инструментальная штамповая сталь

Формула изобретения

Инструментальная штамповая сталь, содержащая углерод, хром, вольфрам, молибден, ванадий, марганец, кремний, никель, алюминий, серу, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,75-0,9
Хром	6,8-8,0
Вольфрам	1,1-1,5
Молибден	5,0-6,0
Ванадий	0,01-0,5
Кобальт	5,0-6,0
Марганец	0,1-1,2
Кремний	0,1-0,6
Никель	0,01-0,4
Алюминий	0,01-0,6
Сера	0,15-0,35
Железо	Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, а именно к разработке инструментальной штамповой стали для штампов холодного деформирования повышенной производительности и технологического оборудования.

Известна инструментальная штамповая сталь Х6ВФ ГОСТ 5950-73. Сортовой прокат. [Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г.Сорокина // М.: Машиностроение, 1989. С.384] следующего химического состава:

Углерод	1,05-1,15
Хром	5,5-6,5
Вольфрам	1,1-1,5
Молибден	0,01-0,3
Ванадий	0,5-0,8
Марганец	0,15-0,40
Кремний	0,15-0,35
Никель	0,01-0,35
Фосфор	0,001-0,03
Сера	0,001-0,03
Медь	0,001-0,3

Известна другая инструментальная штамповая сталь Х12Ф1 ГОСТ 5950-73. Сортовой прокат. [Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г.Сорокина // М.: Машиностроение, 1989. С.388] следующего химического состава:

Углерод	1,25-1,45
Хром	11,0-12,5
Ванадий	0,7-0,9
Марганец	0,15-0,40
Кремний	0,15-0,35
Никель	0,01-0,35
Фосфор	0,001-0,03
Сера	0,001-0,03
Медь	0,001-0,3

Известные стали после термической обработки: закалка + отпуск имеют высокую прочность и удовлетворительную вязкость и используются для изготовления инструментов холодной обработки давлением [Геллер Ю.А. Инструментальные стали /М.: Металлургия, 1983. С.298], [Материаловедение /Под ред. Б.Н.Арзамасова, Г.Г.Мухина, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002, с.624-627].

Однако указанные стали обладают недостаточно высокой износостойкостью. Стали характеризуются низкой теплостойкостью. Известные стали не применяются для сварных конструкций [Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г.Сорокина // М.: Машиностроение, 1989. С.386, 389].

Стали имеют недостаточно высокие характеристики шлифуемости из-за наличия аустенита в структуре. Например, шлифуемость стали Х6ВФ ГОСТ 5950-73 при HRC 57-59 - удовлетворительная, при HRC 59-61 - пониженная, а при HRC 63-65 - низкая. Шлифуемость стали Х12Ф1 ГОСТ 5950-73 - удовлетворительная [Марочник сталей и сплавов /Под ред. В.Г.Сорокина // М.: Машиностроение, 1989]. В результате процесс характеризуется низкой производительностью съема стали без перегрева. Возможно образование дефектов: прижогов, сетки трещин.

Обрабатываемость резанием невысокая: у стали Х6ВФ при НВ 229 К_тв.спл =0,9, K_б.ст. =0,5, а у стали Х12Ф1 при НВ 217-228: К_тв.спл =0,8, К_б.ст. =0,3.

Наиболее близкой к предлагаемой инструментальной штамповой стали является инструментальная сталь [ЕР 1072691, МПК С 22 С 38/22, С 22 С 38/24. Tool steel with excellent workability, machinability and heat treatment characteristics, and die using same / Hitachi Metals], принятая за прототип.

Сталь имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод	0,55-0,75
Хром	6,8-8,0
Молибден	0,4-0,83
Вольфрам	0,2-0,42
Ванадий	0,01-0,5
Марганец	0,1-1,2
Кремний	1,0-0,6
Никель	0,01-0,4
Алюминий	0,01-0,6
Кальций	0,00001-0,0001
Сера	0,001-0,12
Железо	Остальное

Сталь отличается хорошей свариваемостью, обрабатываемостью при деформации и термообрабатываемостью без ухудшения механических свойств.

