Новые направления в создании сталей для штампов горячего деформирования

1) Создана безвольфрамовая высокотеплостойкая штамповая сталь с карбонитридным упрочнением 30Х6МАФ, которая по степени легирования не превышает стали типа 4Х5МФС, 4Х5ФМС1, но значительно превосходит также более легированные стали, например, 45ХВ3МФС по физико-механическим и служебным свойствам в литейном варианте сталей.

Сталь с карбонитридным упрочнением характеризуется более дисперсной и однородной микроструктурой в литом и отпущенном состояниях. Это является следствием диспергирования дендритной структуры металла за счет эффективного модифицирующего действия азота, а также диспергирования аустенитного зерна за счет барьерного действия высокотемпературной нитридной фазы.

Повышение устойчивости мартенсита к распаду при его высокой дисперсности, низкая скорость коагуляции карбидных фаз при отпуске и эксплуатации обеспечивают более высокий уровень прочностных свойств при комнатных и повышенных температурах, отпускоустойчивость и теплостойкость стали 30Х6МАФЛ по сравнению со стандартной сталью 45Х5МФ1СЛ (табл. 7.2), при этом резкое повышение пластичности и вязкости стали 30Х6МАФЛ устраняет преждевременный выход из строя инструмента по причине хрупкого разрушения металла. Повышение пластичности и вязкости металла при карбонитридном упрочнении связано со снижением его структурной химической неоднородности, особенно зернограничной, за счет создания внутризеренных емких диффузионных стоков для примесей и элементов внедрения, которыми являются межфазные границы нитрид–матрица и зоны искаженной решетки вокруг нитридных частиц.

Таблица 7. 2 – Механические свойства сталей

2) Известно, что сталь марки 4Х5МФ1С (решетка ОЦК, упрочняющие фазы – карбиды Ме₇С₃, Ме₆С, МеС) значительно разупрочняется при температурах свыше 700°С; 2) сталь марки 2Х6В8М2К7Ф (решетка ОЦК, упрочняющие фазы – карбиды Ме₆С, МеС и интерметаллиды типа (Fe,Co)₇W₆) сохраняет преимущество в прочности в сравнении со сталью 4Х5МФ1С до температур приблизительно 750°С; 3) аустенитная марганцовистая сталь марки 5Х10Г13Н8Ф2 (решетка ГЦК, упрочняющие фазы – карбиды Ме₇С₃, МеС) имеет преимущество в сравнении с двумя первыми сталями при температурах свыше 700–750°С, 4) жаропрочный сплав Х15Н70В5М5Т3Ю2 по прочности в области температур 700–800°С практически равноценен аустенитным сталям.

3) Рекомендуется также использовать для изготовления штампов горячего деформирования аустенитную сталь марки 5Х6Г13М3В2АФ. Химический состав данной стали: 0,53 % С, 0,4 % Si, 13,5 % Mn, 5,9 % Cr, 2,5 % Mo, 1,7 % W, 0,7 % V, 0,07 % N.

Термическая обработка стали 5Х6Г13М3В2АФ представляет собой закалку от температуры 1100°С (твердость 22–23 HRC_э) и последующее старение, после которого твердость составляет 42–44 HRC_э. Определение теплостойкости данной стали и сталей типа 4Х5МФ1С по изменению твердости в результате изотермической выдержки при температурах 750–950°С в течение 10–20 ч показало, что все мартенситные стали интенсивно разупрочняются при 750°С и не могут конкурировать с аустенитной сталью и жаропрочными сплавами. При этом аустенитная сталь 5Х6Г13М3В2АФ по теплостойкости не уступает жаропрочному сплаву на основе никеля ЭИ – 437БУВД вплоть до температуры 850°С. Определение сопротивления смятию при термоциклическом силовом воздействии позволяет еще более наглядно определить преимущества аустенитной стали в сравнении со сталями мартенситного класса. Уменьшение высоты образцов из стали марки 4Х5МФ1С составляет уже 0,25–0,3 мм при количестве циклов в режиме 130«750°С (s^сж _max = 350 МПа), равном 500. В этих же условиях, но при большем количестве циклов, равном 1000, наибольшей сопротивляемостью пластической деформации обладает мартенситная сталь с карбидно-интерметаллидным типом упрочнения марки 2Х6В8М2К8Ф. Стали с карбидным упрочнением значительно уступают ей, а аустенитная сталь 5Х6Г13М3В2АФ и сплавы на основе никеля практически не подвержены смятию. Незначительную пластическую деформацию эти материалы претерпевают лишь при испытаниях с верхней температурой цикла, равной и выше 850°С (Dl = 0,02–0,05 мм при цикле 200«850°С, s^сж _max = 350 МПа и числе циклов 1000). Аустенитная марганцовистая сталь обладает и большей износостойкостью в сравнении со сталями мартенситного класса по этой характеристике не уступают никелевым жаропрочным сталям.

Таким образом, выполненные сравнительные испытания на смятие и износостойкость мартенситных, аустенитных сталей, жаропрочных сплавов на основе никеля дают основание полагать, что относительно экономичным, теплостойким и износостойким материалом применительно к условиям штампового инструмента является сталь марки 5Х6Г13М3В2АФ с аустенитной структурой. Однако негативной особенностью аустенитных штамповых сталей является в сравнении с мартенситными сталями пониженная теплопроводность и высокий коэффициент термического расширения, что может привести в определенных эксплуатационных условиях к выходу инструмента из строя по разгарным трещинам. В связи с этим наиболее рациональной областью применения аустенитных штамповых сталей являются штампы, работающие при температурах нагрева гравюры свыше 700–750°С и выходящие из строя вследствие усиленного износа и смятия.

Проверка работоспособности инструмента, изготовленного из сталей различной легированности (мартенситного и аустенитного классов) в производственных условиях, при литье под давлением бронзы и горячей штамповке (высадка болтов с головкой 14 мм), подтвердила лучшую работоспособность аустенитной стали марки 5Х6Г13М3В2АФ в сравнении со сталями марок 4Х5МФ1С и 2Х6В8М2К8Ф (табл. 7.3). Инструмент из стали 5Х6Г13М3В2АФ изготовляли из литых заготовок, а в остальных случаях – из поковок промышленной поставки.

Таблица 7.3 – Работоспособность инструмента, изготовленного из сталей различной легированности

Из результатов испытаний следует, что, хотя причиной выхода из строя вставок из стали марки 5Х6Г13М3В2АФ при литье под давлением бронзы явились разгарные трещины, работоспособность этих вставок оказалась в четыре раза выше, чем стойкость серийного инструмента из стали 4Х5МФ1С. Это лишний раз подтверждает то положение, что при правильном использовании литого инструмента из аустенитных сталей можно обеспечить значительное повышение его работоспособности.

4) Важной характеристикой технологичности штамповых сталей является их восприимчивость к химико-термическому поверхностному упрочнению, которое является эффективным способом повышения эксплуатационной долговечности инструмента.

5) Представляет интерес группа новых высокотеплостойких штамповых сталей аустенитно–мартенситного класса. Выбранное содержание Cr, Mn, Ni и С обеспечивает им достаточно низкие значения критических точек Ас₁ и Ас₃ для того, чтобы при температуре эксплуатации выше 600–700°С они имели аустенитную, а при комнатной температуре – ферритную основу. Тем самым достигается сочетание преимуществ аустенитной структуры в сохранении высокотемпературной прочности с хорошей обрабатываемостью резанием ферритной основы.