Стали для штампов холодного деформирования

Штамповые стали для холодного деформирования должны иметь высокую твердость, износостойкость и повышенную вязкость (особенно для инструментов, работающих при динамических нагрузках). При жестких условиях работы (большие скорости деформирования, динамические), связанных со значительным разогревом инструмента (до 300...400⁰ С), необходимым свойством становится теплостойкость стали. В качестве штамповых сталей для холодного деформирования могут применяться нетеплостойкие углеродистые или легированные стали вытяжные и высадочные малогабаритные штампы, работающие при небольших давлениях и скоростях деформирования и т. п. или нетеплостойкие высокохромистые (3…12) % Cr c (0,7…1,5) % C, дополнительно легированные V, Mo, W и другими элементами.

Нетеплостойкие малолегированные стали являются заэвтектоидными или реже эвтектоидными. Они имеют высокую твердость после закалки (HRC 60…63) и выше, пониженные температуры аустенитизации (780…880)⁰С, достаточную вязкость, хорошую обрабатываемость резанием в отожженном состоянии. Однако пониженная теплостойкость и износостойкость этих сталей ограничивают их применение.

Составы легированных штамповых сталей холодного деформирования регламентированы ГОСТ 5950–73 и соответствующими ТУ.

По основным свойствам штамповые легированные стали для холодного деформирования можно разделить на стали повышенной (высокой) износостойкости, дисперсионнотвердеющие стали с высоким сопротивлением смятию и высокопрочные с повышенной вязкостью.

Стали повышенной (высокой) износостойкости – это полутеплостойкие стали с высоким (6…12 % содержанием хрома). После закалки и отпуска в этих сталях выделяются специальные карбиды, в основном Ме₇С₃, и в меньшем количестве Ме₂₃С₆ и МеС. Объемная доля карбидных фаз высока и составляет (12…24) % (по массе) в зависимости от содержания Cr и других элементов. Износостойкость таких сталей зависит от типа и количества карбидной фазы. При возрастании доли более твердого карбида МеС (VC) износостойкость стали растет, однако одновременно значительно снижается ударная вязкость и прочность, возрастает вероятность выкрашивания рабочих поверхностей инструментов. Вследствие пониженной вязкости такие стали пригодны для инструментов, работающих без значительных динамических нагрузок: вытяжные и вырубные штампы, матрицы прессования порошков.

Термическая обработка сталей высокой износостойкости заключается в закалке от высоких температур 950–1050⁰С и низком отпуске 150–250⁰С. Вследствие пониженной теплопроводности нагрев под закалку легированных штамповых сталей осуществляют ступенчато с предварительным подогревом (650…700)⁰С. В структуре закаленной стали, кроме мартенсита, присутствует некоторое количество нерастворенных карбидов и остаточный аустенит. Повышение температуры закалки способствует уменьшению количества нерастворенных карбидов, увеличению содержания Cr в твердом растворе и, следовательно, повышению теплостойкости, но при этом возрастает количество остаточного аустенита и увеличивается размер аустенитного зерна, что сопровождается понижением твердости и прочности стали. Легирование сталей Mo, W и V способствует сохранению более мелкого аустенитного зерна до более высоких температур аустенитизации, а также повышает температуру отпуска стали, при которой сохраняется требуемая твердость. Устойчивость 12 %-ных хромистых сталей против отпуска высокая: после нагрева до 400–500⁰С твердость сохраняется на уровне HRC 55…57. При этом возрастают значения ударной вязкости и прочности при изгибе. Дальнейшее повышение температуры отпуска сопровождаются падением ударной вязкости и прочности вследствие распада остаточного аустенита и коагуляции карбидов.

Низкие значения ударной вязкости и прочности при изгибе в сталях типа Х12 обусловлены образованием крупных карбидов хрома, повышенной карбидной неоднородностью. Легирование стали типа Х12 Mo и W, а также и V уменьшает карбидную неоднородность, увеличивает прочность и вязкость и позволяет изготавливать из стали Х12М, Х12ВМ, Х12Ф4М более крупные штампы.

Штамповые стали высокой износостойкости, легированные Mo и V, упрочняются путем дисперсионного твердения. Для обработки на вторичную твердость применяют более высокие температуры аустенитизации: 1110–1140⁰С для стали Х12Ф1 и 1120–1130⁰С для стали Х12М. При этом в большей степени растворяются избыточные карбиды, растет легированностью аустенита. Высокая твердость стали (HRC 60…62) достигается при трех- или четырехкратном отпуске при 490–530⁰С благодаря выделению высокодисперсных карбидов и образованию мартенсита из остаточного аустенита при охлаждении. При этом также повышается и теплостойкость стали, однако снижается прочность и ударная вязкость вследствие роста аустенитного зерна.

Наиболее высокоизносостойкие стали легируют V в количестве до 4 %, при этом количество карбида VC в сталях с 12 % Cr достигает 4…5, а в сталях с 6 %Cr– 8 %. Недостатком этих сталей является пониженная шлифуемость.

Стали с содержанием 6 % Cr, легированные вольфрамом и ванадием (Х6ВФ), имеют более высокую прочность при изгибе и значительно (почти в 2 раза) более высокую ударную вязкость, чем стали с 12 % Cr (Х12Ф1).

Диспесионнотвердеющие стали с высоким сопротивлением смятию содержат пониженное (0,8–1,0 %) количество углерода и легированы Cr ~ 4…5 %, W, Mo, Si и V. Стали этой группы после высокого отпуска при 520–560⁰С (в ряде случаев применяют многократный отпуск) склоны к дисперсионному твердению.

При оптимальных режимах термической обработки стали имеют невысокую твердость, прочность, теплостойкость и удовлетворительную вязкость. Вследствие высокой степени легирования стали обладают высокой прокаливаемостью и стойкостью против перегрева, в связи с чем температура аустенитизации этих сталей довольно высока (выше 1050⁰С), что обеспечивает достаточную полноту растворения карбидов в аустените и образования высоколегированного мартенсита. После оптимального отпуска (530⁰С) сталь имеет высокий комплекс механических свойств. Недостатком сталей данного типа является образование крупных избыточных карбидов при отжиге заготовок, что требует применения больших деформаций для раздробления крупных карбидных фаз.

Дисперсионнотвердеющие стали с высоким сопротивлением смятию применяют для изготовления тяжелонагруженных пуансонов и матриц (прессование, высадка) для работы при давлениях 2000…2300 МПа при холодном и полугорячем деформировании.

Высокопрочные стали с повышенной ударной вязкостью имеют высокую прочность и пониженную теплостойкость и предназначены для изготовления инструмента, работающего при ударном (динамическом) нагружении. Упрочнение сталей осуществляют закалкой и низким отпуском (7ХГ2ВМ, 7ХГНМ) или путем дисперсионного твердения (6Х6В3МС, 6Х4М2ФС). Важным для этих сталей является минимальное изменение объема при закалке, что достигается в низкоотпущенных сталях сохранением значительного количества остаточного аустенита 18…20 %.

Дисперсионнотвердеющие стали характеризуются более высокой теплостойкостью, сопротивлением смятию и износостойкостью по сравнению с низкоотпущенными. Стали типа 6Х6В3МФС и 6Х4М2ФС применяют для инструментов, работающих при значительных динамических нагрузках и давлениях до 1500 МПа (высадочные пуансоны и матрицы, гильотинные ножницы и др.), стали типа 7ХГ2ВМ и ХГНМ – для инструмента прецизионной вырубки, пробивки и т п.

Очень полезна для сталей изотермическая закалка.