Холодноштамповой стали повышенной вязкости

Цель работы: провести сравнительные исследования микроструктуры и механических свойств сталей 4ХВ2С (5ХВ2С, 6ХВ2С) на закаленных и отпущенных образцах и после изотермической закалки.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Доэвтектоидные хромокремнистые стали 4ХС, 6ХС и дополнительно легированные вольфрамом 4ХВ2С, 5ХВ2С и 6ХВ2С образуют группу сталей повышенной вязкости (табл. 1), используемых для изготовления инструментов, деформирующих металл со значительными ударными нагрузками (ножи холодной резки металла, зубила, гибочные штампы, обжимные матрицы и др.). Эти стали после закалки и отпуска сохраняют сравнительно высокую твердость (50 – 55 HRC), но обладают большей вязкостью, чем заэвтектоидные и тем более ледебуритные стали. Повышение вязкости сталей достигается снижением содержания углерода (до 0,4 – 0,6 %) и увеличением температуры отпуска.

 

 

Таблица 1. Химический состав некоторых штамповых сталей

повышенной вязкости (по ГОСТ 5950-73)

 

Марка стали	Содержание основных элементов, %
С	Cr	Si	Мn	W
4ХС 6ХС 4ХВ2С 5ХВ2С 6ХВ2С	0,35-0,45 0,60-0,70 0,35-0,44 0,45-0,55 0,55-0,65	1,30-1,60 1,00-1,30 1,00-1,30 1,00-1,30 1,00-1,30	1,20-1,60 0,60-1,00 0,50-0,80 0,50-0,80 0,50-0,80	≤0,40 ≤0,40 0,15-0,40 0,15-0,40 0,15-0,40	- - 2,00-2,50 2,00-2,50 2,20-2,70

 

Вследствие влияния хрома и кремния стали имеют сравнительно хорошую прокаливаемость и получают высокую и равномерную твердость в сечении до 40 – 50 мм. Хромокремнистые стали обладают большей устойчивостью против отпуска (по сравнению с углеродистыми сталями), что позволяет нагревать их при отпуске до более высоких температур и получать большую вязкость (при одинаковой твердости). Вольфрам способствует сохранению более мелкого зерна при нагреве под закалку, что обеспечивает получение большей вязкости в отпущенном состоянии.

Легированную доэвтектоидную сталь поставляют в отожженном состоянии или после высокого отпуска с твердостью: для сталей 4ХС, 6ХС – 107-229 НВ; 4ХВ2С, 5ХВ2С, 6ХВ2С – 179-285 НВ.

Доэвтектоидные легированные штамповые стали подвергают закалке в масле с температур 840 – 900 ⁰С (табл. 2). Повышение температуры закалки сталей этой группы, вызывая рост зерна, понижает ударную вязкость, получаемую после отпуска при низких температурах, и усиливает отпускную хрупкость. При этом стали с вольфрамом имеют более мелкое зерно и большую вязкость в отпущенном состоянии, чем хромокремнистые стали с таким же содержанием углерода.

Обработка холодом не используется, поскольку стали этой группы должны сохранять остаточный аустенит и повышенную вязкость.

 

Таблица 2. Температуры закалки доэвтектоидных штамповых

сталей для холодного деформирования

 

Марка стали	Температура закалки, 0С	Твердость после закалки, HRC
4ХС 6ХС 4ХВ2С 5ХВ2С 6ХВ2С	870-890 840-860 870-900 870-900 850-875	52-54 58-60 52-56 54-57 58-60

 

Стали 4ХС и 6ХС отпускают на твердость 52 – 55 HRC при температуре 240 – 270 ⁰С, которая несколько ниже температуры проявления отпускной хрупкости первого рода. В них обнаруживается характерное для хромокремнистой стали снижение ударной вязкости после отпуска при 300 – 570 ⁰С. Ударная вязкость снижается от 0,5 – 0,55 МДж/м² (после отпуска при 200 – 250 ⁰С) до 0,2 – 0,3 МДж/м² (после отпуска при 300 – 570 ⁰С) при одновременном уменьшении твердости и прочности.

Отпуск сталей с вольфрамом 4ХВ2С, 5ХВ2С, 6ХВ2С при 300 – 400 ⁰С также снижает ударную вязкость по сравнению с более низкими температурами отпуска, однако меньше, чем в сталях 4ХС и 6ХС. Повышение температуры отпуска до 400 – 450 ⁰С, не вызывающее значительного снижения твердости и прочности, позволяет получить большую ударную вязкость, чем после низкого отпуска. Поэтому отпуск осуществляется при температуре 200 – 250 ⁰С на твердость 53 – 58 HRC или, при необходимости получения большей вязкости – при температурах 430 – 470 ⁰С на твердость 45 – 50 HRC.

