Штамповая сталь

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к штамповой стали, используемой для изготовления инструмента горячего деформирования, сменяемых вкладышей, бойков и других элементов кузнечной оснастки, работающих в условиях ударных нагрузок при высоких температурах. Цель изобретения - повышение прочности, ударной вязкости и эксплуатационной стойкости в условиях горячего деформирования. Сталь дополнительно содержит титан и азот при следующем соотношении компонентов: мас. % : углерод 0,46-0,56; марганец 0,86-1,20; кремний 0,60-1,00; хром 1,60 - 2,90; молибден 0,20-0,40; ванадий 0,10-0,20; титан 0,001-0,009; азот 0,002-0,025 и железо остальное. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к штамповым сталям, используемым для изготовления инструмента горячего деформирования, сменяемых вкладышей, бойков и других элементов кузнечной оснастки, работающих в условиях ударных нагрузок при высоких температурах. Широко применяемой для этих целей является инструментальная штамповка сталь (5ХНМ, ГОСТ 5950-73) состава, мас. % Углерод 0,50-0,60 Кремний 0,10-0,40 Марганец 0,50-0,80 Хром 0,50-0,80 Молибден 0,15-0,30 Никель 1,40-1,80 Фосфор 0,030 Сера 0,030 Медь 0,30 Железо Остальное Недостатком применяемой стали являются низкие механические свойства при высоких температурах, что обуславливает низкую отпускоустойчивость стали и невысокую эксплуатационную стойкость изготовленного из нее инструмента горячей штамповки. Наиболее близкой к описываемой стали по технической сущности и достигаемому эффекту является штамповая сталь по авт.св. СССР N 1127317, следующего состава, мас. % : Углерод 0,46-0,56 Марганец 0,80-1,20 Кремний 0,60-1,00 Хром 1,60-2,30 Молибден 0,25-0,35 Ванадий 0,10-0,30 Цирконий 0,001-0,05 Кальций 0,001-0,05 Алюминий 0,001-0,05 Ниобий 0,002-0,50 Медь 0,05-0,40 Церий 0,001-0,10 Железо Остальное Недостатком известной стали является сравнительно невысокий уровень прочностных характеристик при рабочих температурах. Кроме того, при изготовлении крупных слитков наблюдается образование грубозернистой структуры, измельчение которой представляет определенные технологические трудности. Грубозернистая первичная структура стали обуславливает снижение ее сопротивления хрупкому разрушению. Все это приводит к снижению эксплуатационной стойкости и снижению долговечности инструмента горячего деформирования, работающего в условиях многократных ударных нагрузок при высоких температурах. Цель изобретения - повышение прочности, ударной вязкости и эксплуатационной стойкости в условиях горячего деформирования. Для достижения указанной цели в сталь, содержащую углерод, марганец, кремний, молибден, ванадий, железо, дополнительно введены титан и азот при следующем соотношении компонентов, мас. % : Углерод 0,46-0,56 Марганец 0,80-1,20 Кремний 0,60-1,00 Хром 1,60-2,90 Молибден 0,20-0,40 Ванадий 0,10-0,20 Титан 0,001-0,009 Азот 0,002-0,025 Железо Остальное Кроме того, содержание примесей серы и фосфора в стали должно быть не более 0,03% каждого. Введение в число легирующих элементов небольших добавок титана благоприятно сказывается на измельчении зеренной структуры стали и состоянии границ зерен. При этом для нейтрализации отрицательного влияния титана на прокаливаемость стали производится ее легирование небольшими количествами азота, так как увеличение содержания в рассматриваемой стали ее основного аустенитообразующего легирующего элемента - марганца нецелесообразно ввиду его отрицательного влияния на конструктивную прочность (при более высоких по сравнению с заданными пределами содержания). Увеличение содержания в стали аустенитообразующих элементов дает основание повысить и верхний предел содержания в стали ее основного ферритообразующего элемента - хрома. Оптимальное содержание хрома применительно к принятым содержаниям других компонентов составляет 1,6-2,9% по массе. При более низком содержании хрома эффективность его воздействия на прокаливаемость, процессы образования субструктуры и карбидных фаз резко ослабевает. При содержании хрома в стали рассматриваемого типа более 2,9% наблюдается