Однако известная сталь имеет низкую твердость (после термической обработки 57 HRC), недостаточно высокую теплостойкость (HRC57 уже при 500°С) и сравнительно низкую износостойкость. Кроме того, желательно дополнительное повышение технологических свойств: обрабатываемости резанием и шлифуемости.

Технической задачей настоящего изобретения является создание инструментальной штамповой стали с высокой твердостью, теплостойкостью, износостойкостью, обрабатываемостью резанием и шлифуемостью, обеспечивающей высокую надежность изделий, выполняемых из этой стали.

Для достижения поставленной задачи предложена инструментальная штамповая сталь, содержащая углерод, хром, вольфрам, молибден, ванадий, марганец, кремний, никель, алюминий, серу, железо, в которой согласно изобретению она дополнительно содержит кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,75-0,9
Хром	6,8-8,0
Вольфрам	1,1-1,5
Молибден	5,0-6,0
Ванадий	0,01-0,5
Кобальт	5,0-6,0
Марганец	0,1-1,2
Кремний	0,1-0,6
Никель	0,01-0,4
Алюминий	0,01-0,6
Сера	0,15-0,35
Железо	Остальное

Подобранное соотношение компонентов позволяет получить стабильную мелкодисперсную структуру стали (балл зерна 10-11) с высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками.

Содержание углерода в указанном интервале (0,75-0,9%) обеспечивает высокую вторичную твердость, теплостойкость и износостойкость стали. Сталь при нагреве под закалку получает аустенит, богатый углеродом, что усиливает эффект дисперсионного твердения при отпуске, повышая вторичную твердость и несколько меньше теплостойкость. Износостойкость возрастает в результате повышения твердости отпущенного мартенсита. Содержание углерода ниже указанного предела снижает твердость, теплостойкость и износостойкость. Содержание углерода больше верхнего предела может привести к снижению прочности и вязкости стали (из-за роста размеров карбидных частиц и ухудшения условий их распределения), что дополнительно усиливается влиянием масштабного фактора.

Содержание хрома (6,8-8,0%) необходимо для обеспечения прокаливаемости стали. Содержание хрома ниже указанного нижнего предела ухудшает технологичность стали при термической обработке. Содержание хрома больше указанного верхнего предела снижает прочность и вязкость стали из-за ухудшения условий распределения карбидов.

Вольфрам в интервале 1,1-1,5% (на порядок выше, чем у прототипа), как карбидообразующий элемент, обеспечивает высокую твердость, теплостойкость и износостойкость стали. Содержание ниже указанного интервала снижает отмеченные свойства стали. Содержание вольфрама больше указанного верхнего предела неэффективно с точки зрения рационального легирования вольфрамомолибденовых сталей.

Приведенная концентрация молибдена 5,0-6,0% (на порядок по сравнению с прототипом) и наличие кобальта (5,0-6,0%) необходимы для связывания серы в мелкодисперсные, равномерно распределенные сульфиды глобулярной формы с целью предупреждения химической неоднородности и ликваций. Сульфиды являются "масленками", образуя защитные смазывающие пленки на поверхности контакта изделия с обрабатываемым металлом. Образование сульфидных пленок улучшает шлифуемость стали: повышается чистота поверхности, снижается чувствительность к образованию шлифовочных трещин даже при наличии аустенита в структуре стали. Улучшается обрабатываемость резанием. Появляется возможность дополнительного увеличения режимов обработки шлифованием и резанием. Кроме того, введение кобальта и молибдена в количестве 5,0-6,0% создает дисперсионное упрочнение стали, повышая твердость, теплостойкость и износостойкость. Минимальное содержание молибдена и кобальта определено степенью эффективности воздействия элементов. Содержание кобальта больше указанного верхнего предела снижает прочность и вязкость стали. Ухудшаются технологические свойства: шлифуемость и обрабатываемость резанием. Содержание молибдена выше указанного верхнего предела может вызвать технологические дефекты стали: чувствительность к обезуглероживанию при отжиге и закалке, чувствительность к излишнему росту зерна (разнозернистости в отдельных участках микроструктуры) при нагреве под закалку, что ухудшает механические свойства стали.

Ванадий (0,01-0,5%) повышает твердость, теплостойкость, износостойкость стали за счет усиления эффекта дисперсионного твердения при отпуске. Превышение указанного верхнего предела нерационально с точки зрения эффективности легирования.

