Сталь для холодной штамповки это

Обновлено: 02.05.2024

Данную категорию сталей подразделяют на 3 основные группы:

штамповые стали для деформации металлов в холодном виде;
для деформации металлов в горячем виде;
устойчивые к коррозийным процессам.

В соответствии с назначением, к каждой из вышеуказанных групп предъявляются конкретные требования.

После окончательной термической обработки стали первой группы во время эксплуатации штампа должны отличаться повышенной прочностью, износостойкостью, твердостью как рабочей кромки, так и участков штампа, воспринимающих максимальные скручивающие и изгибающие нагрузки.

Выделяют следующие типы металлов, которые предназначены для штамповки в холодном виде:

устойчивые к воздействию высокого давления, которые отличаются высокой прочностью и хорошо сопротивляются различной деформации;
имеющие высокое содержание хрома (в пределах 6-32 %), характеризующиеся высокой твердостью и износостойкостью, которая достигается благодаря карбидам хрома;
используемые при изготовлении чеканочных и высадочных штампов, которые эксплуатируют в условиях повышенных ударных нагрузок.

При производстве штампов небольших размеров и простой конфигурации для холодной штамповки в качестве сырья применяются углеродистые марки стали типа У10, У12, У11, а также низколегированные ХВГ, ХВСГ, Х и пр.

Вторая группа штамповых сталей при высоких температурах должна сохранять повышенные механические характеристики. Чтобы получить требуемые свойства, материал термически обрабатывают.

Горячештамповые сплавы характеризуются повышенными показателями жаропрочности, высоким уровнем прокаливаемости, а также низкой чувствительностью к прогреванию локального характера. Материал должен отвечать таким требованиям, как: высокая прочность (больше 1000 Мпа), теплостойкость и достаточная вязкость, необходимые для сохранения формы штампа при длительном температурном воздействии и высоких механических нагрузках.

Отпуск и закалка материала проводится при 550-680°С. Чтобы увеличить показатели твердости используют химико-термическую обработку (борирование, азотирование). К дополнительному требованию, предъявляемому данной группе, относят устойчивость к образованию различных трещин при постоянной смене температуры (нагревание, охлаждение).

Для выпуска горячих штампов со сложной формой применяют закаленные в масле высоколегированные углеродистые стали 5ХНТ, ШХ15, 4ХМФС, 5ХНМ, пр.

Третью группу используют при создании матриц пресс-форм для литья различных металлов под давлением. Кроме свойств, имеющихся у сталей предыдущей группы, они должны отличаться устойчивостью против влияния агрессивных сред (например, отливаемых агрессивных сплавов металла или химически активных пластмасс).

Обработка дерева и металла

В штампах для холодной штамповки (рис. 1, а) только формообразующие детали, т. е. пуансон и матрицу, изготовляют из инструментальной стали; в штампах для горячей штамповки из инструментальной стали изготовляют или все детали (рис. 1, б), или только вставки (рис. 1, в). В качестве материала для формообразующих деталей штампов применяют инструментальные стали, твердые сплавы, пластмассы и другие материалы.

Углеродистые инструментальные стали У7, У8, У9 и У10 пониженной прокаливаемости используют для изготовления матриц и пуансонов штампов для холодной штамповки, имеющих простую форму их рабочего контура (в таких штампах нет резких переходов между элементами; отсутствуют узкие прорези, тонкие перемычки металла между отверстиями и т. п.). Это связано с тем, что стали пониженной прокаливаемости деформируются при закалке, в результате чего образуются трещины.

Пуансоны и матрицы штампов для холодной штамповки более сложной формы делают из сталей марок X, 9ХС, ХВГ , ХГС и других повышенной прокаливаемости.

Пуансоны и матрицы штампов для холодной штамповки весьма сложной формы изготовляют из сталей марок Х12Ф, Х12Т, Х12М высокой прокаливаемости. Эти стали, близкие по своим свойствам к быстрорежущим сталям, содержат около 1% углерода, 12% хрома и около 1% ванадия (титана или молибдена), характеризуются высокими прочностью, износостойкостью, теплостойкостью (около 500°С). Важным достоинством сталей высокой прокаливаемости являются малая деформация и, следовательно, сохранение размеров их рабочего контура при закалке. К недостаткам относятся склонность к карбидной неоднородности и плохая обрабатываемость резанием. Сталь марки Х12Ф почти в 2,5 раза дороже, чем углеродистая сталь марки У10.

