Влияние химического состава на структуру и свойства литейной инструментальной стали для штампов горячего деформирования

МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 669.14.018.258

В.М. Колокольцев, И.В. Иванова, А.М. Долгополов

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЛИТЕЙНОЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ ДЛЯ ШТАМПОВ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

Представлены результаты исследований патентных данных об инструментальных сталях для штампов горячего деформирования. Рассмотрено влияние легирования на структуру и свойства литейных штамповых сталей для горячего деформирования. Предложены наиболее рациональные пределы изменений легирующих элементов.

Ключевые слова: химический состав, легирование, литая штамповая сталь, микроструктура, свойства, скорость охлаждения.

Развитие современной машиностроительной отрасли неразрывно связано с усовершенствованием используемой инструментальной базы. Последние 15 лет для российского машиностроения явились периодом упадка и перехода отечественной металлургии на производство рядового металла. В то время как мировой опыт и достижения показывают, что использование давно известных марок инструментальных сталей не способно обеспечивать высокого качества инструмента.

Так, при производстве штампового инструмента большого экономического эффекта, возможно, добиться:

• во-первых, использованием новых высокопрочных и теплостойких марок штамповой стали, свойства которых удовлетворяли бы высоким требованиям;

• во-вторых, расширением выпуска продукции, в виде, не требуемом последующей механической обработки, то есть получения литого штампа (с практически готовым рельефом), удовлетворяющего современным требованиям к качеству инструмента и не уступающего по свойствам инструменту, полученному путем деформации (ковки, штамповки). Экспериментальные работы, проведенные на кафедре «Электрометаллургия и литейное

производство» ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» были направлены на изучение влияния легирования литейной штамповой стали для горячего деформирования с целью получения таких ее структуры и состава, которые обеспечивали бы требуемый высокий уровень свойств литого инструмента (твердость, теплостойкость, износостойкость, вязкость, разгаростойкость, окалино-стойкость и др.), характерный для деформированного состоянии стали.

Экспериментальные сплавы получали в индукционной печи ИСТ-006 с основной футеровкой, заливали в литейные формы с различной теплоаккумулирующей способностью: в песчано-глинистые формы (ПГФ) (сухую и сырую) и чугунный кокиль. На дилатометрические исследования заливались образцы цилиндрической формы 5 х 10 мм в кварцевые трубки.

Микроструктурный анализ экспериментальных образцов проводили при увеличении от 100 до 500 крат на специально подготовленных образцах.

© Колокольцев В.М., Иванова И.В., Долгополов А.М., 2012.

Испытания на износостойкость (Ки) исследуемых образцов проводили по методике, регламентированной ГОСТ 23.208-79 «Метод испытания материалов на износостойкость при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы». Испытания проводились на образцах с размерами 35х35х10 мм. В качестве абразива использовался электрокорунд зернистостью № 16П по ГОСТ 3647-80. Мерой износа служило отношение потери веса образца к потере веса эталона, в качестве которого использовали сталь 45.

Ударно-абразивную износостойкость (Киуд) опытных образцов оценивали в соответствии с ГОСТ 23.207-79 «Метод испытаний машиностроительных материалов на ударно-абразивное изнашивание». Эталонный образец был выполнен из стали 45 по ГОСТ 1050-74 с твердостью НУ 598-622. В качестве абразивного материала использовали карбид кремния черный по ГОСТ 3647-71, зернистостью 0,63 мм.

На начальном этапе с целью выбора базового состава литейной стали для штампов горячего деформирования был проведен литературно-патентный анализ и отобраны основные типы инструментальных сталей, отвечающих требуемым механическим свойствам (полутеплостойкие стали). Рассматривались основные свойства: твердость, теплостойкость и ударная вязкость.

Было установлено, что для успешной работы литого инструмента, не уступающей работе инструмента, полученного при деформации сплава, комплекс свойств и структура должны быть следующими:

• высокая твердость (НЯС 36-60 ед.);

• средняя или высокая теплостойкость (^я^я; - 500 - 600 0С);

• умеренные или высокие показатели ударной вязкости (полутеплостойкие КСидЖ/мм -

12 - 72);

• микроструктура (М+К, М+Аост+К, мелкозернистость структуры с баллом зерна

не более 6).