Марганец (0,1-1,2%) способствует повышению твердости стали. Содержание больше указанного верхнего предела ухудшает свариваемость стали.

Кремний по нижней границе указанного интервала (0,1-0,6%) необходим как раскислитель для улучшения свариваемости. В указанных пределах повышает литейные свойства. Содержание кремния выше указанного предела ухудшает термообрабатываемость (изменение размеров изделия) вследствие образования цементитной фазы.

Никель (0,01-0,4%) может вводиться для повышения обрабатываемости стали. При содержании никеля больше указанного верхнего предела возможно ухудшение ударной вязкости и свариваемости.

Алюминий (0,01-0,6%) может вводиться как раскислитель для улучшения свариваемости стали. Содержание алюминия больше указанного верхнего предела снижает технологические свойства стали.

Легирование серой в количестве 0,15-0,35%, что в три раза больше по верхнему пределу, чем у прототипа, обеспечивает надежное образование защитных сульфидных пленок на поверхности штампов в процессе эксплуатации. Пленки уменьшают адгезию инструментальной штамповой стали с обрабатываемым металлом, что способствует повышению износостойкости штампа. Нижний предел содержания серы ограничивается эффективностью ее воздействия как пленкообразующего элемента. Содержание серы больше указанного верхнего предела не дает значимого снижения адгезии в зоне контакта штамповой стали с обрабатываемым металлом и снижает прочностные и эксплуатационные характеристики изделия.

Таким образом, использование предложенной стали позволит изготавливать штампы для холодного деформирования и технологическое оборудование повышенной надежности и производительности за счет повышения их эксплуатационных характеристик: твердости, теплостойкости и износостойкости. Улучшенные характеристики обрабатываемости резанием и шлифуемости стали позволят повысить технологичность и производительность процессов изготовления штампов. Хорошая свариваемость стали расширит технологические возможности изготовления, восстановления и упрочнения штампов и другого технологического оборудования за счет производства сварных конструкций и конструкций с наплавленной рабочей частью.

Инструментальную штамповую сталь получали в лабораторных условиях электродуговой наплавкой порошковой проволоки в среде аргона на заготовки из стали 30ХГСА ГОСТ 4543-71. Основные параметры режима наплавки: I=180-200 А, U=24-25 В, =6-8 м/ч.

Порошковая проволока представляла собой трубку с оболочкой из холоднокатаной ленты глубокой вытяжки 08Ю ГОСТ 503-81, заполненную порошками легирующих элементов (шихтой) в определенном соотношении компонентов. Состав шихты (наличие и соотношение компонентов) рассчитывался по имеющейся методике исходя из требуемого химического состава получаемой инструментальной штамповой стали. Диаметр порошковой проволоки d=2 мм, k_з=0,48-0,50. Порошковые проволоки изготавливались на стане по малотоннажному производству порошковой проволоки в лабораторных условиях. В процессе наплавки при расплавлении порошковой проволоки (оболочки и шихты) и нанесении ее на низколегированную конструкционную сталь получали штамповые стали указанного химического состава (табл.1).

Закалка инструментальной штамповой стали выполнялась в процессе наплавки. Термическая обработка заключалась в выполнении 3-кратного отпуска по 1 часу при 560°С. Охлаждение с температур расплава при наплавке позволило обеспечить более высокие скорости охлаждения стали по сравнению с прототипом (где закалка выполнялась от 1000-1050°С), а следовательно, получить более высокую твердость, теплостойкость, износостойкость, чем у прототипа [Материаловедение / Под ред. Б.Н.Арзамасова, Г.Г.Мухина, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002, с.624-627; 614-619].

Введение кобальта дополнительно повысило твердость инструментальной штамповой стали за счет интерметаллидного упрочнения. Максимальная твердость стали после наплавки (с закалкой) и отпуска составила 69 HRC. Теплостойкость стали после термической обработки: HRC 59 при 630°С (табл.2).

