Исследования свойств штамповой стали после термической обработки (126222)

Посмотреть архив целиком

65


Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение


Создание высокопроизводительных и стойких в эксплуатации инструментов связано, в первую очередь, с проблемой получения и обработки таких материалов, которые могли бы противостоять жестким условиям работы. Высокие механические свойства инструмента и его теплостойкость (красностойкость) достигаются специальным легированием и термической обработкой. Таким образом, определенный интерес представляет разработка и корректировка методов термической обработки.

В настоящей работе были проведены исследования штамповой стали 4Х5МФ1С после различных режимов термической обработки. Выбранная сталь используется для изготовления штампов и ножей для горячей и холодной деформации. В частности, ножи из данной марки стали применяются на ОАО «НЛМК» для резки углеродистых и электротехнических сталей.

Характерной особенностью стали 4Х5МФ1С является комплексное легирование и склонность к дисперсионному твердению. Высокий уровень легирования благоприятно влияет на прочность, прокаливаемость, теплостойкость стали и дает возможность использовать ее для инструментов, разогревающихся в процессе работы до 600оС. Дисперсионное твердение обеспечивает хорошие режущие свойства инструмента.

Проведенные испытания позволили выявить оптимальные режимы закалки и отпуска, которые обеспечивают не только получение заданных свойств инструмента, но и дают определенный экономический эффект за счет снижения производственнных затрат.


1. Аналитический обзор


1.1 Литературный обзор


1.1.1 Классификация инструментальных сталей

Число инструментальных сталей весьма значительно и они имеют различный химический состав. Однако классификацию по составу можно использовать лишь в качестве вспомогательной; даже при разном содержании легирующих элементов многие инструментальные стали имеют близкие свойства.

Целесообразно классифицировать инструментальные стали по свойствам и по назначению.

Инструментальные стали по свойствам можно распределить по трем группам:

  1. не обладающие теплостойкостью;

  2. полутеплостойкие;

  3. теплостойкие.

Стали, принадлежащие различным группам, мало различаются по твердости, прочности и износостойкости при нормальных температурах, но значительно различаются по этим важнейшим свойствам при нагреве. Кроме того, стали, обладающие теплостойкостью, из-за влияния дисперсных частиц фаз-упрочнителей имеют более высокое сопротивление пластической деформации (в том числе и при обычных температурах) [1].

Нетеплостойкие стали сохраняют высокую твердость (>60 HRC) при нагреве не выше 190–225оС и используются для резания мягких материалов с небольшой скоростью. Это заэвтектоидные и близкие к эвтектоидным углеродистые и легированные стали (с относительно невысоким содержанием легирующих элементов). Карбидная фаза их – цементит, коагулирующий при сравнительно низких температурах.

Полутеплостойкие стали, преимущественно штамповые, испытывают нагрев рабочей кромки до температур 400–500оС. Это – близкие к эвтектоидным стали, легированные хромом и дополнительно вольфрамом, молибденом и ванадием, а также ледебуритные стали (12% Cr). Карбидные фазы – легированный цементит и карбид хрома (Ме23С6, Ме7С3).

Теплостойкие стали сохраняют высокую твердость до нагрева на температуры порядка 600–650оС для быстрорежущих сталей (твердость 60–62 HRC) и 650–700оС для штамповых сталей (твердость 45–52 HRC). Основная карбидная фаза – карбид вольфрама (молибдена) Ме6С, а у менее теплостойких штамповых сталей также и карбид Ме23С6. У некоторых сталей возможно интерметаллидное упрочнение [2].

Теплостойкие и полутеплостойкие стали, как высоколегированные, являются одновременно глубокопрокаливающимися.

В зависимости от условий эксплуатации и требуемых свойств инструментальные стали классифицируют следующим образом:

1) стали для режущих инструментов;

2) стали для инструментов и деталей повышенной точности;

3) штамповые стали для холодного деформирования;

4) штамповые стали для горячего деформирования.

Стали с карбидным упрочнением при повышенном содержании углерода (>0,6%), относящиеся к ледебуритному классу, используются для изготовления режущих инструментов, выполняющих резание твердых материалов или работающих с повышенной скоростью. Заэвтектоидные и доэвтектоидные стали высокой твердости, не обладающие теплостойкостью, применяют в более ограниченных пределах, когда нагрев режущей кромки незначителен. Заэвтектоидные стали используют для металлорежущих и некоторых деревообрабатывающих инструментов, а доэвтектоидные стали, имеющие большую вязкость, – главным образом для деревообрабатывающих инструментов, испытывающих ударные нагрузки. Для специальных условий (хирургические инструменты, бритвы и т. д.) применяют стали, устойчивые против коррозии, они являются полутеплостойкими.

Для инструментов и деталей повышенной точности используют стали повышенной твердости, как обладающие, так и не обладающие теплостойкостью (в зависимости от условий эксплуатации). Эти стали должны иметь дополнительные свойства, главное из которых – способность приобретать очень чистую поверхность при доводке и сохранять неизменными размеры и форму инструмента в течение длительного срока эксплуатации.

При изготовления штампов для холодного деформирования используют стали высокой твердости, а для некоторых инструментов, работающих со значительными динамическими нагрузками, применяют и стали повышенной вязкости.

При изготовлении штампов для горячего деформирования используют теплостойкие стали повышенной вязкости, которые обеспечивают не только высокие прочность и сопротивление деформации штампа при нагреве, но и необходимое сопротивление динамическим нагрузкам и хорошую разгаростойкость. Это важное свойство штамповой стали достигается при достаточных вязкости и пластичности [1].


1.1.2 Требования, предъявляемые к штамповым сталям

Для обработки металлов давлением применяют инструменты – штампы, пуансоны, ролики, валики и т.д., деформирующие металл. Стали, принимаемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповыми.

