5. Штамповые стали

Для обработки металлов давлением применяют инструменты — штампы, пуансоны, ролики, валики и т. д., деформирующие металл. Стали, применяемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповыми сталями (по виду наиболее распространенного инструмента).

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

При штамповке в горячем состоянии штампуемый металл под действием сближающихся половинок штампа деформируется и заполняет внутреннюю полость штампа. В работе внутренняя полость штампа («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. Особенно желательно иметь высокий предел текучести (упругости), чтобы при высоких давлениях штамп не деформировался. Для кузнечных штампов большое значение имеет и вязкость, чтобы штамп не разрушился во время работы при ударах по деформируемому металлу. Устойчивость против износа во всех случаях очень важна, так как она обеспечивает сохранение размеров «фигуры» долговечность работы штампа.

Для прессового инструмента, работающего без ударов, большое значение имеет износостойкость в горячем состоянии и относительно меньшее вязкость. Поэтому для молотовых штампов и для прессового инструмента применяют стали различных марок.

Для штамповки в холодном состоянии сталь, из которой изготавливают штампы, обычно должна обладать высокой твердостью, обеспечивающей устойчивость стали против истирания, хотя и вязкость, особенно для пуансонов, имеет также первостепенное значение.

Сталь для «горячих штампов» должна иметь как можно меньшую чувствительность к местным нагревам. В недостаточно вязкой (пластичной) стали, например в плохо отпущенной, местный нагрев может привести к образованию трещин.

Еще в более тяжелых условиях работы находится сталь в штампах (прессформах) для литья под давлением. Нагрев рабочей поверхности формы расплавленным металлом и охлаждение водой внутренних частей формы вызывают значительные напряжения. Сталь, применяемая для прессформ, должна быть также достаточно износостойкой, иметь высокие механические свойства в нагретом состоянии и хорошо сопротивляться разъеданию поверхности формы расплавленным металлом.

Кроме перечисленных свойств, от стали, из которой изготавливают штампы больших размеров, требуется повышенная прокаливаемость. Сталь, применяемая для штампов и пуансонов сложных конфигураций, должна мало деформироваться при закалке.

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

Рассмотрим отдельно стали для холодных и для горячих штампов.

Инструмент для деформирования металла в холодном состоянии должен иметь высокую твердость (практически . В ряде случаев высокая твердость обеспечивает и более высокую стойкость в работе. Поэтому для такого рода инструмента применяют стали с содержанием углерода не менее в состоянии низкоотпущенного мартенсита. Для таких инструментов применяют такие стали, с которыми мы познакомились в и 2 этой главы.

Из углеродистой стали марок изготавливают штампы небольших размеров и простой конфигурации; ввиду неглубокой прокаливаемости их следует применять для относительно легких условий работы (малая степень деформации, невысокая твердость штампуемого материала).

Для более сложных конфигураций штампов и более тяжелых условий работы применяют легированные закаливаемые в масле (глубоко прокаливающиеся) стали — чаще всего сталь

Валки станов холодной прокатки, которые тоже можно считать инструментом, деформирующим металл в холодном состоянии, изготавливают из хромистых сталей с 1 или Ввиду большого сечения валки закаливают в воде и затем подвергают низкому отпуску при 100-120 °С. Это делают для того, чтобы поверхность валка (на глубине от 10—15 мм) имела максимально высокую твердость так как это наряду с другими условиями (отсутствием перегрева, равномерностью распределения карбидов и т. д.) обеспечивает высокую стойкость в работе.

Наоборот, для инструмента некоторых видов, деформирующего металл в холодном состоянии, но с ударом (например, клейма, инструмент для пневматических молотков, зубила и т. д.), твердость должна быть ограничена некоторым верхним пределом порядка (в зависимости от вида инструмента и условий работы).

При относительно легких условиях работы (легкие удары, малая деформация металла, например ручные клейма, ручные зубила) применяют углеродистую сталь Необходимая твердость получается путем закалки и отпуска при Хорошие результаты в смысле стойкости получаются при так называемой «градиентной закалке» или закалке с самоотпуском (см. с. 271). Степень разогрева при самоотпуске контролируется или строго регламентированными по времени условиями охлаждения, или по цветам побежалости. При этих способах термической обработки получается неравномерная твердость — высокая в рабочей части и постепенно снижающаяся к нерабочей; это обстоятельство и обеспечивает большую стойкость в работе такого инструмента. Состав штамповых сталей наиболее распространенных марок приведен в табл. 52. Закалку этих сталей проводят в масле.

