СУСПЕНЗИОННАЯ ЛИТАЯ ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩАЯ ФЕРРИТОКАРБИДНАЯ ШТАМПОВАЯ СТАЛЬ
SUSPENSION CAST DISPERSION-HARDENING FERRITE-CARBIDE DIE STEEL

Изобретение относится к металлургии, машиностроению, а именно к области получения и использования литейных материалов для тяжелонагруженных штампов горячего деформирования (КГШП), пресс-форм для литья под давлением, а также штампов для твердожидкой штамповки (ШТЖЩ) (пресс «Автофордж») сплавов на основе меди.
Известны теплостойкие штамповые стали машиностроительного класса для горячего деформирования 4ХМФС, 5Х2МНФ (Ди-32), 5Х3В3МФС (Ди-23), 3Х2В8Ф, 5Х3В3МФ2Б и др. [1, 2].
Недостатками штамповых сталей мартенситного класса является их применение только в кованом состоянии. При изготовлении прессинструмента методом литья характерны низкие теплопроводность, вязкость и пластичность, что исключает возможность изготавливать пресс-инструмент методом литья из-за образования трещин при ускоренном охлаждении отливок. Известные штамповые стали мартенситного класса при эксплуатации тяжелонагруженного прессинструмента (штампы КГШП), в которых температура на гравюре достигает выше полиморфных превращений (от 800 до 900°С) претерпевают структурно-фазовый наклеп и разрушение из-за α→γ превращений в течение каждого цикла нагружения.
Для изготовления литой прессоснастки на ОАО «КАМАЗ-Металлургия» предложена сталь 35Х5МНФСЛ, которая применяется для изготовления мелких штампов (весом до 60 кг) путем литья в песчано-глинистые цирконовые формы, получаемые по сложной технологии путем горячего отверждения с применением экологически вредных фенолформальдегидных смол. Кроме того, медленное охлаждение при кристаллизации отливок приводит к образованию грубой литой структуры, что приводит к низким эксплуатационным показателям по работоспособности в сравнении с инструментом из кованых сталей.
Перспективным способом улучшения комплекса механических и эксплуатационных характеристик инструментальных сталей при изготовлении литой прессоснастки для горячего деформирования является применение направленной кристаллизации, обеспечивающей получение дисперсной структуры при ускоренном охлаждении в процессе литья в охлаждаемый кокиль.
Применение направленной кристаллизации отливок с форсированным охлаждением без образования литейных трещин может быть осуществлено на сталях аустенитного или ферритного класса. Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому эффекту является дисперсионно-твердеющая аустенитно-карбидная литая штамповая сталь [3] 20Х20Н18ТЗЮФМБР состава, мас.%:
Углерод
- 0,17-0,23
Хром
- 14,1-18,2
Никель
- 17,0-19,0
Титан
- 2,0-3,0
Бор
- 0,002-0,02
Ванадий
- 0,9-1,5
Молибден
- 0,8-0,9
Алюминий
- 1,2-1,5
Ниобий
- 0,1-0,15
Церий
- 0,04-0,05
Железо
- остальное.
Существенными недостатками этой стали является сложный химический состав, наличие дефицитных легирующих элементов и высокая стоимость.
Заявляемое изобретение направлено на улучшение комплекса технологических и эксплуатационных характеристик, а также снижение стоимости стали для литого пресс-инструмента.
Поставленная задача достигается тем, что экономно-легированная карбидно-ферритная литая штамповая сталь, содержащая углерод, титан, никель, железо, содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод
- 0,27-0,32
Титан
- 5,8-6,2
Никель
- 0,5-0,9
Карбид титана, TiC
- 0,5-1,5
Железо
- остальное
Описываемая литая штамповая сталь может содержать марганец от следов до 0,05%, кремний 0,15-0,17% и также серу и фосфор ≈0,03%.
Химический состав исследованных плавок предлагаемых и известных сталей и соответствующие им свойства приведены в табл.1 и 2.
Таблица 1
Плавкисталей
Содержание элементов, мас.%
С
Cr
Ni
Ti
W
V
Mo
Al
Nb
Се
Fe
TiC
Предлагаемый1
0,27
-
0,5
5,8
-
-
-
-
-
-
-
0,5
2
0,30
-
0,7
6,0
-
-
-
-
-
-
-
1,0
3
0,32
-
0,9
6,2
-
-
-
-
-
-
1,5
Известный4
0,17-0,23
14,1-18,2
17-19
2-3
0,002 -0,02
0,9-1,5
0,8-0,9
1,2-1,5
0,1-0,15
0,04-0,05
ост.
Примечание: Содержание железа во всех плавках до 100%.
3
Влияние Ti. Титан вводится в предлагаемую сталь в количестве 4 мас.% для создания ферритной матрицы, которая образуется в системе Fe-Ti при указанном количестве Ti [5]. Порядка 1 мас.% идет на создание TiC, а 0,8 - с целью формирования фазы типа NiTi.
Влияние количества углерода, находящегося в пределах 0,27-0,32 мас.%. Для производства предлагаемого состава суспензии штамповой стали используется среднеуглеродистая сталь с указанным содержанием углерода, т.к. применение чистого железа является дефицитным материалом для действующих предприятий.