Интервалы содержаний химических элементов в исследуемых полутеплостойких сталях следующие: С=0,02-1,60 %; 81=0,07-0,70 %; Мп=0,28-23,9 %; Сг=0,45-13,25 %; У=0,07-4,05 %; Мо= 0,11-7,2 %; N1=0,28-3,25 %; W=0,28-1,35 %.

В ходе проведенного статистического анализа были получены адекватные зависимости, описывающие взаимосвязь исследуемых свойств от химического состава штамповых сталей. Данные зависимости позволили определить ряды влияния химических элементов на исследуемые свойства (от элемента с большей степенью влияния к элементу с меньшей) литой штамповой стали для горячего деформирования:

КСИ: N1 ^ V ^ С ^ 81; НЯС: С ^ V ^ Сг ^ N1; %яс-58): V ^ N1 ^ Мп.

Результаты анализа показали, что углерод в интервале 0,50 - 1,25 % понижает ударную вязкость. Высокие значения наблюдаются при содержании углерода в интервалах 0,25-0,50% и 1,25 - 1,50 %. При содержании углерода 1,0-1,25 % наблюдаются высокие значения твердости. Но для обеспечения высоких значений теплостойкости углерод в основном находится в пределах 0,08 - 0,25 %. При увеличении его содержания в стали ускоряются процессы коагуляции карбидных фаз и перераспределение легирующих элементов между твердым раствором и карбидами. Однако для обеспечения высокой твердости содержание углерода должно быть выше 0,25 %. Наиболее рациональные пределы изменения углерода 0,25-0,5% и 1,0-1,25%.

При содержании никеля в интервале от 1,0-2,5% твердость минимальна. При легировании стали никелем более 3% твердость ее заметно возрастает. Но с целью обеспечения высокой теплостойкости рекомендуется содержание никеля не превышать более 1,0 %. Что же касается ударной вязкости, то с увеличением содержания никеля она возрастает на всем рассматриваемом интервале.

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

С точки зрения обеспечения высокой теплостойкости рекомендуется, чтобы содержание кремния было минимальным. При содержании его до 0,7% обеспечиваются умеренные показатели ударной вязкостью 0,7%. Прежде всего кремний используется в качестве раскис-лителя. Опыт применения литейных штамповых сталей показывает, что рекомендуемое ограничение содержание кремния 0,15-0,45% является оправданным.

Ударная вязкость падает с увеличением содержания ванадия, но при содержании ванадия в интервале от 0,75 - 1,90 % теплостойкость имеет максимальное значение. При легировании стали ванадием в интервале 1,0 - 1,75 % наблюдается повышение твердости стали.

По результатам проведенного статистического анализа были определены рациональные пределы изменения элементов, спланирован и проведен дробный факторный эксперимент (ДФЭ) типа 2 (табл. 1).

Таблица 1

Матрица планирования и результаты проведения ДФЭ 2

№ п/п опытных сплавов Факторы Свойства опытных сплавов

С Мп Сг N1 Тип литейной фо )мы

ПГФ сухая ПГФ сырая кокиль

ИЯС, ед. Ки, Ед ИЯС, ед. Ки, ед . ИЯС, ед. Ки, ед.

1 + 1,00 0,5 0,5 - 3,00 + 1,50 34,4 1,1 33,1 1,1 38,0 1,4

2 - 0,40 - 3,00 + 1,50 34,0 1,1 33,7 1,1 42,0 1,7

3 + 1,00 + 6,00 + 1,50 36,0 1,2 34,7 1,2 39,0 1,4

4 - 0,40 + 6,00 + 1,50 48,5 1,8 47,3 1,8 50,0 1,9

5 + 1,00 - 3,00 - 0,50 38,5 1,5 36,9 1,5 42,0 1,5

6 - 0,40 - 3,00 - 0,50 34,4 1,1 34,0 1,2 37,0 1,3

7 + 1,00 + 6,00 - 0,50 38,3 1,4 37,2 1,4 42,0 1,5

8 - 0,40 + 6,00 - 0,50 47,4 1,6 46,9 1,6 49,7 1,7

Данные исследования показали, что ни один из опытных сплавов не способен обеспечить уровень свойств, характерных для деформированного состояния стали.