Широкое применение для холодных штампов и других инструментов, деформирующих металл в холодном или относительно невысоко нагретом состоянии (накатные плашки, ролики, фильеры для волочения и др.) получили высокохромистые стали при , обладающие высокой износоустойчивостью, повышенной теплопроводностью, малой деформируемостью при термической обработке и некоторыми другими особыми свойствами.

Состав -ных хромистых инструментальных сталей приведен в табл. 53.

Все высокохромистые штамповые стали содержат в среднем стали со средним содержанием будет сказано ниже) и высокий процент углерода. Это приводит к образованию большого количества хромистых карбидов

Таблица 52. (см. скан) Состав, свойства и термическая обработка сталей для инструментов ударного деформирования в холодном состоянии (ГОСТ 5950-73)

Таблица 53. (см. скан) Состав сталей для штампов холодного деформирования, % (ГОСТ 5950-73)

Именно большое количество избыточной карбидной фазы (при всех режимах термической обработки) и делает сталь высокоизиосоустойчивой. Способность этих карбидов переходить в раствор и в тем большей степени, чем выше нагрев под закалку, позволяет, изменяя, температуру закалки, изменять свойства стали и ее поведение при термической обработке.

По своей природе стали типа похожи на быстрорежущие, так как в них совершаются те же превращения, что и у быстрорежущих сталей.

На рис. 319 дана диаграмма, показывающая твердость и количество аустенита в стали в зависимости от температуры закалки. Сначала с повышением температуры закалки твердость возрастает.

Наибольшая твердость в стали получается при закалке с Дальнейшее повышение температуры приводит к снижению твердости вследствие еще большего растворения хромистых карбидов и увеличения количества остаточного аустенита.

Необходимую высокую твердость стали типа можно получить, закаливая ее от высоких температур в масле и получая, следовательно, большое

количество остаточного аустенита, а затем путем обработки холодом и отпуска добиваться разложения остаточного аустенита и получать высокую твердость Но чаще сталь типа закаливают с температур, дающих наибольшую твердость после закалки и последующего низкого отпуска Твердость в обоих случаях одинаковая но в первом случае сталь обладает более высокой красностойкостью, а во втором — большей прочностью.

Рис. 319. Влияние температуры закалки на твердость стали количество остаточного аустенита и изменение длины

Применяемые режимы термической обработки для сталей (обе эти стали практически равноценны), получаемые при этом свойства и некоторые данные о строении (количество аустенита) приведены в табл. 54.

Таблица 54. (см. скан) Режимы термической обработки стали

Так как в стали типа количество остаточного аустенита изменяется в широких пределах (почти от 0 до то естественно, что и изменение объема, которое наблюдается при закалке, также сильно изменяется. При закалке на мартенсит сталь приобретает объем больший, чем исходный, а при закалке на аустенит — меньший (см. кривую на рис. 319). При некоторой температуре соотношение получающегося

аустенита и мартенсита таково, что объем закаленной стали точно равен исходному. Как следует из графика, приведенного на рис. 319, это будет происходить при закалке с когда фиксируется около остаточного аустенита при твердости (в этом случае Однако возможные колебания в температуре закалки, условиях охлаждения и других деталях термического режима, как правило, приводят к тому, что размеры штампа не окажутся точно равными исходным.

Если размеры штампа уменьшились, то дается отпуск при . В результате такого отпуска остаточный аустенит превратится частично в мартенсит и размеры штампа увеличатся. Если размеры штампа при закалке увеличились (штамп «вырос»), то проводят отпуск при Аустенит при этих температурах отпуска остается, а тетрагональный мартенсит превращается в отпущенный и размеры штампа уменьшаются.

Эта операция носит название термической доводки. В результате термической доводки можно довести размеры штампов до требуемого значения с точностью ±0,1 мм.

Стали и им подобные мало деформируются при закалке, а при применении термической доводки деформацию можно свести практически к нулю. Поэтому эти стали следует рекомендовать для инструмента сложной формы, для которого деформация при закалке недопустима.

Существенным недостатком стали является пониженная механическая прочность, обусловленная наличием в этой стали большого количества карбидной фазы. А так как этой фазы будет тем больше, чем больше углерода в стали, то в силу этой причины сталь применяют лишь для неответственных назначений и для простого по конструкции инструмента.