Тонкие и длинные пуансоны дыропробивных штампов для холодной штамповки и другие нежесткие детали изготовляют из сталей марок 4ХС, 5ХС, 4ХВ2С, 5ХВ2С и т. п. повышенной вязкости. Снижение хрупкости у этих сталей достигается уменьшением содержания углерода (не более 0,5%), а высокая износостойкость определяется наличием хрома и вольфрама. Теплостойкость сталей этой группы около 300 °С; закаливают их в масле, сквозную закалку получают у образцов диаметром до 50 мм.

Отличительные особенности

К технологическим свойствам, которые характерны штамповым сталям, относятся:

Малая чувствительность к перегреву. Имеется возможность закалки с нагреванием в весьма широком интервале температурных отметок;
Хорошая обрабатываемость. Стали обладают способностью хорошо принимать обработку с помощью резания и давлением в горячем и холодном состоянии;
Малая деформация при термообработке;
Хорошая шлифуемость, необходимая для высокого качества полированной и шлифованной поверхности;
Хорошая прокаливаемость. Есть возможность получить высокого уровня однородную твердость, мелкокристаллическую равномерную структуру на достаточно большую глубину;
Невысокая чувствительность к обезуглероживанию во время нагрева, снижающему твердость рабочего слоя металла (поверхностного).

Штамповочные ручьи

При обработке предварительно нагретых изделий из стали, как и при горячей штамповке латуни, применяют штамповочные ручьи, которые могут быть:

протяжными (с их помощью увеличивают длину отдельных участков обрабатываемых деталей: по той части заготовки, которую необходимо удлинить, наносятся частые, но несильные удары, одновременно выполняется кантование обрабатываемой детали);
заготовительными (их целью является фасонирование обрабатываемой заготовки: металл перераспределяется в ее общем объеме для того, чтобы придать готовому изделию такую форму, которая обеспечивает минимальный отход материала);
пережимными (их выполняют для уменьшения высоты отдельного участка заготовки с одновременным увеличением его ширины);
подкатными (ручьи, в которых металл заготовки равномерно распределяется по ее оси, при этом увеличивается диаметр отдельных ее участков);
гибочными (в них заготовка поступает с изогнутой осью, формируется поковка, угол изгиба которой составляет 90°).

Этапы сложной штамповки в нескольких ручьях

К штамповочным ручьям, в которых изготовляемый элемент приобретает требуемую форму, относятся:

предварительные, или черновые, в которых форма обрабатываемой заготовки максимально приближается к конфигурации поковки (особенности такого ручья, который может и не использоваться при выполнении горячей штамповки, заключаются в том, что он имеет несколько увеличенную глубину, также в нем, по сравнению с параметрами чистового изделия, увеличены уклоны и радиусы скругления);
чистовые, в которых деталь приобретает конечную форму, но ее размеры увеличены на величину усадки металла при его остывании (поскольку в таких ручьях на заготовку необходимо оказывать максимальные усилия, располагают их в центральной части штампа).

Сферы применения штамповой стали

Широкое применение штамповые стали нашли в современной промышленности. Зачастую их используют для изготовления:

штампов для машин горизонтально-ковочного типа;
крупных молотовых и прессовых вставок;
измерительного оборудования;
наборных и формовочных матриц, пуансонов;
высокоточных изделий;
изготовления резьбонакатных инструментов;
ножей для холодного резания металла;
валков холоднопрокатных станов;
пресс-форм, функционирующих под давлением, для литья медных, цинковых, алюминиевых, титановых и других сплавов.

Стали для основных элементов штампов

Данные по сталям для основных элементов штампов и их крепежных частей приведены в табл. 7-14, в которых учтены рекомендации нормалей машиностроения.

СТАЛИ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ

При выборе листового материала, и в частности, тонколистовой стали для холодной штамповки различных машиностроительных деталей необходимо иметь в виду следующие основные факторы:

- является ли деталь наружной (лицевой), определяющей внешний вид и дизайн изделия или она является скрытой и выполняет чисто технические функции;

- какая степень деформации в формообразующих операциях применяется при её холодной штамповке;

- каково состояние поставки с точки зрения термической обработки листа поставщиком;

- какие требования предъявляются в отношении химического состава, макро- и микроструктуры при поставке штампуемого металла;

- каков уровень механических и технологических свойств и величина показателей анизотропии данного материала?

