Инструментальная штамповая сталь

Инструментальная штамповая сталь

Реферат

Изобретение относится к металлургии, а именно к разработке инструментальной штамповой стали для штампов холодного деформирования повышенной производительности и технологического оборудования.

Известна инструментальная штамповая сталь Х6ВФ ГОСТ 5950-73. Сортовой прокат. [Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г.Сорокина // М.: Машиностроение, 1989. С.384] следующего химического состава:

Углерод	1,05-1,15
Хром	5,5-6,5
Вольфрам	1,1-1,5
Молибден	0,01-0,3
Ванадий	0,5-0,8
Марганец	0,15-0,40
Кремний	0,15-0,35
Никель	0,01-0,35
Фосфор	0,001-0,03
Сера	0,001-0,03
Медь	0,001-0,3

Известна другая инструментальная штамповая сталь Х12Ф1 ГОСТ 5950-73. Сортовой прокат. [Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г.Сорокина // М.: Машиностроение, 1989. С.388] следующего химического состава:

Углерод	1,25-1,45
Хром	11,0-12,5
Ванадий	0,7-0,9
Марганец	0,15-0,40
Кремний	0,15-0,35
Никель	0,01-0,35
Фосфор	0,001-0,03
Сера	0,001-0,03
Медь	0,001-0,3

Известные стали после термической обработки: закалка + отпуск имеют высокую прочность и удовлетворительную вязкость и используются для изготовления инструментов холодной обработки давлением [Геллер Ю.А. Инструментальные стали /М.: Металлургия, 1983. С.298], [Материаловедение /Под ред. Б.Н.Арзамасова, Г.Г.Мухина, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002, с.624-627].

Однако указанные стали обладают недостаточно высокой износостойкостью. Стали характеризуются низкой теплостойкостью. Известные стали не применяются для сварных конструкций [Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г.Сорокина // М.: Машиностроение, 1989. С.386, 389].

Стали имеют недостаточно высокие характеристики шлифуемости из-за наличия аустенита в структуре. Например, шлифуемость стали Х6ВФ ГОСТ 5950-73 при HRC 57-59 - удовлетворительная, при HRC 59-61 - пониженная, а при HRC 63-65 - низкая. Шлифуемость стали Х12Ф1 ГОСТ 5950-73 - удовлетворительная [Марочник сталей и сплавов /Под ред. В.Г.Сорокина // М.: Машиностроение, 1989]. В результате процесс характеризуется низкой производительностью съема стали без перегрева. Возможно образование дефектов: прижогов, сетки трещин.

Обрабатываемость резанием невысокая: у стали Х6ВФ при НВ 229 К_{ϑтв.спл}=0,9, K_ϑб.ст.=0,5, а у стали Х12Ф1 при НВ 217-228: К_{ϑтв.спл}=0,8, К_ϑб.ст.=0,3.

Наиболее близкой к предлагаемой инструментальной штамповой стали является инструментальная сталь [ЕР 1072691, МПК С 22 С 38/22, С 22 С 38/24. Tool steel with excellent workability, machinability and heat treatment characteristics, and die using same / Hitachi Metals], принятая за прототип.

Сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод	0,55-0,75
Хром	6,8-8,0
Молибден	0,4-0,83
Вольфрам	0,2-0,42
Ванадий	0,01-0,5
Марганец	0,1-1,2
Кремний	1,0-0,6
Никель	0,01-0,4
Алюминий	0,01-0,6
Кальций	0,00001-0,0001
Сера	0,001-0,12
Железо	Остальное

Сталь отличается хорошей свариваемостью, обрабатываемостью при деформации и термообрабатываемостью без ухудшения механических свойств.

Однако известная сталь имеет низкую твердость (после термической обработки ≥57 HRC), недостаточно высокую теплостойкость (HRC57 уже при 500°С) и сравнительно низкую износостойкость. Кроме того, желательно дополнительное повышение технологических свойств: обрабатываемости резанием и шлифуемости.

Технической задачей настоящего изобретения является создание инструментальной штамповой стали с высокой твердостью, теплостойкостью, износостойкостью, обрабатываемостью резанием и шлифуемостью, обеспечивающей высокую надежность изделий, выполняемых из этой стали.

