Влияние режимов отжига на структуру и свойства литых быстрорежущих сталей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 173

1970

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ОТЖИГА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЛИТЫХ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ

И. О. ХАЗАНОВ, Ю. М. ЛОЗИНСКИЙ, В. Ф. ЖИДОБИН (Представлена проф. докт. А. Н. Добровидовым)

В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе появляются работы, связанные с исследованием возможности применения сталей типа быстрорежущих для штампового инструмента. Особенно перспективным в этом отношении может быть применение подобных сталей для изготовления активных деталей горячевысадочных штампов в литом состоянии [1, 2]. Высокая теплостойкость быстрорежущих сталей, сочетающаяся с повышенной прочностью при высоких температурах, может быть использована при изготовлении пуансонов и матриц из этих сталей, у которых в процессе работы рабочие кромки испытывают большие удельные давления и разогреваются до высоких температур.

Однако существенным недостатком литых быстрорежущих сталей являются пониженные пластические свойства (6, ак ), обусловленные особенностями литой структуры и наличием встали значительного количества карбидов.

Целью настоящей работы явилось исследование влияния режимов отжига (температуры и времени выдержки), а также температуры последующей закалки и отпуска на структуру и свойства исследуемых сталей. В настоящей работе были исследованы стали следующего состава

(табл. 1).

Выплавка стали производилась на высокочастотной установке в кислом тигле. Вес плавки 2 кг. Образцы отливались в металлические формы-трефы, которые обеспечивают получение отливок без наличия в них усадочных дефектов. При таком методе отливки образцов усадочная рыхлость концентрируется в среднем сечении фор-

* В выполнении экспериментальной части работы принимала участие инженер Овчаренко Г. Н.

Таблица 1

Химический состав, %

№ плавки с сг V

1 0,31 2,36 0,21 7,77

2 0,47 3,85 2,30 9,50

3 0,70 3,68 1,13 9,06

4 1,00 4,26 1.90 9,09

5 0,33 4,09 1,27 19,96

6 0,47 3,60 1,13 17,97

7 0,66 4,09 1,50 17,15

8 1,02 3,73 1,06 17,15

мы, а из здоровой части отливки отрезаются образцы для испытаний. Для уменьшения глубины обезуглероженного слоя на поверхности образцов при нагреве они засыпались мелкой стружкой из быстрорежущей стали. После отжига поверхность образцов обрабатывалась в размер, при этом исключалась полностью возможность наличия обезуглероженного слоя.

В литературе имеются рекомендации по выбору температур отжига быстрорежущих сталей, например, от 790° до 900°С [3, 4, 5]. Некоторые исследователи указывают на то, что твердость литой быстрорежущей стали снижается только после высокотемпературного нагрева, и рекомендуют для снижения твердости нагрев до 1260—1280°С в соляных ваннах с охлаждением на воздухе.

Н. Т. Гудцов и С. А. Казеев [7] показали, что длительной выдержкой литой быстрорежущей стали при температурах, близких к температуре закалки, можно очень сильно изменить ее структуру, приблизив к структуре кованой стали. Ю. А. Геллер [8] указывает на то, что для предупреждения порчи теплостойкости, усиливающейся с повышением температуры отжига, вольфрамовые стали целесообразно отжигать не выше 860°С. Порча теплостойкости объясняется тем, что при повышении температуры и времени выдержки карбиды промежуточного типа, например, МгзСб, превращаются в стабильные карбиды ('например, М6с или МС). При нагреве под какалку эти карбиды не растворяются в аустените даже при очень высоких температурах, вследствие чего уменьшается его легированность [9].

Отжиг при сравнительно низком нагреве не растворяет первичные карбиды, но, вызывая коагуляцию, может улучшить структуру [8]. В настоящей работе для плавок 1—4 применялись следующие температуры отжига: 1150, 1200, 1250°С. Время выдержки при 1150° — 3 часа, а при 1200° и 1250°—1, 3, 6 часов. Для плавок 5—8 применялись следующие температуры отжига: 1200, 1250, и 1280°С. Продолжительность выдержки при каждой температуре составляла 1, 3 и 6 часов. После высокотемпературного отжига производился дополнительный изотермический отжиг, стандартный для быстрорежущих сталей.

