Легована інструментальна сталь для холодної обробки і спосіб вигототовлення методом порошкової металургії деталі або інструмента з такої сталі

1. Легована інструментальна сталь для холодної обробки, яка призначена для виготовлення виробів, зокрема інструментів, методом порошкової металургії, що містить, мас.%: вуглець від 2,05 до 2,65 кремній до 2,0 марганець до 2,0 хром від 6,10 до 9,8 вольфрам від 0,50 до 2,40 молібден від 2,15 до 4,70 ванадій від 7,05 до 9,0 ніобій від 0,25 до 2,45 кобальт до 10,0 сірка до 0,3 азот від 0,04 до 0,32 нікель до 1,50. 2 (19) 1 3 76704 4 вуглець від 2,05 до 2,65 станням азоту чистотою 99,999мас.% у порошок кремній до 2,0 легованої інструментальної сталі з розподілом марганець до 2,0 розмірів частинок, який відповідає вмісту щонайхром від 6,10 до 9,80 менше 60% від його загальної маси частинок розвольфрам від 0,50 до 2,40 міром 100мкм або менше, після чого при підтримолібден від 2,15 до 4,70 манні атмосфери азоту та виключенні фізичної ванадій від 7,05 до 9,0 сорбції кисню на поверхні часток вказаного порошніобій від 0,25 до 2,45 ку, виконують заповнення цим порошком капсули і кобальт до 10,0 закривання останньої та здійснюють гаряче ізостасірка до 0,3 тичне пресування вказаного порошку у щільний азот від 0,04 до 0,32 матеріал, в разі потреби - з подальшим гарячим нікель до 1,50, деформуванням, причому під впливом температуа також супутні елементи і технологічно зумовлені ри відбувається зростання рівномірно розподіледомішки до 2,6мас.%, решта - залізо, в якому рідних монокарбідів до розміру менше ніж 10мкм. кий сплав вказаного складу розпилюють з викори Цей винахід стосується легованої інструментальної сталі для холодної обробки, яка призначена для виготовлення методом порошкової металургії виробів, зокрема, інструментів, що мають високу в'язкість та твердість, а також високу стійкість проти спрацювання та втомленості матеріалу. Інструменти та деталі інструментів, як правило, зазнають різноманітних навантажень, що само по собі вимагає відповідного профілю властивостей матеріалу. Проте забезпечення особливо задовільної пристосованості матеріалу інструмента до певного виду навантажень, природно, пов'язане з погіршенням його стійкості до інших навантажень, отже, для досягнення високої експлуатаційної якості інструмента слід забезпечити високий рівень кількох характеристик його різноманітних властивостей, інакше кажучи, експлуатаційні характеристики інструмента являють собою компроміс між окремими властивостями його матеріалу. З економічних міркувань, однак, завжди бажаним є досягнення загального підвищення характеристик матеріалу інструментів або деталей. Матеріали інструментів зі швидкорізальної сталі завжди включають в себе фазу високої твердості, яка складається з карбідів, і матричну фазу, в якій розподілені ці карбіди, причому ці фази і, зокрема, їх вміст у матеріалі, залежать від хімічного складу сплаву. При виготовленні звичайним способом, який включає в себе затвердіння сплаву в ливарних формах, можливий вміст вуглецю та карбідотвірних елементів у сплаві обмежують із міркувань кінетики затвердіння, оскільки первинні карбіди, які виділяються з розплаву, в разі їх високого вмісту спричиняють виникнення грубозернистої неоднорідної структури матеріалу (і, як наслідок, низькі механічні властивості матеріалу) і негативно впливають на його оброблюваність або повністю роблять її неможливою. Для забезпечення, з одного боку, збільшення концентрацій карбідотвірних елементів і вуглецю з метою підвищення вмісту карбідів і покращення таким чином стійкості матеріалу проти спрацювання, а з другого боку - достатньої оброблюваності, однорідності та в'язкості виготовлених із зазначе ного матеріалу деталей або інструментів слід виготовляти матеріал методом порошкової металургії. Виготовлення матеріалів методом порошкової металургії (ПМ) включає як основні стадії розпилювання або диспергування розплавленої