ШТАМПОВЫЙ СПЛАВ
DIE ALLOY

Изобретение относится к металлургии, в частности к инструментальным материалам, используемым для изготовления штампового инструмента.
Известен штамповый сплав, содержащий углерод, марганец, кремний, хром, вольфрам, ванадий, железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,30-0,40
Марганец
0,15-0,40
Кремний
0,15-0,40
Хром
2,20-2,70
Вольфрам
7,50-8,50
Ванадий
0,20-0,50
Железо
остальное
(Сорокин В.Г. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 1989. - С.408).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является штамповый сплав, содержащий углерод, кремний, молибден, хром, вольфрам, кобальт и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,22-0,30
Кремний
0,40-0,80
Молибден
1,80-2,50
Хром
7,00-8,00
Вольфрам
7,50-8,50
Кобальт
8,00-9,00
Железо
остальное
(Кремлев Л.С. Развитие теории легирования и разработка оптимальных составов теплостойких инструментальных сталей. М.: автореферат, 1974. С.39).
Недостатком описанных штамповых сплавов является низкая эксплуатационная стойкость штамповых инструментов, обусловленная не высокими твердостью, теплостойкостью и окалиностойкостью штамповых сплавов, применяемых для их изготовления.
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения эксплуатационной стойкости штамповых инструментов за счет увеличения твердости, теплостойкости и окалиностойкости штамповых сплавов.
Для достижения указанного технического результата штамповый сплав, содержащий углерод, кремний, молибден, хром, вольфрам, кобальт и железо, дополнительно содержит марганец, титан, никель и ванадий в следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,20-0,30
Кремний
0,40-0,80
Молибден
2,00-2,50
Хром
8,00-10,00
Вольфрам
2,50-3,00
Кобальт
1,00-1,50
Марганец
1,00-1,40
Титан
0,20-0,30
Никель
6,00-8,00
Ванадий
0,20-0,30
Железо
остальное
Введение в состав штампового сплава углерода в количестве 0,20-0,30 мас.% является оптимальным, что способствует образованию карбидных фаз, которые принимают участие в процессе дисперсного твердения. При содержании углерода менее 0,20 мас.% снижается количество упрочняющей фазы и, как следствие, твердость штампового сплава. При содержании углерода более 0,30 мас.% происходит снижение ударной вязкости штампового сплава.
Введение в состав штампового сплава кремния в количестве 0,40-0,80 мас.% является оптимальным, так как при таком содержании кремния проявляется влияние на вторичную твердость при отпуске, повышается легированность твердого раствора. При содержании кремния менее 0,40 мас.% снижается влияние на вторичную твердость. При содержании кремния более 0,80 мас.% уменьшается ударная вязкость штампового сплава.
Введение в состав штампового сплава молибдена в количестве 2,00-2,50 мас.% является оптимальным, так как способствует повышению температуры рекристаллизации γ-твердого раствора и замедляет его разупрочнение, а также приводит к увеличению пластичности и прочности штампового сплава, повышает твердость, участвуя в образовании интерметаллидной фазы при высоких температурах. Содержание молибдена ниже 2,00 мас.% и выше 2,50 мас.% нецелесообразно, так как не оказывает влияние на повышение твердости и теплостойкости штампового сплава, а применение также совместно с молибденом, ванадием и хромом в принятом соотношении компонентов значительно повышает окалиностойкость.
Введение в состав штампового сплава хрома в количестве 8,00-10,00 мас.% является оптимальным, так как при этом увеличивается сопротивление штампового сплава окислению при высоких температурах и повышается способность к дисперсионному твердению. Наличие хрома в указанном количестве затрудняет рост зерна при нагреве, повышает механические свойства сплава при статической и ударной нагрузке, повышает прокаливаемость и жаропрочность. При содержании хрома ниже 8,00 мас.% в сплаве снижается количество карбидов хрома, которые принимают участие в процессе, а при содержании хрома более 10,00 мас.% происходит резкое снижение теплостойкости и жаропрочности штампового сплава.
Введение в состав штампового сплава вольфрама в количестве 2,50-3,00 мас.% является оптимальным, так как способствует выделению упрочняющей фазы при отпуске, что приводит к повышению твердости и теплостойкости сплава. Содержание вольфрама ниже 2,50 мас.% приводит к снижению количества выделения интерметаллидов при отпуске, что уменьшает теплостойкость и твердость штампового сплава. Содержание вольфрама выше 3,00 мас.% приводит к увеличению количества интерметаллидной фазы, что снижает пластичность штампового сплава.
