Структура и свойства штамповых сталей с молибденом в литом состоянии

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 209 1976

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ШТАМПОВЫХ СТАЛЕЙ С МОЛИБДЕНОМ В ЛИТОМ состоянии

И. О. ХАЗАНОВ, В. Ф. ЖИДОБИН

Необходимость изучения свойств инструментальных сталей в литом состоянии обусловлена постоянно увеличивающимся объемом использования в промышленности литого инструмента. С технико-экономиче-ской точки зрения литой инструмент обладает по сравнению с инструментом, изготовленным из кованых заготовок, целым рядом преимуществ:

1) меньшая стоимость материала и возможность использования отходов инструментальных сталей внутри предприятия;

2) возможность подшихтовки стали с целью изменения ее химического состава, а, следовательно, и свойств в желаемом направлении;

3) возможность изготовления деталей самой сложной конфигурации,, которая трудно достижима при механической обработке;

4) повышенная в ряде случаев стойкость.

Стали для горячих штампов должны обладать достаточной стабильностью формы, высокой износостойкостью при повышенных температурах и термостойкостью. Увеличение износостойкости при нагреве возможно за счет повышения устойчивости против отпуска и прочностных характеристик при нагреве, а также в результате увеличения количества избыточных карбидов [1]. Но так как эти стали должны, обладать достаточной вязкостью, указанный выше путь может быть использован только в исключительных случаях. В связи с этим возникает вопрос, какие же возможности предоставляются техникой легирования (без увеличения содержания углерода) для повышения формо-устойчивости и, в связи с этим, износостойкости инструмента при нагреве. Известно, что сталь с 0,3—0,4% углерода и 2% хрома при содержании вольфрама 8—10% очень чувствительна к термическим ударам и легко растрескивается, поэтому инструменты, изготовленные из такой стали, быстрее выходят из строя из-за образования глубоких трещин, чем из-за потери размеров вследствие износа [2]. Повысить сопротивление стали термическим ударам можно при легировании ее молибденом [3].

В настоящей работе изучалось влияние молибдена на свойства сталей при дополнительном легировании штамповых сталей 5ХНВ и 4Х8В2, а также при замене Еольфрама молибденом в стали 4Х2В8 (в пропорции 2:1) до полного вытеснения вольфрама. Стали выплавлялись на индукционной установке с кислым тиглем. Шихтой служили отходы инструментальных "сталей и 60%-ный ферромолибден. Разливка сталей производилась в металлические формы. Химический состав сталей приведен в табл. 1.

Твердость стали 5ХНВ в литом состоянии (после отпуска 300°С с выдержкой 6 часов для снятия напряжений) изменяется в зависимости от содержания молибдена от 31 Н1?С до 41 ЬЩС. Минимальную твердость имеет сталь 5ХНВ без добавки молибдена. Наибольшую — сталь с содержанием 1,90 и 2,72% молибдена. Сталь 4Х8В2 после отливки и такого же отпуска имеет твердость 56—57 ИКС независимо от содержания в ней молибдена. Так как при литье в кокиль сталь 5ХНВ не получает твердости, необходимой для штампового инструмента небольших размеров, то ее структура в состоянии непосредственно после отливки не исследовалась.

Таблица 1 *

Номера плавок Химический состав, %

С Сг \У Мо N1 V

1 0,52 0,69 0,98 _ 1,38 _

2 0,56 0,70 1,23 1,00 1,51 —

3 0,55 0,74 1,03 1,90 1,49 —

4 0,54 0,68 1,12 2,72 1,37 —

5 0,35 7,77 2,27 0,98 — —

6 0,40 7,10 2,28 2,32 — _

7 0,41 7,08 2,10 2,94 — —

8 0,36 7,01 2,24 4,69 — —

9 0,32 1,92 8,21 — — 0,52

10 0,38 2,02 6,17 1,27 — 0,48

11 0,40 2,19 3,90 2,20 — 0,51

12. 0,42 2,28 1,88 3,22 — 0,45

13 0,30 1,95 — 4,07 — 0,54

. 14 0,43 4,87 0,71 1,02- — 1,07

' 15 0,50 1,90 2,14 2,06 — 0,46

16 0,48 1,99 2,23 2,12 _ 1,44

*) Содержание марганца, кремния, серы, фосфора во всех плавках и содержание ванадия в плавках 1—8 соответствует ГОСТ 5950-63.

Структура стали 4Х8В2 после отливки — мелкоигольчатый мартенсит; кристаллы мартенсита окружены неравномерной сеткой «светлой» составляющей, имеющей утолщения в стыках зерен и вид прожилок по границам зерен. Структура, имеет явно выраженное дендритное строение. На основании данных измерения микротвердости основного твердого раствора (мелкоигольчатого мартенсита) и «светлой» составляющей высказано предположение [4], что «светлая» составляющая представляет собой более легированный скрытокристаллический мартенсит.

С увеличением содержания молибдена' от 0,98 до 4,69% (плавки 5—8) значительно измельчается зерно стали. Сетка «светлой» составляющей несколько утолщается. Дендритное строение структуры сохраняется.

Структура плавок 9—13 после отливки также состоит из мартенсита и «светлой» составляющей. В структуре плавок 9 и 13 количество «светлой» составляющей меньше; появляются участки повышенной тра-вимости. Они, как правило, расположены в стыках зерен и окружены «светлой» составляющей. В структуре отожженной и закаленной стали

эти участки отсутствуют. Это дает основание полагать, что они являются результатом неравновесной кристаллизации стали.

В качестве предварительной термической обработки был выбран изотермический отжиг с нагревом до 860СС и изотермической выдержкой при 750°С для сталей плавок 5—16 и при 700°С для сталей плавок 1— 4. Твердость" сталей в отожженном состоянии (плавки 1—8) возрастает с увеличением содержания молибдена с 215 НВ в стали 5ХИВ без добавки молибдена до 241 НВ при содержании молибдена 2,72% и со 192 НВ до 217 НВ при содержании молибдена в стали 4Х8В2 0,98 и 4,69%. Твердость сталей плавок 9—13 уменьшается по мере замены вольфрама молибденом с 207 НВ в стали с 8% вольфрама (0% молибдена) до 141 НВ в стали с 4% молибдена (0% вольфрама).

Микроструктура сталей плавок 1—4 в отожженном состоянии — зернистый перлит и участки избыточного феррита. С увеличением содержания молцбдена количество избыточного феррита возрастает, отчетливее выражается дендритное строение. Участки избыточного феррита образуют оси дендритов. Структура плавок 5—16 в отожженном состоянии — сорбитообразный перлит и карбиды.

При выборе оптимального режима окончательной термической обработки было опробовано по шесть температурных режимов закалки для каждой стали. За оптимальные были приняты температуры закалки, обеспечивающие максимальную твердость без наличия в структуре

Рис. 2. Микроструктура стали плавки 15 Рис. 1. Микроструктура стали плавки 15 после закалки с температуры 1200° С в мас-в состоянии после отливки, х 440. Травление ло, х 440. Травление 3%-ным раствором

3%-ным раствором азотной кислоты в спирте азртной кислоты в спирте

»

признаков перегрева. Для сталей плавок 1—4 температурный интервал закалки равен 880—970°С; для сталей плавок 5—8— 1050—1150°С и для сталей плавок 9—16— 1100—1200°С. Анализ изломов и микроструктуры закаленных образцов показал, что при нагреве до указанных температур исследованные стали не склонны к перегреву.

Микроструктура сталей плавок 1—4 в закаленном состоянии1—мартенсит и карбиды. С увеличением содержания молибдена возрастает количество карбидов, и игольчатость мартенсита становится выраженной менее отчетливо.

Основной структурой сталей плавок 5—16 в закаленном состоянии является мартенсит, зерна которого окружены сеткой «светлой» составляющей. Принципиальной разницы между микроструктурой сталей

8. Заказ 3135. 113

в литом и закаленном состояниях нет (рис. 1 и 2). Разница лишь в том, что «светлая» составляющая в закаленном состоянии травится сильнее. Это свидетельствует о некотором выравнивании структуры при отжиге и нагреве под закалку.

