горячего формообразования — сталей с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации. Примером такой стали является 4Х2Н5МЗК5Ф, сочетающая технологические преимущества сталей на ферритной основе с высокой эксплуатационной стойкостью, свойственной жаропрочным аустенитным сталям и сплавам. Внедрение этой стали взамен стали ЗХ2В8Ф при изготовлении матриц для прессования медных сплавов позволило повысить их стойкость в 10 раз.

Для увеличения твердости при высоких температурах используют химико-термическую обработку: азотирование, диффузионное хромирование, борирование. На поверхность гравюры штампа из газовой фазы проводят осаждение карбидов титана, имеющих особо высокую твердость.

СТАЛИ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ

В основном стали, штампуемые в холодном состоянии, могут обрабатываться и горячей штамповкой. Целесообразно более широко применять томасовскуго сталь, так как она при высокой температуре имеет лучшую деформируемость, чем мартеновская.

Благодаря тому, что деформируемость сталей в горячем состоянии гораздо выше, можно применять и другие материалы с более низкой стоимостью. Для сильно нагруженных деталей применяют специальные марки.

а) Нелегированные стали

Различают три группы нелегированных сталей — с низким, средним и высоким содержанием углерода. В большинстве случаев для горячей штамповки наиболее пригодны томасовские малоуглеродистые стали. Иногда применяют сварочные стали, которые характерны нечувствительностью к перегреву. Фасонные детали, которые после штамповки подвергаются обработке резанием, рационально изготовлять из автоматной стали. Правда, при этом следует принимать предупредительные меры в отношении температуры обработки, так как эти стали из-за высокого содержания серы красноломки, особенно еще и при малом содержании марганца. Эту опасность можно предотвратить, избегая области критических температур от 700 до 1100°. Иначе говоря, температурный интервал штамповки для этих сталей должен быть гораздо уже, чем у подобных же сталей с меньшим содержанием серы. У кипящих автоматных сталей необходимо следить за тем, чтобы имелся достаточно толстый поверхностный слой, не затронутый ликвацией, иначе материал при больших деформациях получит трещины. Детали, работающие при высоких нагрузках, часто изготовляют из мартеновских сталей. Б табл. 8 дан обзор марок некоторых малоуглеродистых сталей, применяемых при горячей штамповке. Для широкого потребления наиболее пригодны St 37 и St 38.

Наиболее распространенные марки среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода от 0,2 до 0,6% приведены в табл. 9. Обычные машиноподелочные стали могут быть томасовскими и мартеновскими, а улучшаемые стали, стандартизированные согласно DIN 17200, выплавляются только в мартеновских печах.

Вместо качественных сталей марок С 22 до С 60 для интенсивно нагруженных деталей при желании применяют нелегированиые высокосортные марки сталей CK 22 до CK 60, характерные пониженным содержанием примесей (фосфор и сера не выше 0,035%). Аналогично этому имеются и улучшаемые автоматные стали мартеновской плавки.

Обзор прочностных свойств нелегированных сталей с малыми средним содержанием углерода представлен в табл. 10. Данные относятся к состоянию поставки, т. е. после нормализации. Аналогичные марки для изготовления болтов горячей штамповкой применяют и в США; при этом содержание фосфора составляет около 0,015%, а серы около 025%. В табл. 11 дана выборка марок нелегированных высокоуглеродистых сталей, употребляемых в некоторых случаях для горячей штамповки. Они хорошо деформируются при высокой температуре, однако необходимо помнить, что сопротивление деформации в обычном интервале температур ковки растет при повышении содержания углерода.

Температуры горячего деформирования для малоуглеродистой стали лежат в пределах 1150—900°. Допустимая начальная температура и соответственно температура выдачи из печи составляет 1300°. С ростом содержания углерода температура обработки падает; максимальная начальная температура при содержании углерода 1% составляет 1100°, а благоприятный интервал соответственно 1000—860°. Можно принять за практическое правило, что наибольшие температуры ковки лежат на 100—150° ниже линии солидуса по диаграмме состояния железо — углерод. Данные по области температур ковки нелегированных сталей и допустимый интервал менаду началом и концом штамповки следует брать согласно данным фиг. 9. Конечно, желательно не пользоваться верхней областью заштрихованного поля, чтобы начальная температура не переходила за штриховую кривую.

б) Легированные стали

Для улучшаемых сталей стремятся получить равномерность свойств по сечению, при этом высокая прочность при достаточной вязкости достигается с помощью закалки и последующего отпуска.

Таким образом, состав сталей, применяемых для крупных деталей, должен определять достаточную прокаливаемость при заданных размерах.

Инструментальные легированные (штамповые) стали

В качестве инструментальных материалов для горячего деформирования применяют легированные инструментальные стали (штамповые стали), которые 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 42–44 HRC и сохраняют предел текучести 1000 МПа до 350–400 °С. Механические свойства штамповых сталей умеренной теплостойкости при комнатной температуре: σ_В = 1200–1300 МПа, d = 10–13 %, ψ = 40–45 %, KCТ= 400–500 кДж/м 2 . При температуре 600 °С:
σ_В = 350 МПа, ψ = 65 %, KCТ= 800 кДж/м 2 .

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 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 57–59 HRC. 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 (до 2200–2400 МПа) удельных давлениях. 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.

