инструментальная сталь для горячего деформирования
Классы МПК: | C22C38/38 с более 1,5 % марганца по массе |
Автор(ы): | Каманцев Сергей Владимирович (RU), Соколов Сергей Олегович (RU), Крылова Светлана Евгеньевна (RU), Грызунов Владимир Иванович (RU), Приймак Елена Юрьевна (RU), Фирсова Надежда Вячеславовна (RU), Трякина Надежда Юрьевна (RU), Клецова Ольга Александровна (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Машиностроительный концерн ОРМЕТО-ЮУМЗ" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2013-01-09 публикация патента:
10.12.2014 |
Изобретение относится к области металлургии, а именно к инструментальным сталям, используемым для изготовления инструментов горячего деформирования цветных металлов и сплавов. Сталь содержит в мас.%: углерод 0,6-0,7, кремний 0,4-0,7, марганец 1,9-2,1, хром 2,8-3,2, ванадий 0,5-0,6, бор 0,001-0,003, титан 0,15-0,3, железо - остальное. Суммарное содержание хрома, марганца, кремния, ванадия, бора и титана составляет 5,35-6,2 мас.%. Повышается ударная вязкость, стойкость к трещинам и износостойкость. 1 табл.
Формула изобретения
Инструментальная сталь для горячего деформирования, содержащая углерод, хром, марганец, ванадий, кремний и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод | 0,60-0,70 |
хром | 2,80-3,20 |
марганец | 1,90-2,10 |
ванадий | 0,50-0,60 |
кремний | 0,40-0,70 |
титан | 0,15-0,30 |
бор | 0,001-0,003 |
железо | остальное, |
при этом суммарное содержание хрома, марганца, ванадия, кремния, титана и бора составляет 5,35-6,20 мас.%.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области металлургии, в частности к инструментальным сталям, используемым для горячего деформирования цветных металлов и сплавов.
ПО ГОСТ 5950-2000 известна инструментальная сталь, содержащая углерод 0,32-0,40%, кремний 0,9-1,20%, марганец 0,20-0,50%, хром 4,50-5,50%, ванадий 0,30-0,50%, молибден 1,20-1,50%, никель до 0,35% по мас., при этом сумма карбидообразующих элементов составляет 7,25-9,05%.
Недостатком этой стали является повышенная структурная полосчатость из-за неравномерного распределения карбидов в структуре, приводящая к получению пониженной ударной вязкости.
Наиболее близким техническим решением является инструментальная сталь, содержащая углерод 0,37-0,44%, кремний 0,60-1,0%, марганец 0,20-0,50%, никель до 0,6%, хром 3,20-4,0%, ванадий 0,60-0,90%, молибден 1,20-1,50%, вольфрам 0,8-1,2%, при этом сумма карбидообразующих элементов составляет 7,0-9,20% по мас. ГОСТ 5950-2000.
Эта сталь также склонна к образованию структурной полосчатости и имеет пониженный уровень ударной вязкости.
Задачей изобретения является повышение ударной вязкости, стойкости к трещинам и износостойкости инструментальной стали для горячего деформирования.
Поставленная задача решается путем введения в инструментальную сталь для горячего деформирования титана в количестве 0,15-0,30% и бора в количестве 0,001-0,003% по мас. при суммарном содержании карбидообразующих элементов 5,35-6,20% по мас., и компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод | 0,6-0,7 |
Хром | 2,80-3,20 |
Марганец | 1,90-2,10 |
Ванадий | 0,50-0,60 |
Кремний | 0,40-0,70 |
Титан | 0,15-0,30 |
Бор | 0,001-0,003 |
Железо | Остальное |
Снижение содержания карбидообразующих элементов в пределах 5,35-6,2 мас.% с дополнительным легированием титаном и бором обеспечивает получение низкой структурной полосчатости, однородной дисперсной структуры стали с карбидным и карбонитридным упрочнением и повышенную ударную вязкость.