сталі з допомогою газу - відповідно азоту - на дрібні краплини, які застигають із високою швидкістю, утворюючи металевий порошок, завантаження металевого порошку в одну або кілька капсул та ущільнення його в капсулах, закривання капсул і нагрівання порошку в капсулі з гарячим ізостатичним пресуванням (ГІП) для одержання щільного однорідного матеріалу. Одержаний таким чином ПМ-матеріал можна використовувати для виготовлення деталей або інструментів безпосередньо, тобто в стані після ГІП, або попередньо піддавати гарячому деформуванню, наприклад, шляхом кування або прокатування. Матеріали інструментів або деталей, які працюють при високих навантаженнях, наприклад, різальних інструментів, пуансонів та матриць штампів тощо, повинні мати, відповідно до навантаження, одночасно високу стійкість проти абразивного спрацювання, високу в'язкість та стійкість проти утомленості. Для зниження спрацювання слід прагнути до досягнення високого вмісту твердих, у даному випадку грубозернистих, карбідів (перевага віддається монокарбідам); при цьому, однак, із підвищенням вмісту карбідів падає в'язкість матеріалу. Стійкість проти утомленості, яка значною мірою виявляється як протидія утворенню тріщин при дуже високих змінних за величиною або знаком механічних навантаженнях матеріалу, досягається за рахунок високої твердості матриці та низької схильності до зародження тріщин під впливом зерен карбідів та неметалічних включень. Як вказано вище, експлуатаційна якість деталей або інструментів являє собою компроміс між стійкістю проти спрацювання, в'язкістю та стійкістю проти утомленості матеріалу в термічно поліпшеному стані. Із метою загального поліпшення якості інструментальних сталей для холодної обробки фахівці відповідної галузі на протязі вже тривалого часу намагаються підвищити профіль характеристик таких сталей. 5 76704 6 Метою цього винаходу є одночасне підвищен2,45%(мас.) спричиняє зменшення міцності матриня механічних характеристик заготовок з інструмеці і, зокрема, зниження стійкості матеріалу проти нтальної сталі в термічно поліпшеному стані, а утомленості; навпаки, при концентрації ванадію саме міцності на розрив при згинанні, ударної в'язменш ніж 7,05%(мас.) та/або ніобію менш ніж кості та стійкості проти спрацювання, для забезпе0,25%(мас.) посилюється утворення карбідних фаз чення відповідної якості матеріалу з урахуванням нижчої твердості, наприклад, карбідів М7С3, що вимог до нього. призводить до зниження стійкості сталі проти Ця мета, згідно з винаходом, досягається тим, спрацювання. що легована інструментальна сталь для холодної При вмісті вуглецю в межах вузького інтервалу обробки, яка призначена для виготовлення метовід 2,05%(мас.) до 2,65%(мас.) і концентраціях дом порошкової металургії виробів, які мають виелементів - утворювачів монокарбідів, які відповісоку в'язкість та твердість, а також високу стійкість дають цьому винаходу, зокрема, при вмісті вольфпроти спрацювання та проти утомленості матеріараму від 0,5%(мас.) до 2,4%(мас.) та молібдену від лу, зокрема, інструментів, включає в себе у 2,15%(мас.) до 4,70%(мас), повністю використову%(мас): ється потенціал вторинного підвищення твердості Вуглець (С) від 2,05 до 2,65 сплаву при термічному поліпшенні і підвищується Кремній (Si) до 2,0 його стійкість проти відпуску. Для забезпечення Марганець (Μn) до 2,0 зміцнення під впливом утворення змішаних крисХром (Сr) від 6,10 до 9,80 талів передбачено вміст хрому від 6,10%(мас.) до Вольфрам (W) від 0,50 до 2,40 9,80%(мас), при цьому підвищення вторинної твеМолібден (Мо) від 2,15 до 4,70 рдості та твердості матриці інструментальної сталі Ванадій (V) від 7,05 до 9,0 забезпечується згідно з винаходом присутністю Ніобій (Nb) від 0,25 до 2,45 азоту в концентрації від 0,04%(мас.) до Кобальт (Co) до 10,0 0,22%(мас). Сірка (S) до 0,3 При вмісті елементів вольфраму, молібдену та Азот (N) від 0,04 до 0,32 хрому як вище верхньої, так і нижче нижньої