Для достижения поставленной задачи предложена инструментальная штамповая сталь, содержащая углерод, хром, вольфрам, молибден, ванадий, марганец, кремний, никель, алюминий, серу, железо, в которой согласно изобретению она дополнительно содержит кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,75-0,9
Хром	6,8-8,0
Вольфрам	1,1-1,5
Молибден	5,0-6,0
Ванадий	0,01-0,5
Кобальт	5,0-6,0
Марганец	0,1-1,2
Кремний	0,1-0,6
Никель	0,01-0,4
Алюминий	0,01-0,6
Сера	0,15-0,35
Железо	Остальное

Подобранное соотношение компонентов позволяет получить стабильную мелкодисперсную структуру стали (балл зерна 10-11) с высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками.

Содержание углерода в указанном интервале (0,75-0,9%) обеспечивает высокую вторичную твердость, теплостойкость и износостойкость стали. Сталь при нагреве под закалку получает аустенит, богатый углеродом, что усиливает эффект дисперсионного твердения при отпуске, повышая вторичную твердость и несколько меньше теплостойкость. Износостойкость возрастает в результате повышения твердости отпущенного мартенсита. Содержание углерода ниже указанного предела снижает твердость, теплостойкость и износостойкость. Содержание углерода больше верхнего предела может привести к снижению прочности и вязкости стали (из-за роста размеров карбидных частиц и ухудшения условий их распределения), что дополнительно усиливается влиянием масштабного фактора.

Содержание хрома (6,8-8,0%) необходимо для обеспечения прокаливаемости стали. Содержание хрома ниже указанного нижнего предела ухудшает технологичность стали при термической обработке. Содержание хрома больше указанного верхнего предела снижает прочность и вязкость стали из-за ухудшения условий распределения карбидов.

Вольфрам в интервале 1,1-1,5% (на порядок выше, чем у прототипа), как карбидообразующий элемент, обеспечивает высокую твердость, теплостойкость и износостойкость стали. Содержание ниже указанного интервала снижает отмеченные свойства стали. Содержание вольфрама больше указанного верхнего предела неэффективно с точки зрения рационального легирования вольфрамомолибденовых сталей.

Приведенная концентрация молибдена 5,0-6,0% (на порядок по сравнению с прототипом) и наличие кобальта (5,0-6,0%) необходимы для связывания серы в мелкодисперсные, равномерно распределенные сульфиды глобулярной формы с целью предупреждения химической неоднородности и ликваций. Сульфиды являются "масленками", образуя защитные смазывающие пленки на поверхности контакта изделия с обрабатываемым металлом. Образование сульфидных пленок улучшает шлифуемость стали: повышается чистота поверхности, снижается чувствительность к образованию шлифовочных трещин даже при наличии аустенита в структуре стали. Улучшается обрабатываемость резанием. Появляется возможность дополнительного увеличения режимов обработки шлифованием и резанием. Кроме того, введение кобальта и молибдена в количестве 5,0-6,0% создает дисперсионное упрочнение стали, повышая твердость, теплостойкость и износостойкость. Минимальное содержание молибдена и кобальта определено степенью эффективности воздействия элементов. Содержание кобальта больше указанного верхнего предела снижает прочность и вязкость стали. Ухудшаются технологические свойства: шлифуемость и обрабатываемость резанием. Содержание молибдена выше указанного верхнего предела может вызвать технологические дефекты стали: чувствительность к обезуглероживанию при отжиге и закалке, чувствительность к излишнему росту зерна (разнозернистости в отдельных участках микроструктуры) при нагреве под закалку, что ухудшает механические свойства стали.

Ванадий (0,01-0,5%) повышает твердость, теплостойкость, износостойкость стали за счет усиления эффекта дисперсионного твердения при отпуске. Превышение указанного верхнего предела нерационально с точки зрения эффективности легирования.

Марганец (0,1-1,2%) способствует повышению твердости стали. Содержание больше указанного верхнего предела ухудшает свариваемость стали.

Кремний по нижней границе указанного интервала (0,1-0,6%) необходим как раскислитель для улучшения свариваемости. В указанных пределах повышает литейные свойства. Содержание кремния выше указанного предела ухудшает термообрабатываемость (изменение размеров изделия) вследствие образования цементитной фазы.

