ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ
INSTRUMENT STEEL FOR HOT DEFORMATION

Изобретение относится к области металлургии, в частности к инструментальным сталям, используемым для горячего деформирования цветных металлов и сплавов.
ПО ГОСТ 5950-2000 известна инструментальная сталь, содержащая углерод 0,32-0,40%, кремний 0,9-1,20%, марганец 0,20-0,50%, хром 4,50-5,50%, ванадий 0,30-0,50%, молибден 1,20-1,50%, никель до 0,35% по мас., при этом сумма карбидообразующих элементов составляет 7,25-9,05%.
Недостатком этой стали является повышенная структурная полосчатость из-за неравномерного распределения карбидов в структуре, приводящая к получению пониженной ударной вязкости.
Наиболее близким техническим решением является инструментальная сталь, содержащая углерод 0,37-0,44%, кремний 0,60-1,0%, марганец 0,20-0,50%, никель до 0,6%, хром 3,20-4,0%, ванадий 0,60-0,90%, молибден 1,20-1,50%, вольфрам 0,8-1,2%, при этом сумма карбидообразующих элементов составляет 7,0-9,20% по мас. ГОСТ 5950-2000.
Эта сталь также склонна к образованию структурной полосчатости и имеет пониженный уровень ударной вязкости.
Задачей изобретения является повышение ударной вязкости, стойкости к трещинам и износостойкости инструментальной стали для горячего деформирования.
Поставленная задача решается путем введения в инструментальную сталь для горячего деформирования титана в количестве 0,15-0,30% и бора в количестве 0,001-0,003% по мас. при суммарном содержании карбидообразующих элементов 5,35-6,20% по мас., и компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод
0,6-0,7
Хром
2,80-3,20
Марганец
1,90-2,10
Ванадий
0,50-0,60
Кремний
0,40-0,70
Титан
0,15-0,30
Бор
0,001-0,003
Железо
Остальное
Снижение содержания карбидообразующих элементов в пределах 5,35-6,2 мас.% с дополнительным легированием титаном и бором обеспечивает получение низкой структурной полосчатости, однородной дисперсной структуры стали с карбидным и карбонитридным упрочнением и повышенную ударную вязкость.
Х
У
Дополнительное легирование стали титаном в количестве 0,15-0,30% способствует образованию устойчивого тугоплавкого карбида титана (TiC) пл. 3140°С и карбонитрида титана (TiCN) пл. 3127°C. Дисперсные частицы указанного карбида и карбонитрида сохраняются в структуре стали при высокотемпературных нагревах (ковка, отжиг, закалка), препятствуют росту аустенитного зерна, что способствует получению дисперсной структуры троостосорбита при комнатной температуре. Сталь с дисперсной структурой троостосорбита и низкой структурной полосчатостью имеет повышенный уровень ударной вязкости и стойкости. Содержание титана в пределах 0,15-0,30 мас.% является оптимальным. Содержание титана менее 0,15% не оказывает существенного сдерживающего влияния на рост аустенитного зерна. Легирование титаном в количестве более 0,30% нецелесообразно, так как приводит к образованию значительного количества грубых включений высокотвердого, хрупкого карбида титана при кристаллизации, что не устраняется термической обработкой и снижает ударную вязкость.
Дополнительное введение в сталь бора в количестве 0,001-0,003% в качестве модифицирующей добавки измельчает литую структуру, упрочняет границы зерен, тормозит рост столбчатых кристаллов, что увеличивает устойчивость стали к трещинам. Указанный элемент увеличивает также стабильность аустенита. При его содержании менее 0,015 мас.% указанный эффект снижается. При переходе за верхний уровень легирования 0,003 мас.% по границам зерен появляется борсодержащая фаза эвтектического происхождения, что снижает механические свойства стали, в том числе устойчивость к трещинам.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав инструментальной стали для горячего деформирования отличается от известного и пониженным содержанием карбидообразующих элементов, и дополнительным легированием титаном и бором. То есть заявляемый состав стали соответствует критерию "новизна", так как обладает отличительными признаками.
Дополнительное легирование титаном и бором, пониженное содержание карбидообразующих элементов обеспечивает получение инструментальной стали с низкой структурной полосчатостью и повышенным уровнем ударной вязкости и износостойкости. Предложенное решение соответствует критерию "существенные отличия", так как отличительные признаки не выявлены в других технических решениях.
Примеры осуществления предлагаемого состава стали.
Из известной и предложенной сталей были изготовлены образцы для исследования микроструктуры и определения ударной вязкости. Структурная полосчатость оценивалась по шкале N 5 ГОСТ 801-78, ударная вязкость при комнатной температуре в соответствии с ГОСТ 9454-78. Перед проведением исследований образцы подвергались термической обработке улучшению (закалка с высоким отпуском). Режимы термической обработки: закалка в масле с температурой 1050±50°C с предварительным подогревом образцов при температуре 800±10°C; время выдержки при температурах подогрева и нагрева под закалку в течение 30 минут; отпуск стали производили при температуре 550±5°C, выдержка 2 ч; охлаждение на воздухе. Такая термическая обработка обеспечивает получение высокодисперсной структуры троостосорбита отпуска с дисперсионным твердением.
Сравнительный анализ инструментальных сталей для горячего деформирования указан в таблице. В таблице приведены содержания легирующих элементов в указанной стали, полученные значения балла структурной полосчатости, твердости, стойкости к трещинам и ударной вязкости. Суммарное содержание карбидообразующих элементов определяли суммированием концентраций хрома, марганца, кремния, молибдена, ванадия, титана и бора в известной и предлагаемой сталях.
Приведенные в таблице данные позволяют сделать вывод, что предлагаемая сталь имеет более высокий комплекс механических свойств при пониженной структурной полосчатости, что ведет к повышению износостойкости инструмента для горячего деформирования.
Таблица
Инструментальная сталь для горячего деформирования
Химический состав, в % по массе
С
Cr
Mn
Si
Mo
V
Ti
B
Σ карбидо-образую-щих
Fe
Структурная полосчатость, балл
Твердость, HRC
Ударная вязкость, KCU,Дж/см<sup>2</sup>
Трещино-стойкость, МПа·м<sup>1/2</sup>
Предлагаемая сталь
0,60
2,80
1,90
0,40
-
0,5
0,15
0,001
5,751
остальное
2
54
60
57,5
0,65
3,00
2,00
0,60
-
0,55
0,20
0,002
6,352
остальное
2
56
58
56
0,70
3,20
2,10
0,70
-
0,60
0,30
0,003
6,903
остальное
2
56
58
56
Известная сталь
0,40
5,50
0,50
1,20
1,50
0,50
-
-
9,200
остальное
3-4
52
51
52,5