Стали для штампов горячего деформирования

Материал, применяемый для горячих штампов, должен иметь определенный комплекс свойств. Они должны удовлетворять требованиям износостойкости, повышенного сопро­тивления пластической деформации, жаропрочности и вязкости, высокой разгаростойкости, низкого коэффициента теплового рас­ширения, окалиностойкости, теплопроводности и прокаливаемости. Прокаливаемость особенно важна для крупных деталей, на­пример для ковочных молотовых штампов.

Жаропрочность. Материал горячих штампов должен обладать высоким пределом текучести и высоким сопротивлением изнашиванию при высоких температурах, чтобы замедлить процессы истирания и деформирования элементов фигуры штампа, разогревающихся от соприкосновения с горячим металлом.

Красностойкость. Высокие жаропрочные свойства не должны снижаться под длительным воздействием температуры, металл горячих штампов должен устойчиво сопротивляться отпуску.

Термостойкость. Циклический нагрев и охлаждение поверхности штампа во время работы и, следовательно, чередующееся расширение и сжатие поверхностных слоев приводят к появлению так называемых разгарных трещин. Материал штампа должен обладать высокой разгаростойкостью, или, как чаще называют, термостойкостью или высоким сопротивлением термической усталости.

Вязкость. Деформирование металла при штамповке сопровождается ударными воздействиями этого металла на штампы, поэтому материал штампов должен обладать известной вязко­стью – особенно при штамповке на молотах, когда приходится достигать нужного повышения вязкости даже за счёт некоторо­го снижения жаропрочности.

Прокаливаемость. Многие штампы имеют весьма большие размеры (например, кубики ковочных штампов имеют размеры 500´500´1000 мм и т. п.). Для получения хороших свойств по всему сечению, в частности достаточной вязкости, сталь штам­пов должна глубоко прокаливаться.

Отпускная хрупкость. Так как быстрое охлаждение штам­пов крупных размеров нельзя осуществить, то сталь должна быть минимально чувствительной к этому по­року.

Слипаемость. При значительном давлении горячий металл может привариваться к материалу штампа (явление адгезии), и когда штампуемое изделие отдирается от штампа, то оно всякий раз частично разрушает его поверхность. Это явление разрушения будет тем сильнее выражено, чем сильнее адгези­онное взаимодействие штампуемого металла и материала штампа. Поэтому подобное взаимодействие штамповой стали с металлом изделия должно быть минимальным.

Для штампов, работающих в лёгких условиях (штамповка с малыми удель­ными давлениями на поверхность штампа, например штамповка при малых степенях деформации, штамповка деталей из мягких и пластичных сплавов), применяют углеродистые стали с содержанием углерода от 0,6 до 1,0 %, т. е. стали марок У7, У8 и У9. Наибольшее применение при из­готовлении штампов имеет сталь У7. Следует, однако, отметить, что в современных условиях уг­леродистая сталь мало применима для штампов, так как штам­повку проводят с большой интенсивностью, и штампы из угле­родистой стали не будут обладать достаточной стойкостью в работе. 

Для более тяжёлых условий работы (штамповка с большой производительностью, штамповка изделий больших размеров, а так­же те случаи, когда выемка в штампе, образующая фигуру, глубока и имеет сложную конфигурацию) применяют легирован­ные стали.

Типичной, наиболее распространённой и, пожалуй, наилучшей из легирован­ных сталей является сталь 5ХНМ. Остальные представляют собой стали-заменители, в которых никель (или молибден) заменён другими элементами, что несколько ухудшает качество.

Свойства стали 5ХНМ иллюстрируются графиком, приведённым на рис. 3.7, где видно влияние температуры отпуска на свойства этой стали, а также температуры  испытания  для  стали,  закалённой  и  отпущенной  при 550 °С (применён нормальный режим термической обработки штампов из этой стали).

Из приведённого графика следует, что прочность снижается с повышением температуры испытания, особенно заметно, начиная с 400 °С, а относительное сужение и ударная вязкость возрастают существенно, начиная с температур
400 °С и 550 °С.

Рис. 3.7. Свойства стали 5ХНМ в зависимости от температуры испытания (М.В. Приданцев)

Механические свойства штамповых сталей при комнатной температуры (после закалки и отпуска при 550 °С): σ_В = 1200–1300 МПа, δ = 10–13 %,
ψ = 40–45 %, КС U = 0,4–0,5 Дж/м². Примерно такими свойствами обладают все стали этого типа, исключение составляют стали 5ХГМ и 5ХНТ.