Материал для листовой штамповки должен удовлетворять не только назначению и условиям работы штампованной детали, но и технологическим требованиям, вытекающим из характера производимой деформации. Следует учесть, что на технологию холодной штамповки оказывает влияние качество поверхности листа, допуски его по толщине, направление проката листа, его раскрой, конструктивная форма штампов, точность их установки, число переходов при штамповке, межоперационная термообработка, скорость деформирования, применяемый смазочный материал, вид производства (массовый, серийный, мелкосерийный и единичный). При выборе материала необходимо учитывать последующую обработку и отделку (травление, полирование, нанесение антикоррозионных покрытий), а также пригодность для механических соединений (клёпка, сварка и др. виды соединений).

Таблица 1. Назначение и общая характеристика деталей и узлов, изготовляемых в холодноштамповочном производстве

Марка стали/Назначение

Ст1,Ст2

Для деталей неответственного назначения, высокой вязкости и низкой твёрдости, малонагруженных элементов сварных конструкций, изделия типа кожухов, обшивок.

СтЗ,Ст4

Несущ ие элементы сварных и несварных конструкций, фасонные гнутые профили, ёмкости, не подвергающиеся воздействию коррозии, детали типа обечаек, кожухов, обшивок, изделия бытового назначения.

05кп, 08кп,08, 08пс,08Ю,08Фкп,10кп,10,10пс

Без термической обработки - шайбы, плоские детали в операциях вырубки-пробивки. Гнутые детали, панели капота и багажника, корпуса фильтров, крышки различной формы, двери, детали кабин, кузова, кожухи, детали бытовой техники с разной степенью вытяжки. После цементации или цианирования - коромысла, ушки, втулки тонкостенные и др.детали, от которых требуется высокая твёрдость поверхности и допускается невысокая прочность сердцевины при её повышенной вязкости.

15кп,15пс,15,20кп,18кп,20,20сп,25,30,35,40

Без термической обработки и после нормализации - диски колёс автотранспорта, различные тонкостенные втулки (стаканы), патрубки, бамперы, детали плоских рычагов, различные кронштейны, гнутые детали, корпуса аппаратов котлотурбостроения и химического машиностроения, малонагруженные звёздочки, регулировочные прокладки, косынки, сварные подмоторные рамы. После цементации или цианирования - детали, от которых требуется высокая твёрдость поверхности и допускается умеренная прочность и достаточная пластичность сердцевины.

08ГСЮТ, 08СЮФ,10ЮА

Являются более прочными и заменяют сталь типа 08, 08кп, 08Ю , что позволяет снижать массу автотранспортного средства. Толщина деталей из стали 08ГСЮ Т(Ф) на 10-15% меньше, чем из стали 08кп. Для многих деталей, в том числе для дисковых колёс (10Ю А); обода колеса, лонжеронов рамы, различных кузовных деталей. Поставляется в листах толщ иной 0,7-2,5 мм.

18ЮТ

Для штампосварных и несварных металлоконструкций, замкнутых сварных профилей и труб с малым радиусом гибки. Применяется в автостроении, сельхозмашиностроении, в том числе для лонжеронов. Обладает повышенным сопротивлением усталости. Поставляется в листах толщиной 2,5-8,0 мм.

Штампуемые стали (общие данные)

Для холодной штамповки востребованы низкоуглеродистые стали, содержание C (углерода) в которых не превышает 0,2%, марганца – 0,4%, количество азота, кислорода и водорода минимально. Наиболее популярная марка – 08 кп/сп/пс. Также применяются «черные» углеродистые стали – 05 кп, 10, 15, 20, Ст 1, Ст 3.

Для изготовления высокопрочных изделий применяют низколегированные стали – 03ХГЮ, 06ХГСЮ, 12ХМ, 06Г2СЮ. В качестве легирующих элементов они содержат марганец, кремний, хром, небольшие добавки алюминия и вольфрама.

Нержавеющие стали по процентному соотношению хрома и никеля делят на следующие группы:

Хром – 16-18%, никель – 6-8%. Эти стали применяют при производстве высоконагруженных изделий. Для изготовления штампованной продукции не рекомендуются.

Хром – 17-18%, никель – 10-12%. Для этой стали характерна высокая пластичность, поэтому она может применяться для глубокой вытяжки.

При добавлении титана и ниобия снижается пластичность, для компенсации этого явления повышают содержание никеля.