Как видно из табл. 2, литые стали исследованного состава имеют общую тенденцию к снижению твердости при повышении температуры отжига и при увеличении времени выдержки. Второй отжиг, следующий за высокотемпературным, по нормальному стандартному режиму для кованых сталей подобного состава приводит к некоторому дополнительному снижению твердости. Данные табл. 2 показывают, что при увеличении содержания углерода и легирующих элементов в стали твердость литой стали после стандартного отжига значительно выше твердости стали, отожженной по двойному режиму.

Как следует из сравнения твердости при различных выдержках при температуре высокой ступени, несмотря на существенное снижение ее при увеличении времени выдержки, повторный стандартный отжиг не дает такого же эффекта и твердость после повторного отжига изменяется с очень малыми колебаниями (до 20—25 НВ), преимущественно в сталях с повышенным содержанием углерода. Разница в твердости после стандартного и двойного отжига достигает 70НВ и более. Как показали исследования микроструктуры стали, отожженной только по стандартному режиму и по двойному режиму отжига, разница в микроструктурах замечается весьма существенная.

На рис. 1 представлена микрофотография структур стали плавки 7 в литом состоянии, отожженной только по стандартному режиму и отожженной по двойному режиму (нагрев до высокой температуры с выдержками от 1 до 6 часов, а затем стандартный отжиг с нагревом

Таблица 2

N° Твердость в литом Режим 1 от- Твердость Твердость Твердость

жига, °С, после 1 от- после двой- после станд.

пл авки состоянии, HRC часы жига, НВ ного отжига отжига, НВ

1 2 3 4 5 6

1150,3 229 167

1200,1 229 170

1200,3 207 170

1 46 1200,6 182 163 192

1250,1 255 156

1250,3 187 162

1250,6 190 162

1150,3 156 156

1200,1 152 156

1200,3 152 151

2 35 1200,6 ' 152 152 209

1250,1 149 147

1250,3 143 147

1250,6 148 150

1150,3 187 174

1200,1 178 179

1200,3 170 170

3 60 1200,6 170 158 229

1250,1 187 170

1250,3 167 162

1250,6 170 170

1150,3 290 211

1200,1 285 211

1200,3 290 197

4 56 1200,6 255 199 270

1250,1 260 207

1250,3 229 187

1250,6 229 197

1200,1 217 217

1200,3 217 217

1200,6 207 207

j 30 1250,1 217 222 341

1250,3 207 211

1250,6 200 200

1280,1 217 217

j

Продолжение таблицы 2

1 2 3 4 5 6

1200,1 197 197

1200,3 200 197

1200,6 187 192

6 36 1250,1 187 192 241

1250,3 177 187

1250,6 183 183

1280,1 192 197

1200,1 241 229

1200,3 217 211

1200,6 222 200

7 58 1250,1 241 207 302

1250,3 229 197

1250,6 187 179

1280,1 235 207

1200,1 363 241

1200,3 285 234

1200,6 229 211

8 59 1250,1 285 229 329

1250,3 241 217

1250,6 217 197

1230,1 302 222

до 860°С, выдержка 3 часа, охлаждение до 750°С, выдержка 5 часов, а затем медленное охлаждение со скоростью 20—30°/час до 600°С с последующей выдачей на воздух).

Рис. 1. X 340. Изменение структуры литой стали плавки 7 после стандартного и двойного отжига

Из микрофотографий (рис. 1) ясно видно, что стандартный отжиг весьма незначительно сказывается на микроструктуре литой стали. Основное влияние стандартного отжига сводится лишь к сфероидизацпи вторичных карбидов и диффузионному выравниванию состава твердого 172

раствора. Карбидная сетка после стандартного отжига остается практически неизменной, что при последующем нагреве под закалку снижает растворимость первичных карбидов в твердом растворе. Как видно из левой части микрофотографии на рис. 1, структура литой стали, отожженной по двойному режиму отжига, почти не имеет следов скелетной ориентации первичных карбидов. Структура имеет равномерное строение по составу, а карбиды полностью сфероидизированы. Подобная же

