Штамповая сталь

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к штамповой стали для тяжелонагруженных штампов горячего деформирования и пресс-форм литья под давлением. Сущность изобретения: сталь содержит, мае. %: углерод 0,17-0,23; хром 14-16; никель 17-19; титан 2-3; бор 0,002-0,02; ванадий 0,9-1,5; молибден 0,8-09; алюминий 1,2-1,5; ниобий 0,1-0,5; церий 0,04-0,05; железо остальное. 4 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s С 22 С 38/54

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ V

ЬЭ

ЬЗ (л) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4839794/02 (22) 17.04.90 (46) 07.04.92, Бюл. М 13 (71) Камский политехнический институт (72) М.С.Колесников, Э.Н.Корниенко, Л.В.Трошина, М.С.Кенис, А.Г.Жданов и

О.Ю.Столяр (53) 669.14.018.52.822-194(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 971909, кл. С 22 С 38/54, 1981. (54) ШТАМПОВАЯ СТАЛЬ

Изобретение относится к металлургии и машиностроению, а именно к получению и использованию материалов для тяжелонагруженных штампов горячего деформирования и пресс-форм литья под давлением.

Известны штамповые стали для горячего деформирования типа 4Х5МФС, ЗХ2В8Ф, 2Х5МНФСЛ, 5Х2НМФ, 45ХЗВЗМФСД (ДИ-23), 4ХЗВ2М2СЛ и другие, используемые как в литом состоянии, так и после пластической деформации.

Недостаток сталей — низкая теплостойкость, вязкость и пластичность (особенно в литом состоянии). Поэтому их использование в ряде случае, когда на гравюре развиваются температуры выше 600 — 650 С и действуют интенсивные нагрузки, малоэффективно. Отдельные элементы поверхности штампов: выступающие бобышки, щели, каналы сжимаются и быстро изнашиваются.

Так, например, при применении штамповой стали ЗХ2В8Ф в качестве матриц для прессования автомобильных клапанов из стали

Х9С3 стойкость инструмента составляет в среднем две-три тысячи прессовок. (57) Изобретение относится к металлургии, а именно к штамповой стали для тяжелонагруженных штампов горячего деформирования и пресс-форм литья под давлением.

Сущность изобретения: сталь содержит, мас.%: углерод 0,17-0,23; хром 14-16; никель 17 — 19; титан 2 — 3; бор 0,002-0,02; ванадий 0,9 — 1,5; молибден 0,8-09; алюминий

1,2-1,5; ниобий 0,1-0,5; церий 0,04-0,05; железо остальное. 4 табл.

Кроме того, область применения перечисленных и других известных штамповых сталей мартенситного класса для литого инструмента существенно ограничена. Их нельзя применять из-за возникновения холодных литейных трещин, например при ускоренном охлаждении формы в процессах получения биметаллических штампов методом направленной кристаллизации.

Известна аустенитная сталь

10Х11Н2ОТЗР (состав, g С 0,1; Cr 11,0; Ni

20,0; Ti 2,6; В 0,02), у которой максимальная рабочая температура TMax. = 700 С, Тразуг р.

= 850 С, Щ = 400 МПа, Эта сталь обладает относительно высокими эксплуатационными свойствами при невысоких контактных давлениях (P = 150 МН) и технологична при термической и механической обработке.

Низкое содержание углерода позволяет проводить охлаждение отливок и закалку заготовок с любой скоростью. Устойчива она и к знакопеременным нагрузкам.

Наиболее близкой к изобретению является жаростойкая сталь состава, мас.) : углерод 0,1 — 0,4; кремний 1,5-2; марганец

1724723

55

1-2; хром 16 — 20; никель 9 — 11; алюминий

0,01 — 0,05; титан 0,01 — 0,1; ванадий 0,050,15; ниобий 0,05-0,25; кальций 0,005-0,05;

Р3М 0,01-0,08; бор 0,005 — 0,01; железо остальное.

Недостаток этой стали — низкая теплоСТОЙКОСТЬ.

Цель изобретения — повышение теплосто и кости.

Поставленная цель достигается тем, что в известной жаропрочной стали, содержащей углерод, титан, бор, никель, хром, ванадий, алюминий, ниобий, церий и железо, дополнительно введен молибден в следующем количестве, мас. : углерод 0,17 — 0 23; хром 14,0-16,0; никель 17,0 — 19,0; титан 2,03,0; бор 0,002-0,02; ванадий 0,9-1,5; молибден 0,8 — 0,9; алюминий 1,2 — 1,5; ниобий

0,1 — 0,5; церий 0,04 — 0,05; железо остальное.

Содержание углерода в указанных пределах позволяет получить необходимую пластичность для предотвращения холодных литейных трещин и трещин при термообработке, а также обеспечить необходимую твердость стали при эксплуатации 42 — 45 HRC путем карбидообразования.

Многие жаропрочные сплавы не являются окалиностойкими и поэтому, если не принять специальных мер, быстро превращаются в окалину. Большинство тугоплавких металлов и их жаропрочные сплавы, сохраняющие достаточную жаропрочность при температуре выше 1100-1200 С (молибден, ниобий и др.), легко окисляются.

Хром обладает особыми антикоррозионными свойствами, входит в качестве легирующего элемента в большинство легированных и высоколегированных сталей. Его концентрация зависит от назначения и предъявляемых требований к стали и изменяется От десятых долей процента до

30-40о .

Введение в состав инструментальной стали 14,0 — 16,0 мас,о хрома способствует достижению необходимой окалиностойкости жаропрочного сплава с сохранением технологичности (возможность проведения всех технологических операций в условиях массового производства)..

Сталь аустенитного класса в отличие от обычных хромоникелевых сталей, содержащих менее 0,1 мас. С, содержит углерод до 0,55 мас.