Согласно п. 3.1 ГОСТ 9045-93 стальной прокат подразделяют:
- по видам продукции: листы, рулоны;
- по нормируемым характеристикам на категории: 1, 2, 3, 4, 5;
- по качеству отделки поверхности на группы: особо высокой отделки - I*,
высокой отделки - II, повышенной отделки - III (IIIа, IIIб);
- по способности к вытяжке (прокат толщиной до 2 мм): весьма особо сложной - ВОСВ*, ВОСВ-Т**, особо сложной - ОСВ, сложной - СВ, весьма глубокой - ВГ.

* По требованию потребителя.
** По требованию потребителя с повышенными технологическими свойствами.

3.2 В части сортамента прокат должен соответствовать требованиям ГОСТ 19904-90 «Прокат листовой холоднокатаный. Сортамент».

3.3 Схема условных обозначений проката приведена в приложении 1 (ГОСТ 9045-93) .

Согласно п. 4.2.1 прокат с регламентированным химическим составом изготовляют из низкоуглеродистых качественных сталей марок:
- 08Ю - способность к вытяжке ВОСВ, ВОСВ-Т, ОСВ, СВ;
- 08кп, 08пс - способность к вытяжке ВГ.
Допускается изготовление проката способности к вытяжке ВГ из стали марки 08Ю.

Марки стали согласно п. 4 ГОСТ 10702-2016:

Согласно п. 4.1 ГОСТ 10702-2016 п рокат изготовляют из стали:
- нелегированной марок: 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 15кп, 15пс, 15, 15Г, 20кп, 20пс, 20, 20Г, 20Г2, 25, 30, 35, 35Г2, 40, 40Г, 40Г2, 45, 45Г, 50;
- легированной марок: 12ХН, 12ХН3А, 15Х, 15ХМ, 15ХФ, 15ХГНМ, 16ХСН, 18Х2Н4МА, 19ХГН, 20Х, 20ХГСА, 20ХГНМ, 25Х2Н4МА (25Х2Н4ВА), 30Х, 30ХМА, 30ХГСА, 30ХН2МФА, 35Х, 35ХГСА, 38ХА, 38ХС, 38ХГНМ, 40Х, 40ХН, 40ХН2МА, 45Х, 50ХН;
- легированной борсодержащей марок: 12Г1РА (12Г1Р), 20Г1Р, 20Г1РА (20Г2Р), 30Г1РА (30Г1Р).

4.2 Химический состав стали должен соответствовать:
- марок 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 15кп, 15пс, 15, 15Г, 20кп, 20пс, 20, 20Г, 25, 30, 35, 35Г2, 40, 40Г, 40Г2, 45, 45Г, 50 — требованиям ГОСТ 1050-2013 «Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия (с Поправкой)» со следующими изменениями.
Массовая доля кремния (Si) должна быть, %, не более:
0,03 - для стали марки 10кп;
0,20 - для стали марок 25, 30, 35, 40 и 45;
0,10 - для стали марок 08пс, 10пс, 15пс и 20пс.
Массовая доля марганца (Mn) в стали марок 25, 30, 35, 40 и 45 должна быть не более 0,60%.
В стали марок 10, 15, 20 допускается снижение нижнего предела массовой доли марганца (Mn) до 0,20%;
Для марок 12ХН3А, 15Х, 15ХМ, 15ХФ, 18Х2Н4МА, 20Х, 20ХГСА, 20ХГНМ, 25Х2Н4МА (25Х2Н4ВА), 30Х, 30ХМА, 30ХГСА, 30ХН2МФА, 35Х, 35ХГСА, 38ХА, 38ХС, 40Х, 40ХН, 40ХН2МА, 45Х, 50ХН — требованиям ГОСТ 4543-2016 «Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия» со следующими изменениями.
Массовая доля кремния (Si) в стали марок 15Х, 15ХФ, 20Х, 30Х, 30ХМА, 35Х, 40Х, 40ХН, 45Х должна быть не более 0,20%.
Массовая доля марганца (Mn) в стали марок 15Х, 20Х и 30Х должна быть не более 0,60%;
- марок 12ХН, 15ХГНМ, 16ХСН, 19ХГН, 20Г2, 38ХГНМ - таблице 1 ГОСТ 10702-2016 ;
- борсодержащей марок 12Г1РА (12Г1Р), 20Г1Р, 20Г1РА (20Г2Р), 30Г1РА (30Г1Р) - таблице 2 ГОСТ 10702-2016 .

Таблица 4 ( ГОСТ 10702-20160) - Твердость проката, поставляемого без термической обработки или в нагартованном состоянии

Твердость НВ, не более

Прокат горячекатаный, горячекатаный со специальной отделкой поверхности и горячекалиброванный

Прокат нагартованный калиброванный и калиброванный со специальной отделкой поверхности

Стали для холодной штамповки

Холодная штамповка является одним из основных видов ОМД.