Никель (0,01-0,4%) может вводиться для повышения обрабатываемости стали. При содержании никеля больше указанного верхнего предела возможно ухудшение ударной вязкости и свариваемости.

Алюминий (0,01-0,6%) может вводиться как раскислитель для улучшения свариваемости стали. Содержание алюминия больше указанного верхнего предела снижает технологические свойства стали.

Легирование серой в количестве 0,15-0,35%, что в три раза больше по верхнему пределу, чем у прототипа, обеспечивает надежное образование защитных сульфидных пленок на поверхности штампов в процессе эксплуатации. Пленки уменьшают адгезию инструментальной штамповой стали с обрабатываемым металлом, что способствует повышению износостойкости штампа. Нижний предел содержания серы ограничивается эффективностью ее воздействия как пленкообразующего элемента. Содержание серы больше указанного верхнего предела не дает значимого снижения адгезии в зоне контакта штамповой стали с обрабатываемым металлом и снижает прочностные и эксплуатационные характеристики изделия.

Таким образом, использование предложенной стали позволит изготавливать штампы для холодного деформирования и технологическое оборудование повышенной надежности и производительности за счет повышения их эксплуатационных характеристик: твердости, теплостойкости и износостойкости. Улучшенные характеристики обрабатываемости резанием и шлифуемости стали позволят повысить технологичность и производительность процессов изготовления штампов. Хорошая свариваемость стали расширит технологические возможности изготовления, восстановления и упрочнения штампов и другого технологического оборудования за счет производства сварных конструкций и конструкций с наплавленной рабочей частью.

Инструментальную штамповую сталь получали в лабораторных условиях электродуговой наплавкой порошковой проволоки в среде аргона на заготовки из стали 30ХГСА ГОСТ 4543-71. Основные параметры режима наплавки: I=180-200 А, U=24-25 В, υ=6-8 м/ч.

Порошковая проволока представляла собой трубку с оболочкой из холоднокатаной ленты глубокой вытяжки 08Ю ГОСТ 503-81, заполненную порошками легирующих элементов (шихтой) в определенном соотношении компонентов. Состав шихты (наличие и соотношение компонентов) рассчитывался по имеющейся методике исходя из требуемого химического состава получаемой инструментальной штамповой стали. Диаметр порошковой проволоки d=2 мм, k_з=0,48-0,50. Порошковые проволоки изготавливались на стане по малотоннажному производству порошковой проволоки в лабораторных условиях. В процессе наплавки при расплавлении порошковой проволоки (оболочки и шихты) и нанесении ее на низколегированную конструкционную сталь получали штамповые стали указанного химического состава (табл.1).

Закалка инструментальной штамповой стали выполнялась в процессе наплавки. Термическая обработка заключалась в выполнении 3-кратного отпуска по 1 часу при 560°С. Охлаждение с температур расплава при наплавке позволило обеспечить более высокие скорости охлаждения стали по сравнению с прототипом (где закалка выполнялась от 1000-1050°С), а следовательно, получить более высокую твердость, теплостойкость, износостойкость, чем у прототипа [Материаловедение / Под ред. Б.Н.Арзамасова, Г.Г.Мухина, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002, с.624-627; 614-619].

Введение кобальта дополнительно повысило твердость инструментальной штамповой стали за счет интерметаллидного упрочнения. Максимальная твердость стали после наплавки (с закалкой) и отпуска составила ≤69 HRC. Теплостойкость стали после термической обработки: HRC 59 при ≤630°С (табл.2).

Предложенная сталь обладает более высокими технологическими свойствами: обрабатываемостью резанием (табл.3-6) и шлифуемостью (табл.7) по сравнению с прототипом благодаря наличию защитных смазывающих пленок (создаваемых комплексным легированием стали серой, молибденом и кобальтом при указанном соотношении компонентов). Кроме того, благодаря подобранному химическому составу сталь обладает хорошей свариваемостью (табл.8-9) и термообрабатываемостью. Изменение линейных размеров изделия при термической обработке при температуре ≥560°С не превышает 0,1%, а после отпуска при 520°С изменение размеров имеет нулевое значение (табл.10).

Инструментальная штамповая сталь может выплавляться в электропечах [Технология конструкционных материалов. / Под ред. А.М.Дальского // М.: Машиностроение, 2003. С.41-44].

