Тема 4.2. Стали для инструментов обработки металлов давлением

Раздел 4. Инструментальные материалы.

 

Материалы для штампового инструмента

Штамновые стали. Штамповые стали предназначены для изготовления инструментов, обеспечивающих формообразующие операции за счет пластического деформирования (например, высадка) или разрушения (например, вырубка) материала заготовки. Эти операции могут осуществляться без нагрева обрабатываемых заготовок – холодная обработка или с нагревом – горячая обработка (см. 3.5.3). В соответствии с этим штамповые стали делятся на две группы: для холодного деформирования и для горячего. Условия эксплуатации штампов весьма разнообразны, что определяет широкий диапазон материалов, применяемых для их изготовления.

Стали для изготовления штампов холодного деформирования должны обладать высоким сопротивлением пластической деформации, износостойкостью (в условиях крупносерийного и массового производства), необходимыми прочностью и вязкостью. При некоторых операциях происходит нагрев инструмента, т.е. инструментальный материал должен обладать определенной теплостойкостью.

Для изготовления штампового инструмента для холодной обработки используют стали с различной теплостойкостью, они сохраняют твердость, и их можно эксплуатировать при нагреве до следующих температур: нетеплостойкие – до 180...200 °С; полутеплостойкие – до 300 °С (500 °С); теплостойкие – до 520...560 °С.

К первой группе относятся нетеплостойкие заэвтектоидные углеродистые и легированные инструментальные стали – У10, У12, 11ХФ и др. Эти стали не обладают высокой прокаливасмостью, их используют для изготовления инструмента простой формы и небольших размеров. Инструмент подвергают закалке от температуры Ас1 + 30...50 °С и отпуску при 250...350 °С для получения твердости 58...60 HRC. Такая пониженная но сравнению с режущим инструментом твердость позволяет получить более высокую ударную вязкость сталей. Это дает возможность использовать инструмент для операций холодной высадки мягких материалов, вырубки тонколистового материала, т.е. при работе с невысокими давлениями. Режимы отжига сталей рассмотрены ранее (см. 9.2.1).

Ко второй группе относятся стали, легированные повышенным содержанием хрома (5...12%), – полутеплостойкие. Широкое применение в промышленности получили стали с 12% Cr – Х12Ф1 и Х12М. При таком уровне легирования стали имеют высокую прокаливаемость (до 200 мм при закалке в масле). Эти стали обладают высокой износостойкостью из-за большого количества карбидной фазы высокой твердости. Их применяют для изготовления разделительных штампов – вырубных и отрезных, а также для вытяжных, работающих с высокой скоростью.

Эти стали подвергают закалке как на первичную, так и на вторичную твердость.

Закалка на первичную твердость выполняется при температуре 1050...1070 °С с охлаждением в масле или в селитре. Последующий низкий отпуск при 150... 180 °С обеспечивает высокую твердость 62...64 HRC. Полученные таким образом стали можно эксплуатировать и при более высоких температурах – при повышении температуры отпуска до 300 °С твердость снижается, но остается достаточно высокой (58...60 HRC у стали Х12М и 57...59 HRC у стали Х12Ф1).

Закалка на вторичную твердость выполняется от более высоких температур (1150...1170 °С); охлаждение в масле или в селитре. Количество остаточного аустенита заметно повышается и достигает 35...45%, вследствие чего твердость после закалки низкая ~ 50 HRC. Окончательные свойства сталь приобретает в результате многократного отпуска (2...4 раза) при 520...540 °С. При этом происходит дисперсионное твердение, превращение остаточного аустенита в мартенсит и повышение твердости до 60...63 HRC (эти превращения подробно рассмотрены для быстрорежущих сталей, см. рис. 9.1). После закалки на вторичную твердость штамповый инструмент можно эксплуатировать при выполнении операций, вызывающих нагрев инструмента (холодное объемное выдавливание). Значительные динамические нагрузки недопустимы, так как закалка на вторичную твердость резко снижает ударную вязкость.

Полутеплостойкими являются также стали Х6ВФ, 9Х5ВФ с меньшим содержанием хрома – 5...6%. Их также можно закаливать как на первичную (закалка от 950......980 °С и отпуск при 180...200 °С – твердость 56...60 HRC), так и на вторичную твердость (закалка от 1050 °С и отпуск при 500 °С – твердость 56...58 HRC). Эти стали уступают сталям, содержащим 12% хрома, но износостойкости, они имеет меньшую прокаливаемость, а их преимущества – более высокие прочность и ударная вязкость. Область применения – инструменты, работающие с большими ударными нагрузками, тогда как стали с содержанием 12% хрома целесообразно использовать при работе с меньшими нагрузками, но при более интенсивном износе.