межі Нікель (Ni) до 1,50. діапазонів, передбачених винаходом, синергія а також супутні елементи до 2,6%(мас.) і техпорушується, і щонайменше одна характеристика нологічно зумовлені домішки, решта залізо (Fe), інструментальної сталі погіршується, що може причому зазначені вироби мають вміст кисню (О) частково негативно вплинути на можливості її вименше 100 частин на мільйон і вміст та конфігуракористання. цію неметалічних включень у відповідності зі знаЯк вказано вище, для підвищення експлуатаченням показника К0 згідно з випробуванням за ційної якості деталі або інструмента слід, поряд із ДІН 50602 щонайбільше 3. заходами, які стосуються легування, мають певне Значне підвищення якості матеріалу згідно з значення також заходи технологічного порядку. винаходом досягається синергічним ефектом леОскільки з точки зору підвищення в'язкості матерігувальних та технологічних заходів, спрямованих алу слід уникати утворення локальних нагромана оптимізацію структури матеріалу, а також індиджень відносно грубих зерен карбідів (так званих відуальних та сумарних властивостей фаз зазнакарбідних кластерів) із міркувань мінімізації розміченої структури. рів дефектів у матеріалі, обробленому способом З'ясовано, що для в'язкості матеріалу має знагарячого ізостатичного пресування, при виготовчення не тільки кількість карбідів, але такою ж міленні виробів методом порошкової металургії і, рою морфологія карбідів, оскільки остання залевідповідно, при одержанні порошку слід технологіжить від довжини вільного пробігу між карбідами в чними методами забезпечити такий розподіл зематриці. У готовому до експлуатації інструменті рен порошку за розмірами, щоб щонайменше 60% карбіди, з точки зору підвищення стійкості проти зерен мали розмір менш ніж 100мкм. З'ясовано, спрацювання, мають являти собою переважно що висока швидкість твердіння краплин розплаву, монокарбіди, рівномірно розподілені в матриці у пов'язана з малими розмірами частинок металевоформі зерен діаметром не більше 10мкм, перевага го порошку, забезпечує рівномірний розподіл дрібвіддається діаметру менше 4мкм. нодисперсних монокарбідів і пересичення основВанадій та ніобій є найсильнішими карбідотвіної маси зерна порошку карбідами у відповідності рними агентами, і їх спільна присутність передбазі вмістом вуглецю. чається з міркувань легування в діапазонах концеПід час гарячого ізостатичного пресування, а нтрацій відповідно 7,05-9,0%(мас.) V і 0,25також при гарячому деформуванні пресованого 2,45%(мас.) Nb. Цим досягається, з одного боку, виробу (в разі його застосування) міра пересичеутворення монокарбідів, а саме змішаних ванадієності основної маси зерна знижується внаслідок во-ніобієвих карбідів, які забезпечують особливі дифузії при високих температурах, дрібні зерна переваги; з іншого боку, у цих областях вмісту вамонокарбідів округлої форми виростають до бажанадій та ніобій забезпечують таку спорідненість ного розміру, який не перевищує 10мкм, при цьому матеріалу до вуглецю, що подальші карбідотвірні досягається цілеспрямоване включення подальелементи - хром, вольфрам та молібден - при приших легувальних елементів у змішані кристали і, в сутності їх в концентраціях, які відповідають винакінцевому підсумку, зміцнення матриці. Ці технолоходу, забезпечують ефект зміцнення за рахунок гічні заходи забезпечують регулювання морфології утворення змішаних кристалів із залишковим вугкарбідів з урахуванням досягнення мінімального лецем і підвищення твердості матриці. Вміст ванарозміру дефектів та складу матриці - в напрямі дію та/або ніобію понад відповідно 9,0%(мас.) і досягнення максимального потенціалу вторинної 7 76704 8 твердості за умови додержання складу матеріалу, обробки згідно з винаходом (Сплав А) і сплавів, який відповідає цьому винаходу. У цьому зв'язку взятих для порівняння (сплави B-J). слід вказати на важливість додержання вищезаВ Таблиці 2 представлено результати випрозначеного діапазону