Штампова сталь

Штампова сталь, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, вольфрам, молібден, алюміній, залізо, яка відрізняється тим, що додатково містить ванадій і кальцій при такому співвідношенні компонентів, мас % вуглець 0,45 - 0,65 кремній 0,90-1,70 марганець 1,30 -1,60 хром 1,50-2,50 вольфрам 0,20 - 0,50 ванадій 0,30-0,80 молібден 0,50-0,80 алюміній (загал ) 0,04 - 0,10 кальцій 0,001 - 0,005 залізо решта Винахід відноситься до чорної металурги, зокрема до дослідження високоякісних низьковольфрамових штампових сталей для гарячого та холодного деформування змінними інструментами в металургії та машинобудуванні (наприклад, металургійні ножі гарячої та холодної різки прокату, зварні валки, ролики, штампи, пуансони, матриці) ВІДОМІ вольфрамові і штампові сталі, що містять нікель, марок 6ХВ2С, 5ХВ2СФ, 5ХНВ (ДОСТ 5950-73, сповіщення 3 - 5, сталь 5ХНВ, сталь 6ХВ2С, сталь 5ХВ2СФ) Проте вони мають відносно низькі механічні властивості і теплостійкість, а перші дві - знижену в'язкість на ударний вигин і пластичність (крихкість), що в підсумку знижує експлуатаційну СТІЙ (100мм), малою чутливістю до нагрівання, достатньою теплостійкістю (600°С для твердості 40 42HRCe проти 500 - 520°С у сталі 5ХНВ), гарячою твердістю (250НВ при 500°С проти 140НВ у сталі 5ХНВ), високою розпалостійкістю [до 900 теплозмін нагрівів до (1000 - 1050)°С і охолоджувань у воді], дрібнозернистістю (дійсне зерно 1 2 - 1 0 балів), дисперсністю та рівномірним розподілом по матриці овальної карбідної фази Рівень механічних властивостей після гартування від 950°С у маслі та наступного відпускання при 600°С такий межа МІЦНОСТІ 1465Н/мм , умовна межа текучості 1310Н/ММ2, відносне подовження 11,4%, відносне звуження 35,5%, в'язкість на ударний вигин 26Дж/см, твердість HRC 52 (авт свід СРСР № 342490 кл С22 с 39/00, 1972) КІСТЬ ЗМІННИХ інструментів, виготовлених із них Найбільш близькою до заявленої по технічній сутності і досягнутому ефекту виявляється штампова сталь, що містить, мас % Вуглець 0,50 - 0,60 Кремній 1,40-1,70 Марганець 1,30-1,60 Хром 1,50-2,00 Вольфрам 0,20 - 0,35 Молібден 0,20-0,50 АЛЮМІНІЙ (загал) до 0,05 Залізо решта Ця штампова сталь прийнята нами за прототип Завдяки раціональному легуванню вона характеризується підвищеною прожарюваністю Сталь призначена для виготовлення інструментів із прокату і кованих Однак ця сталь має відносно понижені механічні та експлуатаційні властивості, а також понижену теплостійкість при гарячому (і холодному) деформуванні важкооброблюваних матеріалів в умовах великосерійного та масового виробництва) В основу винаходу поставлена задача удосконалити штампову сталь шляхом зміни компонентів сталі та їх співвідношення, щоб забезпечити підвищення механічних властивостей, теплостійкості при термо- і деформаційній обробці сталі та екс о> о ю 50949 плуатацшної СТІЙКОСТІ виготовлених з неї інструментів Для досягнення поставленої задачі штампова сталь, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, вольфрам, молібден, алюміній та залізо, додатково містить ванадій і кальцій при співвідношенні компонентів, мас % Вуглець 0,45 - 0,65 Кремній 0,90-1,70 Марганець 1,30-1,60 Хром 1,50-2,50 Вольфрам 0,20 - 0,50 Ванадій 0,30-0,80 Молібден 0,50-0,80 АЛЮМІНІЙ (загал) 0,04 - 0,10 Кальцій 0,001 - 0,005 Залізо решта Суть заявляемого винаходу заснована на принципі комплексного легування сильними, слабкими карбідо- і некарбідоутворюючими елементами, при яких в присутності слабких карбідоутворюючих компонентів (марганець, хром) значно слабшають сили міжатомних зв'язків сильних карбідоутворюючих компонентів (вольфрама, молібдена, ванадія) із вуглецем, внаслідок чого при нагріванні під загартування (аустенізацію) до відносно невисоких температур легше розчинюються складні карбіди типу МС, МєС, МгзСє, МзС, що утворюються при кристалізації, легуючи аустеніт зазначеними компонентами, зміцнюючи продукти його розпаду, підвищуючи прожарюваність при відносно низькому їх вмісту Схильність ДО відпускної крихкості стримується при легуванні невисоким вмістом молібдену із-за сповільнення процесів дифузії вуглецю