Таблица 3

№ плавки' Режим отжига (тем-ра в °С, время выдержки Твердость НИС после отпуска при температуре, °С

в час.) 580 610 640

а) стандартный отжиг 63 57 45

4 б) двойной отжиг:

^=1150, т=3 63 58 53

^=1200, т=1 63,5 60 56,5

¿2=1200, т=3 63,5 60 53

¿!=1200, т=6 62,5 58 54

¿1=1250, т=1 63 59 55

¿1=1250, т^З 63 61 57,5

/х==1250, т=6 63 58 54

а) стандартный отжиг 25 28 37

б) двойной отжиг:

5 ¿1Е=1200, т=1 27 32 36

¿!=1200, т—3 29 43 40

¿1С=Л200, т = 6 25 35 37

^=1250, т=1 23 30 39

¿х = 1250, т=3 27 34 39

¿1== 1250, т=6. 27 41 39

¿!= 1280, т=1 26 34 36

а) стандартный с т ж и г 64,5 61,5 56

б) двойной отжиг:

8 ¿!~1200, 1 - 65 62 55

¿1е=й1200, т —3 64 61 57

1200, т=6 58 54 49

^ = 1250, т«=1 62 56 49

¿1 = 1250, т = 3 60 54 48,5

¿!=1250, Т=6 58 53 48

^=1280, т=1 63 61 54

микроструктура наблюдалась во всех плавках, отожженных по двойному режиму. Причем увеличение времени выдержки при высокой ступени не улучшает микроструктуры стали. При увеличении выдержки при высокой температуре наблюдается значительное укрупнение карбидов, что не может улучшить механических свойств стали и ее красностойкости [8].

В табл. 3 приводятся результаты сравнения зависимости твердости литой, предварительно отожженной по стандартному режиму стали, а также отожженной по двойному режиму, а затем закаленной и отпущенной стали. Такие же данные приводятся и на графиках для плавок 3, 3 и 7 (рис. 2, 3, 4).

н (-г—-1-Г -1-1-.

0. 500 550 Ш 610 Ш 580

Температура отпуска. 9С

Рис. 2. Влияние температуры отпуска продолжительностью 1 час на твердость стали плавки 1, предварительно отожженной по указанным режимам (С. О. — стандартный отжиг)

Как видно из графиков и табл. 3, стали плавок 1, 3, 7 и 8 при увеличении времени выдержки при отжиге при температуре высокой ступени получают склонность к снижению красностойкости после их окончательной термической обработки. Наиболее приемлемым для сталей этих плавок может быть принят двойной отжиг с кратковременной выдержкой (1 час) при первом высоком нагреве и последующим стандартным отжигом. Из графиков (стали плавок 1, 3, 7) и табл. 3 (стали плавок 4, 5) видно, что после одного стандартного отжига красностойкость литых сталей даже несколько снижается по сравнению с красностойкостью этих же сталей, предварительно отожженных по двойному режиму.

Исследование механических свойств сталей плавок 1, 3, 4, 7, 8, предварительно отожженных только по стандартному режиму отжига и по двойному режиму (табл. 4), показало, что применение предварительного двойного отжига для литых сталей состава, подобного плавкам 1, 3, 4, 7, 8, дает возможность несколько повысить их ударную вязкость и предел прочности. Прочность и ударная вязкость определялись в стали с твердостью 49—52 НИС, так как нами преследовалась цель использовать эти стали для изготовления горячевысадочного инструмента. Как видно из табл. 4, ударная вязкость и предел прочности стали, отожженной по двойному режиму, хотя и очень незначительно, но повысились по

. w

во С*

^ ss

l- 59

45

О т 550 т но б4о ш

Температура отпуска,"С

Рис. 3. Влияние температуры отпуска продолжительностью 1 час на твердость стали плавки 3, предварительно отожженной по указанным режимам (С. О. — стандартный отжиг)

Температура отпуска,0С

Рис. 4. Влияние температуры отпуска продолжительностью 1 час на твердость стали плавки 7, предварительно отожженной по указанным режимам. (С. О. — стандартный отжиг)

