Инструментальные стали для обработки давлением

Штамповые стали, применяемые для изготовления инструмента, предназначенного для изменения формы материала деформированием без снятия стружки, по условиям работы делят на стали для холодного и горячего деформирования.

Штамповые стали легируют хромом (от 0,5 до 13 %), вольфрамом (от 2 до 6 %), молибденом (от 0,6 до 1,8 %), ванадием (до 4 %), кремнием (от 3 до 5 %), никелем (0,5–1 %), марганцем (1,5–2 %), кобальтом (до 0,8 %).

Штамповые стали для холодного деформирования должны иметь высокую твердость, износостойкость, повышенную вязкость (особенно для инструментов, работающих при динамических нагрузках) и теплостойкость. Для обеспечения заданных свойств используются нетеплостойкие углеродистые и легированные стали или полутеплостойкие высокохромистые (3–12 % Cr) с 0,6–1,5 % С, дополнительно легированные ванадием, молибденом, вольфрамом и другими элементами.

Углеродистые и малолегированные стали имеют высокую твердость после закалки (60–63 HRC и выше), достаточную вязкость, хорошую обрабатываемость резанием в отожженном состоянии. Однако пониженная теплостойкость и износостойкость ограничивает их применение на вытяжных и вырубных штампах.

Стали с высоким содержанием хрома (6–12 %) имеют более высокую износостойкость и глубокую прокаливаемость благодаря присутствию в структуре большого числа карбидов хрома, ванадия. Однако при этом снижаются ударная вязкость и прочность и возрастает вероятность выкрашивания рабочих поверхностей инструментов. Такие стали пригодны для инструментов, работающих без значительных динамических нагрузок: для вытяжных и вырубных штампов, матриц прессования порошков.

Термическая обработка этих сталей заключается в закалке от 950–150 ºС и невысоком отпуске (150–250 ºС). Из-за пониженной теплопроводности нагрев под закалку осуществляется ступенчато с предварительным подогревом до 700 ºС.

Высокая температура закалки способствует уменьшению количества нерастворенных карбидов, увеличению содержания хрома в твердом растворе, повышению теплостойкости, но при этом к повышению количества остаточного аустенита и увеличению аустенитного зерна, что приводит к понижению твердости и прочности стали. Для ликвидации этого стали легируют молибденом, вольфрамом и ванадием.

Для изготовления тяжелонагруженных пуансонов и матриц для прессования и высадки, для работы при высоких давлениях (2000–2300 МПа) при холодном и горячем деформировании применяют дисперсионно-твердеющие стали с высоким сопротивлением смятию. Они содержат пониженное количество углерода (0,8–1 %), легированы хромом (4–5 %), вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием (8Х4В2С2МФ, 11Х4В2С2Ф3М, Х5В2С4Ф2НМ). Стали этой группы после высокого отпуска при 520–560 °С (в ряде случаев после многократного отпуска) склонны к дисперсионному твердению.

Дисперсионно-твердеющие стали имеют невысокую твердость, прочность, теплостойкость и удовлетворительную вязкость. Вследствие высокой степени легирования стали обладают высокой прокаливаемостью и стойкостью против перегрева, в связи с чем температура аустенитизации этих сталей довольно высока (выше 1050 ºС), что обеспечивает достаточную полноту растворения карбидов в аустените и образование высоколегированного мартенсита.

Недостатком сталей данного типа является образование крупных избыточных карбидов при отжиге заготовок, что требует применения больших деформаций для раздробления крупных карбидных фаз.

Высокопрочные стали с повышенной ударной вязкостью имеют высокую прочность и пониженную теплостойкость и предназначены для изготовления инструмента, работающего при динамическом нагружении. Упрочнение сталей осуществляют закалкой и низким отпуском (7ХГ2ВМ, 7ХГНМ) или путем дисперсионного твердения (6Х6ВЗМС, 6Х4М2ФС). Важным для этих сталей является минимальное изменение объема при закалке, что достигается в низкоотпущенных сталях сохранением значительных количеств остаточного аустенита (18–20 %).