Сталь 5ХГМ имеет пониженную пластичность (ψ = 30 %) и вязкость
(КС U = 0,3–0,4 Дж/м²) как следствие замены никеля марганцем.

Сталь 5ХНТ, не содержащая элементов, задерживающих диффузионные процессы (молибден, вольфрам), быстрее разупрочняется и при отпуске 550 °С имеет более низкую прочность, но более высокую пластичность.

Механические свойства штамповых сталей при 600 °С приведены
в табл. 3.7.

Более высоким комплексом механических свойств при 600 °С обладает сталь 5ХНМ. Стали 5ХГМ и 5ХНСВ превосходят сталь 5ХНМ по горячей прочности, но уступают ей по вязкости (вследствие влияния марганца и кремния). Сталь 5ХНТ не содержит молибдена или вольфрама (задерживающих процессы распада мартенсита) и имеет при 600 °С пониженную прочность. Отпускная хрупкость развивается в стали 5ХНТ и не развивается в сталях 5ХНМ и 5ХНСВ (последние содержат молибден или вольфрам).

Таблица 3.7

Механические свойства штамповых сталей при 600 °С

Марка стали	sВ, МПа	σ0,2, МПа	ψ, %	KCU, МДж/м2
5ХНМ 5ХГМ 5ХНСВ 5ХНТ	350 430 400 250	250 400 300 200	65 85 40 90	0,8 0,4 0,5 0,8

По прокаливаемости рассматриваемые стали располагаются в следующем восходящем порядке: 5ХНСВ, 5ХНМ, 5ХНТ. Молибден и вольфрам повышают термостойкость (по-видимому, вследствие измельчения зерна). Из сталей этих марок изготавливают так называемые кубики (рис. 3.8), поковки большого размера призматической формы (на одной из плоскостей которых вырезается фигура). После ковки кубики отжигают по изотермическому режиму: аустенитизация при 850–880 °С, охлаждение до 600–650 °С, выдержка до окончания распада аустенита. После правильно проведённого отжига твёрдость должна соответствовать 3,9–4,3 мм отпечатка Бринелля.

Рис. 3.8. «Кубики» (молотовые штампы)

Закалка и отпуск штампа – весьма ответственные и сложные операции, особенно если принять во внимание большой размер изделия. Нагрев для закалки проводят на 20…40 °С выше точки А_С3, что видно из табл. 3.8. Кубики следует загружать в закалочную печь, нагретую до температуры выше 650 °С. После выдержки в течение 1–2 ч температура в печи после нескольких часов поднимается до заданной, затем вновь следует выдержка продолжительностью несколько часов (для кубиков высотой менее 400 мм возможна посадка их прямо в печь, разогретую до температуры закалки).

Таблица 3.8

Критические точки и температуры нагрева
под закалку сталей для молотовых штампов

Марка стали	Критические точки, °С			Температура нагрева под закалку, °С
	Ас1	Ас3	Мн
5ХНМ	720	820	210	820–860
5ХГМ	700	800	220	820–840
5ХНСВ	760	800	235	860–880
5ХНТ	710	795	240	830–850

Скорость подъёма температуры и время выдержки зависят от размера штампа, его конфигурации, количества штампов в печи и конструкции печи (электрическая  или  газовая  печь).  Например,  если штамп  имеет размеры 250´400´500 мм, то он должен нагреваться с печью от 650 до 850 °С в течение 7–8 ч и при 850 °С необходимая выдержка 1,5–2 ч. Если штамп имеет длину вдвое больше (500´800´1000 мм), то время подъёма температуры возрастает до 20 ч, а время выдержки до 4–5 ч.

При таких значительных выдержках при высоких температурах нужно принять специальные меры, предохраняющие поверхность штампа от окисления и обезуглероживания (применяют специальные засыпки и обмазки). Штампы охлаждают в масле. Лучшие результаты даёт ступенчатая закалка.

Очевидно, для термической обработки штампов цех должен быть оборудован соответствующими печами, большими закалочными баками, подъёмными и транспортными средствами.

Сразу же после закалки, как только штамп охладился до 100–150 °С, его переносят в печь для отпуска.

Режим отпуска и соответствующую рабочую твёрдость выбирают на основании практических данных о стойкости штампов, отпущенных при разных температурах. Как правило, чем меньше размер штампа, тем выгоднее иметь более высокую твёрдость. Влияние температур отпуска на значения твёрдости стали 5ХНМ при соответствующих размерах штампа  приведены в табл. 3.9.

Таблица 3.9

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться: