Штамповая сталь

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1724723 А 1 5 цз С 22 С 38/54 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ституторниенко,Жданов и(56) Авторское свидетельство ССМ 971909, кл. С 22 С 38/54, 198(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 4 Х 5 МФС, ЗХ 2 В 8 Ф, 2 Х 5 МНФСЛ, 5 Х 2 НМФ, 45 ХЗВЗМФСД (ДИ), 4 ХЗВ 2 М 2 СЛ 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 ЗХ 2 В 8 Ф в качестве матриц для прессования автомобильных клапанов из стали Х 9 СЗ 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 10 Х 11 Н 2 ОТЗР (состав, % С 0,1; Сг 11,0; М 20,0; Т 2,6; В 0,02), у которой максимальная рабочая температура Тмах. = 700 С, Тразупр. = 850 С, Ю = 400 МПа, Эта сталь обладает относительно высокими эксплуатационными свойствами при невысоких контактных давлениях (Р = 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; марганец40 45 50 55 1-2; хром 16 - 20; никель 9 - 11; алюминий 0,01 - 0,05; титан 0,01 - 0,1; ванадий 0,05- 0,15; ниобий 0,05-0,25; кальций 0,005-0,05; РЗМ 0,01-0,08; бор 0,005 - 0,01; железо остальное.Недостаток этой стали - низкая тепло- СТОЙКОСТЬ.Цель изобретения - повышение тепло- стойкости.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 2,0- 3,0; 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 НВС 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 притемпературевыше 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 30-40 о .Введение в состав инструментальной стали 14,0 - 16,0 мас,охрома 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 055 мас о Повышенное содержание углерода (0,17-0,23 мас. О ) по сравнению с известными позволит избежать их существенные недостатки, а именно получить необходимую пластичность для предотвращения холод 5 10 15 20 25 30 35 ных литейных трещин и трещин при термообработке, а также обеспечить необходимую твердость стали при ее эксплуатации 42-45 НЯС.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 Сг 2 ЗС 6. 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,оприводит к образованию упрочняющих карбидных фаз и уменьшает склонность стали к старению. При содержании в стали менее 0,9 мас.ованадия указанный эффект достигаться не будет из-за незначительности содержания ванадия в сплаве, Содержание ванадия в металле более 1,5 мас,оэкономически нецелесообразно,Содержание в сплаве 2,0-3,0 мас. Отитана приводит не только к образованию упрочняющих карбидных фаз титана, но приводит также к дополнительному упрочнению стали, типа Из(Т,А). При содержании в сплаве менее 2 мас.отитана указанный эффект достигаться не будет. Содержание титана в металле более 3,0 мас. Оэкономически 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 ТС, ЧС, ИЬС, интерметаллических фаз типа РеМо и интерметаллидными фазами типа Юз(ТА). Поэтому для достижения этого эффекта в предлагаемом сплаве содержится, мас.%: титан 2 - 3; ванадий 0,9-1,5; молибден 0,8- 0,9; ниобий 0,1-0,5; церий 0,05; бор до 0,002. Кроме того, наличие в сплаве указанного количества РЗМ приводит к дополнитель1724723 45 50 55 ному дроблению мартенситных игл, что всвою очередь упрочняет полученную сталь.Наличие в сплаве 1,2 - 1,5 мас.; алюминия сводится к увеличению количества идисперсности интерметаллидов типа 5Юз(Т,А) при термической обработке-старении.Структура . предлагаемой стали послелитья состоит из дисперсных включенийкарбидов 2-3, мартенсита 15 и аустенитной матрицы. Введение ниобия и цериянаряду с модифицирующими их влияниемобеспечивает стабилизацию мартенситапри высоких температурах эксплуатации.В табл.1 приведены данные для трех 15сталей по жаропрочности и склонности кпоявлению трещин при охлаждении в маслес температурой 1100 С после завершениякристаллизации.Из представленных в табл.1 данных 20видно, что из всех сталей наиболее высокими жаропрочными свойствами обладаетпредлагаемая сталь 20 Х 15 Н 18 ТЗФМОБР.Новая сталь технологична с точки зрениясохранения износостойкости при литье и 25термообработке,В табл.2 приведены данные по теплостойкости сравниваемых сталей.Все стали, приведенные в табл.2, испытывают на теплостойкость (4 ч выдержки 30при различных температурах) в литом состоянии без предварительной термической обработки,Как видно из табл.2, все стали за счетдисперсионного твердения в процессе испытаний увеличивают твердость с повышением температуры, а затем ее снижают, Иээтих сталей предлагаемая сталь20 Х 15 Н 18 ТЗФМОБР обладает более высокой теплостойкостью, т.е. обладает более 40 высокими характеристиками сопротивления микропластической деформации при 700-800 С.Составы стали даны в табл.3.В табл. 4 приведены данные по теплостойкости (оцениваемые по твердости, НКС 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)ь высоко- легированной стали, а также применением для нее простейшей термической обработки, заключающейся в старении при 750 С, затраты на изготовление штамповой оснастки из стали 20 Х 15 Н 18 ТЗМОБР уменьшаются в 3 - 4 раза в сравнении со сталью 2 Х 5 МНФСЛ.Формула изобретен ия 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 2,0- 3,0; 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.