СУСПЕНЗИОННАЯ ЛИТАЯ ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩАЯ ФЕРРИТОКАРБИДНАЯ ШТАМПОВАЯ СТАЛЬ Российский патент 2013 года по МПК C22C38/14 C22C33/04 

Изобретение относится к металлургии, машиностроению, а именно к области получения и использования литейных материалов для тяжелонагруженных штампов горячего деформирования (КГШП), пресс-форм для литья под давлением, а также штампов для твердожидкой штамповки (ШТЖЩ) (пресс «Автофордж») сплавов на основе меди.

Известны теплостойкие штамповые стали машиностроительного класса для горячего деформирования 4ХМФС, 5Х2МНФ (Ди-32), 5Х3В3МФС (Ди-23), 3Х2В8Ф, 5Х3В3МФ2Б и др. [1, 2].

Недостатками штамповых сталей мартенситного класса является их применение только в кованом состоянии. При изготовлении прессинструмента методом литья характерны низкие теплопроводность, вязкость и пластичность, что исключает возможность изготавливать пресс-инструмент методом литья из-за образования трещин при ускоренном охлаждении отливок. Известные штамповые стали мартенситного класса при эксплуатации тяжелонагруженного прессинструмента (штампы КГШП), в которых температура на гравюре достигает выше полиморфных превращений (от 800 до 900°С) претерпевают структурно-фазовый наклеп и разрушение из-за α→γ превращений в течение каждого цикла нагружения.

Для изготовления литой прессоснастки на ОАО «КАМАЗ-Металлургия» предложена сталь 35Х5МНФСЛ, которая применяется для изготовления мелких штампов (весом до 60 кг) путем литья в песчано-глинистые цирконовые формы, получаемые по сложной технологии путем горячего отверждения с применением экологически вредных фенолформальдегидных смол. Кроме того, медленное охлаждение при кристаллизации отливок приводит к образованию грубой литой структуры, что приводит к низким эксплуатационным показателям по работоспособности в сравнении с инструментом из кованых сталей.

Перспективным способом улучшения комплекса механических и эксплуатационных характеристик инструментальных сталей при изготовлении литой прессоснастки для горячего деформирования является применение направленной кристаллизации, обеспечивающей получение дисперсной структуры при ускоренном охлаждении в процессе литья в охлаждаемый кокиль.

Применение направленной кристаллизации отливок с форсированным охлаждением без образования литейных трещин может быть осуществлено на сталях аустенитного или ферритного класса. Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому эффекту является дисперсионно-твердеющая аустенитно-карбидная литая штамповая сталь [3] 20Х20Н18ТЗЮФМБР состава, мас.%:

Углерод - 0,17-0,23 Хром - 14,1-18,2 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 - 0,1-0,15 Церий - 0,04-0,05 Железо - остальное.

Существенными недостатками этой стали является сложный химический состав, наличие дефицитных легирующих элементов и высокая стоимость.

Заявляемое изобретение направлено на улучшение комплекса технологических и эксплуатационных характеристик, а также снижение стоимости стали для литого пресс-инструмента.

Поставленная задача достигается тем, что экономно-легированная карбидно-ферритная литая штамповая сталь, содержащая углерод, титан, никель, железо, содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод - 0,27-0,32 Титан - 5,8-6,2 Никель - 0,5-0,9 Карбид титана, TiC - 0,5-1,5 Железо - остальное

Описываемая литая штамповая сталь может содержать марганец от следов до 0,05%, кремний 0,15-0,17% и также серу и фосфор ≈0,03%.

Химический состав исследованных плавок предлагаемых и известных сталей и соответствующие им свойства приведены в табл.1 и 2.

Таблица 1 Плавки
сталей Содержание элементов, мас.% С Cr Ni Ti W V Mo Al Nb Се Fe TiC Предлагаемый
1 0,27 - 0,5 5,8 - - - - - - - 0,5 2 0,30 - 0,7 6,0 - - - - - - - 1,0 3 0,32 - 0,9 6,2 - - - -   - - 1,5 Известный
4 0,17-0,23 14,1-18,2 17-19 2-3 0,002 -0,02 0,9-1,5 0,8-0,9 1,2-1,5 0,1-0,15 0,04-0,05 ост.   Примечание: Содержание железа во всех плавках до 100%.

Влияние Ti. Титан вводится в предлагаемую сталь в количестве 4 мас.% для создания ферритной матрицы, которая образуется в системе Fe-Ti при указанном количестве Ti [5]. Порядка 1 мас.% идет на создание TiC, а 0,8 - с целью формирования фазы типа Ni₃Ti.

Влияние количества углерода, находящегося в пределах 0,27-0,32 мас.%. Для производства предлагаемого состава суспензии штамповой стали используется среднеуглеродистая сталь с указанным содержанием углерода, т.к. применение чистого железа является дефицитным материалом для действующих предприятий.

В заявленном составе углерода находится в пределах 0,27-0,32 мас.%, что обеспечивает получение феррито-карбидной матрицы. Карбидами являются соединения типа TiC. Стехоометрически для связывания в карбиды типа TiC, имеющегося углерода в пределах 0,27-0,32 мас.% дополнительно необходимо введение не более 1,0 мас.% Ti.

Влияние Ni в пределах 0,5-0,9 мас.%. Никель вводится в сталь с целью формирования фазы, типа N₃Ti в ферритной Ti-Fe матрице при дисперсном твердении, которое протекает в процессе производства и эксплуатации штампов.

