Литейная сталь для штампов горячего деформирования

МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ, ЦВЕТНЫХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ

УДК 669.14.018.258 Колокольцев В.М., Иванова И.В.

ЛИТЕЙНАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ШТАМПОВ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Повышение стойкости литой штамповой оснастки в отраслях металлообрабатывающей промышленности до сих пор является актуальной задачей.

В свою очередь, внедрение литых инструментальных сталейсдерживаетсяследующими основными причинами: недостаточным объемом данных о свойствах литого материала по сравнению с деформированным и несовершенством технологических процессов изготовления литых штампов (состав литейной стали, технология литейной формы, режим термообработки и др.).

Современные литейные технологии позволяют получать у литейной стали такие свойства, которые характерны для деформируемой: модифицирование наночастицами, формирование микроструктуры с элементами наноструктуры, применение износостойких диффузионных покрытий, применение термореактивных формовочных смесей, использование керамических форм, технологического процесса для изготовления штампов с готовой гравюрой методом точного литья в разовые формы и др.

Одним из основных направлений повышения стойкости штампового инструмента является применение и разработка новых высокопрочных и теплостойких марок стали, обладающих требуемым высоким комплексом механических свойств.

Штамповые стали для горячего деформирования предназначены для изготовления инструментов (штампов), работающих при повышенных температурах, многократных теплосменах, динамических нагрузках. Гово-ря о повышении стойкости штамповой оснастки следует отметить, что стали для ее изготовления должны обладать высокой теплостойкостью, твердостью, высоким сопротивлением износу, устойчивостью кразгару [1].

В связи с этим, экспериментальные работы, проведенные на кафедре электрометаллургии и литейного производства в МГТУ им. Г.П Носова заключались в исследовании влияния легирования на структуру и свойства литой инструментальной стали, оптимизации химического состава с целью получения требуемых свойств истойкости штампа в рабочих условиях.

На первом этапе работы был проведен литературно-патентный обзор с целью разработки базового состава стали для штампов горячего деформирования.

На основании изученных источников были отобраны основные типы инструментальных сталей (в количестве 69 штук), отвечающих требуемым механическим свойствам - голутеплостойкие стали повышенной вязкости и высокой прокаливаемости; в эту группу входят хромони-

келевые и хромомарганцовистые стали. Анализ химического состава показал, что в основном средние значения элементов укладываются в известные марки 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХЗМ ЗХ2Н2ВМФ и т.п. Было установлено, что для успешной работы инструмента свойства и структура стали должны быть следующими:

- высокая твердость (НЯС 36-60 ед.);

- средняя или высокая теплостойкость (?(Нк.С-58) -500-600°С);

- умеренные или высокие показатели ударной вязкости (голутеплостойкие КСИдж/мм2- 12-72);

- микроструктура (М+К, М+АоСТ+К, мелкозернистость структуры с баллом зерна не более 6);

Для выбора нового базового состава были проанализированы следующие интервалы концентраций химических элементов в сталях, %: С=0,02-1,60; 81=0,07-0,70; Мп=0,28-23,9; 0=0,45-13,25; У=0,07-4,05; Мо=0,11-7,2; N1=0,28-3,25; W=0,28-1,35.

Получены следующие адекватные зависимости, описывающие взаимосвязь химического состава и свойства:

КСИдж/мм2 = 301,73 - 119,8 С + 7,153 N1 -

- 10,23 V - 45,22 81 + 67 69 (С)2-

- 0,391

1(няс-58)= 1791,6 + 13,77 N1 + 229,7 Мп +

+ 162,6 V - 14,88 (№)2- 167,8 (Мп)2-

- 62,78

НЯС = 156,7 - 12,75 N1 + 8,009 Сг +

+ 48,46 С + 14,29 V + 3,592 (М)2-

- 19,06

Данные зависимости позволили определить ряды влияния элементов на исследуемые свойства (от элемента с большей степенью влияния к элементу с меньшей).

КСИ: N1 ^ V ^ С ^ 81;

НЯС: С ^ V ^ Сг ^ N1;

1<НЯС-58> V ^ N1 ^ Мп.

Результаты анализа гоказали, что углерод в интервале 0,50-1,25% понижает ударную вязкость. Высокие значения наблюдаются присодержании углерода в интервале 0,25-0,50% и 1,25-1,50%. При содержании углерода 1,0-1,25% - повышенная твердость, ю для обеспечения высоких значений теплостойкости углерод в осювюм

МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ, ЦВЕТНЫХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ

находился в пределах 0,08-0,25%. При увеличении его содержания в стали ускоряются процессы коагуляции карбвдных фаз и перераспределение легирующих элементов между твердым раствором и карбідами. Однако для обеспечения высокой твердости содержание углерода должно быть выше 0,25%. Как показал анализ, с увеличением хрома твердость увеличивается

При содержании никеля в интервале от 1,0-2,5% твердость минимальна, но при содержании более 3% она заметно увеличивается. Не стоит забывать и тот момент, что с целью обеспечения высокой теплостойкости рекомендуемое содержание никеля - до 1,0%. Что касается ударной вязкости, то из анализа было видно, что с увеличением содержания никеля она возрастает во всем рассматриваемом интервале.