Отжиг сталей с содержанием хрома 5...12% проводят при температуре 840...860 °С с изотермической выдержкой не менее 2 ч (выдержка зависит от величины садки металла); затем охлаждают до 700...720 °С вместе с печью со скоростью 30...40 °С/ч, выдерживают при этой температуре 2...3 ч, охлаждают с печью до 600...650 °С, а затем на воздухе.

Стали третьей группы – теплостойкие – сохраняют высокую твердость до 520...540 °С. Стали имеют двойное упрочнение – мартенситное превращение (при закалке) и последующее дисперсионное твердение (при высокотемпературном отпуске). Таким образом, упрочняющая термическая обработка этих сталей аналогична быстрорежущим – это закалка и многократный (как правило, двукратный) отпуск. Такая термическая обработка позволяет избавиться от остаточного аустенита – структурной составляющей с низкой твердостью, что обеспечивает высокое сопротивление пластической деформации – рабочие кромки инструмента нс сминаются под воздействием высоких давлений. При наличии в структуре остаточного аустенита это невозможно.

Стали этой группы легированы, как и быстрорежущие, сильными карбидообразуюшими компонентами – вольфрамом, молибденом. В промышленности нашли применение стали 6Х4М2ФС, 8Х4В2С2МФ и др. Температура закалки этих сталей высокая – 1050...1070 °С, максимальную твердость 60...62 HRC они приобретают после отпуска при 520...530 °С.

Для тяжелонагруженных операций (холодная высадка) могут быть использованы быстрорежущие стали, например Р6М5. Штамповый инструмент из быстрорежущих сталей следует закаливать от температур более низких (на 30...40 °С), чем режущий. При этом достигается достаточно высокая твердость (61...63 HRC) и более высокие прочность и ударная вязкость. Сочетание высокой твердости и прочности определяет применение таких сталей для наиболее тяжелых операций холодной штамповки – высадки, прессования. При этих операциях инструмент испытывает не только высокие удельные нагрузки (до 2000-3000 МПа), но и нагрев поверхностных слоев до 300–400 °С, что предопределяет необходимость использования теплостойкого инструментального материала.

Стали для штампов горячего деформирования должны прежде всего обладать теплостойкостью, поскольку при контакте с обрабатываемой заготовкой инструмент нагревается. Температуры нагрева металлов при горячей обработке могут быть достаточно высокими – свыше 1000 °С. Таким образом, нетеплостойкие стали для изготовления горячештампового инструмента применяться не могут. Для штампов горячего деформирования используют полутеплостойкие и теплостойкие стали.

При работе инструмента могут возникать динамические нагрузки, поэтому стали должны иметь достаточно высокий уровень ударной вязкости. Кроме того, высокая ударная вязкость определяет хорошую разгаростойкость стали. Трещины разгара являются следствием термоциклических нагрузок, возникающих вследствие многократно повторяющихся контактов с горячей обрабатываемой заготовкой, при которых происходит периодическое расширение- сжатие поверхностных слоев штампового инструмента и усталостное разрушение.

Высокая ударная вязкость таких сталей обеспечивается пониженным содержанием углерода по сравнению со сталями для холодного деформирования. При этом снижается твердость, но это допустимо, поскольку при высоких температурах горячей обработки давлением обрабатываемый металл имеет низкие твердость и прочность.

В качестве полутеплостойких используют легированные стали, содержащие – 0,5% С – 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ, 5ХНТ и др. Их закаливают на первичную твердость. Они сохраняют достаточно высокую твердость (45...50 HRC) при нагреве до 450...500 °С. При этом обеспечивается высокая прочность (1500... 1800 МПа) и ударная вязкость (3...5 кДж/м2).

Основное использование указанных сталей – ковочные молоты. Этот инструмент нагревается в процессе эксплуатации до 400...500 °С. Стали для изготовления молотов должны иметь высокую прокаливаемость, так как молоты могут иметь большие габариты. Это достигается комплексным легированием. Так, в молоте размером 400 х 300 х 300 мм из стали 5ХНМ твердость в середине ниже, чем на поверхности всего на 1...2 HRC.

Температура закалки сталей 5ХНМ, 5ХНВ и 5ХГМ – 820...860 °С. Для снижения термических напряжений закалочный нагрев выполняется с подогревом при 600...650 °С. Для предотвращения деформаций или даже трещин штампы сложной конфигурации охлаждают при закалке ступенчато: с подстуживанием на воздухе до температуры 750...780 °С, затем в масле. Так как в структуре штампа после закалки сохраняется большое количество остаточного аустенита, часто проводят двойной отпуск. Температура первого отпуска 530...560 °С, второго – на 10...20 °С ниже, чем первого.

