CC BY
17
УДК 621.791.92.04
А.С. Лосев, Е.Н. Еремин, Д.Г. Кноль
Омский государственный технический университет, г. Омск
НАПЛАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ С КОМПОЗИЦИОННОЙ СТРУКТУРОЙ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА
С усложнением условий деформирования, в частности, в связи с более широким применением различных технологий выдавливания, накатки, вытяжки и вырубки более твердых металлов, протекающих в условиях повышенных давлений и нагрева, значительно возросли требования, предъявляемые к работоспособности штампового инструмента. Одним из важнейших показателей, определяющих срок службы штампов и оснастки для горячей обработки металлов давлением, являются высокие значения теплостойкости и термической стойкости или стойкости против образования трещин разгара.
385
Повышение стойкости металлообрабатывающего инструмента за счет изготовления его из износостойких сталей с точки зрения экономической целесообразности почти исчерпало свои потенциальные возможности. Известно, что доля изнашиваемого металла в массе всего инструмента составляет обычно не более 3... 10 %. Поэтому очевидно, что наиболее перспективны биметаллические инструменты, для рабочих частей которых применяют высокопрочные материалы, а в качестве основы используют недорогие конструкционные или низколегированные теплостойкие стали. Для получения такого инструмента используется наплавка [1].
В настоящее время наиболее перспективными являются наплавочные материалы с эффектом вторичного твердения (мартенситно-стареющие и дисперсионно-твердеющие стали). Эксплуатационные свойства таких наплавочных материалов значительно превосходят свойства известных инструментальных сталей. В тоже время, в большинстве случаев данные материалы легированы дефицитными дорогостоящими элементами (кобальтом, вольфрамом), общее содержание которых достигает 20%, что обусловливает их высокую стоимость и ограничивает применение [2]
Новые перспективы для разработки износостойких наплавочных материалов, в которых удачно сочетаются прочность, износостойкость и термостойкость, открывает переход к получению наплавленного металла с композиционной структурой, состоящего из относительно мягкой матрицы (основы) и высокопрочных волокон, армирующих матрицу [3].
В данной работе приведены результаты исследования теплостойкости и термостойкости наплавленного металла 0Н13М5Х4ФСТЮ с соединения бора (B4C, TiB2, ZrB2). Для сравнения также определялась теплостойкость и термостойкость наплавленного металла полученного порошковой проволокой MAR 250 (0Н18К9М5ТЮ) фирмы LINCOLN ELECTRIC, штамповой стали 50ХНМ по ГОСТу 5950-73 и быстрорежущей стали Р18 по ГОСТу 19265-73.
Результаты испытания на теплостойкость, за критерий которой принимали изменение твердости стали после отпуска в интервале температур от 400 до 750 °С при выдержке 2 часа, приведены на рис. 1. Перед испытанием образцы из штамповой стали 50ХНМ термически обрабатывались закалка от 925 °С в масло, отпуск при 500 °С - 1 часа. Термическая обработка образцов из быстрорежущей стали Р18 включала закалку от 1230 °С до 550 °С в смеси 50% СaQ2 + 50% NaCl, а далее - на воздухе, и последующий трехкратный отпуск при 560 °С продолжительностью 1 час. Образцы из мартенситно-стареющей стали отпускались при температуре 500 °С в течение 2 часов.
няс
60
50 40 30
400 450 500 550 600 650 700 750 С0
Рис. 1. Теплостойкость металла: 1 - быстрорежущая сталь Р18;
2 - штамповая сталь 50ХНМ; 3 - МАЯ 250; 4 - 0Н13М5Х4ФСТЮ с боридами
386
Как показали исследования, наплавленный металл 0Н13М5Х4ФСТЮ с боридами по теплостойкость не уступает быстрорежущей стали Р18 при температурах до 600 °С, а при более высоких температурах значительно превосходит как сталь Р18, так и мартенситно-стареющую кобальтсодержащую сталь МАЯ 250 по данному показателю.