К ним относятся вытяжка, формовка, обтяжка, гибка и др. Наиболее часто применяемой операцией холодной штамповки является вытяжка.

Вытяжка — холодная пластическая деформация, при которой из листовой заготовки получается объемная деталь сложной формы.

Основными требованиями к сталям, предназначенным для холодной штамповки, являются:

- хорошая штампуемость, т.е. способность пластически деформироваться в холодном состоянии.

- высокое качество поверхности после деформации.

Эти требования обеспечиваются механическими свойствами и структурой стали.

Требования по механическим свойствам включают в себя минимальную твердость (обычно не более 45HRВ) и максимальную пластичность. Способность к пластической деформации оценивается относительным удлинением и отношением предела текучести к пределу прочности. Этот показатель называют числом текучести. Хорошая штампуемость наблюдается в сталях с числом текучести σ_т/σ_в = 0,5-0,6и δ = 33 – 45%.

Требования к структуре включают в себя:

1.Среднее зерно феррита.

2.Мелкие выделения зернистого перлита.

3.Отсутствие карбидной сетки цементита третичного по границам зерен.

4.Отсутствие полосчатости структуры.

Сталь должна иметь среднее зерно (средний бал зерна 6-8 мм). Мелкое зерно не желательно, т.к. вызывает повышенную жесткость листа и, следовательно, быстрый износ штампов. Крупное зерно не желательно, т.к. ухудшает качество поверхности после штамповки. На поверхности появляются шероховатость, которую называют апельсиновой коркой. Особенно нежелательно иметь в сталях для холодной штамповки разнозернистость. При деформации такой стали в первую очередь растягиваются крупные зерна, как более пластичные, и в этих местах затем появляются мелкие трещины и надрывы, что является непоправимым браком.

Цементит в сталях для холодной штамповки должен иметь округлую форму, т.е. быть сферическим. Это обеспечивает наилучшую штампуемость. Недопустимо в таких сталях образование цементитной сетки по границам зерен, т.к. это приводит к резкому снижению пластичности. Нежелателен также мелкий сорбитообразный перлит, т.к. это резко повышает жесткость и упругость листа.

Полосчатость структуры и текстура прокатки также нежелательна т.к. вызывают неоднородность деформации по разным направлениям и на штамповках появляются фестоны (рис. 13).

А б

Рис.13. Различие свойств по разным направлениям (а) в листе

и фестоны после штамповки (б)

Наиболее часто для холодной штамповки применяют углеродистые стали с содержанием углерода 0,05 — 0,2%, Mn ≤ 0,4% и минимальным содержанием газов N, O₂, H₂. Например, 05кп, 08кп, 08пс, 08сп, 10, 15, 20, Ст. 1 — Ст. 3.

Основной маркой стали для холодной штамповки является сталь 08кп. Она отличается наилучшей пластичностью и минимальной стоимостью. Однако недостатком этой стали является повышенная газонасыщенность. Повышенное содержание газов вызывает склонность этой стали к деформационному старению.

Деформационное старение это повышение предела текучести стали вызванное накапливанием атомов N₂ и О₂ вокруг дислокаций. Создание таких атмосфер атомов называют атмосферами котрелла.

Рис. 14. Диаграммы растяжения для стали склонной к деформационному

старению (а) и нестареющей (б).

Они блокируют перемещение дислокации и требуют большего усилия для начала пластической деформации. После отрыва дислокаций напряженность сдвига понижается и пластическая деформация облегчается. В результате на кривой растяжения появляется пик на площадке текучести (рис.14).

Отрыв дислокаций от атмосфер примесных атомов проходит неравномерно. В результате объем металла начинает деформироваться по плоскостям наиболее благоприятно ориентированным по отношению к действующей нагрузке. Такая преимущественная деформация проявляется в виде появления линий скольжения на поверхности металла. Сетка таких линий выглядит как царапины и снижает качество поверхности, что является дефектом для деталей после холодной штамповки. Для устранения этого дефекта применяется предварительная деформация металла в прокатных валках с обжатием 2%. Она называется дрессировка. Малая пластическая деформация вызывает отрыв дислокаций от атмосфер примесных атомов и последующая штамповка уже не вызывает появлений скольжения. Однако эффект от дрессировки сохраняется от 10 до 12 дней.