ВІДПОВІДНО ІЗ зазначеним принципом співвідношення легуючі компоненти обрано таким чином, щоб структура металу в результаті відповідної термічної обробки забезпечила значне підвищення міцних властивостей, термостійкості при аналогічній розпалостійкості і службових характеристик, необхідну технологічність у виробництві різноманітних складнопрофільних інструментів При сумісному легуванні марганець і кремній, які мають відмінну від а-заліза кристалічні ґратки, створюють більшу КІЛЬКІСТЬ дефектів Легування сталі хромом збільшує й прожарюваність до кризноі Вміст молібдену в сталі становить 0,50% (мас) і більше забезпечує необхідний рівень теплостійкості, прожарюваності інструменту, стримування прояви відпускної крихкості сталі Підвищення вмісту молібдену більш ніж 0,80% (мас) не призводить до суттєвого підвищення теплостійкості Зниження вмісту хрому та підвищений вміст марганцю у заявленій сталі забезпечує їй більш високі властивості Введення в сталь 0,30% (мас) і більше ванадію дозволяє отримати більш високу задану теплостійкість сталі Збільшення вмісту ванадію більш ніж 0,80% (мас) недоцільно, тому що при оптимальних температурах загартування цієї сталі більша КІЛЬКІСТЬ ванадію у твердий розчин аустеніту не переходить Крім цього, наявність надлишкових карбідів ванадію при ВМІСТІ більш ніж 0,80% (мас) приведе до небажаного зниження в'язкості на ударний вигин Введення у сталь кальцію у КІЛЬКОСТІ 0,001 0,005% (мас) забезпечує більш високий рівень в'язкості на ударний вигин, тому що карбіди ванадію, що присутні в сталі та виділяються переважно по границях зерен, понижують його Кальцій у зазначених межах виявляє модифікуючий та рафінуючий вплив, що викликає очищення границь зерен від неметалічних включень, їх роздроблювання і, таким чином, підвищує в'язкість сталі на ударний вигин При збільшенні вмісту кальцію більш ніж 0,005% (мас) подальшого підвищення в'язкості на ударний вигин не спостерігається Присутність в сталі сильного нітридостворюючого елементу - алюмінію - дозволяє роздрібнювати дійсне зерно сталі до 12 - 10 балів по ДОСТ 5639-82, підвищуючи тепло- і ЗНОСОСТІЙКІСТЬ ВМІСТ алюмінію нижче 0,04% (мас) не дозволяє одержати достатньо високих властивостей Введення алюмінію в сталь більш ніж 0,1% (мас) недоцільно, тому що немає необхідності подальшого подрібнення розміру зерна сталі Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю усіх суттєвих ознак винаходу і технічним результатом полягає в тому, що тільки використання усіх без винятку компонентів у заявляемому співвідношенні дозволить підвищити механічні властивості, теплостійкість при термо- і деформаційній обробці сталі та експлуатаційну СТІЙКІСТЬ виготовлених з неї інструментів, що підтверджують наведені нижче досліди Заявлену сталь і прототип виплавляли в дугових печах із основним футеруванням типу ДСП-3, ДСП-25 ХІМІЧНОГО складу, наведеного втабл 1 ВІДЛИТІ ІЗ ЦИХ плавок зливки піддавали попередній термообробці - ізотермічному відпалу по режиму нагрів до 860 ± 10°С, витримка 2 - 3 години, охолодження з піччю із швидкістю 30°С/год До 680 ± 10°С, витримка 2 - 3 години, охолодження з піччю із швидкістю 50°С/год До 180 ± 10°С, далі на повітрі Після відпалу твердість складає 206 250НВ Зливки проковували на заготівки, які також піддавали ізотермічному відпалу Твердість поковок після відпалу 196 - 241НВ Остаточна термічна обробка включала нагрів до (930 - 960) ± 10°С, витримка 40 - 50с на 1мм діаметру або товщини інструмента, гартування у маслі (або на повітрі) і двократний відпуск при 600 і 530°С по 1,5 - 2,0год На твердість 47 - 49од HRC залежності від умов експлуатації інструментів, які вимагають більш високої твердості (54 57HRC), відпуск понижували до (300 - 150)°С Механічні властивості заявленої та відомої сталей визначали при кімнатній температурі на гагаринських циліндричних зразках з відношенням до робочої довжини 1 6 по ДОСТ 14-97-84, при підвищених температурах - по ДОСТ 9651-84, на ударний вигин (KCU) на зразках розмірами (10х10х55)мм із круглим надрізом типу Менаже по ДОСТ 9454-78 При кожній температурі випробували не менше 3-х зразків