Такие значения теплостойкости исследуемых сталей можно связать с их различием в
составе и характере упрочняющих фаз, а также предельной температурой фазовых а -превращений. Низкие значения теплостойкости штамповой стали 50ХНМ можно объяснить тем, что упрочнение данной стали происходит за счет карбида цементитного типа Ме3С, который обладает низкотемпературной стабильностью. Упрочнение быстрорежущей стали Р18 происходит специальными труднорастворимыми карбидами Ме2С и Ме23С6, что и предопределяет ее высокую теплостойкость при температурах до 600 °С, а при более высоких температурах в данной стали происходит стабилизация аустенита приводящее к резкому снижению твердости. Мартенситно-стареющая сталь МАЯ 250 упрочняется за счет интерметал-лидных фаз №3(А1, Т1) и (Бе, Со)2Мо, при нагреве данной стали свыше температур оптимального старения (500 °С) происходит коагуляция упрочняющих интерметаллидных фаз за счет растворения более мелких частиц и стабилизация остаточного аустенита, что и обусловливает не высокие значения теплостойкости. Упрочение стали 0Н13М5Х4ФСТЮ с боридами, в отличие от обычных мартенситно-стареющих сталей, происходит за счет эффектов как интерметаллидного, так и дисперсионного упрочнения с образованием высокодисперсных интерметаллидных фаз Лавеса (Бе, V, Б1)2(Мо, Т1) и высокопрочных труднорастворимых карбоборидных фаз (Т1, Мо, Бе, V)23(С,В)6 и (Сг, Бе, Мо, Т1)7(С,В)3. Кроме этого введение бо-ридов в данную сталь приводит к образованию карбоборидной эвтектики, имеющей скелетообразный характер и зернограничное расположение, и труднорастворимых карбоборидных фаз, которые повышают температуру рекристаллизации и замедляют диффузионные процессы при высоких температурах, тем самым значительно повышают теплостойкость.
Для испытаний на термостойкость была разработана методика, согласно которой из металла изготавливался испытуемый образец размером 20*10*10 мм и фиксировался в специальной оправке, соприкасающейся непосредственно с головкой термопары. Чередование циклов нагрев - охлаждение осуществляли поворотом оправки с образцом на соответствующую позицию. Нагрев образцов осуществлялся пропановой горелкой до температуры 725 °С (± 25 °С), а охлаждение - водой посредством распыления из форсунки до температуры 50 °С (± 10 °С). Температура разогрева образцов фиксировалась потенциометром Термодат -10К3/1УВ/2Р. За критерий оценки термостойкости принималось число теплосмен до появления первой видимой трещины. При этом определяли число циклов до трещинообразования по среднему значению для трех образцов одного состава. Кроме этого изучалась поверхность образцов после 50 теплосмен для установления характера развития термических трещин.
В результате испытаний на термостойкость образцы из сталей Р18 и 50ХНМ выдержали 1 и 4 теплосмены соответственно. Характер трещин на образцах из данных сталей - глубокие трещины, проходящие через всю плоскость образца (рис. 2, а и рис. 2, б). Низкая тер-
мостойкость сталей Р18 и 50ХНМ, объясняется тем, что на термические напряжения накладываются структурные напряжения, которые достигают значительной величины из-за высокого содержания углерода.
В результате испытаний на термостойкость образцы из наплавленного металла MAR 250 и 0Н13М5Х4ФСТЮ с боридами выдержали, соответственно, 25 и 34 теплосмены. Необходимо отметить, что на образцах из наплавленного металла MAR 250 после 4-7 теплосмен после появления первой разгарной трещины, начинает развиваться сетка разгара, которая после 50 теплосмен охватывает всю поверхность образцов. Как видно разгарные трещины на
387
этих образцах характеризуются большими размерами и глубиной залегания (рис. 2, в). На поверхности образцов из наплавленного металла 0Н13М5Х4ФСТЮ с боридами даже после 50 теплосмен отсутствует сетка разгара, а разгарные трещины характеризуются относительно небольшой протяженностью (рис. 2, г).
а) б)
в)
г)
Рис. 2. Глубина залегания и форма трещин в образцах:
Р18 после 4 теплосмен (а); 50ХНМ после 4 теплосмен (б); MAR 250 после 50 теплосмен (в); 0Н13М5Х4СФТЮ с боридами после 50 теплосмен (г)
Таким образом, введение боридов (В4С, Т1В2, 2гВ2) в мартенситно-стареющую сталь 0Н13М5Х4ФСТЮ, позволяют значительно повысить ее теплостойкость и сопротивляемость образованию и развитию трещин разгара. Применение данной стали, в качестве наплавочного материала, позволит существенно повысить работоспособность штампов и узлов металлургического оборудования, работающих в условиях многократно изменяющихся температур.
Библиографический список
1. Соколов, Г. Н. Наплавка износостойких сплавов на прессовые штампы и инструмент для горячего деформирования сталей / Г. Н. Соколов, В. И. Лысак. - Волгоград : ВолгГТУ, 2005. - 284 с.
388
2. Кальянов, В. Н. Мартенситно-стареющие стали для наплавки штампов / В. Н. Кальянов, В. А. Багров // Сварочное производство. - 2003. - № 2. - С. 35-37.
3. Лосев, А. С. Исследование влияния боридов на структуру и свойства мартенситно-стареющей стали / А. С. Лосев, Е. Н. Еремин // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. - 2011. - № 1(97). - С. 29-32.