Для изготовления инструмента, работающего при более высоких температурах или находящегося в длительном контакте с горячим обрабатываемым материалом заготовки (прессовый инструмент, штампы для горизонтально-ковочных машин), используют теплостойкие стали, упрочняемые на вторичную твердость за счет дисперсионного твердения. Это стали, легированные вольфрамом или молибденом, ЗХ2В8Ф, 5ХЗВЗМФС, 4Х5В2ФС, 4Х5В4ФСМ, 4Х2В5ФМ и кобальтовая 2Х6В8М2К8.

Стали 4Х5МФС, 4Х4ВМФС, 4Х2В5ФМ применяют для обработки алюминиевых сплавов, в том числе для форм литья под давлением. Обработка медных сплавов выполняется при более высоких температурах, поэтому используют более легированные стали, обладающие большей теплостойкостью, – 5ХЗВЗМФС, ЗХ2В8. При деформировании титановых сплавов, нержавеющих и жаропрочных сталей штампы нагреваются до еще более высоких температур, поэтому в качестве инструментальных необходимы стали весьма высокой теплостойкости – кобальтсодержащие – 2Х6В8М2К8.

Стали 4Х5МФС, 4Х4В2МФС, 4Х2В5ФМ закаливают от температур 1050...1070 °С. Температуру отпуска выбирают в зависимости от необходимой твердости: 560...590 °С на твердость 50 HRC и 600...610 °С на твердость 45 HRC.

Сталь ЗХ2В8 закаливают от температуры 1080...1100 °С и отпускают при 600...610 °С или 640...650 °С на твердость 50 и 45 HRC соответственно.

Сталь 5Х3ВЗМФС подвергают закалке от 1120...1150 °С и отпуску при 640...650 °С или 650...670 °С на твердость 50 или 45 HRC.

Температура закалки стали 2Х6В8М2К8 – 1180...1200 °С, отпуск 630...690 °С на твердость 45...50 HRC.

На повышенную твердость (50 HRC) обрабатывают штампы небольших размеров и простой конфигурации, на пониженную (45 IIRC) – крупные штампы и штампы сложной конфигурации.

Отжиг сталей осуществляется при 830...870 °С с медленным охлаждением до 650...680 °С и выдержкой до полного распада аустенита.

Температурные режимы работы деталей пресс-форм литья под давлением металлических (алюминиевых, медных и других сплавов) и горячих штампов идентичны. Поэтому для изготовления пресс-форм применяют те же стали, что и для соответствующего прессового инструмента (4Х5МФС и 4Х4В2МФС – для литья алюминиевых сплавов и т.д.).

Твердые сплавы для обработки давлением. Твердосплавный инструмент используется при различных видах обработки давлением. Его применение позволяет обеспечить весьма существенное (в десятки раз) повышение стойкости по сравнению со стальным инструментом.

Однако надо иметь в виду значительно более высокую стоимость твердосплавного штампового инструмента. Она определяется как стоимостью самого материала, так и сложностью и дороговизной технологии изготовления такого инструмента.

Штамповый инструмент – специальный инструмент для изготовления определенной детали в отличие от режущего инструмента, являющегося универсальным (резцы, фрезы используют для обработки самых разнообразных деталей). Поэтому применение твердосплавного штампового инструмента оправдано только в условиях массового производства.

Прочность, ударная вязкость твердых сплавов существенно ниже, чем инструментальных сталей. Поэтому прессовое оборудование, на котором эксплуатируется твердосплавный инструмент, должно обладать высокой жесткостью.

Широкое применение для изготовления штампового инструмента нашли наиболее прочные вольфрамокобальтовые твердые сплавы.

Твердосплавный штамповый инструмент подразделяют на две группы: для работы при повышенном износе и при динамических нагрузках.

К первой группе относится инструмент для волочения, вытяжки, выдавливания.

Ко второй – инструмент для вырубки, пробивки, обрезки (разделительные штампы), высадки, объемной штамповки.

Твердые сплавы для изготовления инструмента первой группы должны обладать высокой твердостью (табл. 9.12), так как именно твердость определяет износостойкость. Высокая прочность не является необходимым свойством, поэтому для изготовления штампового инструмента возможно применение тех же твердых сплавов, что и для режущего инструмента. Реально для указанных операций используют сплавы с содержанием кобальта 3, 6, 8 и 10%, а также БВТС.

Таблица 9.12