В результате анализа экспериментальных данных за основу была выбрана литейная штамповая сталь, содержащая в среднем, % (по массе): 0,4% С, 0,5% Si, 0,5% Мп, 0,5% №, 6,0% Сг. Для улучшения механических и литейных свойств литейной штамповой стали было предложено ввести следующие элементы: вольфрам, молибден и ванадий.

С целью изучения дополнительного легирования литейной штамповой стали был спланирован дробный факторный эксперимент типа 23 при следующем изменении факторов, % (по массе): Х1 (вольфрам, 3,0; 4,3); Х2 (молибден, 0,7; 1,0); Х3 (ванадий, 0,5;1,0). Результаты проведения эксперимента представлены в табл. 2.

Данные исследования показали, что стали, дополнительно легированные % (по массе): вольфрамом (4,3), молибденом (1,0) и ванадием (1,0), имели наиболее высокую стойкость в условиях абразивного износа.

В условиях ударно-абразивного износа наилучшую износостойкость имеют сплавы, у которых высокая прочность сочетается с достаточно высокой пластичностью. Этим условиям вполне удовлетворяют стали, дополнительно легированные, % (по массе): вольфрамом и молибденом (суммарное содержание 4,0-5,0) и ванадием (0,5).

Таблица 2

Результаты проведения ДФЭ типа 23

№ п/п опытных сплавов Свойства опытных сплавов в зависимости от типа литейной формы

ПГФ сухая ПГФ сырая Кокиль

же, ед. Ки, ед. Ки.уд, ед. же, ед. Ки, ед. Ки.уд, ед. же, ед. Ки, ед. Ки.уд, ед.

1 46,7 3,1 4,6 47,8 3,4 3,5 58,5 3,6 4,8

2 48,2 3,0 5,6 50,7 3,5 8,9 60,3 4,4 9,2

3 48,3 2,9 3,6 49,2 3,7 3,6 60,0 4,0 5,9

4 60,5 5,3 6,4 62,3 5,8 6,8 63,3 7,7 9,6

5 56,0 2,8 3,7 59,8 3,5 3,9 61,6 3,7 4,4

6 58,8 3,6 3,8 61,3 3,7 5,2 64,0 3,8 5,4

7 61,8 3,6 5,7 63,7 3,7 5,9 64,2 3,9 6,9

8 51,5 3,5 4,89 53,0 3,3 6,4 58,0 4,2 9,9

В условиях ударно-абразивного износа наилучшую износостойкость имеют сплавы, у которых высокая прочность сочетается с достаточно высокой пластичностью. Этим условиям вполне удовлетворяют стали, дополнительно легированные, % (по массе): вольфрамом и молибденом (суммарное содержание 4,0-5,0) и ванадием (0,5).

Легирование молибденом обеспечивает более однородное выделение карбидов це-ментитного типа и их повышенную дисперсность. Учитывая требования, предъявляемые к штамповым сталям для горячего деформирования, необходимым условием их выполнения является суммарное легирование вольфрамом и молибденом [1]. Как показывает опыт создания и эксплуатации сталей, более предпочтительно комплексное легирование. Но выбор конкретных соотношений зависит от условий эксплуатаций инструмента.

Экспериментами, выполненными на опытных сплавах, содержащих, % (по массе): углерод (0,4), марганец и кремний (0,5), хром (6), никель(0,5), ванадий (1,0) - установлено, что при повышении суммарного содержания вольфрама и молибдена более 4,0-5,0% снижается пластичность и увеличивается износ литейной штамповой стали. Из -за отчетливой тенденции к снижению пластичности и при увеличении количества карбидообразующего элемента в литейных инструментальных сталях суммарное содержание в них вольфрама и молибдена целесообразно ограничивать 4,0-5,0%.

Ванадий, в противоположность большинству других легирующих элементов, смещает эвтектоидную концентрацию в сторону повышения, вызывает существенное увеличение дисперсности карбидов, за счет чего повышается пластичность и прочность штамповой стали. Образуя один из самых твердых карбидов, типа МС, ванадий улучшает распределение частиц избыточной фазы, снижает карбидную неоднородность, способствует измельчению первичного зерна, повышает твердость и износостойкость стали, растворяясь в феррите, повышает предел текучести и улучшает пластичность и ударную вязкость [1].