Дисперсионно-твердеющие стали характеризуются более высокой теплостойкостью, сопротивлением смятию и износостойкостью по сравнению с низкоотпущенными.

Стали типа 6Х6ВЗМФС и 6Х4М2ФС применяют для инструментов, работающих при значительных динамических нагрузках и давлениях до 1500 МПа (высадочные пуансоны и матрицы, гильотинные ножницы и др.), стали типа 7ХГ2ВМ и 7ХГНМ – для инструмента прецизионной вырубки, пробивки и т. п.

Штамповые стали для горячего деформирования предназначены для изготовления инструментов (штампов), работающих при повышенных температурах, многократных теплосменах (нагрев и охлаждение), динамических нагрузках, а в ряде случаев и при значительном коррозионном воздействии обрабатываемого металла. Поэтому эти стали должны иметь высокую теплостойкость, вязкость, сопротивление термической усталости (разгаростойкость), коррозионную стойкость (окалиностойкость).

Теплостойкость штамповых сталей обеспечивается комплексным легированием вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием, иногда кобальтом.

Сопротивление термической усталости (разгаростойкость) – специ-фическое свойство штамповых сталей, характеризует устойчивость стали к образованию поверхностных трещин при многократных теплосменах. Разгаростойкость тем выше, чем больше вязкость стали и меньше коэффициент теплового расширения.

Большинство штамповых сталей являются сталями с карбидным упрочнением, т. е. эти стали упрочняются путем закалки на мартенсит и отпуска, однако в ряде случаев в качестве штамповых могут применяться мартенситно-стареющие стали с интерметаллидным упрочнением.

Содержание углерода в штамповых сталях для горячего деформирования пониженное и составляет для разных групп сталей 0,3–0,6 %.

По основным свойствам штамповые стали для горячего деформирования подразделяют на стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости, стали повышенной теплостойкости и вязкости и стали высокой теплостойкости.

Стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости содержат относительно небольшие количества карбидообразующих элементов (Сr, W, Мо) и легированы повышенным количеством никеля и марганца для увеличения прокаливаемости и обеспечения повышенной ударной вязкости.

По содержанию углерода эти стали относят к эвтектоидным или доэвтектоидным. Благодаря небольшим количествам легирующих элементов при отпуске в сталях этой группы выделяется в основном легированный цементит Ме₃С и в небольших количествах специальные карбиды Ме₂₃С₆, Ме₆С, в сталях с ванадием МеС. Стали предназначены в основном для крупных прессовых и молотовых штампов, поэтому они должны обеспечить повышенную вязкость в сечениях до 700–800 мм. Типовой термообработкой является закалка с высоким отпуском. В связи с тем что карбид Ме₃С сравнительно легко растворяется при аустенитизации, такие стали, как 5ХНМ или 5ХНВ, необходимо нагревать под закалку до невысокой температуры (порядка 920–950 °С). Стали, легированные ванадием и содержащие кроме цементита карбиды Ме₆С и МеС, характеризуются большей устойчивостью к перегреву и могут нагреваться под закалку до 980–1020 °С. Структура, получаемая после закалки, зависит от состава стали и размера штампа. Как правило, в крупногабаритных штампах при закалке получают смешанную мартенситно-бейнитную структуру, а также остаточный аустенит. Соотношение между этими составляющими зависит от состава стали. Наименьшую прокаливаемость имеют стали типа 5ХНВ, поэтому их используют для штампов со стороной не более 250–300 мм. Более высокую прокаливаемость имеют стали 4ХСМФ, ЗХ2МНФ и особенно 5Х2МНФ. В общем случае бейнитная структура для штамповых сталей менее желательна, чем мартенситная, так как характеризуется меньшей теплостойкостью и менее склонна к дисперсионному твердению. Кроме того, образование бейнита может приводить к понижению пластичности и ударной вязкости.

Наиболее высокое сочетание прочности и пластичности у стали 5Х2МНФ. Она имеет наиболее высокое сопротивление термомеханической усталости.