Эксплуатация штампов для горячего деформирования сопровождается выделением дисперсных соединений Ni₃Ti, что благоприятно влияет на сохранение твердости пресс-инструмента. Верхний предел содержания Ni ограничивается в указанном количестве с целью сохранения в основе предлагаемой стали феррито-карбидной матрицы. Нижнее содержание Ni необходимо для получения дисперсных интерметаллидов типа Ni₃Ti.

При этом часть титана затрачивается на формирование указанных интерметаллидов, поэтому общее количество титана в стали (с гарантией необходимой феррито-карбидной матрицы и наличием дисперсных интер-менталлидов Ni₃Ti) составляет 5,8-6,2 мас.%.

Карбиды TiC 0,5-1,5 мас.%. Количество вводимых в струю металла или в ковш определено экспериментально с целью обеспечения твердости порядка 46-48 HRC.

Указанная твердость достаточна для обеспечения работоспособности штампов для горячего деформирования.

Комплексное влияние всех компонентов в заданных пределах, указанных в заявке, обеспечит повышение работоспособности, что подтверждается результатами испытаний новой стали по термомеханической усталости (табл.2).

Карбид титана в виде порошка размером частиц до ≈10 мкм вводится в расплав стали перед разливкой в ковш или в струю при заливке форм.

Таблица 2 Плавки сталей Теплопроводность, в т.м.к. Коэффициент линейного расширения
α·10⁶·κ^-1 Механические характеристики Относительное сопротивление термомеханической усталости циклов σ_B σ_0,2 δ, % Предлагаемый
1 28,6 11,8 1826 1716 8,6 18117 2 30,6 10,5 1828 1720 8,1 20111 3 32,8 10,4 1828 1732 8,0 23128 Известный 4 41,4-42,6 12,3-13,6 1840-1900 1730 6,8-7,2 20125

Примечание: Испытание на термомеханическую усталость (ТМУ) осуществлялось по методике [4]. Оценивалось количество циклов нагружения образцов до появления трещин ТМУ размерами 0,1 мм в глубину образца. Режим испытаний отвечал эксплуатационному нагружению штампов «Автофордж» при штамповке латуней: Tmax=780°С на поверхности образца, Tmin +460°С, время контактирования образца со штампуемым материалом τ=3 с пауза τ_n=12 с. Размеры образца: высота h=12 мм, толщина В=2 мм, длина образца l=80 мм.

Как видно из таблицы 2, предлагаемая ферритно-карбидная сталь по теплофизическим характеристикам практически мало отличается от известной аустенито-карбидной стали. Показатели сопротивления развитию трещин ТМУ у предлагаемой стали на 9-10% выше, чем у известной аустенито-карбидной стали.

Применение литого пресс-инструмента из ферритно-карбидной стали взамен традиционно изготавливаемого механическими и электрофизическими методами из кованных заготовок мартенситных сталей позволяет резко сократить продолжительность изготовления и производственные затраты за счет исключения механических операций по изготовлению сложной гравюры инструмента.

Замена сложнолегированной аустенито-карбидной стали на экономно-легированную феррито-карбидную сталь упрощает процесс выплавки стали, а также снижает себестоимость за счет уменьшения содержания легирующих элементов. Высокая твердость отливок из стали (46-48HRC) достигается за счет дисперсионного твердения при старении в результате выделения из феррита дисперсной γ-фазы типа Ni₃Ti, а также за счет наличия карбидов титана.

Источники информации, принятые во внимание:

1. Л.А.Позняк, Ю.М.Скрынченко, С.И.Тишаев - Штамповые стали - М.: Металлургия, 1980 - 240 с.

2. AC №1108126 СССР, МКИ С22С 38/26. Штамповал сталь. Авторы: М.С.Колесников, Э.Н.Корниенко, Л.А.Алабин и др. Опубликовано 15.04.84. Бюл. №30.

3. AC №1724723 СССР, МКИ С22С 38/26. Штамповал сталь. Авторы: М.С.Колесников, Л.В.Трошина и др. (СССР).

4. АС №879400 СССР, МКл³ GOIN 3/60. Способ исследования термомеханической усталости материалов. Авторы: М.С.Колесников, Б.Л.Кузнецов, B.C.Кондратенко, А.Г.Шишкин (СССР). Опубликовано 07.11.81. Бюл. №41.

5. М.Хансен и К.Андерко, Справочник «Структуры двойных сплавов», Т.2, пер. с английского М., Металлургия, 1962 г., 1488 с. с илл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к области получения и использования литой дисперсионно-твердеющей ферритокарбидной стали для тяжелонагруженных штампов горячего деформирования, пресс-форм для литья под давлением, а также штампов для твердо-жидкой штамповки сплавов на основе меди. Сталь содержит, в вес.%: углерод 0,27-0,32, титан 5,8-6,2, никель 0,5-0,9, карбид титана (TiC) 0,5-1,5, железо остальное, а также может содержать от следов до 0,05% марганца, 0,15-0,17% кремния и ≈0,03% серы и фосфора. Карбид титана введен в виде порошка с размером частиц до 10 мкм в ковш или в струю расплава в процессе заливки стали в охлаждаемую металлическую форму-кокиль. Улучшается комплекс технологических и эксплуатационных характеристик, а также снижается стоимость стали. 2 табл.

Суспензионная литая дисперсионно-твердеющая ферритокарбидная штамповая сталь, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, вес.%:
углерод 0,27-0,32 титан 5,8-6,2 никель 0,5-0,9 карбид титана (TiC) 0,5-1,5 железо остальное,