Данное изобретение в настоящее время находится на стадии опытно-промышленных испытаний.

Таблица 1Химический состав сталей, % по массе
№	Сталь	С	Cr	W	Мо	V	Со	Mn	Si	Ni	Al	S	Fe
1	Предложенная	0,9	8,0	1,5	5,0	0,3	5,0	0,4	0,4	0,01	0,3	0,35	77,84
2		0,8	7,0	1,2	5,5	0,5	6,0	1,2	0,1	0,01	0,6	0,25	76,84
3		0,75	6,8	1,1	6,0	0,4	5,5	0,8	0,3	0,01	0,4	0,15	77,79
1 *		0,65	7,25	2,4	<0,01	<0,01	-	0,5	0,15	-	-	0,015	ост.
2 *	Прототип	0,75	7,91	1,05	0,35	0,25	-	0,35	0,30	0,004	-	0,1	нет данных
3 *		0,72	7,37	<0,01	1,25	0,35	-	0,29	0,25	-	-	0,135	ост.
1*, 2*, 3* - №10, №12, №24 по прототипу соответственно.
Таблица 2Твердость, теплостойкость
№	Сталь	Твердость (HRC)	Теплостойкость (°С, HRC59)
1	Предложенная	68	640
2		66	630
3		65	620
1	Прототип	57-59	<500
2
3

Таблица 3Обрабатываемость резанием. Условия испытаний
Наименование	Условия испытаний
	прототип	настоящее изобретение
Инструмент	2NKR10 (из быстрорежущей стали)	Р6М5К5
Скорость резания	25 м/мин	28 м/мин
Подача	0,08 мм/об	0,08 мм/об
Глубина резания	0,8×1,5 мм	0,8×1,5 мм
Вид операции	точение	точение
Охлаждение	без охлаждения	без охлаждения
Обрабатываемая сталь		после отжига
Таблица 4Обрабатываемость резанием.
№	Сталь	Стойкость инструмента (до наступления износа 0,3 мм)
1	Предложенная	22 м
2	22 м
3	22 м
1	Прототип	18 м
2	-
3	-

Таблица 5Обрабатываемость резанием. Условия испытаний
Наименование	Условия испытаний
	прототип	настоящее изобретение
Инструмент	HES2100-C (с твердосплавным покрытием)	Т15К6
Скорость резания	75 м/мин	75 м/мин
Подача	0,05 мм/об	0,08 мм/об
Глубина резания	0,2×1,5 мм	0,2-1,8 мм/об
Вид операции	точение	точение
Охлаждение	без охлаждения	без охлаждения
Сталь		после отжига
Таблица 6Обрабатываемость резанием
№	Сталь	Стойкость инструмента (до наступления износа покрытия 0,1 мм)
1	Предложенная	19 м
2	19 м
3	19 м
1	Прототип	16 м
2	-
3	-

Таблица 7Шлифуемость
№	Сталь	Твердость (HRC)
1	Предложенная	хорошая
2	хорошая
3	хорошая
1	Прототип	-
2	-
3	-

Таблица 9Свариваемость
№	Сталь	Твердость (HRC)	Температура предварительного подогрева (°С)	Свариваемость (трещины)
1	Предложенная	68	-	нет трещин
2	66	-	нет трещин
3	65	-	нет трещин
1	Прототип	-	-	-
2	60,1	350	нет трещин
3	58,5	350	нет трещин
Таблица 10Изменение размеров изделия при термической обработке
№	Сталь	Коэффициент линейного расширения,%
	Т<500°С	Т≥500°С
1	Предложенная	0	<0,1
2
3
1	Прототип	0	<0,1
2
3

Инструментальная штамповая сталь, содержащая углерод, хром, вольфрам, молибден, ванадий, марганец, кремний, никель, алюминий, серу, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,75-0,9
Хром	6,8-8,0
Вольфрам	1,1-1,5
Молибден	5,0-6,0
Ванадий	0,01-0,5
Кобальт	5,0-6,0
Марганец	0,1-1,2
Кремний	0,1-0,6
Никель	0,01-0,4
Алюминий	0,01-0,6
Сера	0,15-0,35
Железо	Остальное