Основные марки стали, применяемые для холодной штамповки

Предел прочности МПА	Относительное удлинение, %
Марка	Примечание
Ст.2-Ст3 08кп 08пс, 10кп 15кп 15, 20кп	340-420 280-390 280-420 300-440 320-460 340-480 350-510 400-550	26 - 31 30—34 28—32 28—30 27—29 25—27 24—26 23—24	Группы вытяжки Н, Г, ВГ
08кп 08Фкп 08Ю	260—330 260—340	42 - 44	СВ, ОСВ СВСВ

Устранить склонность стали к деформационному старению можно введением в нее алюминия или ванадия в процессе получения. Малые добавки этих элементов в количестве 0,02 — 0,05% связывают атомы азота в нитриды. В результате диффузия атомов азота блокируется. Такая сталь называется нестареющей, например 08Ю, 08Ф, 08ЮА, 08ГСЮТ, 08ГСЮФ.

Для обеспечения высокой пластичности стали для холодной штамповки, основным видом термообработки для нее является отжиг на рекристаллизацию. Стальной лист после холодной прокатки обладает повышенной прочностью, в результате наклепа и для его устранения применяют отжиг при температуре 660 — 680ºС. Отжиг применяют для стали в рулонах либо для пачек нарезанных листов. Продолжительность такого отжига определяется массой рулона и составляет 10-20 час. Для того чтобы получить после такого отжига среднее зерно необходимо, чтобы предшествующая деформация составляла 30-40%. При малой деформации возможно появление крупно зернистости. А при большой степени деформации возможно образование текстуры.

Для штамповки изделий, требующих повышенной прочности, применяют низколегированные «двухфазные стали» со структурой, ‘состоящей из высоко-пластичной ферритной матрицы и упрочняющей фазы мартенсита или бейнита в количестве 20—30 %. Такие стали называют двухфазными ферритно-мартенситными (ДФМС). Для получения такой структуры в сталь добавляют легирующие элементы и проводят перед штамповкой предварительную, упрочняющую термообработку. В качестве основных легирующих элементов вводят Mn – 1,4-2%,Si от 0,5 до 1,5%, Cr – до 08 - 1%, Mo - до 0,2-0,4%, а так же небольшие добавки Al и W. Количество углерода в этих сталях 0,03-0,06%.

Типовые марки сталей:

Для создания необходимой структуры стали при её производстве проводят ускоренное охлаждение после горячей прокатки, либо дополнительно нагревают и охлаждают сталь с температурой превышающей точку А_1, но ниже точки А₃.. По своей сути такая термообработка называется неполной закалкой. В результате структура такой стали состоит из 70% феррита и 30% мартенсита. Феррит обеспечивает высокую пластичность, хорошую штампуемость, а мартенсит повышенную прочность. В процессе штамповки деформация сосредотачивается в зернах феррита, и повышенная степень наклепа увеличивает прочность готового изделия. После штамповки предел прочности такой стали в 1,3÷1,5раза превышает предел прочности обычных углеродистых сталей. Дополнительный отпуск не требуется.

Стали для штампов горячего и холодного деформирования. Их состав, марки, термообработка, структура, свойства, применение.

К штампам холодной штамповки относят обрезные, вырубные, чеканные штампы, ножи холодной резки металла.

Стали для холодных штампов должны обладать высокой твердостью, износоустойчивостью, прочностью, достаточной ударной вязкостью.

При легких условиях работы применяют углеродистые инструмен-тальные стали У8, У 9. При более тяжелых – стали 4ХС, 6ХС, 9ХС, ХВГ, обладающие большей глубиной прокаливаемости.В наиболее тяжелых условиях работы применяют высоколегированные стали Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ.

Штампы из этих сталей подвергают закалке с отпуском при 240-320 0 С.

К штампам горячей штамповки относят штампы объемной штамповки, ножницы горячей резки металла.

Стали для горячих штампов должны обладать следующими свойствами:

- жаропрочностью – сопротивляться приложенным нагрузкам при рабочих температурах без деформаций;

-теплостойкостью и износостойкостью при рабочих температурах;

- термостойкостью (устойчивость к образованию трещин при циклическом изменении температуры);

- достаточной прокаливаемостью, чтобы получить высокие свойства по всему сечению;

- минимальной слипаемостью со штампуемым металлом заготовки.

Для горячих штампов обычно используют легированные стали, занимающие промежуточные положения между конструкционными и инструментальными марками 5ХГТ, 5ХГМ, 5ХНМ.