Введение в состав штампового сплава кобальта в количестве 1,00-1,50 мас.% является оптимальным, так как способствует выделению интерметаллидов при высоких температурах отпуска, повышая твердость и теплостойкость штампового сплава, а также повышает прочность при ударных нагрузках и улучшает жаропрочность штампового сплава. Содержание кобальта менее 1,00 мас.% нецелесообразно, так как не приводит к повышению теплостойкости и твердости штампового сплава. Содержание кобальта более 1,50 мас.% приводит к увеличению количества упрочняющей фазы, что отрицательно влияет на пластичность сплава.
Введение в состав штампового сплава марганца в количестве 1,00-1,40 мас.% является оптимальным, так как способствует увеличению прокаливаемости и устойчивости к распаду аустенита. При содержании марганца менее 1,00 мас.% снижается прокаливаемость штампового сплава. При содержании марганца более 1,40 мас.% снижается прочность и ударная вязкость штампового сплава.
Введение в состав штампового сплава титана в количестве 0,20-0,30 мас.% является оптимальным, препятствующим образованию межкристаллитной коррозии с одновременным увеличением количества карбидной фазы. Снижение содержания титана меньше 0,20 мас.% нецелесообразно, так как при этом не оказывается влияние на межкристаллитную коррозию, а увеличение содержания титана свыше 0,30 мас.% приводит к снижению вязкости штампового сплава.
Введение в состав штампового сплава никеля в количестве 6,00-8,00 мас.% является оптимальным, так как способствует повышению вязкости, усиливает противодействие росту зерна, улучшает прокаливаемость и механические свойства штампового сплава, а также повышает окалиностойкость и жаропрочность. Снижение количества никеля ниже 6,00 мас.% и повышение более 8,00 мас.% нецелесообразно, так как не приводит к положительному влиянию на свойства штампового сплава.
Введение в состав штампового сплава ванадия в количестве 0,20-0,30 мас.% является оптимальным, так как способствует измельчению зерна и повышению окалиностойкости штампового сплава. При содержании ванадия ниже 0,20 мас.% влияние его на измельчение зерна проявляется незначительно. При содержании ванадия выше 0,30 мас.% ухудшается шлифуемость штампового сплава.
Пример конкретного выполнения
Предлагаемый штамповый сплав выплавляется в открытой индукционной печи. Слитки массой от 12 кг ковались на прутки сечением 12×12 мм и 20×20 мм для лабораторных исследований. Степень деформации составила 83%. Температура начала ковки равна 1200°C, температура конца ковки - 900°C. Охлаждение после ковки выполнялось до 700°C на воздухе, далее - в песке. Штамповый сплав исследовали на механические свойства в холодном и горячем состоянии после закалки и отпуска. Закалка осуществлялась при температуре 1025-1075°C с последующем охлаждением в масле. Твердость после закалки составила HRC 56-58. Отпуск осуществлялся нагревом до температуры в пределах 300-850°C через 50°C. При температуре 850°C после 4 ч выдержки твердость составила HRC 56-57.
Для сравнительной оценки использовался штамповый сплав (прототип) 2Х8ВМ2К8, твердость которого после закалки и отпуска при 650°C составила HRC 54-56, теплостойкость для твердости HRC 45 составила 745°C.
Теплостойкость предлагаемого штампового сплава составляла 850°C после длительного нагрева. Твердость составляла HRC 56-57 при высокой ударной вязкости.
Проведенные испытания показали, что предлагаемый состав штампового сплава обладает оптимальными свойствами, обеспечивает лучшую теплостойкость и механические свойства (твердость, износостойкость и ударная вязкость) по сравнению со штамповым сплавом-прототипом.
Исследования показали увеличение в 1,5-2 раза стойкости инструмента, в частности пуансонов, выполненных из предлагаемого штампового сплава, по сравнению со стойкостью инструмента, выполненного из штампового сплава - прототипа. Это позволяет использовать предлагаемый штамповый сплав для изготовления, например, матриц и пуансонов выдавливания, а также штампов горячего деформирования, рабочая поверхность которых нагревается до 750-850°C.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения повышает эксплуатационную стойкость инструмента вследствие увеличения твердости, теплостойкости и окалиностойкости штампового сплава.