Сталь 5ХВ2С, закаленная и отпущенная на твердость 50 – 54 HRC, имеет небольшую ударную вязкость 0,2 – 0,3 МДж/м². Низкая вязкость является причиной выхода инструмента из строя. Повысить ударную вязкость можно изотермической закалкой.

Изотермическая закалка целесообразна для инструментов, обрабатываемых на твердость 45 – 55 HRC, для повышения вязкости по сравнению с получаемой непрерывной закалкой и отпуском на ту же твердость. Сталь получает бейнитную структуру и повышенное количество остаточного аустенита. Кроме того, вязкость повышается вследствие уменьшения напряжений из-за отсутствия мартенситного превращения и возможности предупреждения отпускной хрупкости первого рода, возникающих у многих сталей с мартенситной структурой при отпуске на твердость 45 – 55 HRC.

При твердости ниже 43 – 44 HRC, получаемой при изотермической закалке при повышенных температурах, сохраняется меньше остаточного аустенита, вязкость не превышает вязкости продуктов распада, образующихся при более высоких температурах отпуска закаленной на мартенсит стали.

Сталь 5ХВ2С, закаленная изотермически в расплаве солей состава 55% KNO₃ + 45% NaNO₃ при температурах бейнитного превращения 240 – 300 ⁰С на твердость 53 – 54 HRC, имеет ударную вязкость в два раза выше, чем после обычной закалки с отпуском на ту же твердость.

Сталь 6ХВ2С имеет максимальную ударную вязкость при изотермической закалке на твердость 52 – 57 НRС, причем в этом случае ударная вязкость так же в 2 – 3 раза выше вязкости закаленной и отпущенной на ту же твердость стали (см. рис.).

 

 

Рис. Вязкость сталей 6ХС (1) и 6ХВ2С (2) в зависимости от температуры испытания: а – закалка на мелкое зерно и отпуск

при 250 °С; б – изотермическая закалка при 250 °С.

Выполнение работы

Работа проводится на ударных образцах (10х10х55 мм) стали марки 4ХВ2С.

1. В исходном состоянии изучили микроструктуру, замерили твердость, определили ударную вязкость.

2. Образцы нагрели до температуры 900 – 950 ⁰С, выдержали в печи 25 мин. и закалили в масле.

3. На одном из закаленных образцов изучили микроструктуру, замерили твердость, определили ударную вязкость.

4. Закаленные образцы подвергли отпуску при температурах 250, 300. 400 ⁰С с выдержкой 1 ч. и охлаждением на воздухе.

5. На отпущенных образцах изучили микроструктуру, замерили твердость, определили ударную вязкость.

6. Три образца нагрели до температуры 950 – 1000 ⁰С, выдержали в печи 20 – 25 мин. и подвергли изотермической закалке, для чего по одному образцу перенесли в ванны с расплавленной солью с температурами 250, 300, 400 ⁰С. Выдержка в ваннах 30 мин.

7. Изучили микроструктуру и свойства на образцах после изотермической закалки.

Рис.1.Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита стали 4ХВ2С

Рис.2.Закалка 950°С

Рис.3.Закалка 950°С+0тпуск 400°С

Рис.4.Закалка 950°С+0тпуск 300°С

Рис.5.Закалка 950°С+0тпуск 250°С

Рис.6.Изотермическая выдержка 400°С

Рис.7.Изотермическая выдержка 300°С

Рис.8.Изотермическая выдержка 250°С

 

 

Результаты исследований занесли в таблицу

Вид термической обработки	Температура нагрева, 0С	Твердость, HRC	Ударная вязкость, МДж/м2	Микроструктура
Закалка в масле			18,23	Мартенсит закалки + Карбиды
Отпуск после закалки при 900 0С			58,99	Мартенсит отпущенный
		28,45	Бейнит нижний + Карбиды
		42,25	Бейнит верхний + Карбиды
Изотермическая закалка 950 0С			62,23	Мартенсит + Карбиды
		67,68	Бейнит нижний + Карбиды
		18,13	Бейнит верхний + Карбиды

 

 

График зависимости ударной вязкости от температуры

 

График зависимости твердости от температуры

 

Вывод: сталь 4ХВ2С закаливают с 900 ⁰С в масле и отпускают. При повышении температуры отпуска твердость падает, а ударная вязкость повышается. Структура – мартенсит отпущенный.

Повысить ударную вязкость можно изотермической закалкой.

Структура – бейнит + аустенит остаточный. Относительно мартенсита отпущенного бейнит имеет более высокие значения ударной вязкости.

 

 

Лабораторная работа №6