Виготовлення штампів гарячого деформування

4.Сталі для штампів гарячого деформування.

Сталі для штампів, що деформують метал у гарячому стані (ударне навантаження), повинні мати високі механічні властивості (міцність і в'язкість) при підвищених температурах і володіти окаліностойкості і разгаростойкостью, тобто здатністю витримувати багаторазові нагріви і охолодження без освіти сітки тріщин (сітки розпалу). Під разгаростойкостью розуміють стійкість до утворення сітки поверхневих тріщин, що викликаються об'ємними змінами в поверхневому шарі при різкій зміні температур. Це властивість забезпечується зниженням вмісту вуглецю в сталі для підвищення пластичності, в'язкості, а також теплопровідності, що зменшує розігрів поверхневого шару і термічні напруги в ньому.

Крім того, сталі повинні мати високу зносостійкість і теплопровідність для кращого відведення тепла, переданого оброблюваної заготівлею.

Багато штампи мають великі розміри, тому сталь для їх виготовлення повинна мати високу прокаливаемостью. Це забезпечує високі механічні властивості по всьому перетину штампа. Важливо, щоб сталь не була схильна до оборотної відпускної крихкості, так як швидким охолодженням великих штампів її усунути не можна. Склад і термічна обробка більш часто застосовуваних штампових сталей наведено в таблиці

Хімічний склад штампових сталей для гарячого деформування

Марка сталі	Хімічний склад в%							Температура в С°		Твердість HRC
	C	Mn	Si	Cr	W	V	інші	закалка	отпуск
5ХНМ	0,5-0,6	0,5-0,8	0,15-0,35	0,5-0,8	0,4-0,7Мо	-	1,4-1,8Ni 0.15-0.3Mo	820-860	500-580	45-38
4Х5В4ФМС	0,35-0,45	0,15-0,4	0,6-1,0	4-5	3,5-4,2	0,3-0,6	0,4-0,6Мо	1060	600-650	50-40
32Х2В8Ф	0,3-0,4	0,15-0,4	0,15-0,4	2,2-2,7	7,5-9	0,2-0,5	-	1100	650	42-45
4Х2В5ФМ	0,3-0,4	0,15-0,4	0,15-0,35	2-3	4,5-5,5	0,6-1,0	0,6-1,0Мо	1070	670	42-46

 

Відповідно до зазначених вимог для штампів гарячої обробки тиском застосовують леговані сталі з 0,3-0,6% З які після гарту піддають відпустці при 550-680 ° С на троостит або троостосорбіт. Серед них слід виділити декілька груп, що володіють найбільшою мірою тими властивостями, які необхідні для певних умов експлуатації. Великі кувальні (молотові) штампи, які відчувають підвищені ударні і ізгібочні навантаження, а також інструмент кувальних машин та пресів, що нагрівається не вище 500-550 ° С при помірних навантаженнях, виготовляють з полутеплостойкіх сталей 5ХНМ і 5ХГМ (замість нікелю містить 1,2-1 , 6% М n), що володіють підвищеною в'язкістю.

Присутність в сталі молібдену або вольфраму (5ХНВ) підвищує теплостійкість, прожарювань і зменшує схильність до оборотної відпускної крихкості. Сталь 5ХНМ прожарюється повністю в блоці 400x300x300 мм. Гарт штампів проводиться в олії. Відпустка великих штампів проводиться при температурі 550-580 ° С (HRC 35 - 38), а дрібні при 500-540 ° С (HRC 40-45).

Структура стали після відпустки - троостосорбіт. Механічні властивості сталі 5ХНМ при температурі 500 ° C складають: s в = 900МПа, s О, 2 = 650 МПа, d = 20 ¸ 22% і y = 70%.

Стали 5ХГМ і 5ХНВС при однаковій зі сталлю 5ХНМ прожарювань поступаються їй у в'язкості через заміну нікелю марганцем або збільшення вмісту хрому і кремнію. Вони призначені для середніх штампів зі стороною 300-400 мм або для великих (сталь 5ХНВС) простої форми.

Сталь 5ХНВ по стійкості рівноцінна стали 5ХНМ, але має меншу прожарювань, так як вольфрам підвищує її слабкіше, ніж молібден. Вона застосовується для невеликих і середніх штампів зі стороною 200 - 300 мм.

Середні нагруженний інструмент, що працює з розігрівом поверхні до температури 600 ° С, а також інструмент з великою поверхнею, що працює при температурах 400-500 ° С, виготовляють із сталі 4Х5У2ФС і 4Х5В4ФМС. Наприклад, з них виготовляють виштовхувачі для неглибоких отворів, матриці, різні вставки, інструмент для штампування важко деформованих металів, прес-форм для лиття під тиском алюмінієвих сплавів і т.д.

Фазовий склад цих сталей у відпаленому стані - легований ферит і карбіди типу М 23 С 6 і М 6 С. Ці сталі теплостійкості, мало чутливі до різкої зміни температур, мають підвищену окаліностійкості, стійкі проти корродирует дії рідкого алюмінію і володіють високою міцністю при гарній в'язкості. Сталі підвищеної теплостійкості 3Х2В8Ф і 4Х2В5ФМ використовують для деформування при розігріві поверхні до температури 600-700 ° С (зберігається твердість HRC 45, s 0.2 = 1000 МПа). З них виготовляють важко-навантажений штампового інструменту, наприклад прошивні пуансони, виштовхувачі для глибоких отворів, матриці прес-форми для виливків під тиском мідних сплавів і т.д.

Перетворення в сталях 4Х5В4ФМС, ЗХ2В8Ф і 4Х2В5ФМ, що протікають при термічній обробці, багато в чому схожі з перетвореннями в швидкорізальної сталі. Ці сталі при загартуванню нагріваються до високих температур для розчинення можливо більшої кількості карбідів і отримання після гарту високолегіруванного мартенситу. Так як при температурі гарту карбіди повністю не розчиняються, стали зберігають дрібне зерно. При відпустці відбувається додаткове підвищення твердості внаслідок дисперсійного твердіння при одночасному зниженні пластичності і в'язкості. Для отримання достатньої в'язкості відпустку проводять при більш високих температурах на твердість HRC 45 - 50, що відповідає структурі троостит.

Механічні властивості після термічної обробки наступні: s в = 1500 ¸ 1800 МПа, s 0,2 = 1350 ¸ 1650 МПа (при температурі 600-650 ° С - s 0,2 = 900 ¸ 1100 МПа), d = 25% (30 -40% при температурі 650 ° С) і КС = 2 ¸ 5,5 кг × м / см 2.

Стали 4Х5МФС, 4Х5У2ФС, 4Х4ВМФС та інші з невеликими добавками вольфраму (молібдену) відрізняються підвищеною разгаростойкостью завдяки більш високій в'язкості. Теплостійкий до 600 ° С.Присутність 4-5% З r надає їм хорошу окаліностойкость і підвищену зносостійкість при нагріванні. Ці сталі призначені для інструмента з високою стійкістю до різкої зміни температур, зокрема, для інструменту високошвидкісний штампування.

Для прес-форм, менш навантажених в тепловому відношенні, використовують сталі 4ХВ2С, Х12, 7X3, 8X3, корозійностійких сталь 30X13, конструкційні сталі 40Х, 30ХГС та ін Для підвищення стійкості прес-форми також як і штампи піддають азотуванню, ціанування, борування і хромуванню.

5. Вплив легуючих елементів на властивості інструментальних сталей

Легуючі елементи в невеликій кількості (до 5%) вводять для збільшення закаліваемості, прокаливаемости, зменшення деформацій і небезпеки розтріскування інструмента, тому що дозволяють проводити загартування в маслі або гарячих середовищах. Хром - постійний елемент низьколегованих сталей. Для поліпшення властивостей в них додатково вводять марганець, кремній, вольфрам, нікель.

Марганець (1-2%) додають для забезпечення мінімальної зміни розмірів при загартуванню. Інтенсивно знижуючи інтервал температур мартенситного перетворення, він сприяє збереженню підвищеної кількості залишкового аустеніту (15-20%), який частково або повністю компенсує збільшення обсягу в результаті утворення мартенситу. Кремній (1-1,5%) вводять для підвищення опору відпустки і освіти легко що відділяється окалини, вольфрам (1-5%) - підвищення зносостійкості. Нікель (до 1,5%) додають у штампові стали для збільшення в'язкості.

Для забезпечення теплостійкості вводять хром, вольфрам або молібден у великій кількості з тим, щоб зв'язати вуглець у спеціальні труднокоагуліруемие при відпуску карбіди. Якщо вміст елементів невелике і утворюється легований цементит, то він коагулює і викликає разупрочнение при 200-250 ° С. Хром в кількості 6-12%, пов'язуючи вуглець в карбід М 7 С 3, затримує розпад мартенситу до 450-500 ° С. Більш істотно підвищує теплостійкість вольфрам або його хімічний аналог молібден, що утворюють у присутності, хрому стійкі до коагуляції карбіди типу M 6 C. Виділення спеціальних карбідів підвищує твердість після відпустки при 500-600 ° С. Особливо ефективно вторинна твердість і теплостійкість підвищуються при введенні декількох сильних карбідоутворювачами, наприклад, вольфраму і ванадію. При відпустці ванадій, виділяючись більш інтенсивно, посилює дисперсійне твердіння, а вольфрам, зберігаючись в мартенсит, затримує його розпад.

Збільшенню теплостійкості сприяє також кобальт. Він не утворює карбідів, але, підвищуючи енергію міжатомних сил зв'язку, ускладнює коагуляцію карбідів і збільшує їх дисперсність.

Для забезпечення високої зносостійкості використовують леговані сталі зі значною кількістю надлишкових карбідів - заевтектоідние і ледебуритного. Завдяки надлишковим карбіди ці стали зберігають дрібне зерно і, як наслідок, підвищену міцність і в'язкість в широкому інтервалі гартівних температур (до 1000-1300 ° С). Разом з цим велика кількість надлишкових карбідів погіршує оброблюваність тиском і різанням, створює карбідну неоднорідність. Скупчення карбідів, карбідна сітка і полосчатость посилюють крихкість, викликають передчасне викришування робочих крайок. Для рівномірного розподілу карбідів такі стали вимагають всебічної і ретельної кування заготовок.

6.Термічна обробка

Після кування і штампування поковки піддають термічній обробці, в результаті якої змінюють структуру металу й покращують механічні та технологічні характеристики металу, наприклад оброблюваність різанням.

Температура впливає на властивості металу наступним чином:

• зміна макроструктури, при перетворенні вихідної дискретної структури в дрібне зерно;
• зміна мікроструктури полягає в досягненні необхідних розмірів зерен;
• властивості металу (збільшується пластичність).

Термообробку поковок здійснюють на термічній ділянці ковальського цеху, оснащеній газовими або електричними печами.

Основними операціями термічної обробки сталевих поковок є відпал, нормалізація, гартування і відпуск.

• Відпал сталі
• Гартування сталі
• Відпуск сталі

Термічна обробка підрозділяється на власне термічну і термомеханічну. Власне термічна обробка - термічна дія на сталь, термомеханічна – поєднання - термічної дії і пластичної деформації.

Власне термічна обробка залежно від структурного стану, що отримується в результаті її застосування, підрозділяється на відпал (першого і другого роду), гарт і відпустку.

Відпал сталі

Відпалом називається процес термічної обробки, що полягає в нагріві стали до визначеної температури, витримці і подальшому, як правило, повільному охолоджуванні (у печі) з метою отримання більш рівноважної структури.

Для відпалу застосовують печі, а також спеціальні агрегати.

Відпал першого роду . Це відпал, при якому, як правило не відбувається фазових перетворень (перекристалізації), а якщо вони мають місце, то не роблять впливу на кінцеві результати. Розрізняють наступні різновиди відпалу першого роду: гомогенізація, рекристалізація і зменшує напругу.

відпал гомогенізації , або гомогенізація , застосовується для вирівнювання хімічної неоднорідності (за рахунок дифузії) зерен твердого розчину, тобто зменшення мікроліквації у фасонних відливаннях і в злитках головним чином з легованої сталі.

В процесі гомогенізації злитки нагрівають до 1100-1200°С, витримують при цій температурі 8-15 ч, а потім поволі охолоджують до 200-250 °С. Тривалість відпалу 80 - 110 годин.

відпалу рекристалізації піддають сталь, деформовану в холодному стані. Наклеп може виявитися таким великим, що сталь стає мало пластичною і подальша деформація стає неможливою. Для повернення сталі пластичності і можливості подальшої деформації виробу проводять рекристалізаційний відпал.

При нагріві холоднодеформованої сталі до температури 400-450 °С змін в будові сталі не відбувається, механічні властивості змінюються трохи і лише знімається велика частина внутрішньої напруги. При подальшому нагріві механічні властивості сталі різко змінюються: твердість і міцність знижуються, а пластичність підвищується.

Це відбувається в результаті зміни будови сталі. Витягнуті в результаті деформації зерна стають рівноосними.

Рекристалізація починається з появи зародків на межах деформованих зерен. Надалі зародки ростуть за рахунок деформованих зерен, у зв’язку з чим відбувається утворення нових зерен, поки деформованих зерен зовсім не залишиться.

Під температурою рекристалізації розуміють температура, при якій в металах підданих деформації в холодному стані, починається утворення нових зерен .

А.А. Бочвар встановив залежність між температурою рекристалізація температурою плавлення чистих металів: Т рекр = 0,4 Т пл

де Т рекр і Т пл - відповідно температури рекристалізації і плавлення в кельвінах за термодинамічною шкалою.

Температури рекристалізації для деяких металів такі:

Молібден-  900 °С Мідь - 270 °С

Залізо - 450 °С Свинець-30°С

У зв’язку з тим що при температурі рекристалізації процес утворення нових зерен відбувається дуже повільно, для прискорення процесу холоднодеформовані метали і сплави нагрівають до вищої температури, наприклад вуглецеву сталь до 600 - 700 °С, мідь до 500-700 °С. Ці температури і є температурами відпалу рекристалізації.