•

ГЗ- mvt

с*-А

• \

— - «5»® -3час + СО ----— 1 Час +С0 --- 1200* — 3 vac + CQ —*— то" ~бш.+с.о. -в— /250° „ас +С0 -V- 1250°-Зчаса + С.О. —0- ¡250'-6 час + СО. N Vs \ N \ \ \

......... >

сравнению со сталью, отожженной по стандартному режиму. Испытания проводились для каждой точки на 5 образцах. Ударная вязкость определялась на стандартных образцах 10ХЮХ55 мм с надрезом, предел прочности при растяжении — на образцах с диаметром рабочей части 6 мм.

Таблица 4

№ плавки Режим отжига, в °С, в часах Те м-ра закалки, °С Тем-ра отпуска, °С HRC а в, кг¡мм2 Ак, кгм1смъ

1 Стандартный Двойной (¿! = 1250, Т^=3) ' 1200 1200 550 560 50 50 165 185 1,22 1,70

3 Стандартный Двойной (^=1150, т=3 1250 1250 620 690 49 50 78 89 0,33 0,35

4 Стандартный Двойной (^==1250, т=3) 1200 1200 620 690 52 52 82 86 0,24 0,35

7 Стандартный Двойной (^ = 1250, т=1) 1280 1280 640 640 50 50 78 83 0,27 0,28

8 Стандарта ый Двойной (¿1 = 1250, т=1) 1240 1240 660 660 49 49 75 79 0,21 0,24

Как следует из полученных в настоящей работе результатов, предварительный двойной отжиг литой стали повышает ее красностойкость и механические свойства. В настоящей работе подтвердились результаты, полученные ранее в работе Таничевой О. Н. [6] по определению влияния высокотемпературного отжига на красностойкость быстрорежущей стали. В нашем случае всякое повышение механических свойств литой стали еще более ценно, чем для кованой, так как литая быстрорежущая сталь по сравнению с кова'ной аналогичного состава имеет меньшую прочность и ударную вязкость.

Как показали производственные испытания прошивных пуансонов из стали плавки 1, для штамповки колец подшипников типа 304 и 208, их стойкость составила в среднем 55 тыс. вырубок, что значительно превышает стойкость аналогичного инструмента, изготовленного из кованой стали ЗХ2В8.

Для определения эффективности использования сталей типа быстрорежущих для изготовления литых штампов горячего деформирования металлов целесообразно провести их стойкостные испытания. Наиболее перспективными для этой цели могут быть стали плавок 3, 5, 7.

Выводы

Как показали результаты проведенных исследований, применение двойного отжига для литых быстрорежущих сталей имеет следующие преимущества перед стандартным отжигом:

а) значительно снижается твердость стали (на 50—80 НВ);

б) заметно повышается красностойкость стали, на 50°С и более в зависимости от состава стали;

в) использование двойного отжига приводит к улучшению обрабатываемости литых заготовок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ю. А. Геллер. Современные штамповые стали для горячей штамповки, прессования и вытяжки. Материалы семинара по повышению стойкости штампов горячей и холодной шта'мповки. М., 1965.

2. В. Н. Сайкина. Новая технология термической обработки пуансонов из быстрорежущей стали. Металловедение и термическая обработка, № 5, 1964.

3. С. Г. К о о п. Термическая обработка быстрорежущей стали. Металлургиздат, 1956.

4. В. М. Доронин. Термическая обработка углеродистой и легированной стали. Металлургиздат, 1956.

5. А. П. Гуляев. Свойства и термическая обработка быстрорежущей стали. Машгиз, 1939. ^

6. О. Н. Т а н и ч е в а. Металловедение и термическая обработка металлов, № 9, 1964.

7. Н. Т. Гудцов, С. А. К а з ее в. К вопросу о природе быстрорежущей стали. Металлургиздат, 1930.

8. Ю. А. Геллер, Ю. И. Караванов. Станки и инструмент, № 7, 1960.

9. Э. Гуд рем он. Специальные стали, т. 2, 1960.

12. Заказ 6167.