Для небольших молотовых штампов применяют сталь 5ХНВ или 5ХНМ. При ужесточении требований по теплостойкости используют стали 4ХСМФ и 3Х2МНФ. Для крупногабаритных тяжело нагруженных молотовых штампов применяют сталь 5Х2МНФ. Стойкость штампов из стали 5Х2МНФ примерно в 1,5–2,0 раза выше, чем из стали 5ХНМ.

Стали повышенной теплостойкости и вязкости, в отличие от сталей умеренной теплостойкости, содержат повышенное количество карбидообразующих элементов при пониженном содержании углерода: 0,3–0,4 %. Стали этой группы наиболее широко применяют для изготовления инструментов горячего деформирования и форм литья под давлением. В отожженном состоянии в структуре сталей имеются карбиды типа Ме₂₃С₆, Ме₆С, МеС. Стали этой группы (4Х5МФС, 3Х3М3Ф, 4Х4ВМФС и др.) характеризуются более высокой теплостойкостью и прочностью при рабочих температурах по сравнению со сталями умеренной теплостойкости (5ХМН и 5ХМВ).

Повышение температуры нагрева под закалку увеличивает теплостойкость сталей, твердость после закалки вследствие растворения карбида Ме₆С, однако при этом значительно растет зерно аустенита. Твердость стали после закалки зависит от содержания в мартенсите углерода и легирующих элементов. Стали этой группы обычно закаливают в масле от температуры аустенитизации, обеспечивающей наибольшую твердость при сохранении размера аустенитного зерна балла 9–10. В ряде случаев, когда определяющим свойством является износостойкость, температуры аустенитизации могут быть повышены.

Стали этой группы являются дисперсионно-твердеющими. Максимум твер­дости в них достигается после отпуска при 500–550 °С в течение полутора-двух часов, однако теплостойкость сталей зависит в основном не от уровня твердости, полученной при дисперсионном твердении, а от скорости разупрочнения при более высоких температурах.

Прочностные свойства теплостойких сталей при комнатной температуре в основном определяются твердостью и мало зависят от их состава. Пластичность и ударная вязкость сталей этой группы снижаются с увеличением содержания карбидообразующих элементов. Прочностные свойства при повышенных температурах (до 600–610 °С) после обработки на твердость 47–49 НRС примерно одинаковы для всех сталей, что обусловлено достаточной устойчивостью этих сталей к отпуску, небольшими различиями в количестве карбидной фазы и составе твердого раствора. Сопротивление хрупкому разрушению, а также сопротивление термомеханической усталости теплостойких сталей растет с уменьшением прочности и повышением пластичности, износостойкость при повышенных температурах в основном определяется теплостойкостью и прочностью стали.

Стали типа 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х5МФ1С применяют для инструментов, работающих в условиях длительных теплосмен до температур 600–630 °С (например, для горизонтальных прессов – пресс-штемпелей, иглы для прошивки труб и т. д.).

Наиболее теплостойкие стали 4ХЗВМФ и 4Х4ВМФС используют для инструментов, работающих в условиях высоких удельных давлений (800–1500 МПа) и температур 650–660 °С (деформирование коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов).

Стали высокой теплостойкости отличаются более высоким содержанием карбидообразующих элементов: вольфрама, молибдена и ванадия, некоторые из сталей этой группы дополнительно легируют кобальтом в количестве 8–15 %. В зависимости от легирования стали высокой теплостойкости могут иметь карбидное (3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ, 5ХЗВ3МФС) или смешанное карбидно-интер­металлидное упрочнение (2Х6В8М2К8, 3ХЮВ7М2КЮ). Упрочняющими фазами в сталях этой группы являются карбиды Ме₆С и МеС, а при легировании кобальтом – интерметаллиды (Fe, Co)₂ W, (Fe, Co)₇ W ₆. Фазовый состав сталей и их свойства зависят от количества углерода и суммарного содержания W + Мо (рис. 5.10).