Механические свойства находятся в прямой взаимосвязи со структурой опытных образцов.

Структура опытной стали, легированной, % (по массе): вольфрамом (4,3), молибденом (1,0) и ванадием (1,0) - максимально приближена к структуре деформируемого металла, отличается мелкозернистостью (балл зерна 7), высокой дисперсностью и однородным распределением упрочняющей карбидной фазы (рис. 1).

Анализ микроструктуры опытных сплавов (следующего химического состава, % масс. С=0,40; Мп=0,50; 81=0,5; №=0,50; Сг=6,0; W = 4,3; Мо = 1,0;У =1,0): показал, что балл зерна выше у образцов, залитых в металлическую форму, меньший балл у образцов, получаемых в сухой песчано-глинистой смеси.

Сравнивая показатели свойств, полученных при заливке в песчано-глинистые формы

и кокиль, можно сделать вывод, что на исследуемые свойства сильно влияет и тип формы, а точнее, скорость охлаждения. При заливке в кокиль полученные результаты твердости и износостойкости оказались выше, чем при заливке в песчано-глинистые формы.

х100 в)

Рис. 1 - Микроструктура экспериментальной стали, залитой:

а - в сырую ПГФ; б - в сухую ПГФ; в - в кокиль

Это связано с тем, что при заливке в металлическую форму образуется мелкодисперсная структура, что объясняется большей теплоаккумулирующей способностью кокиля по сравнению с песчано-глинистыми формами. При заливке в кокиль, благодаря более сильному переохлаждению расплава, увеличивается область мелких разориентированных кристаллов, измельчаются карбиды, что положительно влияет на твердость и износостойкость.

При заливке в песчано-глинистые формы образуются более крупные карбиды. Увеличение размеров карбидов меняет механизм износа. Наименьшей износостойкостью обладают сплавы, залитые в сухие песчано-глинистые формы, в них карбиды успевают вырасти до крупных размеров, которые при изнашивании растрескиваются и выкрашиваются из мягкой матрицы, что приводит к снижению износостойкости.

Выводы

Литье позволяет получать разнообразные свойства как технологические, так и механические в зависимости от требований, предъявляемых при эксплуатации инструмента. В работе показано, что легирующие добавки повышают механические свойства литой штампо-вой стали для горячего деформирования до показателей свойств сталей, полученных путем деформации. Структура литейной инструментальной стали максимально приближена к структуре деформируемого сплава. Предложены наиболее рациональные пределы легирующих элементов для литейной инструментальной стали.

Подтверждена зависимость износостойкости экспериментальных сплавов от прочностных и пластических характеристик в различных условиях изнашивания.

Показано, что сопротивление литейной инструментальной стали абразивному и ударно-абразивному износу находится в зависимости от следующих факторов: твердости, с повышением которой сопротивление износу увеличивается, дисперсности структуры, с повышением которой износ уменьшается.

Рассмотрена зависимость получения различных свойств и структуры опытных образцов от скорости охлаждения расплава, что позволяет рекомендовать для получения тонкостенных заготовок штампа использование песчано-глинистых литейных форм.

Работа выполнена в рамках государственного контракта №ГК 14.740.11.1242 реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

1. Гурьев, А.М. Теория и практика получения литого инструмента / А.М. Гурьев, Ю.П. Хараев. -Барнаул: Издательство АлтГТУ, 2005. - 220 с.

Дата поступления в редакцию 13.04.2012

V.M. Bells, I.V. Ivanov, A.M. Dolgopolov

EFFECT OF CHEMICAL COMPOSITION ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF FOUNDRY TOOL STEEL DIE * HOT DEFORMATION

Magnitogorsk State Technical University n.a. G. Nosov

The patent data researches results are presented about instrumental stamp steels in hot deformation process. The problem of alloying influence to structure and properties of casting stamp steels in hot deformation process is considered. The most rational limits alloying elements changes are offered.

Key words: chemical composition, alloying, casting stamp steel, microstructure, properties, speed of cooling.