Предварительная термическая обработка заготовки штампа состоит в нормализации с высоким отпуском. Затем в заготовке вырезают фигуру штампа и подвергают его закалке от температуры 850 0 С в масле с последующим отпуском. Температуру отпуска обычно берут на 30-50 0 С выше, чем максимальная температура нагрева штампа при работе.

Более редко применяют закалку рабочей поверхности штампов токами высокой частоты.

Для горячих штампов применяют также графитизированные стали марок ЭИ336 и ЭИ366, содержащие около 1,5%С и 1%Si. В литом состоянии такие стали имеют обычную заэвтектоидную структуру (П и Ц). Если эти стали подвергать графитизирующему отжигу (нагрев до 840 0 С с выдержкой 5 ч, подстуживание до 700 0 С с выдержкой до 15 ч), то цементит частично распадается с образованием графита хлопьевидной формы. Включения графита при работе штампа выполняют роль смазки, предотвращая слипаемость со штампуемым материалом.

Быстро режущие стали.

обладают высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и красностойкостью. Применяются для высокоскоростного резания.

Примечание:
1. Буква "Р" означает, что сталь относится к быстрорежущим;
2. Среднее содержание W в % обозначается цифрой, следующей за буквой "Р";
3. V в % - цифрой, указаной за буквой "Ф";
4. Со в % - цифрой, следующей за буквой "К";
5. Мо в % - цифрой, указанной за буквой "М".

Некоторые особенности быстрорежущих сталей:

К плюсам Р18 относятся лучшая устойчивость режущего лезвия, меньшая чувствительность к перегреву и лучшая шлифуемость.

Стали Р9 и Р12 обладают пониженной чувствительностью.

Сталь Р18Ф2 на 20-40% превосходит сталь Р18 по стойкости.

Повышение теплостойкости и режущих свойств сталей достигается введением Со и повышенным содержанием V. Со при содержании более 5% повышает красностойкость и режущие свойства стали (Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2).

V улучшает свойства сталей при увеличении до определенных пределов содержания С, однако снижает их красностойкость.

Сталь Р18Ф2, обладая лучшими свойствами и шлифуемостью, уступает по износостойкости и режущим свойствам сталям с большим содержанием С и V.

Лучшие свойства имеет сталь Р14Ф4.

Стали Р10К5Ф5 присуща почти такая же красностойкость, как и стали с большим содержанием Со - Р9К10.

Стали Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2, Р9Ф5, Р10К5Ф5 более пригодны для обработки аустенитных сплавов и для черновой обработки сталей. Причем стали Р9Ф5 и Р10К5Ф5 наиболее эффективны для чистовой и полуобдирочной обработки сталей и сплавов.

53. Коррозия стали, Химическая и электрохимическая. Влияние хрома на устойчивость сталей к каррозии.Электрохимическая коррозия имеет место в водных растворах, а так же в обыкновенной атмосфере, где имеется влага. Сущность этой коррозии в том, что ионы металла на поверхности детали, имея малую связь с глубинными ионами, легко отрываются от металла молекулами воды. Металл, потеряв часть положительно заряженных частиц, ионов, заряжается отрицательно за счет избыточного количества оставшихся электронов. Одновременно слой воды, прилегающий к металлу, за счет ионов металла приобретает положительный заряд. Разность зарядов на границе металл – вода обуславливает скачок потенциала, который в процессе коррозии изменяется, увеличиваясь от растворения металла, и уменьшаясь от осаждения ионов из раствора на металле.

Химическая коррозия может происходить за счет взаимодействия металла с газовой средой при отсутствии влаги. Продуктом коррозии являются оксиды металла. Образуется пленка на поверхности металла толщиной в 1…2 периода кристаллической решетки. Этот слой изолирует металл от кислорода и препятствует дальнейшему окислению, защищает от электрохимической коррозии в воде. При создании коррозионно-стойких сплавов – сплав должен иметь повышенное значение электрохимического потенциала и быть по возможности однофазным.

Основным легирующим элементом, обеспечивающим коррозионную стойкость металла, особенно в окислительных средах, является хром. Чистый хром обладает высокой химической стойкостью благодаря образованию на его поверхности защитной окисной пленки.

Хром при добавке его в сталь образует твердые растворы с железом и увеличивает ее коррозионную стойкость, но лишь начиная с содержания 11,7 % Cr. Изменение потенциала наступает при 12. 13 % Cr. Чем выше содержание хрома, тем выше коррозионная стойкость сплава в атмосферных условиях и в ряде коррозионных сред.