Для быстрорежущих сталей и для сталей большое значение имеет распределение карбидной фазы. Строчечное распределение карбидов, скопление карбидов, т. е. все то, что называется «карбидной ликвацией», сильно ухудшает прочность стали. Чем больше уков, а следовательно, чем меньше сечение металла (заготовки, прутка), тем сильнее раздробляются скопления карбидов, тем лучше качество стали (рис. 320, а, б). Поэтому основательную проковку следует рекомендовать в тех случаях, когда штамп имеет крупные размеры. Уковка в этом случае достигается попеременной осадкой и вытяжкой. Однако и в этом случае не всегда удается устранить в необходимой степени «карбидную ликвацию».

Кардинальным решением вопроса является применение порошковых сталей, не имеющих крупных первичных карбидов — следствие эвтектической кристаллизации в слитках (см. рис. 318). Следствием этого является повышение механических свойств.

Сталь рассматриваемого класса, но с меньшим содержанием углерода и хрома и менее склонная к карбидной ликвации, представлена в табл. 54. маркой Сталь содержит меньше карбидов, чем сталь типа карбида в отожженной стали против в стали в стали , и при прочих равных условиях карбидная ликвация у нее меньше (рис. 322, б).

Переходим теперь к рассмотрению сталей, применяемых для изготовления горячих штампов, деформирующих металл в горячем состоянии. Металл, применяемый для горячих штампов, должен иметь определенный комплекс свойств. Рассмотрим их.

Жаропрочность. Металл горячих штампов должен обладать высоким пределом текучести и высоким сопротивлением износу при высоких температурах, чтобы замедлить процессы истирания и деформирования элементов фигуры штампа разогревающихся от соприкосновения с горячим металлом.

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

Термостойкость. Циклический нагрев и охлаждение поверхности штампа во время работы и, следовательно, чередующееся расширение и сжатие поверхностных слоев приводят к появлению так называемых разгарных трещин. Материал штампа должен обладать высокой разгаростойкостью или, как чаще называют, термостойкостью или высоким сопротивлением термической усталости.

Рис. 320. Микроструктура сталей,

Вязкость. Деформирование металла при штамповке сопровождается ударными воздействиями этого металла на штампы, поэтому металл штампов должен обладать известной вязкостью — особенно при штамповке на молотах, когда приходится достигать нужного повышения вязкости даже за счет некоторого снижения жаропрочности.

Прокаливаемость. Многие штампы имеют весьма большие размеры (например, кубики ковочных штампов имеют размеры 500 X 500 X 1000 мм и т. п.). Для получения хороших свойств по всему сечению, в частности достаточной вязкости, сталь штампов должна глубоко прокаливаться.

Отпускная хрупкость. Так как быстрым охлаждением штампов крупных размеров нельзя устранить отпускную хрупкость, то сталь должна быть минимально чувствительной к этому пороку.

Слипаемость. При значительном давлении горячий металл может как бы прилипать к металлу штампа (явление адгезии), и когда штампуемое изделие отдирается от штампа, то оно всякий раз частично разрушает его поверхность. Это явление разрушения будет тем сильнее выражено, чем сильнее адгезионное взаимодействие штампуемого металла и металла штампа. Поэтому подобное взаимодействие штамповой стали с металлом изделия должно быть минимальным.

Для штампов, работающих в легких условиях, применяют

углеродистые стали с содержанием углерода от 0,6 до т. е. стали марок Наибольшее применение при изготовлении штампов имеет сталь

Следует, однако, отметить, что в современных условиях углеродистая сталь мало применима для штампов, так как штамповку проводят с большой интенсивностью, и штампы из углеродистой стали не будут обладать достаточной стойкостью в работе.

Для более тяжелых условий работы применяют легированные стали.

Состав легированных сталей для молотовых штампов приведен в табл. 55.

Таблица 55. (см. скан) Состав стали для молотовых штампов, % (ГОСТ 5950-73)

Типичной наиболее распространенной и, пожалуй, наилучшей является сталь Остальные представляют собой стализаменители, в которых никель (или молибден) заменен другими элементами, что несколько ухудшает качество.

Механические свойства штамповых сталей при комнатной температуре могут быть оценены следующими цифрами (после закалки и отпуска при Такими свойствами обладают все стали, указанные в табл. 55, кроме стали

Сталь имеет пониженные пластичность и вязкость — естественное следствие замены никеля марганцем.

Механические свойства молотовых сталей при приведены в табл. 56 и 57.