на точку Теплостійкість сталей оцінювали температурою 5-кратного відпуску зразків після гартування від оптимальних температур в різних середовищах - в маслі, воді, на повітрі при (300 - 700)°С через 50949 (100 - 50)°С тривалістю по 2 години, яка забезпечує збереження твердості не нижче HRC 40 (Геллер Ю А Инструментальные стали 4-е изд - М Металлургия, 1975, с 72 - 74) Розпалостійкість сталей визначали на циліндричних зразках діаметром 20мм і довжиною 60мм із круглим кільцевим надрізом на одному КІНЦІ КІЛЬКІСТЮ ЦИКЛІВ нагрівів до (1000 - 1050)°С у індукторі установки ТВЧ і охолоджувань у воді до з'явлення першої тріщини розпалу Механічні властивості відомої і заявляємої сталі при кімнатній і підвищеній температурах подані в табл 2, зміни їх у залежності від температури 3-годинного відпуску при (200 - 700)°С складу З (зразки вирізали з листового прокату товщиною 80мм) приведені в табл 3, значення тепло- і розпалостійкості - в т а б л 4 В результаті карбідного і електронномікроскопічного аналізів встановлено, що на утворення дрібнодисперсної овальної форми карбідної фази запропонованої сталі,яка складається з карбідів МС, М 6 С, М 2 зС 6 , витрачається до (ЗО - 35)% (мас) вмісту вуглецю Карбіди розташовуються рівномірно і достатньо щільно по металічній матриці Внаслідок збіднення твердого розчину вуглецем заявлена сталь сприймає хіміко-термічну обробку зокрема цементацію поверхневого шару у твердому карбюраторі За одну годину витримки при температурі цементації (920 - 930)°С утворюється шар насичення вуглецем до 0,07мм Таблиця 1 ХІМІЧНИЙ склад, мас % Сталь Відома Вуглець Кремній Марганець Хром Вольфрам Ванадій Молібден (по авт свід СРСР № 342490) Заявляема 1 2 3 АЛЮМІНІЙ (за гал ) Кальцій Залізо 0,58 1,52 1,45 1,63 0,34 0,34 0,05 решта 0,45 0,55 0,60 1,00 1,20 1,50 1,30 1,42 1,58 1,50 1,50 2,50 0,20 0,40 0,49 0,30 0,50 0,80 0,50 0,65 о,8о 0,04 0,08 0,95 0,002 0,004 0,005 решта решта решта Примітка Вміст сірки та фосфору в усіх складах не більше 0,03% (мас ), нікелю - не більше 0,35%, (мас ), МІДІ - не більше 0,30% (мас) Таблиця 2 Температура випробування, °С У, % 1310 11,4 33,6 54,0 2200 1720 3,5 10,0 20,0 3 55,0 2205 1723 2,5 7,0 18,0 4 300 55, % 1465 KCU, Дж/см2 26,0 2 20 . 2 Н/мм2 Н/мм2 % % Дж/см 55,0 і 50,0 - 59,0 200 2205 1716 2,5 9,0 20,0 Теж ж саме 300 2180 1942 3,3 1 6 , 0 20,0 -" 400 2120 1840 6,0 1 6 , 0 19,5 -" 500 1940 1620 9,5 2 1 , 0 20,0 600 1680 1550 12,5 3 0 , 0 28,0 -" 650 1308 1155 13,0 4 2 , 0 40,5 -" 700 1009 845 19,0 4 4 , 5 52,0 Твердість, HRCe, після випробування 56,0 і 54,5 - 57,5 54,5 52,0 - 57,0 52,0 50,0 - 53,5 54,0 51,0-57,0 49,0 47,5 - 49,0 41,0 39,0 - 42,5 34,0 33,0 - 37,0 Примітка 1 Чисельник - середнє з ІСПИТІВ 15 - 16 зразків, на кожному з котрих не менш ніж 5-т замірів, знаменник- інтервал значень твердості HRCe Таблиця 4 Сталь Відома 1 Заявляема 2 3 4 Теплостійкість для твердості (40 - 42) HRCe,°C Розпалостійкість, КІЛЬКІСТЬ ЦИКЛІВ 610 630 640 650 Економічний ефект від застосування заявляємої сталі складається не тільки з економії гостродефіцитних феровольфраму та металевого нікелю в порівнянні з наведеними вище стандартними сталями, а і в наслідок підвищення експлуатаційної СТІЙКОСТІ в 3 - 5 разів змінних високонавантажених деталей металургійного обладнання (металургійних ножів гарячого та холодного різання товсто- та тонколистового прокату, дернів, сварочних валків, робочих валків, ролико-правильних машин гарячої правки товстолистового прокату, штампів та інше) 900 без утворення тріщин 960 те ж саме 930 -"910-" Заявляема сталь у порівнянні з відомою має високі механічні властивості, твердість, теплостійкість при аналогічній розпалостійкості в поєднанні з технологічністю при термо- та деформаційній обробці і підвищену експлуатаційну СТІЙКІСТЬ виготовлених з неї змінних високонавантажених деталей (інструментів) металургійного обладнання, штампів та ш Хіміко-термічна обробка - насичення поверхні вуглецем (наприклад, цементація в твердому і газовому карбюраторах) підвищує поверхневу твердість до (59 - 62)HRC ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71