 

Рис. 5.10. Фазовый состав штамповых сталей после отпуска (700 °С)

(I – пониженная теплостойкость, II – высокая теплостойкость и разгаростойкость,

III – высокая теплостойкость и пониженная разгаростойкость, IV – низкая твердость)

Стали этой группы характеризуются высокой устойчивостью к перегреву, что обусловлено наличием труднорастворимых карбидов. Наиболее высокая теплостойкость и разгаростойкость достигаются в сталях (область II) с пониженным содержанием углерода, легированных кобальтом и содержащих вольф­рам и молибден с суммарным количеством около 9–10 % (3ХЮВ7М2КЮ, 2Х6В8М2К8). Повышенные содержания углерода снижают теплостойкость стали (область I), высокие значения вольфрама и молибдена снижают ударную вязкость и разгаростойкость. Наиболее легированные стали этой группы сохраняют теплостойкость до 700–750 °С, что объясняется наличием интерметаллидов.

Стали типа 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ, 5Х3В3МФС применяют для изготовления тяжело нагруженного инструмента прессов и горизонтально-ковочных машин в условиях разогрева до 680–690 °С. Его используют при горячем деформировании легированных сталей и жаропрочных сплавов. Для повышения стойкости штампов против истирания их дополнительно азотируют. Из сталей типа 3ХЮВ7М2КЮ, 2Х6В8М2К8 изготавливают пуансоны для горячего прессования жаропрочных металлов и сплавов.

 

 

6. ТИТАНОВЫЕ, МЕДНЫЕ И АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Титан и его сплавы

Важнейшее преимущество титана и титановых сплавов перед другими конструкционными материалами – это высокая удельная прочность и жаропрочность в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью, практическое отсутствие хладноломкости наряду с высокой удельной прочностью. Кроме того, титан и его сплавы, несмотря на плохую обрабатываемость резанием, хорошо свариваются, обрабатываются давлением в холодном и горячем состоянии, термически упрочняются, что имеет важное значение для их применения в ряде отраслей техники. Это относится в первую очередь к авиа-, ракето- и судостроению, химическому, пищевому и транспортному машиностроению.

Титан – металл серебристо-белого цвета с плотностью ρ = 4,505 г/см³ и температурой плавления 1672 °С. Титан может находиться в двух полиморфических модификациях: Ti _α до 882 ºС с гексагональной плотноупакованной решеткой и высокотемпературной Ti _β выше этой температуры с объёмно центрированной кубической решеткой до температуры плавления. Имеет высокие механические свойства (σ_В = 300 МПа, δ = 40 %), не имеет температурного порога хладноломкости, парамагнитен. Титан легкий, прочный, тугоплавкий, коррозионно-стойкий за счет возникновения оксидной пленки TiO ₂.

Механические свойства титана определяются составом: чем в нем меньше примесей, тем ниже прочность и выше пластичность (рис. 6.1). Характерная особенность титана – необычайно высокая чувствительность к примесям атмосферных газов – кислороду, азоту, водороду и углероду, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: оксиды, нитриды, гидриды, карбиды, повышая его характеристики прочности и снижая пластичность.

 

Рис. 6.1. Влияние примеси кислорода на механические свойства титана

 

Кроме того, ухудшается обработка давлением, свариваемость и коррозионная стойкость. Поэтому содержание этих примесей ограничивается сотыми и тысячными долями процента.

Полиморфизм титана, хорошая сплавляемость с другими металлами дают широкие возможности получения сплавов на основе титана с самыми разными механическими свойствами благодаря легированию, термической обработке, деформационному упрочнению.

Элементы, легирующие титан, подразделяются:

· на повышающие температуру полиморфного превращения и расширяющие область существования α-модификации: Al, Ga, La, C, O, N;

· понижающие температуру полиморфного превращения и расширяющие область существования β-модификации: Mo, V, Nb, Ta, Hf, W, Cr, Mn, Fe, Co и др.

Алюминий является основным легирующим элементом для титана и содержится почти во всех промышленных сплавах. Образуя с титаном твердый раствор, он повышает удельную прочность сплава, жаропрочность, модуль упругости, уменьшает склонность к водородной хрупкости. Из-за уменьшения технологической пластичности содержание Al ограничивается 7 %.