вмісту ніобію з точки зору бувань міцності на розрив при згинанні, ударної регулювання росту зерен. в'язкості при згинанні та стійкості проти спрацюОсобливе значення має міра чистоти матеріавання для сплаву А згідно з винаходом та сплавів лу згідно з винаходом стосовно до вмісту оксидів, B-J, взятих для порівняння. оскільки неметалічні включення можуть не тільки Міцність сплавів на розрив при згинанні визнапогіршити механічні властивості матеріалу, але чали на загартованих до 61 HRC зразках кругового також спричинити негативні ефекти зародження і перерізу (Rd=5,0мм) із використанням пристрою за проростання центрів кристалізації в процесі тверФіг.1. Початкове зусилля Fr становило 200Н, швидіння та термічної обробки матеріалу. Із точки зору дкість руху робочого органу випробувальної мавинаходу важливо також, щоб диспергування шини до досягнення початкового зусилля станосплаву високої частоти виконувалося з викорисвила 2мм/хв., а швидкість при випробуванні танням азоту чистоти не нижче 99,999% і щоб фі5мм/хв. зична сорбція кисню на поверхні зерен порошку до Вимірювання ударної в'язкості при згинанні визакриття його в капсулі була зведена до мінімуму, конувалися на зразках сплавів, форма яких покачим забезпечується вміст кисню в матеріалі після зана на Фіг.2. гарячого ізостатичного пресування менш ніж 100 Схема пристрою для визначення стійкості прочастин на мільйон, і такі вміст та конфігурація нети спрацювання представлена на Фіг.3. металічних включень, які відповідають значенню Зіставлення показників міцності на розрив при показника K0 згідно з випробуванням за ДІН 50602 згинанні для сплаву А згідно з винаходом і для щонайбільше 3. сплавів порівняння (B-J) (Таблиця 2), представлеВаріанти здійснення винаходу, яким віддаєтьних у формі стовпчикових діаграм на Фіг.4, свідся перевага, охарактеризовані в залежних пунктах чить, що сплави Е, F, Η та І мають майже однакові формули винаходу. Винахід більш детально опивисокі характеристики, при цьому найвищу міцсаний нижче з посиланнями на результати порівність на розрив при згинанні має сплав І. няльних випробувань. При зіставленні характеристик ударної в'язкоВ Таблиці 1 подано хімічний склад сталі згідно сті при згинанні легованих інструментальних стаз винаходом та сплавів, взятих для порівняння. лей для холодної обробки (Фіг.5) видно, що найВ Таблиці 2 подано значення характеристик, вище значення цього показника має знов-таки отримані при механічних випробуваннях сплавів. сплав І. Результати вимірювань для сплаву А згідНа Фіг.1 представлено випробувальний прино з винаходом та для сплаву F свідчать, що ці стрій для визначення міцності на розрив при згисплави незначно поступаються сплаву І стосовно нанні. до зазначеної механічної властивості. На Фіг.2 показано форму зразка для випробуРезультати випробувань сплавів на стійкість вань ударної в'язкості при згинанні. проти спрацювання, графічно представлені на На Фіг.3 схематично показано пристрій для Фіг.6, свідчать, що найвищі значення цього показвимірювання стійкості проти спрацювання. ника мають сплав Η та сплав А згідно з винахоНа Фіг.4 зіставлені характеристики міцності дом. сплавів на розрив при згинанні. Із результатів випробувань видно, що такі ваНа Фіг.5 зіставлені характеристики ударної в'яжливі властивості, як міцність на розрив при згизкості при згинанні. нанні, ударна в'язкість при згинанні та стійкість На Фіг.6 зіставлені характеристики стійкості проти спрацювання, для легованої інструментальсплавів проти спрацювання. ної сталі для холодної обробки згідно з винаходом Таблиця 1 наочно характеризує хімічний склад знаходяться на однаково високому рівні і є відрізлегованої інструментальної сталі для холодної няльними ознаками цього нового сплаву. Таблиця 1 %(мас.) С Si Μn Cr W Mo V Nb S N Co Ni O Сплав А* 2,44 0,98 0,52 6,22 1,41 3,98 8,12 1,19 0,008 0,095 0,4 0,7 0,0091 Сплав В 2,55 1,05 0,53 6,93 0,95 3,95 7,85 1,15 0,011 0,08