Таблица 56. Механические свойства штамповых сталей при 600 °С

Таблица 57. Ударная вязкость штамповых сталей после отпуска при

Из сталей этих марок изготавливают так называемые кубики, т. е. поковки большого размера призматической формы (на одной из плоскостей которых вырезается фигура). После ковки кубики отжигают по изотермическому режиму.

После правильно проведенного отжига твердость должна составлять 3,9-4,3 мм отпечатка Бринеля.

Закалка и отпуск штампа — весьма ответственные и сложные операции, особенно если принять во внимание большой размер изделия.

Нагрев для закалки проводят на выше точки с медленным прогревом, что в общей сложности, принимая во внимание большие размеры штампа, составляет несколько часов, закалка производится в масле и затем длительное время штамп отпускается при ~600 °С.

Прессовый инструмент, а также штампы для горизонтально-ковочных машин изготавливают из более легированных сталей, так как ввиду более спокойной работы здесь можно несколько поступиться вязкостью за счет более высокой жаропрочности.

Составы сталей для штампов горизонтально-ковочных машин и прессов указаны в табл. 58.

Таблица 58. (см. скан) Состав стали для штампов горизонтально-ковочных машин и прессов, % (ГОСТ 5950-73 и ТУ)

Приведенные в табл. 58 стали похожи на быстрорежущие (например, похожа на но имеют пониженное содержание углерода, что делает их более вязкими.

Наиболее распространенной является сталь Сталь показала в испытаниях повышенную стойкость в сталь равноценна стали

Прочность, как и твердость стали и других сталей этого типа, мало изменяется до температуры отпуска (как и у быстрорежущих сталей). Это указывает на высокую красностойкость сталей (рис. 321, а), обусловленную легированием вольфрамом и молибденом, образующими карбиды которые коагулируют лишь при температурах выше Поэтому сталь обладает высокой прочностью и твердостью при повышенных (до температурах (рис. 321, б).

Механические свойства некоторых сталей для прессового инструмента при повышенных температурах характеризуются данными, приведенными в табл. 59.

Не следует думать, что для всех деталей прессового инструмента применяют только стали, приведенные в и нм подобные.

Матрицы, прошивные и формующие пуансоны небольшой длины и большого диаметра, меньше нагревающиеся в работе и воспринимающие меньшие давления, чем другие части прессового инструмента, изготавливают из уже знакомой стали или из конструкционной стали

Для пуансонов и матриц, работающих при больших удельных давлениях и высоких температурах, следует применять сталь и ей подобные. Когда по условиям работы возникают удары, то вместо стали следует применять сталь типа или обладающую большей вязкостью, чем и большей красностойкостью, чем

Рис. 321. Влияние отпуска (а) и температуры испытания (б) на свойства стали

Следовательно, для прессового инструмента следует применять:

1) сталь или ее заменители, поскольку она очень дефицитна из-за высокого содержания вольфрама (см. табл. 58) для частей, наиболее нагруженных в тепловом отношении;

Таблица 59. Механические свойства сталей прессового инструмента при 600 °С

2) сталь типа (см. табл. 55) для деталей подвергаемых ударным нагрузкам при относительно умеренной тепловой нагрузке;

3) сталь для деталей, подвергающихся сравнительно высоким рабочим температурам и динамической нагрузке;

4) конструкционные стали типа -для частей штампа, испытывающих только значительные механические нагрузки при слабом разогреве (до 300 °С).

Термическая обработка деталей штампов горизонтально-ковочных машин и прессов (матрицы, пуансоны и т. д.), изготовленных из стали и др., состоит в закалке (в масле) и отпуске.

Таблица 60. (см. скан) Режимы термической обработки сталей для прессового инструмента

Основные параметры режима термической обработки этих сталей приведены в табл. 60.

Кроме перечисленных, применяют еще сталь остальные элементы в обычных пределах), обладающую более высокой износоустойчивостью благодаря более высокому содержанию углерода, чем в остальных сталях, но значительно уступающую сталям типа по вязкости и красностойкости. Применяется сталь для штампов, работающих в условиях невысокого нагрева (400-500 °С).

Температурные режимы работы деталей прессформ для литья под давлением и горячих штампов похожи. Поэтому для прессформ применяют те же стали: для наиболее нагруженных деталей и для менее нагруженных в тепловом отношении деталей — более простые стали и даже углеродистые стали 40 и а также нержавеющие стали типа , с которыми познакомимся ниже.