В заявленном составе углерода находится в пределах 0,27-0,32 мас.%, что обеспечивает получение феррито-карбидной матрицы. Карбидами являются соединения типа TiC. Стехоометрически для связывания в карбиды типа TiC, имеющегося углерода в пределах 0,27-0,32 мас.% дополнительно необходимо введение не более 1,0 мас.% Ti.
3
Влияние Ni в пределах 0,5-0,9 мас.%. Никель вводится в сталь с целью формирования фазы, типа NTi в ферритной Ti-Fe матрице при дисперсном твердении, которое протекает в процессе производства и эксплуатации штампов.
3
3
Эксплуатация штампов для горячего деформирования сопровождается выделением дисперсных соединений NiTi, что благоприятно влияет на сохранение твердости пресс-инструмента. Верхний предел содержания Ni ограничивается в указанном количестве с целью сохранения в основе предлагаемой стали феррито-карбидной матрицы. Нижнее содержание Ni необходимо для получения дисперсных интерметаллидов типа NiTi.
3
При этом часть титана затрачивается на формирование указанных интерметаллидов, поэтому общее количество титана в стали (с гарантией необходимой феррито-карбидной матрицы и наличием дисперсных интер-менталлидов NiTi) составляет 5,8-6,2 мас.%.
Карбиды TiC 0,5-1,5 мас.%. Количество вводимых в струю металла или в ковш определено экспериментально с целью обеспечения твердости порядка 46-48 HRC.
Указанная твердость достаточна для обеспечения работоспособности штампов для горячего деформирования.
Комплексное влияние всех компонентов в заданных пределах, указанных в заявке, обеспечит повышение работоспособности, что подтверждается результатами испытаний новой стали по термомеханической усталости (табл.2).
Карбид титана в виде порошка размером частиц до ≈10 мкм вводится в расплав стали перед разливкой в ковш или в струю при заливке форм.
Таблица 2
Плавки сталей
Теплопроводность, в т.м.к.
Коэффициент линейного расширенияα·10<sup>6</sup>·κ<sup>-1</sup>
Механические характеристики
Относительное сопротивление термомеханической усталости циклов
σ<sub>B</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ, %
Предлагаемый1
28,6
11,8
1826
1716
8,6
18117
2
30,6
10,5
1828
1720
8,1
20111
3
32,8
10,4
1828
1732
8,0
23128
Известный
4
41,4-42,6
12,3-13,6
1840-1900
1730
6,8-7,2
20125
n
Примечание: Испытание на термомеханическую усталость (ТМУ) осуществлялось по методике [4]. Оценивалось количество циклов нагружения образцов до появления трещин ТМУ размерами 0,1 мм в глубину образца. Режим испытаний отвечал эксплуатационному нагружению штампов «Автофордж» при штамповке латуней: Tmax=780°С на поверхности образца, Tmin +460°С, время контактирования образца со штампуемым материалом τ=3 с пауза τ=12 с. Размеры образца: высота h=12 мм, толщина В=2 мм, длина образца l=80 мм.
Как видно из таблицы 2, предлагаемая ферритно-карбидная сталь по теплофизическим характеристикам практически мало отличается от известной аустенито-карбидной стали. Показатели сопротивления развитию трещин ТМУ у предлагаемой стали на 9-10% выше, чем у известной аустенито-карбидной стали.
Применение литого пресс-инструмента из ферритно-карбидной стали взамен традиционно изготавливаемого механическими и электрофизическими методами из кованных заготовок мартенситных сталей позволяет резко сократить продолжительность изготовления и производственные затраты за счет исключения механических операций по изготовлению сложной гравюры инструмента.
3
Замена сложнолегированной аустенито-карбидной стали на экономно-легированную феррито-карбидную сталь упрощает процесс выплавки стали, а также снижает себестоимость за счет уменьшения содержания легирующих элементов. Высокая твердость отливок из стали (46-48HRC) достигается за счет дисперсионного твердения при старении в результате выделения из феррита дисперсной γ-фазы типа NiTi, а также за счет наличия карбидов титана.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Л.А.Позняк, Ю.М.Скрынченко, С.И.Тишаев - Штамповые стали - М.: Металлургия, 1980 - 240 с.
2. AC №1108126 СССР, МКИ С22С 38/26. Штамповал сталь. Авторы: М.С.Колесников, Э.Н.Корниенко, Л.А.Алабин и др. Опубликовано 15.04.84. Бюл. №30.
3. AC №1724723 СССР, МКИ С22С 38/26. Штамповал сталь. Авторы: М.С.Колесников, Л.В.Трошина и др. (СССР).
3
4. АС №879400 СССР, МКл GOIN 3/60. Способ исследования термомеханической усталости материалов. Авторы: М.С.Колесников, Б.Л.Кузнецов, B.C.Кондратенко, А.Г.Шишкин (СССР). Опубликовано 07.11.81. Бюл. №41.
5. М.Хансен и К.Андерко, Справочник «Структуры двойных сплавов», Т.2, пер. с английского М., Металлургия, 1962 г., 1488 с. с илл.