Для обеспечения высокой теплостойкости рекомендуемое содержание марганца составляет 0,45-1,0%.

Кремний в интервале до 0,7% обеспечивает умеренные показатели ударной вязкости.

При легировании стали ванадием в интервале от

0,75-1,90% теплостойкость имеет максимальное значение. Высокая твердость сталей наблюдается при содержании ванадия в интервале 1,0-1,75%, но при этом падает ударная вязкость.

Определившись с рациональными пределами из -менения элементов, был спланирован и проведен полный факторный эксперимент типа 23 при следующем изменении факторов: С (0,4%; 1,00%), Сг (3,0%; 6,0%) и N1 (0,50%; 1,50%). Кремний и марганец находились на постоянном уровне: 81=0,5% и Мп=0,5%.

Экспериментальные образцы заливали в песчаноглинистые формы (сухую и сырую) и кокиль. Твердость по Роквеллу (НЯС, ед) определяли в соответствии с ГОСТ 9012-59; абразивную износостойкость (Ки, ед) -в соответствии с ГОСТ 23.208-79; ударно-абразивную износостойкость (Ки.уд.) - ГОСТ 23.207-79. Наиболее высокие механические свойства (Ки, ед.: 1,80; 1,70; 1,90; НЯС, ед: 48,00; 47,00; 50,00 для песчано-глинис-тых сухой и сырой формы и кокиля соответственно) были получены при следующем содержании химических элементов: 0,4% С 05% 81, 0,5% Мп, 0,5%Щ 6,0% Сг. Этот комплекс был принят за базовый для разработки литейной штамповой стали.

Полученные механические свойства не удовлетво-

Таблица 1

Механические свойства экспериментальных сплавов

Номер сплава ПГ Ф сухая ПГФ сырая Кокиль

НРС К„ Ки.уд НРС К„ Ки.уд НРС Ки Ки.уд

1 46,70 3,06 4,62 47,80 3,40 3,46 58,50 3,60 4,83

2 48,20 2,97 5,55 50,70 3,45 8,85 60,30 4,40 9,23

3 48,30 2,90 3,61 49,20 3,70 3,56 60,00 4,00 5,90

4 60,5 5,34 6,36 62,30 5,78 6,80 63,30 7,73 9,63

5 56,00 2,80 3,73 59,80 3,50 3,86 61,60 3,70 4,42

6 58,80 3,57 3,84 61,30 3,70 5,16 64,00 3,76 5,44

7 61,80 3,62 5,67 63,70 3,70 5,86 64,20 3,93 6,87

8 51,50 3,47 4,88 53,00 3,30 6,43 58,00 4,20 9,97

ряют требованиям для инструментальных сталей (НЯС 36-60 ед, Ки не менее 3 ед ). Поэтому на втором этапе изучали влияние дополнительного легирования базового состава литейной стали для штампов горячего деформи-рованияс целью улучшениямеханических, специальных и эксплуатационных свойств вольфрамом (3,0-4,3%), молибденом (0,7-1,0%), ванадием (0,5-1,0%).

Экспериментальные образцы заливали в песчаноглинистые формы (сырую и сухую) и кокиль. Механические свойства экспериментальных сплавов представлены в табл. 1.

Коэффициент твердости, по которому оценивали интенсивность изнашивания, Ктв<0,5 говорит о том, что разрушение поверхности образцов происходило вследствие прямого внедрения абразивной частицы в поверхность и продвижения по ней. Рельеф поверхности разрушения представлял собой продольные риски различной длины и глубины по ходу движения абразивной частицы.

Известно, что влияние некоторых легирующих элементов, повышающих износостойкость, можно выразить следующим соотношением [2]:

Сг : W : Мо : V = 2 : 5 : 10 : 40.

Анализируя полученные механические свойства, видно, что сплав % мае.: С=0,40; Мп=0,50; 81=0,5; N1=0,50; Сг=6,0; W=3,0; Мо=1,0; V=0,5 (сплав 7) имеет наибольшую твердость, но при этом незначительно высокий коэффициент абразивной и ударно-абразивной износостойкостей.

Оптимальные механические свойства получены у сплава следующего состава, % мае.: С=0,40; Мп=0,50; 81=0,5; N1=0,50; Сг=6,0; W=4,3; Мо=1,0; V=1,0 (сплав 4).

Формируемая при данном химическом составе микроструктура до термической обработки (см. рисунок) максимально приближена к структуре деформированного материала - отличается высокой дисперс-ностью и однородным распределением упрочняющей карбидной фазы.