Стали для штампов горячего деформирования

Материал для горячих штампов должен удовлетворять комплексу требований. К ним в первую очередь относятся высокая прочность (не менее 1000 МПа), необходимая для сохранения формы штампа при высоких удельных давлениях во время деформирования, и высокая теплостойкость, позволяющая сохранить высокие твердость и прочностные свойства при длительном температурном воздействии. В рабочих условиях штамп должен деформировать заготовку, а не наоборот - заготовка деформировать штамп. Стали должны иметь достаточную вязкость для предупреждения поломок при ударном нагружении. Они должны обладать высоким сопротивлением термической усталости (разгаростойкости), сохраняя способность выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования сетки трещин. Cтали должны иметь хорошую окалиностойкость и высокую прокаливаемость для обеспечения необходимых механических свойств по всему сечению, что особенно важно для массивных штампов. В соответствии с указанными требованиями для штампов горячего формообразования применяют легированные стали, содержащие 0,3-0,6 % углерода, подвергаемые закалке и отпуску при 550-680 o С с целью получения трооститной и трооститно-сорбитной структуры.

Для молотовых штампов применяют сталь 5ХНМ и ее аналоги: 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХГМ. После закалки и отпуска при 550°С сталь 5ХНМ при комнатной температуре имеет следующие механические свойства: s_Т=1200-1300 МПа,d=10-12%, КСU=0,4 МДж/м 2 . При температурах эксплуатации выше 500 o С стойкость инструмента из стали 5ХНМ резко падает.

Внедрение сталей 4ХМФС, 5Х2СФ и 4ХСНМФЦР взамен 5ХНМ позволило повысить стойкость инструмента в 2-3 раза. Для изготовления крупногабаритных прессовых и молотовых штампов применяют сталь 5Х2НМФС, обеспечивающую повышение стойкости более чем в 2 раза.

Для изготовления крупного прессового инструмента - пресс- штемпелей, втулок контейнеров и матриц на заводах цветной металлургии применяют стали ЗХВ4СФ и 4ХСН2МВФ.

Прогресс техники требует расширения рабочего температурного диапазона штамповых сталей. Уже сейчас нужны стали с рабочей температурой 700-800 o С. Обычные жаропрочные сплавы нетехнологичны, так как плохо обрабатываются резанием. Разработан принципиально новый класс штамповых сталей для горячего формообразования - сталей с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации. Примером такой стали является 4Х2Н5МЗК5Ф, сочетающая технологические преимущества сталей на ферритной основе с высокой эксплуатационной стойкостью, свойственной жаропрочным аустенитным сталям и сплавам. Внедрение этой стали взамен стали ЗХ2В8Ф при изготовлении матриц для прессования медных сплавов позволило повысить их стойкость в 10 раз.

Чугуны

Белые чугуны. Серые чугуны. Ковкие чугуны. Маркировка чугунов.

Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % углерода, называются чугунами. В отличие от сталей, чугуны имеют более высокое содержание углерода, заканчивают кристаллизацию образованием эвтектики, обладают низкой способностью к пластической деформации и высокими литейными свойствами. Их технологические свойства обусловлены наличием эвтектики (ледебурита) в структуре.

Чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) илитейными. Передельные и специальные чугуны используют для последующей выплавки сталей и чугуна. Около 20 % всего выплавляемого чугуна используют для изготовления литья.

В литейном чугуне обычно содержится не более 4,0% углерода. Кроме углерода обязательно присутствуют примеси S, Р, Мn, Si, причем в значительно большем количестве, чем в углеродистой стали.

В зависимости от формы выделения углерода различают:

Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fе₃С. Чугун в изломе имеет белый цвет и характерный блеск.

Половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8%) находится в виде цементита. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.

Серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в связанном состоянии в виде цементита составляет не более 0,8 %.

Чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой - белого чугуна. Отбеленный слой получают в толстостенных массивных деталях при литье их в металлические формы. По мере удаления от поверхности, вследствие уменьшения скорости охлаждения, структура белого чугуна постепенно переходит в структуру серого. Чугун поверхностного слоя в микроструктуре содержит много твердого и хрупкого цементита, который хорошо сопротивляется износу. Поэтому чугуны с отбеленной поверхностью используют для деталей с высокой износостойкостью. Отбел может достигаться благодаря местному увеличению скорости охлаждения за счет установки в литейную форму холодильников в виде металлических вставок.

Высокопрочные чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму.

Ковкие чугуны, получающиеся из белых чугунов путем отжига, при котором углерод переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита.

Графитизациейназывается процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении сплавов железа с углеродом. Графит может образоваться как из жидкой фазы при затвердевании чугуна, так и из твердой фазы. Образование графита происходит согласно диаграмме системы Fе-С. Ниже линии С'D' образуется первичный графит, по линии Е'С'F' -эвтектический графит и по линии Р'S'К' - эвтектоидный графит.

Графитизация чугуна является диффузионным процессом и протекает медленно. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации. Из примесей, входящих в состав чугуна, наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает кремний. Содержание кремния в чугуне колеблется от 0,5 до 4-5%. Меняя содержание кремния, можно получать чугуны, совершенно различные по структуре и свойствам. Из других элементов, входящих в состав чугуна, наиболее важную роль играют марганец, сера и фосфор.

Марганец препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Содержание марганца в чугуне обычно не более 0,5-1,0 %.

Сера является вредной примесью в чугуне. Ее отбеливающее влияние в 5-6 раз выше, чем марганца. Кроме того, сера снижает жидкотекучесть, способствует образованию газовых пузырей, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин.

Влияние фосфора в чугуне существенно отличается от его влияния в стали. Хотя фосфор почти не влияет на графитизацию, он является полезной примесью, увеличивая жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950-980 "С) фосфидной. эвтектики.

Обычно используют чугуны следующего химического состава, % вес: 3,0-3,7 С, 1-3 Si, 0,5-1,0 Мn, менее 0,3 Р и 0,15 S. Иногда в чугун вводят легирующие элементы (Мо, Сr и др.), улучшая его свойства. Некоторые месторождения дают природнолегированные чугуны, содержащие до 3 % Сr, 1% Ni, 0,2% Тi или 0,2% V.

Читайте также: