Исследование структуры и свойств штамповых сталей в литом состоянии

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 162 Г™

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ШТАМПОВЫХ СТАЛЕЙ В ЛИТОМ СОСТОЯНИИ

И. О. ХАЗАНОВ, Ю. М. ЛОЗИНСКИЙ

В настоящее время вопросу использования инструментальных сталей в литом состоянии для некоторых видов инструмента придается особое значение. По имеющимся в литературе данным, штамповый инструмент, изготовленный из литых заготовок, не уступает по стойкости кованому, а во многих случаях значительно превосходит его стойкость [1,3,4]. Так, некоторые авторы указывают, что стойкость литых штампов в 1,5— 2,5 раза выше [1, 3, 8], а стоимость их изготовления в 4—7 раз ниже, чем кованых. Такая высокая стойкость литого инструмента связана с некоторыми особенностями литого металла.

Известно, что сталь в литом состоянии имеет более однородную прочность в разных направлениях, в то время как кованая сталь обладает пониженной прочностью в направлении, перпендикулярном волокнам. Кром'е этого установлено, что литая сталь имеет износостойкость в 1,5— 3,0 раза выше, чем кованая [2, 5], обладает более высоким пределом длительной прочности и повышенной жаропрочностью [6].

Наряду с этими преимуществами литая сталь имеет ряд недостатков, как, например, пониженные пластические свойства. Поэтому при оценке целесообразности применения литых штампов следует учитывать конкретные условия работы инструмента и свойства данной стали в литом состоянии.

Целью настоящей работы было исследование структуры и некоторых свойств штамповых сталей 4Х8В2 и ЗХ2В8Ф в литом состоянии. Сталь выплавлялась в индукционной печи в кислом тигле. Вес плавки составлял от 2 до 6 кг. В качестве раскислителя применялся алюм'йний из расчета 0,1% от веса плавки.

Разливка металла производилась в металлические формы—трефы, позволяющие получать образцы без наличия усадочной пористости.

Химический состав выплавленных сталей приведен в табл. 1. Образцы из стали 4Х8В2 после отливки имели твердость 55—56 ННС, а из, ЗХ2В8Ф — НИС = 46. Исследуемые стали подвергались отжигу по режиму: нагрев до температуры 860°С, выдержка 3 часа, затем охлаждение до температуры 750°С с выдержкой 3 часа, после чего охлаждение до температуры 500°С со скоростью 30—40°/час с последующей выдачей на воздух. Твердость после такого отжига составляла для стали 4Х8В2 НВ=183 кг/мм2, а для стали ЗХ2В8Ф — НВ = 192 кг/мм2. Структура

данных сталей в литом состоянии состоит из*м'артенсита и расположенной в виде сетки «светлой составляющей» (рис. 1). После отжига основная структура представляет собой зернистый перлит, а на месте «светлой»

Таблица 1

№ плавки Химический состав в %

С Сг * XV V

1 0,44 7,60 2,38 ___

2 0,32 7,92 2,24 —

3 0,31 2,36 7,77 0,21

4 0,40 2,05 7,81 0,46

составляющей образовались продукты ее распада с большим количеством мелкодисперсных карбидов (рис. 2). В данной работе было проведено измерение микротвердости структурных составляющих исследуемых ста-

Рис. 1.

лей в литом и отожженном состоянии. Замеры производились на приборе ПМТ-3 при нагрузках 20 и 50 г. Твердость «светлой составляющей» ли-той стали 4Х8В2 составила НУ = 741 кг!мм2, а у стали ЗХ2В8Ф — НУ = 738 кг/мм2, в то врем'я как твердость мартенсита у них была соответственно НУ = 510 кг/мм2 и НУ = 496 кг,/мм2.

После отжига твердость основной структуры, зернистого перлита, у стали 4Х8В2 была НУ = 231 кг/мм2, а более мелкодисперсные участки (продукты распада «светлой составляющей») имели твердость 297 кг!мм2. Для стали ЗХ2В8Ф эти значения составили соответственно 268 кг/мм2 и 316 кг/мм2. По-видимому, «светлая составляющая» представляет собой более легированный углеродом не травящийся мартенсит. В некоторых

местах, в центральной части «светлой составляющей», заметны включения первичных карбидов.

Наличие в структуре «светлой составляющей», по всей вероятности, связано с явлением ликвидации углерода и других легирующих элементов в период кристаллизации стали. После отжига эта структурная составляющая распадается на более мелкодисперсную феррито-карбид-ную смесь с большим количеством карбидов, что приводит к 'несколько повышенной твердости этих участков по сравнению с основной структурой. Таким образом, повышение сопротивления износу литой стали., связано с наличием в ее структуре твердого каркаса более легированного, ликвационного мартенсита («светлой составляющей»).

В работе проводилось определение оптим'альных режимов термической обработки литых сталей 4Х8В2 и ЗХ2В8Ф. Исследование температур нагрева под закалку производилось в температурном интервале 980— 1200°С для стали 4Х8В2 и 1080—1250°С для стали ЗХ2В8Ф. Нагрев под закалку производился в соляной ванне, а охлаждение в расплаве щелочи, нагретой до температуры 400—450°С, с последующим переносом образ-• цов на воздух. За оптимальную температуру закалки принималась такая температура, при закалке с которой сталь получала максимальную твердость и наибольшую теплостойкость при последующем отпуске, без наличия в стали перегрева.

