CC BY
4УДК 669.14.018.254
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА СВОЙСТВА ШТАМПОВЫХ СПЛАВОВ ВЫСОКОЙ ТЕПЛОСТОЙКОСТИ
В.Б. Бутыгин, A.C. Демидов
Показаны пути легирования штамповых сталей элементами в количестве, позволяющем повысить их теплостойкость. Разработан сплав, обеспечивающий увеличение стойкости инструмента в 2 - 3 раза. Этот сплав можно для штампов горячего деформирования при температурах до 800 - 900°С,
Ключевые слова: термическая обработка, легирование, теплостойкость, штампы, твердость, фазовый состав, интерметаллиды, закалка, отпуск.
Известные быстрорежущие и штамповые стали, получающие высокую твердость в результате карбидного упрочнения, не обеспечивают достаточной производительности при деформировании таких материалов повышенной прочности как высоколегированные конструкционные стали и многие нержавеющие и жаропрочные сплавы. Поскольку деформирование таких материалов надо выполнять при более высокой температуре, нужны сплавы с более высокими температурами разупрочнения. Между тем теплостойкость более легированных быстрорежущих кобальтовых сталей не превышает 650°С (для 60 НКС). а штамповых сталей 750°С (для 45 НИС).
Выше теплостойкость у сталях на Ре -Со - Ч\1 основе с интерметаллидным упрочнением. Они сохраняют твердость 45 Н[ЧС после нагрева до 750—800°С. Однако достигнутый уровень теплостойкости и прочности является еще недостаточным для производительного деформирования указанных здесь сплавов.
Возможности значительного улучшения теплостойкости сталей с а <-> у превращением ограничены их сравнительно невысокими температурами фазовых превращений, поэтому существенно использовать сплавы, не претерпевшие фазовых превращений и пре-
жде всего сплавы с аустенитной структурой. Однако такие сплавы должны существенно отличаться от известных жаропрочных сплавов. Прежде всего, они должны иметь более высокую твердость, не ниже 45 НКС, лишь в этом случае обеспечивается необходимое сопротивление пластической деформации во всем интервале эксплуатации.
Для исследования были использованы сплавы, состава, указанного в табл.1. Они были выбраны для более подробного изучения.
Сплавы Х19К13М4ТЮ, Х19К11М10ТЗ рекомендуют для штампов экструзии и горячей штамповки. Остальные сплавы опытные. Выплавка сплавов производилась в лабораторной индукционной печи. Слитки ковали при 1200... 1000°С. Ковкость всех сплавов была пониженной. Несколько лучшая ковкость была только у сплавов Х19К13М4ТЮ, Х19К5М10ТЗ и Х15М5Ю6 (№) Поэтому остальные сплавы изучались в литом состоянии.
Закалка образцов производилась с температур 1100-1275°С (через каждые 25°С) с охлаждением в воде, масле и на воздухе Высокая твердость при последующем старении была получена при закалке с температур 1250... 1275°С. Оптимальной была выдержка 2 мин на I мм толщины. Лучший результат обеспечило охлаждение в масле и в воде.
Таблица 1 - Элементный состав исследуемых сталей
Сплавы Содержание элементов, %
С Cr Mo W Ti AI Co Ni Fe
Х19К13М4ТЮ 0,12 18,25 3,9 — 0,94 1,04 13,9 ост —
Х19К11М10ТЗ 0,12 18,3 10,4 — 2,1 — 10,5 OCT —
Х19К5М10ТЗ 0,12 18,6 10,45 — 2,5 — 5,4 OCT —
Х15М5Ю6 0,12 14,6 4,5 — — 6,3 — OCT —
В15М15(Со) 0,08 — 15,95 15,5 0,11 — OCT — —
B15M15(Ni) 0,1 — 16 16,4 0,11 — — OCT —
В15М15К45 0,04 — 15,8 15,8 0,13 — 44,9 — ост
БУТЫГИН В.Б., ДЕМИДОВ А.С.
Наибольшую твердость HRC 36... 39 имеют сплавы на железокобальтовой основе В15М15К45 и на кобальтовой основе В15М15(Со), у сплавов на никелевой основе B15M15(Ni) и Х19К5М10ТЗ твердость ниже HRC22...26.
Старение сплавов при 700...800 С позволило получить твердость до значения твердости, требуемой для штампов. В результате старения при 700 С более высокую твердость приобретают сплавы: В15М15К45 на железокобальтовой основе и В15М15 на кобальтовой основе. Твердость сплава В15М15(Со) составляет 60 HRC после старения 50 час. Достаточно высокую твердость (45 HRC) получает сплав Х19К13М4ТЮ на никелевой основе после старения 20 час.
Иначе изменяется твердость при 800°С Наибольшую твердость, как и после старения при 700°С, получает сплав В15М15(Со) (49 HRC, 50 час.) и сплав В15М15К45 (47 HRC, 20 час.). Близкие значения твердости имеет никелевый сплав Х15М5Ю6.
В результате старения при 800°С рост твердости происходит интенсивнее. Максимальную твердость сплавы приобретают после старения 10 час.
Таким образом, сплавы В15М15(Со) на кобальтовой основе и Х15М5Ю6 на никелевой основе после старения при 700, 800, и 850°С получают твердость, сопоставимую с твердостью штамповых сталей. Однако они значительно превосходят их по теплостойкости. Достаточно сказать, что известная стандартная штамповая сталь ЗХ2В8Ф сохраняет твердость 45 HRC при нагреве до 630°С. Наиболее теплостойкая штамповая сталь 2Х8В8М2К8 до 745°С,исследуемые аустенит-ные сплавы В15М15К45 и Х15М5Ю6 до 870°С.
Более подробному исследованию подвергли сплав Х15М5Ю6на никелевой основе.
Введение в состав этого сплава углерода в количестве 0,1-0,12 мас.% является оптимальным, т.к. способствует образованию карбидов хрома, которые принимают участие в процессе дисперсионного твердения. При содержании углерода более 0,12 мас.% происходит уменьшение количества упрочняющей фазы Ni3AI, что снижает твердость штампового сплава при старении.
Введение в состав хрома в количестве 13,0-15,0 мас.% увеличивает сопротивление сплава окислению при высоких температурах и повышает его способность к дисперсионному твердению без участия титана. При содержании хрома ниже 13,9 мас.% снижается
количество карбидов хрома, которые принимают участие в процессе дисперсионного твердения. При содержании хрома более 15,9 мас.% происходит резкое снижение теплостойкости и жаростойкости штампового сплава.
Введением в состав алюминия в количестве 3,0-6,0 мас.% достигается максимальное количество упрочняющей фазы, что приводит к получению максимальной твердости после старения. При содержании алюминия ниже 3,0 мас.% не обеспечивается требуемая твердость штампового сплава за счет малого количества упрочняющей фазы. При содержании алюминия более 6,0 мас.% происходит снижение пластичных свойств штампового сплава и, как следствие, затруднение при ковке.
Введение в состав сплава молибдена в количестве 4,5-6,5 мас.% повышает температуру рекристаллизации - у твердых растворов и замедляет их разупрочнение, и, кроме того, способствует увеличению пластичности и прочности штампового сплава. При содержании молибдена ниже 4,5 мас.% происходит понижение температур старения, что, в свою очередь, снижает теплостойкость штампового сплава. Содержание молибдена более 6,5 мас.% - нецелесообразно, т.к. не оказывает влияния на повышение твердости и прочности штампового сплава.
Исследуемый штамповый сплав выплавили в открытой индукционной печи. Масса слитков составляла от 4 до 50кг. Слитки ковались на прутки сечением 12 х 12мм. Степень деформации 76%. Температура ковки составляла 1050-1150°С. Охлаждение после ковки выполнялось на воздухе. Структура штампового сплава представлена аустенитом с мелкими равномерно распределенными интерметаллидными частицами.
Штамповый сплав исследовался на механические свойства в холодном и горячем состоянии после закалки и отпуска.
Закалка осуществлялась при температуре 1180-1200°С с выдержкой до 14-16 с на 1мм. сечения прутка для полного прогрева изделия с последующим охлаждением в масле. Твердость после закалки составила HRC 30-31.
Отпуск осуществлялся нагревом до температуры 700-850°С. При температуре 800°С после 10 ч. выдержки твердость составила HRC 45-46, Для сравнительной оценки использовался штамповый сплав ХН53К11МЮТ.
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА СВОЙСТВА ШТАМПОВЫХ СПЛАВОВ ВЫСОКОЙ ТЕПЛОСТОЙКОСТИ
Теплостойкость штампового сплава оценивалась по температуре длительного нагрева, после которого сохранялась твердость НКС 45. Данная температура равнялась 870°С, что выше, чем у штампового сплава ХН53К11МЮТ.
Определение механических свойств проводилось после обработки по приведенным ранее режимам, обеспечивающим получение твердости НКС 45-46.
Проведенные испытания показали, что предлагаемый состав штампового сплава обладает оптимальными свойствами. Он обеспечивает лучшую теплостойкость и механические свойства по сравнению с составом штампового сплава ХН53К11МЮТ, (твердость НКС 45-46, относительное удлинение 12%, относительное сужение 19%)
Исследования авторов показали, что разработанный ими сплав обеспечивает увеличение в 2-3 раза стойкость инструмента, в частности, концевых фрез, выполненных из этого сплава, по сравнению со стойкостью инструмента, выполненного из штампового
сплава ХН53К11МЮТ. Это позволяет применять предлагаемый сплав для изготовления прессовых инструментов, например, мелких вставок окончательного штампового ручья, матриц и пуансонов выдавливания, а также штампов горячего деформирования, рабочая поверхность которых нагревается до 800-900°С.
Таким образом, использование предлагаемого штампового сплава (Х15Ю6М6 на никелевой основе) повышает эксплуатационную стойкость инструмента вследствие увеличения твердости и теплостойкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Штамповый сплав. Патент № 2235797 от 10.09.2004 г.
Бутыгин Виктор Борисович - к.т.н., профессор, АлтГТУ им. И. И. Ползу нова.
Демидов Александр Станиславович -
к. т.н., доцент, АлтГТУ им. И. И. Ползу нова