Повышенное содержание углерода (0,17-0,23 мас. ) по сравнению с известными позволит избежать их существенные недостатки, а именно получить необходимую пластичность для предотвращения холод5

35 ных литейных трещин и трещин при термообработке. а также обеспечить необходимую твердость стали при ее эксплуатации

42-45 HRC.

Содержание 17,0-19.0 мас. никеля в аустенитных сталях с добавками бора повышает жаропрочность стали до 650 С при длительных сроках службы (до 10000 ч и более). Дальнейшее повышение жаропрочности и длительной прочности аустенитных сталей достигается за счет карбидного и особенно интерметаллического упрочнения.

Наиболее часто в качестве упрочняющих фаз для сталей аустенитного класса используются карбиды титана, ванадия и ниобия, которые растворяются в аустените.

Наряду с этими основными упрочняющими фазами в структуре стали всегда присутствует Сг2зСв. Их применяют в сталях как элементы стабилизаторы, связывающие углерод в прочные карбиды и препятствующие образованию карбидов хрома.

Введение в состав сплава ванадия в количестве 0,9 — 1,5 мас. приводит к образованию упрочняющих карбидных фаз и уменьшает склонность стали к старению.

При содержании в стали менее 0,9 мас. ванадия указанный эффект достигаться не будет из-за незначительности содержания ванадия в сплаве, Содержание ванадия в металле более 1,5 мас. экономически нецелесообразно.

Содержание в сплаве 2,0-3,0 мас. титана приводит не только к образованию упрочняющих карбидных фаз титана, но приводит также к дополнительному упрочнению стали, типа И!з(Т!,A!). При содержании в сплаве менее 2 мас.o титана указанный эффект достигаться не будет. Содержание титана в металле более 3,0 мас. экономически нецелесообразно.

Для сложнолегированных хромистых сталей необходимо комплексное легирование карбидообразующими элементами, такими как ванадий, молибден, ниобий и титан в различных сочетаниях с малыми добавками бора, церия. Такие стали упрочняются при повышенных температурах за счет образования дисперсных выделений карбидных фаз типа TIC, VC, NbC. интерметаллических фаз типа РеМо и интерметаллидными фазами типа М!з(Т!А!).

Поэтому для достижения этого эффекта в предлагаемом сплаве содержится, мас.%: титан 2 — 3; ванадий 0,9-1,5; молибден 0,80,9; ниобий 0,1-0,5; церий 0,05; бор до 0,002.

Кроме того, наличие в сплаве указанного количества Р3М приводит к дополнитель1724723

50

55 ному-дроблению мартенситных игл, что в свою очередь упрочняет полученную сталь.

Наличие в сплаве 1,2 — 1,5 мас. алюминия сводится к увеличению количества и дисперсности интерметаллидов типа 5

Вз(Т!,AI) при термической обработке-старении.

Структура . предлагаемой стали после литья состоит из дисперсных включений карбидов 2-37, мартенсита 15 и аусте- 10 нитной матрицы. Введение ниобия и церия наряду с модифицирующими их влиянием обеспечивает стабилизацию мартенсита при высоких температурах эксплуатации.

В табл.1 приведены данные для трех 15 сталей по жаропрочности и склонности к появлению трещин при охлаждении в масле с температурой 1100 С после завершения кристаллизации.

Из представленных в табл.1 данных 20 видно, что из всех сталей наиболее высокими жаропрочными свойствами обладает предлагаемая сталь 20Х15Н18ТЗФМОБР.

Новая сталь технологична с точки зрения сохранения износостойкости при литье и 25 термообработке.

В табл.2 приведены данные по теплостойкости сравниваемых сталей.

Все стали, приведенные в табл.2, испытывают на теплостойкость (4 ч выдержки 30 при различных температурах) в литом состоянии без предварительной термической обработки.

Как видно из табл.2, все стали за счет дисперсионного твердения в процессе ис- 35 пытаний увеличивают твердость с повышением температуры, а затем ее снижают, Иэ этих сталей предлагаемая сталь

20Х15Н18ТЗФМОБР обладает более высокой теплостойкостью, т.е. обладает более 40 высокими характеристиками сопроти вления микропластической деформации при

700-800 С.

Составы стали даны в табл.3.

В табл. 4 приведены данные по теплостойкости (оцениваемые по твердости, HRC при 4 ч выдержке при 750 С), ударной вязкости и относительной стойкости штампов для горячего деформирования из сталей, приведенных в табл.3.

Анализ полученных характеристик, опытных сталей (табл.4) показывает, что наилучшим сочетанием механических свойств (технологичностью и стойкостью) обладает сплав состава 3.

Учитывая высокую стойкость литых штампов из новой стали и возможность изготовления из нее литых металлических конструкций при расходе в них для поверхностного слоя не более 30 высоколегированной стали, а также применением для нее простейшей термической обработки, заключающейся в старении при 750 С, затраты на изготовление штамповой оснастки из стали 20Х15Н18Т3М06Р уменьшаются в 3 — 4 раза в сравнении со сталью

2Х5МНФСЛ.

Формула изобретения

Штамповая сталь, содержащая углерод, хром, никель, титан, бор, ванадий, алюминий, ниобий, церийижелеза,отл ича ющаяс я тем, что, с целью повышения теплостойкости, она дополнительно содержит молибден при следующем соотношении компонентов, мас. : углерод 0,17 — 0,23; хром 14,0 — 16,0; никель 17,0-19,0; титан 2,03,0; бор 0,002-0,02; ванадий 0,9 — 1,5; ал юминий 1,2-1,5; ниобий 0,1-0 5; церий

0,04 — 0,05; молибден 0,8-0,9; железо остальное.

1724723

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4