Сталь для штампов горячего деформирования

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству высококачественных литейных сталей, применяющихся для штампов горячего деформирования. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ниобий, ванадий, гадолиний и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,3-0,36, кремний 0,4-0,6, марганец 0,4-0,9, хром 0,8-1,5, никель 0,8-1,5, молибден 0,2-0,6, ниобий 0,05-0,2, ванадий 0,1-0,3, гадолиний 0,05-0,12, железо - остальное. Повышаются прочность, ударная вязкость и теплостойкость стали. 3 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности, к производству высококачественных литейных сталей, применяющихся для штампов горячего деформирования. Известна штамповая сталь (Патент 2287603, МПК С22С 38/46 от 07.12.2004), содержащая, мас.%:

Углерод	0,35-0,38
Кремний	0,43-0,47
Марганец	0,60-0,66
Хром	2,0-2,4
Никель	5,4-5,6
Молибден	2,0-2,4
Кобальт	2,00-7,00
Ванадий	1,3-1,5
Азот	0,03-0,04
Железо	Остальное

Недостатками этой стали являются низкие ударная вязкость, пластичность и термическая стойкость.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является штамповая сталь (А.с. СССР 1703710, МПК С22С 38/12 от 28.03.1990), содержащая, мас.%:

Углерод	0,10-0,30
Никель	1,0-5,0
Хром	2,0-4,5
Молибден	0,5-3,0
Марганец	0,1-0,6
Медь	0,5-2,0
Алюминий	0,5-1,0
Кремний	0,6-1,0
Ванадий	0,1-1,0
Ниобий	0,03-0,3
Кальций	0,03-0,1
Железо	Остальное

Недостатками известной стали являются невысокие прочностные свойства, ударная вязкость, термостойкость.

Задача изобретения - повышение эксплуатационных свойств за счет повышения прочности, ударной вязкости и теплостойкости стали.

Указанный технический результат достигается тем, что штамповая сталь, содержащая углерод, марганец, хром, кремний, молибден, никель, ниобий, ванадий, железо, согласно изобретению дополнительно содержит гадолиний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,30-0,36
Кремний	0,40-0,60
Марганец	0,40-0,90
Хром	0,80-1,50
Молибден	0,20-0,60
Никель	0,80-1,50
Ванадий	0,10-0,30
Ниобий	0,05-0,20
Гадолиний	0,05-0,12
Железо	Остальное

Сталь содержит примеси - фосфор до 0,03 мас.% и серу до 0,03 мас.%.

Соотношение легирующих элементов выбрано таким, чтобы материал в условиях циклически изменяющихся высоких температур и больших ударных нагрузок проявил структурную и размерную стабильность, обеспечивая высокую работоспособность штампов. Введение гадолиния при указанном содержании всех компонентов оказывает благоприятное дифференцированное влияние на весь комплекс свойств стали, положительно влияет на измельчение зерна, нейтрализует вредное влияние фосфора и неметаллических включений по границам зерен, обеспечивает стабильный рост ударной вязкости и прочности. Введение гадолиния ниже указанных пределов неэффективно. Содержание гадолиния выше указанных пределов приводит к скоплению карбидов по границам зерен и вызывает снижение пластических свойств и ударной вязкости.

Пример. Для экспериментальной проверки предлагаемой стали в индукционных печах ИСТ-006 были проведены плавки предлагаемой стали с содержанием элементов на нижнем, среднем и верхних уровнях и одна плавка прототипа.

В лабораторных условиях был проведен анализ химического состава каждой плавки, который приведен в табл.1.

Из каждой плавки были изготовлены образцы и определены их механические свойства в лабораторных условиях. Заготовки подвергались закалке при 970°С и отпуску при 550°С. Результаты испытаний механических свойств приведены в табл.2. Из таблиц следует, что прочность и ударная вязкость предлагаемой стали выше, чем у известной.

Проведено определение теплостойкости стали. Образцы подвергались закалке при 970°С и отпуску при 550°С. После термообработки образцы подвергались дополнительному 2-часовому отпуску при рабочих температурах. Результаты испытаний приведены в табл.3.

Таблица 1
Химический состав предлагаемой и известной сталей, мас.%
Сталь	С	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Nb	V	Gd	Fe
Предлагаемая
1	0,30	0,40	0,40	0,80	0,80	0,20	0,05	0,10	0,05	Остальное
2	0,30	0,50	0,65	1,20	1,20	0,40	0,10	0,20	0,10	Остальное
3	0,36	0,60	0,90	1,50	1,50	0,60	0,20	0,30	0,12	Остальное
4	0,33	0,54	0,82	1,42	1,41	0,53	0,05	0,22	0,05	Остальное
Известная	0,30	0,60	0,45	2,25	1,40	0,50	0,05	0,25	-	Остальное

Предлагаемая сталь прошла испытания в производственных условиях. Были изготовлены пуансоны для горячей высадки болтов. Результаты производственных испытаний показали повышение стойкости штампов в 2-2,5 раза по сравнению с серийной кованной сталью 30Х2МНФ.

Таблица 2
Механические свойства предлагаемой и известной сталей
Сталь	Предел прочности, кг/мм2	Относительное удлинение, %	Относительное сужение, %	Ударная вязкость, кгс/см2	Твердость НВ
Предлагаемая
1	142,5	13,2	38,	6,5	382
2	149,2	12,5	36,5	7,2	382
3	153,5	10,5	34,8	6,8	390
4	154	12,8	35,5	7,8	392
Известная	120,5	7,8	29	4,8	382

Таким образом, предлагаемая сталь, отличающаяся от известной дополнительным введением гадолиния, имеет повышенные прочность, ударную вязкость и теплостойкость, что улучшает эксплуатационные характеристики стали, работающей в условиях высоких температур, больших ударных нагрузок.

Таблица 3
Теплостойкость предлагаемой и известной сталей
Сталь	Твердость, HRC при температуре дополнительного отпуска, °С
400	500	550	600	650
Предлагаемая 1	41	41	42	40	39
2	41	43	43	41	40
3	42	44	44	43	42
Известная	40	40	40	34	-

Сталь для штампов горячего деформирования, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ниобий, ванадий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит гадолиний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,3-0,36
кремний	0,4-0,6
марганец	0,4-0,9
хром	0,8-1,5
никель	0,8-1,5
молибден	0,2-0,6
ниобий	0,05-0,2
ванадий	0,1-0,3
гадолиний	0,05-0,12
железо	остальное.