Дополнительное легирование стали титаном в количестве 0,15-0,30% способствует образованию устойчивого тугоплавкого карбида титана (TiC) пл. 3140°С и карбонитрида титана (TiCХNУ ) пл. 3127°C. Дисперсные частицы указанного карбида и карбонитрида сохраняются в структуре стали при высокотемпературных нагревах (ковка, отжиг, закалка), препятствуют росту аустенитного зерна, что способствует получению дисперсной структуры троостосорбита при комнатной температуре. Сталь с дисперсной структурой троостосорбита и низкой структурной полосчатостью имеет повышенный уровень ударной вязкости и стойкости. Содержание титана в пределах 0,15-0,30 мас.% является оптимальным. Содержание титана менее 0,15% не оказывает существенного сдерживающего влияния на рост аустенитного зерна. Легирование титаном в количестве более 0,30% нецелесообразно, так как приводит к образованию значительного количества грубых включений высокотвердого, хрупкого карбида титана при кристаллизации, что не устраняется термической обработкой и снижает ударную вязкость.
Дополнительное введение в сталь бора в количестве 0,001-0,003% в качестве модифицирующей добавки измельчает литую структуру, упрочняет границы зерен, тормозит рост столбчатых кристаллов, что увеличивает устойчивость стали к трещинам. Указанный элемент увеличивает также стабильность аустенита. При его содержании менее 0,015 мас.% указанный эффект снижается. При переходе за верхний уровень легирования 0,003 мас.% по границам зерен появляется борсодержащая фаза эвтектического происхождения, что снижает механические свойства стали, в том числе устойчивость к трещинам.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав инструментальной стали для горячего деформирования отличается от известного и пониженным содержанием карбидообразующих элементов, и дополнительным легированием титаном и бором. То есть заявляемый состав стали соответствует критерию "новизна", так как обладает отличительными признаками.
Дополнительное легирование титаном и бором, пониженное содержание карбидообразующих элементов обеспечивает получение инструментальной стали с низкой структурной полосчатостью и повышенным уровнем ударной вязкости и износостойкости. Предложенное решение соответствует критерию "существенные отличия", так как отличительные признаки не выявлены в других технических решениях.
Примеры осуществления предлагаемого состава стали.
Из известной и предложенной сталей были изготовлены образцы для исследования микроструктуры и определения ударной вязкости. Структурная полосчатость оценивалась по шкале N 5 ГОСТ 801-78, ударная вязкость при комнатной температуре в соответствии с ГОСТ 9454-78. Перед проведением исследований образцы подвергались термической обработке улучшению (закалка с высоким отпуском). Режимы термической обработки: закалка в масле с температурой 1050±50°C с предварительным подогревом образцов при температуре 800±10°C; время выдержки при температурах подогрева и нагрева под закалку в течение 30 минут; отпуск стали производили при температуре 550±5°C, выдержка 2 ч; охлаждение на воздухе. Такая термическая обработка обеспечивает получение высокодисперсной структуры троостосорбита отпуска с дисперсионным твердением.
Сравнительный анализ инструментальных сталей для горячего деформирования указан в таблице. В таблице приведены содержания легирующих элементов в указанной стали, полученные значения балла структурной полосчатости, твердости, стойкости к трещинам и ударной вязкости. Суммарное содержание карбидообразующих элементов определяли суммированием концентраций хрома, марганца, кремния, молибдена, ванадия, титана и бора в известной и предлагаемой сталях.
Приведенные в таблице данные позволяют сделать вывод, что предлагаемая сталь имеет более высокий комплекс механических свойств при пониженной структурной полосчатости, что ведет к повышению износостойкости инструмента для горячего деформирования.
Таблица | |||||||||||||
Инструментальная сталь для горячего деформирования | |||||||||||||
Химический состав, в % по массе | |||||||||||||
С | Cr | Mn | Si | Mo | V | Ti | B | карбидо-образую- щих | Fe | Структурная полосчатость, балл | Твердость, HRC | Ударная вязкость, KCU, Дж/см2 | Трещино- стойкость, МПа·м1/2 |
Предлагаемая сталь | |||||||||||||
0,60 | 2,80 | 1,90 | 0,40 | - | 0,5 | 0,15 | 0,001 | 5,751 | остальное | 2 | 54 | 60 | 57,5 |
0,65 | 3,00 | 2,00 | 0,60 | - | 0,55 | 0,20 | 0,002 | 6,352 | остальное | 2 | 56 | 58 | 56 |
0,70 | 3,20 | 2,10 | 0,70 | - | 0,60 | 0,30 | 0,003 | 6,903 | остальное | 2 | 56 | 58 | 56 |
Известная сталь | |||||||||||||
0,40 | 5,50 | 0,50 | 1,20 | 1,50 | 0,50 | - | - | 9,200 | остальное | 3-4 | 52 | 51 | 52,5 |
Класс C22C38/38 с более 1,5 % марганца по массе