Штамповые стали для горячего деформирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

(МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Штамповые стали для горячего деформирования

Выполнил: Чесунов Н.С.

Группа: МТ 8-62;

Проверил: Смирнов А.Е.

Москва, 2016г.

1. Штамповые стали

Штамповые стали горячего деформирования работают в тяжелых условиях, испытывая интенсивное ударное нагружение, периодический нагрев и охлаждение поверхности нагрев и охлаждение поверхности. Основным признаком штамповых сталей горячего деформирования является более низкое по сравнению со сталями для инструментов холодного деформирования содержание углерода (0,3 - 0,6%), что предопределяется повышенными требованиями к ним относительно вязкости и разгаростойкости.

От них требуется сложный комплекс эксплуатационных и технологических свойств. Кроме достаточной прочности, износостойкости, вязкости и прокаливаемости (для крупных штампов) эти стали должны обладать также теплостойкостью, окалиностойкостью и разгаростойкостью (устойчивость к образованию поверхностных трещин, вызываемых объёмными изменениями в поверхностном слое при резкой смене температур). Разгаростойкость обеспечивается снижением содержания углерода в стали, которое сопровождается повышением пластичности, вязкости, а также теплопроводности, уменьшающий разогрев поверхностного слоя и термические напряжения в нем.

1.1 Область применения заданной группы материалов, типовые детали, изготавливаемые из этих материалов

1.2 Критерии конструкционной прочности, надежности, долговечности, определяющие работоспособность типовых деталей

штамповая сталь горячее деформирование

Конструкционная прочность - комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности.

На конструкционную прочность влияют следующие факторы:

· конструкционные особенности детали (форма и размеры);

· механизмы различных видов разрушения детали;

· состояние материала в поверхностном слое детали;

· процессы, происходящие в поверхностном слое детали, приводящие к отказам при работе.

Необходимым условием создания деталей при экономном использовании материала является учет дополнительных критериев, влияющих на конструкционную прочность. Этими критериями являются надежность и долговечность.

Надежность - свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому разрушению.

Долговечность - способность материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного ресурса времени.

Рассматриваемые в задании детали, сделанные из выбранных мной марок штамповых сталей горячего деформирования, работают в тяжелых условиях, испытывая интенсивное ударное нагружение, периодический нагрев и охлаждение поверхности, эти стали должны обладать также теплостойкостью, окалиностойкостью и разгаростойкостью.

· Теплостойкость - способность материалов сохранять жёсткость и другие эксплуатационные свойства при повышенных температурах, определяет износостойкость и сопротивление термической усталости.

· Окалиностойкость - способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием воздушной или газовой среды при высоких температурах

· Разгаростойкостью - (сопротивление термической усталости) определяется сопротивлением стали образованию поверхностных трещин под нагрузкой при многократном нагреве и охлаждении.

1.3 Особенности структуры, химического состава и свойств заданной группы материалов

По условиям работы и уровню основных свойств стали подразделяют на три основных группы: умеренной теплостойкости и повышенной вязкости; повышенной теплостойкости и вязкости; высокой теплостойкости;

· Стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости (5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС, 5ХГМ, 4ХМФС, 4ХМНФС, 3Х2МНФ,5Х2МНФ) относят к доэфтектоидной (до 0,8 % С) группе. Содержание карбидообразующих элементов в сталях минимально (до 7 - 9 %) что исключает возникновение карбидной неоднородности даже в крупных сечениях. В небольших количествах (до 3 %) могут образовываться более термостойкие карбиды Мe₆С, MeC, М₂₃С_6, вызывающие вторичное твердение. Поэтому теплостойкость сталей невысокая.

Стали 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС, 5ХГМ сохраняют предел текучести до 1000 Мпа при нагреве до 350-375 С, а стали 4ХМНФС, 3Х2МНФ,5Х2МНФ при нагреве до 400 - 425 С вследствие карбидов Мe₆С, MeC, М₂₃С₆

· Стали повышенной теплостойкости и вязкости (4Х5МФС, 4Х5МФ1С, 4Х5В2ФС, 4Х3ВМФ,3Х3М3Ф) относят к заэвтектоидным, так как содержание первичных карбидов в них мало. В отожженом состоянии доля карбидной фазы (Мe₆С, VC, М₂₃С₆) составляет 6 - 12%. Теплостойкость сталей повышается с увеличением в структуре количества карбидов Мe₆С, VC, то есть при повышении концентрации вольфрама, молибдена и ванадия.