Оптимальная темпера1ура отпуска должна определяться в зависимости от условий работы инструмента. Для штам'пов, работающих с большими динамическими нагрузками, отпуск производится при "более высокой температуре, чем для инструмента, выходящего из строя по причине износа рабочих поверхностей [7].

В работе определена оптимальная температура нагрева под закалку: для литой стали 4Х8В2 — 1120— 1150°С, а для литой стали ЗХ2В8Ф — 1170—1200°С. Зависимость твердости закаленных сталей от температуры отпуска представлена на рис. 3. (время выдержки при температуре отпуска составляло 3 часа).

Как видно из рис. 3, теплостойкость данных сталей в значительной степени зависит от содержания в них углерода. За теплостойкость принималась температура 3-часового отпуска, после которого сталь имела твердость НИС = 45. При понижении содержания углерода в стали 4Х8В2 от 0,44% до 0,32 % теплостойкость падает с 600 до 555°С. У стали ЗХ2В8Ф при уменьшении содержания углерода от 0,40 до 0,31%' тепло-

0 480 500 330 540 560 580 ЬОО 620 640 660

Темперотую оттека, °С

Рис. 3. Зависимость твердости закаленной стали от температуры отпуска: -сталь 4X8В2 с 0,44%С,

— сталь 4Х8В2 с 0,32% С,

— — сталь ЗХ2В8Ф с 0,40%С,

— сталь ЗХ2В8Ф с'0,31% С

стойкость снижается соответственно с 640 до 600°С. Это говорит о том, что содержание углерода в данных сталях необходимо держать ближе к верхнему пределу интервала, предусмотренного ГОСТом. При изготовлении штампового инструмента методом отливки представляется возможность регулировать содержание углерода в стали в нужном интервале.

В работе проводилось сравнение некоторых свойств исследуемых сталей в литом и кованом состоянии. Различия в теплостойкости литой и кованой стали не обнаружено.

Было проведено исследование механических и физических свойств данных сталей. Испытания на ударную вязкость проводились на образцах размером 10X10X55 мм с надрезом, предел прочности при разрыве определялся на стандартных образцах Гагарина.

Результаты механических и физических испытаний литых и кованых сталей приведены в табл. 2. Как видно из табл. 2, предел прочности при разрыве литых сталей не уступает прочности кованых сталей. Однако ударная вязкость сталей в литом состоянии значительно ниже, чем у кованой стали. Электрическое сопротивление литой стали 4Х8В2 в диапазоне твердостей НКС = 39,5—51,5 ниже, чем у кованой. Так как электрическая проводимость—величина обратная электрическому сопротивлению, то можно говорить, что электрическая проводимость стали 4Х8В2 в литом состоянии выше, чем у кованой стали. Вследствие того, что электрическая проводимость изменяется подобно теплопроводности [2], то, по всей вероятности, литая сталь 4Х8В2 обладает большей теплопроводностью, чем кованая. Следует отметить,. что сталь ЗХ2В8Ф имеет мень-

18. Заказ 5931

273

шее электрическое сопротивление и соответственно большую электриче-скую проводимость, чем сталь 4Х8В2.

Таблица 2

Марка стали и ее состояние Твердость, HRC Ак, кг м ¡см2 а в, кг ¡мм2 Электрическое сопротивление, ом-мм2 м

4Х8В2, литая 51,5 45 1,63 1,81 171 154 0,477 0,437

39,5 2,25 — 0,418

4Х8В2, кованая 52,5 45 2,66 3,68 177 159 0,502 0,464

42,5 5,05 143 0,461

ЗХ2В8Ф, литая 50 1,23 184 —

ЗХ2В8Ф, кованая > 53 47 2,22 2,84 205 160 0,388 0,332

40 3,46 137 0,308

/

Выводы

1. В структуре литых сталей ЗХ2В8Ф и 4Х8В2 имеется расположен-йая в виде сетки «светлая составляющая», которая обладает высокой твердостью (HV = 738—741 кг/мм2). Повышенная износостойкость литой стали в значительной степени связана с наличием в ее структуре «светлой составляющей», имеющей высокую твердость.

2. Температура, нагрева под закалку литых сталей должна выбираться несколько выше, чем для кованой стали (для стали 4Х8В2—1120— J 150°С, а для ЗХ2В8Ф — i 170—1200°С).

3. Понижение содержания углерода от 0,44—0,40% в сталях ЗХ2В8Ф и 4Х8В2 на 0,1—0,12% приводит к снижению теплостойкости этих сталей на 40—45°С.

4. Предел прочности при разрыве литых сталей не уступает прочности кованых сталей, при более низкой ударной вязкости.

5. Литая сталь 4Х8В2 обладает меньшим электрическим сопротивлением и соответственно большей электрической проводим'остью, чем кованая.

ЛИТЕРАТУРА

1. Э. Эмингер, В. Кошелев. Литой инструмент, Машгиз, 1962.

2. Э. Гудремон. Специальные стали, том 1, 11, Москва, 1959.

3. Я. М. Охр им ей ко и др. Ковочные штампы и их эксплуатация, Москва, 1963.

4. Harvey R. F. «Metal treatment and Drop Forging», № 236, vol. 32, 1965.

5. H. Uhlitzsch. «Neue Hütte», № 1, 1958.

6. С. С. Д ь я ч е н ко, Р. С. К а п л а н. Вестник Харьковского политехнического института, выпуск 1, № 5, 1965.

7. Ю. А. Геллер. Инструментальные стали, Металлургиздат, 1961.

8. И. О. X я з а н о в, В. И. Краснов. Сборник рационализаторских предложений, >J12, Москва, 1962.