Стали для штампов горячего деформирования

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 (формы литья под давлением). Поэтому эти стали должны иметь высокую теплостойкость, вязкость, сопротивление термической усталости (разгаростойкость), коррозионную стойкость, износостойкость в определенных условиях эксплуатации, для штампов, которые в сечении более 40–50 мм, важна прокаливаемость.

Система легирования: углерода 0,3–0,5 %. Более низкое его содержание приводит к снижению износостойкости, а более высокое (> 0,6 %) к снижению пластичности и разгаростойкости.

Карбидообразующие элементы: Cr, Mo, Ti, V, W, Nb + Ni, Co, Si, Mn – повышают теплостойкость, обеспечивают мелкое зерно, карбидное и карбонитридное упрочнение, повышают прокаливаемость и сопротивление разрушению. Ni – уменьшает блокировку дислокаций примесными атомами и трение решетки (в стали для прессовых штампов Ni не вводят, т. к. он резко повышает ударную вязкость).

Co – повышает теплостойкость, в сочетании с W и Fe образует интерметаллиды.

N в сочетании с V, Nb или Al – образует нитриды, повышающие износостойкость.

Ca (Mg) – способствует глобуляризации неметаллических включений (сульфидов).

Классификация сталей по теплостойкости:

– полутеплостойкие (до 400–500°С);

– повышенной теплостойкости (до 550–600°С);

– высокой теплостойкости (до 640–700°С).

Полутеплостойкие стали: 5ХНМ, 5ХНВ (для штампов не > 200–250 мм); 5Х2НМФ, 3Х3Н(2–3)МФ (для штампов не > 300–400 мм), для снижения склонности к отпускной хрупкости: 3Х3М3Ф с высоким сопротивлением трещинам разгара и достаточной теплостойкостью.

Термическая обработка данных доэвтектоидных сталей: закалка от температур выше Ас₃ на 50–150°С. Температура аустенитизации тем выше, чем более легирована сталь карбидообразующими элементами. Охлаждение проводят в масле или водных растворах полимеров. Отпуск осуществляется средний или высокий в зависимости от условий работы штампового инструмента.

Стали повышенной теплостойкости: 4Х5МФВС, 4Х4М2ВФС. В данных сталях затруднен распад мартенсита (в его кристаллическую решетку входят атомы W, Cr, Mo) и при высоком отпуске наблюдается эффект выделения специальных карбидов – это основные факторы, повышающие их теплостойкость.

Термическая обработка: закалка в масло от 1050–1070°С, чтобы растворить часть карбидов (Ме₆С, (Fe,Mo)₃C, (Fe,W)₃C и др.) в аустените. После закалки структура представляет собой мартенсит и нижний бейнит. Далее проводится отпуск при 550–600°С, при котором углерод выделяется в виде дисперсных карбидов, упрочняя a – твердый раствор (дисперсионное твердение).

Стали высокой теплостойкости: 2Х6В7К7МФ, 3Х10В8К10МФ с интерметаллидами кобальта ((Fe,Co)₂W, (Fe,Co)₂Mo – фазы Лавеса; (Fe, Co)₇W₆).

Термическая обработка: закалка от температур 1170–1200°С + высокий отпуск. Данные стали и в отожженном, и в нормализованном состоянии являются сталями мартенситного класса (Co повышает мартенситную точку М_Н).