Жаростойкие стали.

Жаростойкостью или окалиностойкостью называется способность металла сопротивляться химической коррозии в сухой газовой среде при высоких температурах. Железо при взаимодействии с кислородом может образовать оксиды трех видов: FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃. До 560 – 600 о С окалина состоит преимущественно из плотного слоя оксидов Fe₂O₃ и Fe₃O₄, что затрудняет диффузию атомов кислорода и металла. Выше 600 о С происходит растрескивание этих оксидов и вместо них защита металла осуществляется лишь рыхлым оксидом FeO, что облегчает доступ кислорода к поверхности металла. Нагрев более 600 о С приводит к интенсивному окислению сплавов на основе железа. Основным фактором, влияющим на жаростойкость, является химический состав металла, определяющий защитные свойства оксидной пленки. В таблице 5.1 приведена сравнительная оценка жаростойкости ряда чистых металлов, определенная по 5-бальной шкале скорости окисления в воздушной среде в интервале рабочих температур.

55. Коррозионные хромистые стали.Хром в воздушной среде имеет малый электрохимический потенциал, однако обладает высокой коррозионной стойкостью за счет возникновения на поверхности плотнойи прочной пленки оксида хромаСг₂0₃, которая препятствует проникновению в глубь металла кислорода, в результате чего процесс коррозии в атмосфере прекращается. Коррозионная стойкость сталей, легирование хромом, возрастает также за счет повышения их электрохимического потенциала. Однако это достигается лишь при определенных количествах хрома в стали. Возрастание коррозионной стойкости сталей происходит не постепенно, а скачкообразно,при введении его в количествах, пропорциональных примерно 12% (рис. 8.1). Таким образом, конструкционные хромистые стали, рассмотренные ранее — 40Х, 40ХФА, 40ХН, 40ХН2МА, 40Х2Н2МА и др., — в которых содержание хрома менее 12%, коррозионной стойкостью не обладают. В промышленности используют коррозионно-стойкие хромистые стали с содержанием хрома более 12 и 25 %. В первую группувходят стали 12X13, 20X13, 30X13, 40X13. Напомним, что легирование смещает точку Sдиаграммы состояния системы Fe — Fe3C (см. рис. 4.2) в область меньших значений углерода (см. рис. 6.3), т.е. стали, имеющие структуру перлита (эвтектоидные), содержат углерода меньше 0,8 %, причем тем меньше, чем более легирована сталь. Таким образом, стали 12X13и 20X13 являются доэвтектоидными (их структура в отожженном состоянии феррит и перлит), сталь 30X13 — эвтектоид ной (структура перлит), а сталь 40X13 — заэвтектоидной (структура перлит, цементит и карбиды хрома). Стали этой группы устойчивы против коррозии в атмосфере, воде, ряде слабых растворов кислот и щелочей.

Низкоуглеродистые стали 12X13 и 20X13 имеют невысокую прочность и твердость, практически не упрочняются при термической обработке, их достоинство — высокая пластичность. Эти стали используют для изготовления лопаток турбин, клапанов гидравлических устройств, арматуры крекинг-установок. Повышение содержания углерода в сталях этой группы приводит к увеличению твердости и прочности, но уменьшению пластичности. В отожженном состоянии заметно снижается коррозионная стойкость. Это связано с тем, что часть хрома расходуется на образование карбида хрома (Сг23С6), поэтому концентрация хрома в твердом растворе не достигает 12%. Для сталей с содержанием углерода 0,3…0,4% необходима термическая обработка, обеспечивающая обогащение твердого раствора хромом за счет растворения в аустените карбида Сг23С6. Стали30X13 и 40X13 подвергают закалке от температуры 1000… 1100 °С. Структура сталей после закалки — мартенсит. Закалка и низкий отпуск сталей (200 °С) позволяют получить стали 30X13 и 40X13 с достаточно высокой твердостью примерно 40 HRC и 50 HRC соответственно. Эти стали используют для изготовления хирургических инструментов, упругих элементов и т.п. Ко второй группеотносятся стали, легированные 25…30% Сг (например, сталь 12X28), которые обладают более высоким электрохимическим потенциалом и, следовательно, большей коррозионной стойкостью. Эти стали устойчивы против коррозии в азотной кислоте, слабых растворах соляной кислоты и ряде других кислот; их используют для изготовления аппаратуры химической промышленности.

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.

Читайте также: