Инструментальные легированные (штамповые) стали

В качестве инструментальных материалов для горячего деформирования применяют легированные инструментальные стали (штамповые стали), которые условно можно разделить на три основные группы:

1) стали умеренной теплостойкости и повышенной ударной вязкости (стали типа 5ХНМ, 5Х2МНФ и др.);

2) стали повышенной теплостойкости и ударной вязкости (4Х5МФС
и др.);

3) стали высокой теплостойкости (5Х3В3МФС, 3Х2В8Ф, 5Х4В18Ф1
и др.).

Общим характерным признаком штамповых сталей для горячего деформирования является более низкое по сравнению со сталями для холодного деформирования содержание углерода (0,3–0,6 %). Это необходимо для обеспечения повышенной ударной вязкости.

Стали умеренной теплостойкости (типа 5ХНМ, 5Х2МНФ и др.) используются для изготовления молотовых штампов, работающих в условиях относительно невысоких (до 400–450 °С) температур поверхностей гравюры в процессе штамповки, крупных прессовых штампов, контейнеров и блоков матриц для ГКМ. Содержание небольшого количества карбидообразующих элементов (до 2 % хрома; 0,7–1,0 % молибдена или вольфрама; 0,3–0,5 % ванадия) позволяет сохранять повышенную ударную вязкость в крупных сечениях (до 700–800 мм) и задерживать распад мартенсита при нагреве. Однако этого количества карбидообразующих элементов недостаточно для вторичного твердения. Легирование никелем или марганцем в пределах 1,5–2,5 % увеличивает прокаливаемость.

Эти стали после закалки от температур 820–870 °С и отпуска при
420–600 °С приобретают твердость 42–44 HRC и сохраняют предел текучести 1000 МПа до 350–400 °С. Механические свойства штамповых сталей умеренной теплостойкости при комнатной температуре: σ_В = 1200–1300 МПа, d = 10–13 %, ψ = 40–45 %, KCТ= 400–500 кДж/м². При температуре 600 °С:
σ_В = 350 МПа, ψ = 65 %, KCТ= 800 кДж/м².

Стали повышенной теплостойкости (4Х5МФС и др.) применяют для изготовления крупных молотовых и прессовых штампов, прессовых вставок, инструмента для высадки и выдавливания, разогревающихся в процессе работы до температуры 620–650 °С. Характерной особенностью сталей второй группы является комплексное легирование (до 2,5–5,5 % Cr;
2–3 % W и Mo; 1 % V), позволяющее повысить температуры закалки до 1000–1100 °С при охлаждении в масле и обеспечивающее склонность к дисперсионному твердению при отпуске в интервале температур 540–560 °С. При этом достигается твердость около 45–50 HRC. Благодаря меньшему содержанию углерода (0,3–0,4 %) эти стали, обладая повышенной теплостойкостью, сохраняют достаточно высокую ударную вязкость.

Стали высокой теплостойкости (до 660–680 °С) отличаются повышенным содержанием вольфрама и молибдена (от 3 до 18 %). Штамповые стали с содержанием вольфрама и молибдена до 12–8 % являются практически полными аналогами быстрорежущих сталей типа Р6М5, Р9, Р12 и Р18 с содержанием углерода 0,5–0,6 %. Эти стали очень дорогие, их применяют для некоторых наиболее ответственных операций, при деформировании трудно деформируемых и жаропрочных сплавов, а также для изготовления некоторых видов прессовых и холодновысадочных инструментов.

Стали для холодного деформирования также можно разделить на три группы:

1) износостойкие стали типа Х12 (Х12М, Х12Ф1) и типа Х6ВФ;

2) вторичнотвердеющие стали с высоким сопротивлением смятию (например, 8Х4В2С2МФ);

3) высокопрочные стали с повышенной ударной вязкостью (типа 7ХГ2ВМ или 6Х6В3МФС).

Стали первой группы, содержащие 1,3–2,2 % С и 11–13 % Cr, могут быть дополнительно легированы в небольших количествах молибденом, ванадием и вольфрамом. Повышению износостойкости способствует легирование ванадием (до 4–5 %). Основное назначение этих сталей – инструменты для вырубки и пробивки высокопрочных материалов, накатки, объемного прессования, вставки вытяжных и формовочных штампов и др. при удельных давлениях до 1700 МПа. Пониженные теплостойкость и предел текучести при сжатии ограничивают применение этих сталей для тяжелых условий работы. Стали типа Х6ВФ с небольшим содержанием вольфрама, молибдена и ванадия и с меньшим содержанием углерода (0,8–1,1 %) характеризуются меньшим количеством и более благоприятным распределением избыточных карбидов, что способствует повышению прочности и ударной вязкости при некотором снижении теплостойкости и износостойкости.

Стали второй группы (типа 8Х4В2С2МФ) содержат хром, вольфрам, молибден и ванадий при содержании углерода 0,8–1,2 %. Они склонны к вторичному твердению при отпуске от температуры 520–560 °С, что обеспечивает повышенную теплостойкость и износостойкость. После окончательной термической обработки эти стали обладают также высокой прочностью и ударной вязкостью. Эти стали соответствуют требованиям к материалу для тяжелонагруженных инструментов (операций объемного прессования, резки, высадки и калибровки).

Высокопрочные стали с повышенной ударной вязкостью, выделенные в третью группу, могут быть разделены на две подгруппы. К первой относятся стали типа 7ХГ2ВМ, содержащие около 2 % марганца и небольшие количества хрома, молибдена, вольфрама, ванадия. Высокомарганцовистые стали способны закаливаться на воздухе, обладают высокой прокаливаемостью, приобретают высокую прочность и ударную вязкость. После отпуска от 170–200 °С приобретают твердость 57–59 HRC. Инструменты из этих сталей применяют для прецизионной вырубки, пробивки, вытяжки и формовки изделий из низкоуглеродистых сталей и цветных сплавов.

Стали второй подгруппы (типа 6Х6В3МФС), благодаря вторичному твердению, имеют не только повышенное сопротивление смятию, но и повышенную теплостойкость. Это расширяет область их рационального применения для изготовления инструментов ударного выдавливания, высадки и т. п.

Наряду с рассмотренными сталями в качестве материала для тяжелонагруженных штампов холодного и горячего деформирования используют быстрорежущие стали (Р6М5К5, Р6М5, Р12, Р12Ф4К5, Р18, Р18К5Ф2), которые более подробно будут рассмотрены ниже. Применение быстрорежущих сталей позволяет повысить стойкость штампов при высоких (до 2200–2400 МПа) удельных давлениях. Недостатком применения быстрорежущих сталей в качестве штамповых является их высокая стоимость, а также повышенная склонность к охрупчиванию из-за наличия большого количества крупных избыточных карбидов.