Помимо легирующих элементов на первичную литую структуру исследуемых сплавов существенное влияние оказывает скорость охлаждения их в форме. Полученные свойства и структура опытных образцов, залитых в песчано-глинистые формы и кокиль, различны. При заливке в металлическую форму образуется более мелкодисперсная структура. При этом увеличивается область мелких разориентированных кристаллов, измельчаются карбиды, что положительно влияет на твердость и износостойкость.

Снижение скорости охлаждения сплава приводит к получению крупнозернистой структуры. При этом увеличивается размер дендритов первичного аустени-та и укрупняются карбиды, что приводит к понижению исследуемых механических свойств.

При анализе микроструктуры экспериментальных сплавов величину зерна определяли в соответствии с ГОСТ 5639-82. Мелкозернистая структура (с баллом зерна равным 7) была получена при заливке в кокиль сплава следующего состава, мае. %: С=0,40; Мп=0,50; 81=0,5; N1=0,50; Сг=6,0; W=4,3; Мо=1,0; V=1,0.

Микроструктура экспериментальной стали состава, мае. %: С=0,40; Mn=0,50; Si=0,5; №=0,50; Сг=6,0; W=4,3; Mo=1,0;V=1,0, залитой вПГФ сырую

Металловедческие исследования проводились на дилатометре Б1Ь 402 С на специально подготовленных образцах цилиндрической формы диаметром не более 10 мм, в длину не более 25 мм с поверхностями, имеющими минимально деформированный слой (без пористости, усадочных раковин и т. п.).

По полученным кривым, показывающим изменения длины образцов из экспериментальных сплавов при нагреве и охлаждении, были определены критические точки (табл. 2) и области фазовых превращений. Вследствие теплового гистерезиса превращения при нагреве и охлаждении проходили при разных температурах.

Получению оптимальных свойств сплавов способствует применение термической обработки. Для улучшения структуры литейных сталей для штампов горячего деформирования в последнее время разрабатываются различные виды обработки, основанные на циклических тепловых воздействиях, получивших название термоциклических. Применение ТЦО дает возможность получения мелко игольчато го мартенсита. Различают маятниковую, среднетемпературную, высокотемпературную и низкотемпературные термоциклические обработки.

Для сплава оптимального состава (% мае.: С=0,40; Мп=0,50; 81=0,5; N1=0,50; Сг=6,0; W=4,3; Мо=1,0; У=1,0) была проведена предварительная термообработка (с целью измельчения зерна) с последующей закалкой. В качестве предварительной термообработки проводился термоциклический отжиг при температуре выше на 30-50°С критической точки Ас3, с вьщержкой и с последующим охлаждением до температуры Т2. За температуру Т2 принимали среднюю температуру межкритическо-го интервала. После вьщержки цикл повторялся снова. После проведенной закалки (в качестве закалочной среды использовали масло) проводили двукратный отпуск.

При проведении данного вида обработки механические свойства снизились порядка 30%. Причем неправильный выбор закалочный среды привел к тому, что на экспериментальных образцах образовалась сетка термических трещин. Поэтому необходимо определиться с температурой Т2 экспериментальным путем, каждый раз меняя температуру в межкритическом интервале.

Для сравнения проведение традиционной термообработки: закалка (масло)+2-кратный отпуск привела к тому, что твердость экспериментального образца с 61-63 ед. понизилась до 48-51.

Таким образом, проведенные исследования по

Таблица 2

Критические точки Ас1 и Ас3 (Ап и Ah) экспериментальных сплавов, °С

Исследуемые сплавы Ас1 Асз Ап АГ3

1 850 937,5 761,6 967,2

2 792 910 795,2 932,3

3 760 925 776,3 961,8

4 792,3 927,3 794 940

5 789 930 778 937

6 712,5 907,6 730 925

7 710 835 Не получено экспериментальных данных*

8 750 912,7 Не получено экспериментальных данных*

* Данные не были получены вследствие образования большого слоя окалины при нагреве образца.

влиянию легирования на структуру и свойства литейной инструментальной стали позволили определить рациональный химический состав для штамповой стали горячего деформирования. Выбранный новый состав литейной стали для штампов горячего деформирования 4Х6В4МФЛ (состав в сред. мае., %: С=0,4; Mn=0,50; Si=0,5; Ni=0,50; Ci=6,0; W=4,3; V=1,0; Mo=1,0) обеспечивает получение требуемых высоких механических свойств. Структура литой экспериментальной стали максимально приближена к структуре деформируемого металла (мелкозернистость с баллом более 6). В ходе исследований установлена тенденция зависимости из -менения структуры и механических свойств сплавов от типа используемой формы.

Список литературы

1. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. М.: Металлургия, 1985. 408 с.

2. Позняк Л.А., Скрынченко Ю.М., Тишаев С.И. Штамповые стали. М.: Металлургия, 1980. 244 с.

List of literature

1. Goldshtein M.I., Grachov S.V., Veksler Y.G. Special steels M.: Metallurgy, 1985. 408 p.

2. Pozniak L.A., Skrynchenko Y.M., Teeshaev S.I. Die Steel. M.: Metallurgy, 1980. 244 p.