Использование конструкционной легированной стали в качестве заменителя штамповой стали Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.539.43

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННОЙ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ В КАЧЕСТВЕ ЗАМЕНИТЕЛЯ ШТАМПОВОЙ СТАЛИ

© 2018 Н. А. Костин1, Е. В. Трусова2

1канд. техн. наук, доцент кафедры общетехнических дисциплин e-mail: nikolay-kostin@yandex. ru 2канд. техн. наук, доцент кафедры общетехнических дисциплин e-mail: ev. trusova@yandex. ru

Курский государственный университет

Показано, что для изготовления рабочих деталей штампов для листовой штамповки можно использовать конструкционную легированную сталь 30Х13, предварительно проведя высокотемпературную нитроцементацию в высокоактивной среде на основе аморфного углерода и железосинеродистого калия.

Ключевые слова: конструкционная легированная сталь, штамповая сталь

При конструировании штампов для холодной штамповки в качестве материалов для изготовления рабочих деталей таких штампов выбирают легированные инструментальные стали типа Х12Ф1, 9ХС, ХВГ, упрочнённые объёмной закалкой согласно требованиям ГОСТа 22472-87, для обеспечения долговечности штампов холодного деформирования рабочие поверхности пуансонов и матриц должны иметь твёрдость не ниже HRC 60 [Материаловедение... 2011].

Надо отметить, что твёрдость стали Х12Ф1, традиционно применяемой для изготовления инструментов ударного действия (например, вырубных штампов) после закалки в масле и отпуске при температуре 180...200°С составляет НRС 60.62, а после закалки в селитре при температуре 400.. ,420°С твёрдость этой стали составляет Ш.С 57.58.

Прочность и пластичность высокохромистых сталей зависит от температуры нагрева под закалку. Чем ниже эта температура, тем выше прочность. Однако, надо отметить, что такие стали по механическим свойствам значительно уступают быстрорежущим сталям, поскольку последние имеют более мелкое зерно. При закалке высокохромистых сталей, в частности Х12Ф1, необходимо следить за тем, чтобы не было перегрева, который вызывает значительный рост зерна и ухудшает механические свойства.

Качество изделий, получаемых методом листовой штамповки (вытяжки, формовки, отбортовки, гибки и т.п.), во многом зависит от качества формоизменяющих инструментов-штампов, от состояния их работающих поверхностей и от износостойкости штамповых материалов. Износостойкость штампов, кроме того, определяет и экономическую эффективность штамповых операций в условиях массового производства [Костин и соавт. 2015].

В настоящей работе приведены результаты исследования поверхностного упрочнения среднеуглеродистой высоколегированной стали 30Х13 нитроцементацией в высокоактивной пасте с целью значительного повышения её твёрдости и абразивной износостойкости, что позволило бы использовать эту сталь для изготовления рабочих деталей штампов для листовой штамповки, а возможно и для других формоизменяющих инструментов.

Нержавеющая хромистые стали мартенситного класса применяется для изготовления режущего и мерительного инструмента, пружин, упругих элементов компрессоров, подшипников, предметов домашнего обихода (ножей) и многих других изделий, работающих при температурах до 400...450°С в слабоагрессивных средах [Костин, Трусова 2014].

Эта сталь выплавляется в открытых электропечах (дуговых или индукционных) и выпускается в массовых количествах. Стоимость этой стали( ~75 тыс. руб./т) находится на уровне цен низколегированных улучшаемых сталей, что в несколько раз ниже стоимости специальных инструментальных сталей (например, стоимость стали Х12Ф1 составляет в среднем 170 тыс. руб./т). Учитывая такую разницу цен представляется целесообразным использовать сталь 30Х13 в качестве заменителя инструментальных сталей типа Х12Ф1 для изготовления инструментов ударного действия.

Химический состав в % материала сталь 30Х13

C Si Mn Ni S P Cr Cu

0,26 - 0,35 До 0,8 До 0,8 до 0,6 до 0,035 до 0,035 12... 14 до 0,3

Традиционная термическая обработка стали 30Х13 состоит в закалке с 950...1050°С с охлаждением в масле и отпуске, температура которого выбирается в зависимости от требуемой твёрдости. В закалённом состоянии микроструктура состоит из мартенсита и карбидов, а также незначительного количества остаточного аустенита.

Повысить названные эксплуатационные характеристики из этой стали можно, по нашему мнению, если провести высокотемпературную нитроцементацию [Костин 2016]. Для проверки этого предположения и выяснения влияния дополнительной химико-термической обработки на свойства стали 30Х13 было проведено комплексное исследование образцов из этой стали как в исходном состоянии (закалка 950.. ,1050°С в масле + отпуск при 650°С 1 час), так и после нитроцементации.

Надо отметить, что твёрдость стали Х12Ф1, традиционно применяемой для изготовления инструментов ударного действия, после закалки в масле и отпуске при температуре 180.. ,200°С составляет НЯС 60.62.