Штамповые стали делятся на две группы: деформирующие металл в холодном состоянии и деформирующие металл в горячем состоянии. Условия их работы сильно различаются между собой.

Например, при деформации в горячем состоянии штампуемый металл под действием сближающих половинок штампа деформируется и заполняет внутреннюю полость штампа. В работе внутренняя полость («фигура»), которая деформирует металл, соприкасается с нагретым металлом, поэтому штамповая сталь для горячей штамповки должна обладать не только определенными механическими свойствами в холодном состоянии, но и достаточно высокими механическими свойствами в нагретом состоянии [3].

Ввиду многочисленных и разнообразных требований, предъявляемых к штампам в зависимости от назначения, для их изготовления применяют стали различных марок, начиная от простых углеродистых и заканчивая сложнолегированными.

Требования к штамповым сталям для холодного деформирования

К этой группе относят инструменты, изменяющие форму материала без снятия стружки, т. е. главным образом штампы. Эти многочисленные инструменты разнообразны по форме, размерам и напряженному состоянию, возникающему в процессе эксплуатации, что требует применения различных сталей.

Основные требования, предъявляемые к штамповым сталям для холодного деформирования, – высокие прочность и износостойкость. Остальные свойства, в частности, вязкость и прокаливаемость определяются условиями работы, размерами и формой изделий из них.

В процессе деформирования с большой скоростью инструмент может разогреваться до 200–350оС. Поэтому стали такого класса должны иметь теплостойкость 400–500оС, для того, чтобы обеспечить сопротивление смятию и пластической деформации при работе. Для крупного инструмента необходимо обеспечить высокую прокаливаемость и небольшие объемные изменения при закалке. Наиболее часто применяют стали марок: Х12М, Х12Ф1, Х6ВФ, 7ХГ2ВМ, 6Х6В3МФС [1].

Требования к штамповым сталям для горячего деформирования

Штамповые стали для горячего деформирования должны иметь определенный комплекс свойств. Рассмотрим их.

Теплостойкость. Высокие жаропрочные свойства не должны снижаться под длительным воздействием температуры, металл должен устойчиво сопротивляться отпуску.

Жаропрочность. Металл должен обладать высоким пределом текучести и высоким сопротивлением износу при высоких температурах, чтобы замедлить процессы истирания и деформирования элементов фигуры инструмента, разогревающихся от соприкосновения с горячим обрабатываемым материалом.

Термостойкость (разгаростойкость). Циклический нагрев и охлаждение поверхности инструмента во время работы и, следовательно, чередующееся расширение и сжатие поверхностных слоев приводят к появлению так называемых разгарных трещин. Для предупреждения данного явления материал инструмента должен обладать высокой разгаростойкостью (высоким сопротивлением термической усталости).

Вязкость. Деформирование металла при штамповке сопровождается ударными воздействиями этого металла на штампы, поэтому материал штампов должен обладать известной вязкостью для предупреждения поломок и выкрашивания.

Износостойкость.

Окалиностойкость. Она необходима, если поверхностные слои нагреваются выше 600оС и особенно 700оС; в этих условиях окалиностойкость в большей степени определяет износостойкость.

Теплопроводность. Необходима для лучшего отвода тепла, передаваемого деформируемой заготовкой.

Прокаливаемость. Многие инструменты имеют большие размеры. Для получения хороших прочностных свойств в нижележащих слоях сталь инструмента должна хорошо прокаливаться.

Отпускная хрупкость. Так как быстрым охлаждением инструментов крупных размеров нельзя устранить отпускную хрупкость, то необходимо выбирать сталь минимально чувствительную к этому пороку.

Слипаемость. При значительном давлении горячий металл может «прилипать» к металлу штампа (явление адгезии), и когда штампуемое изделие отдирается от штампа, то оно всякий раз частично разрушает его поверхность. Разрушение будет выражено тем сильнее, чем больше адгезионное взаимодействие.

Кроме того, стали для штампов, поверхностный слой которых сильно нагревается (выше 600оС), должны иметь высокие температуры критических точек.

Нагрев рабочих слоев штампа определяется не только температурой деформируемого металла, но и длительностью контакта с ним и условиями охлаждения.


1.1.3 Влияние легирующих элементов на структуру и свойства штамповых сталей

Легирование является одним из основных способов воздействия на структуру и свойства инструментальных сталей и способствует повышению работоспособности инструмента.

Штамповые стали легируют такими элементами как хром, вольфрам, молибден, ванадий, кремний и кобальт. В последние годы появились стали с добавками титана, циркония, ниобия и др.

Рассмотрим влияние основных легирующих элементов на свойства штамповых сталей.

Влияние хрома

Хром положительно влияет на ряд характеристик штамповых сталей (прокаливаемость, склонность к вторичному твердению, теплостойкость и т.д.). По мере повышения его концентрации в твердом растворе существенно возрастает устойчивость аустенита как в перлитной, так и в промежуточной областях, качественно изменяется вид С-образных кривых.

В хромистых сталях наряду с цементитом образуется два специальных карбида: гексагональный (тригональный) Ме7С3 и кубический Me23C6 (рис. 1). Хром повышает устойчивость этих карбидов против растворения при нагреве и оказывает благоприятное влияние на чувствительность к перегреву сталей, содержащих незначительные количества вольфрама и молибдена. В комплекснолегированных сплавах хром вследствие повышения фазового наклепа при закалке и непосредственного участия в формировании упрочняющей фазы сильно усиливает эффект вторичного твердения [4].


Рис.1. Сечение диаграммы состояния системы FeCrC при20оС [5]


Случайные файлы

Файл
48009.rtf
112631.rtf
92029.rtf
28234-1.rtf
15498-1.rtf