Для повышения рабочих характеристик жаропрочных сплавов с высоким содержанием алюминия главным образом используют добавки ванадия, молибдена и вольфрама.

Цирконий повышает термическую стабильность, увеличивает предел ползучести, прочность при низких и средних температурах, уменьшает склонность к хладноломкости и улучшает свариваемость.

Хром считается одной из наиболее перспективных легирующих добавок к титану наряду с молибденом. Сплавы титана с хромом отличаются превосходным сочетанием прочности и пластичности (рис. 6.2).

 

 

Рис. 6.2. Твердость сплавов титана с различным содержанием хрома после отжига
при температуре 600 ºС (1) и охлаждения из β -области с различными скоростями:
резкая закалка в растворе щелочи (2), закалка в воде (3), охлаждение на воздухе (4)

Ниобий – повышает стабильность поверхности, увеличивает жаростойкость при высоких температурах.

В связи с определенным характером действия на титан различных легирующих элементов промышленные сплавы по типу структуры могут быть подразделены на три группы: титановые сплавы на основе Ti _α, сплавы на основе Ti _β и двухфазные (α+β) -титановые сплавы.

Промышленные титановые сплавы с (α+β) -структурой целесообразно подразделить на три группы: псевдо-α-сплавы с небольшим количеством β -фазы (Ti _β) со свойствами, близкими к α-сплавам (Ti _α), типичные (α+β) -сплавы и псевдо- β -сплавы. Псевдо- β -сплавы представляют собой сплавы на основе Ti _β. В отожженном состоянии их физико-механические и технологические свойства типичны для β -сплавов, однако β -фаза у этих сплавов термически нестабильна.

По уровню характеристик прочности титановые сплавы классифицируют на высокопластичные и малопрочные, среднепрочные и высокопрочные, жаропрочные, коррозионно-стойкие.

По способности упрочняться с помощью термической обработки – на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. По технологии производства – на деформируемые и литейные.

Деформируемые титановые сплавы с α -структурой, содержащие в основном алюминий, характеризуются невысокой прочностью и не упрочняются при термической обработке. Они хорошо свариваются и имеют высокие механические свойства при криогенных температурах, устойчивы против коррозии в атмосферной среде, загрязненной газами до температуры 1090 °С; сохраняют высокую прочность при нагреве до 650 °С (ВТ5–1, ОТ4–0, ОТ4, ВТ20, ВТ18, ВТ–6, ВТ14, ВТ3–1, ВТ25 и др.). Однако их пластичность хуже, чем у двухфазных сплавов.

Двухфазные титановые (α+β) -сплавы характеризуются хорошим сочетанием механических и технологических свойств. Эти сплавы обладают почти удвоенной прочностью по сравнению с чистым титаном, однако эта прочность сохраняется до температуры 430 °С. Большинство этих сплавов лучше поддаются деформированию, чем однофазные сплавы. Но их сварка затруднена, так как они при сварке теряют пластичность, а швы приобретают хрупкость. После закалки в них образуется структура мартенситного типа.

Увеличение количества β -фазы в сплавах до 50 % обеспечивает двухфазным титановым сплавам самую высокую прочность как в отожженном, так
и в закалённом состояниях.

Однофазные β -сплавы имеют наиболее высокую коррозионную стойкость. Сплавы с β -структурой реже применяются в промышленности из-за чувствительности к загрязнению газами при нагреве.

Литейные титановые сплавы (ВТЛ1, ВТ14Л, ВТ5Л и др.) имеют небольшой температурный интервал кристаллизации, высокую жидкотекучесть и хорошую плотность отливки. Титановые сплавы этой категории склонны к поглощению газов, поэтому разливку надо проводить в вакууме или в среде нейтральных газов. Для получения отливок используют чугунные или стальные формы, а также оболочковые и керамические формы.

Для фасонного литья применяют сплавы, близкие по химическому составу некоторым деформируемым сплавам (ВТ5Л, ВТ14Л), а также специальные литейные сплавы.

Деление конструкционных титановых сплавов по типу структуры и характеристикам прочности, их химический состав приведены в таблице 6.1.

 

Таблица 6.1