В связи с этим предлагается повысить поверхностную твёрдость стали 30Х13 путём интенсивного насыщения её углеродом и азотом, в результате чего на поверхности будут получены диффузионные слои с большим содержанием высокотвёрдых карбонитридных включений. Причём такое насыщение (нитроцементацию) предлагается совместить с нагревом под закалку.

Костин Н. А., Трусова Е. В. Использование конструкционной легированной стали

в качестве заменителя штамповой стали

Нитроцементацию образцов из названной стали производили в пастообразном карбюризаторе на основе аморфного углерода (газовой сажи ДГ100) с добавлением 20% железосинеродистого калия, в качестве пастообразователя использовался раствор поливинилацетатной эмульсии. Температура нитроцементации 950°С, длительность во всех случаях составила 6 ч [Патент РФ № 2600612 С1; Патент РФ № 2586178 С1].

Пасту готовим следующим образом: мас. %: железосинеродистый калий К4Бе(СК)6 - 16...20, карбонат бария ВаСОз - 14...18, бентонит - 12, маршалит - 4, газовая сажа ДГ-100 - остальное, тщательно перемешиваем и разводим пастообразующей жидкостью(об. %: поливинилацетатная эмульсия - 50; этанол -10; вода - 40).

В качестве упрочняемых деталей использовали образцы (10x10x60 мм) из стали 30Х13, предварительно очищенные уайт-спиртом. Приготовленную пасту наносили на нитроцементируемые поверхности детали слоем от 0,5...2,0 мм и сушили при температуре 80°С в течение 0,5 ч до образования твердого покрытия.

Подготовленную таким образом деталь загружали (подвешивали) в нейтральную соляную ванну при следующем соотношении компонентов, мас. %: №С1 - 50, Ка2СО3 - 50. Нагрев проводили при температуре 950°С, с выдержкой при этой температуре в течение 6 часов, затем образцы охлаждали в масле и проводили низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С.

В результате такой обработки на поверхности образцов были получены глубокие диффузионные слои (более 1 мм) с развитой зоной карбидов. Количество карбидов в диффузионном слое, в зависимости от температуры цементации, составляло от 40 до 90% (объёма). Твёрдость цементованных и закалённых по разным режимам образцов составляла ИЯС 58.65, то есть была выше минимальной твёрдости, требуемой ГОСТом [Патент РФ № 2600612 С1].

Таким образом, можно заключить, что для изготовления штампового инструмента, в том числе и вырубных штампов, можно с успехом использовать нержавеющую сталь массового производства 30Х13, которая в несколько раз дешевле инструментальных хромомолибденовых сталей, используемых для этих целей в настоящее время. Предлагаемая упрочняющая обработка этой стали, совмещающая нитроцементацию и нагрев под закалку, не только значительно повышает твёрдость и износостойкость стали 30Х13, но и существенно снижает экономические затраты на эту операцию.

Библиографический список

Материаловедение и технология конструкционных материалов: учеб. для студ. вузов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и магистров «Технология, оборудование и автоматизация машиностр. пр-в» и дипломир. специалистов «Коструктор.-технолог. обеспечение машиностр. пр-в» / В. Б. Арзамасов [и др.]; под ред.: В. Б. Арзамасова, А. А. Черепахина. 3-е изд., стер. М.: Академия, 2011. 448 с

Костин Н.А. О возможности использования нитроцементованных высокохромистых сталей в качестве материала формообразующих инструментов для переработки стеклонаполненных полимеров / Н.А. Костин, Е.В. Трусова,

В.И Колмыков, Д.В. Колмыков. Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: сб. матер. 17-й Международн. науч.-практич. конф. Санкт-Петербург, 14-17 апреля 2015 г. СПб., 2015. Ч. 2. С. 361-365.

Костин Н. А., Трусова Е. В. Нитроцементация сталей 40Х13 и 40Х5МФС для повышения стойкости режущего инструмента // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: сб. материалов 16-й международн. науч.-практич. конф. г. Санкт-Петербург, 15-18 апреля 2014 г. СПб., 2014. Ч. 2. С. 90-93.

Костин Н.А. Повышение эксплуатационных свойств штамповой стали 5Х2ГФ путём создания карбонитридных слоёв химико-термической обработкой // Металловедение и термическая обработка металлов. 2016. №8. С. 19-22.

Патент РФ № 2600612 С1 от 03.10.16; Заявка № 2015116958/02. Способ нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей / Костин Н. А., Колмыков В. И., Костин Н.Н., Ермакова Н.В., Трусова Е.В. // Бюл. №30 от 27.10.2016 г.

Патент РФ № 2586178 С1 от 13.05.16; Заявка № 2015109207/02. Способ нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей / Костин Н. А., Колмыков В. И., Костин Н.Н.. , Колмыков Д. В. // Бюл. №16 от 10.06.2016 г.