ч

$0

к i

48

46

чч

42

\ \

N

ЧОО 425 450 525 т 550 5?5 600 Температура нагоеЗа

Рис. 3. Теплостойкость стали 5ХНВ в зависимости от содержания молибдена. Цифры у кривых — номера плавок

Последовательный отпуск образцов, закал-енных с оптимальных температур, показал, что стали плавок 5—16 склонны ко вторичному твердению. У сталей плавок 5—8 пик вторичной твердости лежит в интервале температур 500—550 °С. С увеличением легированности молибденом пик вторичной твердости смещается к верхнему значению указанного температурного интервала. Стали плавок 9—16 имеют максимальную вторичную твердость в интервале температур 550—600°С. Увеличение содержания молибдена в стали 5ХНВ до 2,72% (плавка 4) вызывает замедление разупрочнения стали при отпуске в интервале температур 500—550°С. Очевидно, здесь также начинают сказываться процессы дисперсионного твердения.

Теплостойкость сталей плавок 1—4 с увеличением содержания молибдена возрастает с 425°С (плавка 1) до 585°С (плавка 4) (рис;. 3). Влияние молибдена на теплостойкость сталей плавок

54

52

SO

48

о

Ос

о

та

£ чч

h-.

» 42

40

В8

!

\ V

V

SW

\\ч\ \ \

\ \ \\ \ \

\\ \ \

60$ ' его В5&

Температура нагреба, °С

Рис. 4. Влияние содержания углерода и ванадия на теплостойкость сталей. Цифры у кривых — номера плавок

5__8 проявляется в меньшей степени. Увеличение содержания молибдена с^0,98%^л(плав^г^ (плавка 8) повышает теплостойкость на 25°С ственно). 114

(560 и 585°С соответ-

Стали плавок 9—12, имеют теплостойкость 630—640°С. Пониженную теплостойкость (590°С) имеет сталь плавки 13. Этому в значительной мере способствовало низкое содержание углерода в этой стали. Наибольшую теплостойкость имели стали плавок 15 и 16 (рис. 4) Эти стали близки по составу к сталям плавок 11 и 12 и отличаются от них содержанием углерода (плавка 15) и содержанием углерода и ванадия (плавка 16).

За теплостойкость принималась температура, при нагреве до которой в течение 6 часов сталь сохраняет твердость 45 ИКС.

Для механических испытаний образцы сталей всех плавок отпускались на твердость 50—51 НИС. Испытания на изгиб и ударную вязкость проводились на стандартных образцах. Средние значения предела прочности при изгибе и ударной вязкости (в обоих случаях испы-тывалось по 5—6 образцов) приведены в табл. 2.

Таблица 2

Номера плавок 5изг. кГ1мм а*. кГм\см* Номера плавок с изг. кГ\мм- ан- кГм\смъ

1 143 1,0 9 275 1,5

2 250 1,4 10 270 1,5

3 244 1,5 11 294 1,5

4 260 1,5 12 293 1,4

5 170 1,0 13 270 1,4

6 200 1,5 14 266 1,75

7 185 1,6 15 251 1,25

8 180 1,25 16 250 1,25

Введение в сталь 5ХНВ 1% молибдена повышает ударную вязкость с 1,0 до 1,4 кгм/см2 и предел прочности при изгибе со 143 до 250 кг/мм2. Увеличение содержания молибдена до 2,72% практически не приводит к дальнейшему повышению механических характеристик этой стали.

Дополнительное легирование стали 4Х8В2 молибденом повышает ударную вязкость и предел прочности при изгибе, но влияние молибдена проявляется в этом случае меньше, чем в стали 5ХНВ.

Вывод

Повышение механических характеристик и теплостойкости литых штамповых сталей 5ХНВ и 4Х8В2 можно достигнуть дополнительным легированием этих сталей молибденом. Оптимальным содержанием молибдена следует считать: в стали 5ХНВ — 1%, в'стали 4Х8В2 — 2,3-2,5%.

ЛИТЕРАТУРА

1. К. Бунгардт, О. Мюльдерс. Черные металлы, 3, 27, 1966.

2. I. Е 1 f m а г k. Metal Treatment and Drop Forging, vol. 33, N 250,1066

3. А. П. Гуляев, С. Л. Рустем, Г. Н. Орехов, Г. П. Алексеева Металловедение и термическая обработка металлов, 7, 2, 1958.

4. И. О. X а з а н о в, Ю. М. Л о з и н с к и й. Известия ТПИ, 162, 270, 1967.