снижение отпускоустойчивости стали, облегчается развитие карбидной неоднородности с образованием грубых скоплений карбидов. Влияние титана на структуру сталей рассматриваемого типа при его содержании в стали менее 0,001% мало заметно, присутствие титана в количестве более 0,009% вызывает заметное снижение характеристик сопротивления хрупким разрушением. Оптимальное содержание азота в предлагаемой стали составляет 0,002-0,025% . При содержании его менее 0,002% влияние азота неэффективно при содержании более 0,025% увеличивается количество неблагоприятно распределенных нитридов, что заметно снижает сопротивление стали хрупким разрушениям. П р и м е р. Выплавку предлагаемой стали пяти уровней легирования, а также используемой и известной сталей проводили в лабораторной ВЧ-электропечи на идентичных шихтовых материалах, и разливали в изложницу в слитки массой по 50 кг. При выплавке стали использовали ферросплавы следующих марок: ферросилиций по ГОСТ 1415-78 марки ФС-45 и ФС-75; ферромарганец по ГОСТ 4755-80 марки ФМн 1,0-1,5; феррохром азотированный по ГОСТ 4757-79 марки ФХН 600А; ферромолибден по ГОСТ 4759-79 марки ФМо 60,58; феррованадий по ТУ 14-5-98-78 марки ФВд 35; ферротитан по ГОСТ 4761-70 марки ФТи 30,35. Слитки подвергались ковке на молоте на заготовки с последующей предварительной термообработкой. Температура нагрева под ковку составляла 1150^оС, температурный интервал ковки 1150-800^оС, окончание ковки при 800^оС. Режим предварительной термообработки предусматривал нормализацию при 850^оС и высокий отпуск при 640-670^оС. Основная термообработка заготовок производилась по следующему режиму: закалка в масле от 920^оС, отпуск при 540^оС; Механические испытания образцов, изготовленных из заготовок как предлагаемой, так и известных сталей, проводили на одном оборудовании по идентичным методикам. Испытанию на ударный изгиб на маятниковом копре подвергали образцы 1 типа ГОСТ 9454-78 размерами 10 х 10 х 55 и радиусом надреза 1,0 мм. Испытанию на разрыв на машине "Instron-1195" подвергали образцы III типа N 6 ГОСТ 1497-84 размерами диаметра 6 х 61 мм. Химический состав и механические свойства предлагаемой стали пяти уровней легирования, а также сталей известной и используемой приведены в табл.1 и 2. Из приведенных результатов следует, что предлагаемая сталь обладает высоким уровнем характеристик прочности, пластичности и ударной вязкости в интервале рабочих температур при оптимальных значениях твердости. Выход за указанные пределы легирования приводит к ухудшению комплекса механических свойств. При меньшем уровне легирования снижаются прочностные характеристики и не достигается требуемый уровень твердости инструмента, а при большем уровне легирования снижается ударная вязкость и чрезмерно увеличивается твердость инструмента, что и в том, и другом случае приводит к ухудшению эксплуатационной стойкости инструмента. Использование предлагаемой стали позволяет обеспечить более высокую эффективность производства по сравнению с используемой и известной сталями за счет увеличения стойкости штампового инструмента горячего деформирования в процессе эксплуатации. В результате применения предлагаемой стали эксплуатационная стойкость штампового инструмента (определяется средним съемом отштампованных заготовок) по сравнению с эксплуатационной стойкостью штампового инструмента из стали-прототипа увеличивается в 1,5-2,0 раза (см. табл.2). При использовании предлагаемой стали соответственно в 1,5-2,0 раза сократятся расход инструмента и затраты на его изготовление.

Формула изобретения

ШТАМПОВАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, молибден, ванадий, железо, отличающаяся тем, что, с целью повышения прочности, ударной вязкости и эксплуатационной стойкости в условиях горячего деформирования, она дополнительно содержит титан и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 0,46 - 0,56 Марганец 0,80 - 1,20 Кремний 0,60 - 1,00 Хром 1,60 - 2,90
Молибден 0,20 - 0,40
Ванадий 0,10 - 0,20
Титан 0,001 - 0,009
Азот 0,002 - 0,025
Железо Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3