Штамповая сталь Советский патент 1992 года по МПК C22C38/54 

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 4Х5МФС, ЗХ2В8Ф, 2Х5МНФСЛ, 5Х2НМФ, 45ХЗВЗМФСД (ДИ-23). 4ХЗВ2М2СЛ 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 штзмповой стали ЗХ2В8Ф в качестве матриц для прессования автомобильных клапанов из стали Х9СЗ стойкость инструмента составляет в среднем две-три тысячи прессовок.

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 10X11Н20ТЗР (состав, % С 0,1; Сг 11,0; Ni 20,0; Ti 2,6; В 0,02), у которой максимальная рабочая температура Тмах. 700°С, Тра3упр.

850°С, 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; марганец

Х| N3 XI Ю GJ

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 теплостойкость.

Цель изобретения - повышение теплостойкости.

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 HRC путем карбидообразова- ния.

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 при температуре выше 1100-1200°С (молибден, ниобий и др.), легко окисляются.

Хром обладает особыми антикоррозионными свойствами, входит в качестве леги- рующего 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%.

Введение в состав инструментальной стали 14,0-16,0 мас.% хрома способствует достижению необходимой окалиностойко- сти 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 0,55 мас.%.

Повышенное содержание углерода (0,17-0,23 мас.%) по сравнению с известными позволит избежать их существенные недостатки, а именно получить необходимую пластичность для предотвращения холодных литейных трещин и трещин при термообработке, а также обеспечить необходимую твердость стали при ее эксплуатации 42-45 HRC.

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 Сг2зСе. 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.% приводит к образованию упрочняющих карбидных фаз и уменьшает склонность стали к старению. При содержании в стали менее 0,9 мас.% ванадия указанный эффект достигаться не

будет из-за незначительности содержания ванадия в сплаве. Содержание ванадия в металле более 1,5 мас.% экономически нецелесообразно.

Содержание в сплаве 2,0-3,0 мас.% титана приводит не только к образованию упрочняющих карбидных фаз титана, но приводит также к дополнительному упрочнению стали, типа М1з(П,А1). При содержании в сплаве менее 2 мас.% титана указанный эффект достигаться не будет. Содержание титана в металле более 3,0 мас.% экономически 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 TiC, VC, NbC, интерметаллических фаз типа FeMo и интерметаллидными фазами типа Nis(TIAI).

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 указанно- го количества РЗМ приводит к дополнительному дроблению мартенситных игл, что в свою очередь упрочняет полученную сталь.

Наличие в сплаве 1,2-1,5 мас.% алюминия сводится к увеличению количества и дисперсности интерметаллидов типа NiafTi.AI) при термической обработке-старении.

Структура предлагаемой стали после литья состоит из дисперсных включений карбидов 2-3%, мартенсита 15% и аусте- нитной матрицы. Введение ниобия и церия наряду с модифицирующими их влиянием обеспечивает стабилизацию мартенсита при высоких температурах эксплуатации.

В табл.1 приведены данные для трех сталей по жаропрочности и склонности к появлению трещин при охлаждении в масле с температурой 1100°С после завершения кристаллизации.

Из представленных в табл.1 данных видно, что из всех сталей наиболее высокими жаропрочными свойствами обладает предлагаемая сталь 20Х15Н18ТЗФМОБР. Новая сталь технологична с точки зрения сохранения износостойкости при литье и термообработке.

В табл.2 приведены данные по теплостойкости сравниваемых сталей.

Все стали, приведенные в табл.2, испытывают на теплостойкость (4 ч выдержки при различных температурах) в литом состоянии без предварительной термической обработки.

Как видно из табл.2, все стали за счет дисперсионного твердения в процессе ис- пытаний увеличивают твердость с повышением температуры, а затем ее снижают. Из этих сталей предлагаемая сталь 20Х15Н18ТЗФМОБР обладает более высокой теплостойкостью, т.е. обладает более

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, HRC 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% высоколегированной стали, а также применением для нее простейшей термической обработки, заключающейся в старении при 750°С, затраты на изготовление штамповой оснастки из стали 20Х15Н18ТЗМОБР уменьшаются в 3-4 раза в сравнении со сталью 2Х5МНФСЛ.

Формула изобретения

Штамповая сталь, содержащая углерод, хром, никель, титан, бор, ванадий, алюминий, ниобий, церий и железо, отличающая- с я тем, что, с целью повышения теплостойкости, она дополнительно содержит молибден при следующем соотношении компонентов, мае.%: 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; алюминий 1,2-1,5; ниобий 0,1-0,5; церий 0,04-0,05; молибден 0,8-0,9; железо остальное.

Таблица 1

Изобретение относится к металлургии, а именно к штамповой стали для тяжелонагруженных штампов горячего деформирования и пресс-форм литья под давлением. Сущность изобретения: сталь содержит, мае. %: 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.

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4