Предложенная сталь обладает более высокими технологическими свойствами: обрабатываемостью резанием (табл.3-6) и шлифуемостью (табл.7) по сравнению с прототипом благодаря наличию защитных смазывающих пленок (создаваемых комплексным легированием стали серой, молибденом и кобальтом при указанном соотношении компонентов). Кроме того, благодаря подобранному химическому составу сталь обладает хорошей свариваемостью (табл.8-9) и термообрабатываемостью. Изменение линейных размеров изделия при термической обработке при температуре 560°С не превышает 0,1%, а после отпуска при 520°С изменение размеров имеет нулевое значение (табл.10).

Инструментальная штамповая сталь может выплавляться в электропечах [Технология конструкционных материалов. / Под ред. А.М.Дальского // М.: Машиностроение, 2003. С.41-44].

Данное изобретение в настоящее время находится на стадии опытно-промышленных испытаний.

Таблица 1 Химический состав сталей, % по массе
№	Сталь	С	Cr	W		Мо	V	Со	Mn		Si	Ni	Al	S	Fe
1	Предложенная	0,9	8,0	1,5		5,0	0,3	5,0	0,4		0,4	0,01	0,3	0,35	77,84
2		0,8	7,0	1,2		5,5	0,5	6,0	1,2		0,1	0,01	0,6	0,25	76,84
3		0,75	6,8	1,1		6,0	0,4	5,5	0,8		0,3	0,01	0,4	0,15	77,79
1 *		0,65	7,25	2,4		<0,01	<0,01	-	0,5		0,15	-	-	0,015	ост.
2 *	Прототип	0,75	7,91	1,05		0,35	0,25	-	0,35		0,30	0,004	-	0,1	нет данных
3 *		0,72	7,37	<0,01		1,25	0,35	-	0,29		0,25	-	-	0,135	ост.
1*, 2*, 3* - №10, №12, №24 по прототипу соответственно.
Таблица 2 Твердость, теплостойкость
№	Сталь				Твердость (HRC)					Теплостойкость (°С, HRC59)
1	Предложенная				68					640
2					66					630
3					65					620
1	Прототип				57-59					<500
2
3

Таблица 3 Обрабатываемость резанием. Условия испытаний
Наименование		Условия испытаний
		прототип		настоящее изобретение
Инструмент		2NKR10 (из быстрорежущей стали)		Р6М5К5
Скорость резания		25 м/мин		28 м/мин
Подача		0,08 мм/об		0,08 мм/об
Глубина резания		0,8×1,5 мм		0,8×1,5 мм
Вид операции		точение		точение
Охлаждение		без охлаждения		без охлаждения
Обрабатываемая сталь				после отжига
Таблица 4 Обрабатываемость резанием.
№	Сталь		Стойкость инструмента (до наступления износа 0,3 мм)
1	Предложенная		22 м
2			22 м
3			22 м
1	Прототип		18 м
2			-
3			-

Таблица 5 Обрабатываемость резанием. Условия испытаний
Наименование		Условия испытаний
		прототип		настоящее изобретение
Инструмент		HES2100-C (с твердосплавным покрытием)		Т15К6
Скорость резания		75 м/мин		75 м/мин
Подача		0,05 мм/об		0,08 мм/об
Глубина резания		0,2×1,5 мм		0,2-1,8 мм/об
Вид операции		точение		точение
Охлаждение		без охлаждения		без охлаждения
Сталь				после отжига
Таблица 6 Обрабатываемость резанием
№	Сталь		Стойкость инструмента (до наступления износа покрытия 0,1 мм)
1	Предложенная		19 м
2			19 м
3			19 м
1	Прототип		16 м
2			-
3			-

Таблица 7 Шлифуемость
№	Сталь	Твердость (HRC)
1	Предложенная	хорошая
2		хорошая
3		хорошая
1	Прототип	-
2		-
3		-

Таблица 9 Свариваемость
№	Сталь	Твердость (HRC)		Температура предварительного подогрева (°С)		Свариваемость (трещины)
1	Предложенная	68		-		нет трещин
2		66		-		нет трещин
3		65		-		нет трещин
1	Прототип	-		-		-
2		60,1		350		нет трещин
3		58,5		350		нет трещин
Таблица 10 Изменение размеров изделия при термической обработке
№	Сталь		Коэффициент линейного расширения,%
			Т<500°С		Т500°С
1	Предложенная		0		<0,1
2
3
1	Прототип		0		<0,1
2
3