· Стали высокой теплостойкости (4Х2В5МФ, 5Х3В3МФС, 2Х6В8М2К8) относят к заэвтектоидным. Стали 4Х2В5МФ и 5Х3В3МФС образуют группу сталей с карбидным упрочнением, а стали типа 2Х6В8М2К8 - с карбидоинтерметаллидным. Содержание карбидной фазы в сталях 4Х2В5МФ и 5Х3В3МФС составляет 10 - 13 % (Мe₆С, МC), в стали 2Х6В8М2К8 - только 6 - 7 % (Мe₆С), также дополнительно содержится интерметаллид (Fe, CO)₇W₆.

1.4 Система легирования (назначения легирующих элементов)

Хром (Сr) - повышает износостойкость, увеличивает прочность и прокаливаемость стали, что особенно важно для крупных пуансонов и матриц. При наличии свыше 2,5% повышает устойчивость стали против отпуска, особенно при нагреве инструмента до температур, выше 300° С. Вместе с марганцем уменьшает коробление при закалке.

Никель (Ni) - наряду с хромом он значительно увеличивает прокаливаемость стали и придает вязкость.

Марганец (Mn) - повышает прокаливаемость стали. В сочетании с хромом уменьшает коробление при закалке, но увеличивает склонность стали к перегреву. Марганец, как более дешевый легирующий элемент, является заменителем никеля.

Вольфрам (W) - введенный в сталь для пресс-форм и штампов для горячего деформирования повышает твердость, износостойкость стали и теплостойкость, необходимые для предупреждения отпускной хрупкости второго рода, которую в больших сечениях нельзя устранить быстрым охлаждением. Вольфрам и Молибден измельчают зерно и уменьшают склонность стали к перегреву.

Молибден (Mo) - вводится в высокохромистую сталь для увеличения ее вязкости и повышения прокаливаемости. (в отличие от вольфрама, который увеличивает ее слабее).

В штампах для горячего деформирования предохраняет от отпускной хрупкости, но резко повышает чувствительность стали к обезуглероживанию.

Ванадий (V) - уменьшает хрупкость закаленной стали, предохраняет сталь от перегрева при закалке. В количестве свыше 1% в сочетании с хромом значительно повышает устойчивость против воздействия высоких температур.

Кремний (Si) - увеличивает прокаливаемость стали, повышает стойкость против отпуска, но способствует обезуглероживанию при нагреве.

Эффективным для штамповых сталей горячего деформирования является комплексное легирование, при котором в стали наряду с карбидообразующими элементами вводятся также никель или марганец в пределах 1,0ч1,5 % для повышения ударной вязкости, разгаростойкости, прокаливаемости и кремний до 1 % для увеличения окалиностойкости и прочности.

1.5 Применяемая термическая обработка

Термическая обработка сталей для изготовления молотовых штампов представляет собой ответственную операцию. После изотермического отжига и механической обработки их нагревают под закалку до 820 - 880 С, применяя засыпки и обмазки для предохранения от окисления и обезуглероживания, так как время нагрева может составлять 20 - 25 ч. Для снижения термических напряжений небольшие штампы охлаждают на воздухе, остальные после подстуживания до 750 - 780 С в масле по способу прерывистой закалки. Не остывшие полностью штампы переносят в печь для отпуска.

Также для заготовок крупных штампов проводят отжиг с целью устранения флокеночувсвительности и измельчения зерна аустенита сталей проводят при 760 - 790 С для сталей 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ, при 790 - 820 для стали 5ХНВС, при 800 - 820 С для сталей 4ХМФС, 5Х2МНФ и при 820 - 840 С для стали 3Х2МНФ. Время выдержки при отжиге 1 час плюс 1,5 минуты на 1 мм толщины.

Оптимальные температуры закалки устанавливают на основе определенного соотношения между твердостью и зерном аустенита, размер которого существенно влияет на ударную вязкость стали. Для молотовых штампов с наименьшей стороной не более 200 - 250 мм при получении после закалки структуры мартенсита желательно иметь зерно аустенита не крупнее 9- 10 номера. При большем размере штампов, когда образуется смешанная бейнитно - мартенситная структура, лучший комплекс свойств достигается при зерне аустенита не крупнее 11 номера. Температуру отпуска назначают в зависимости от габаритов штампа и условий эксплуатации. Образование верхнего бейнита при закалке штампов высотой более 300 мм снижает твердость и теплостойкость. При этом в сталях 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС сохраняется, а сталей 4ХМФС, 3Х2МНФ,5Х2МНФ уменьшается (бейнитная хрупкость). Поэтому необходимо проводить отпуск. Для сталей 5ХНМ, 5ХГМ проводят средний отпуск, а для сталей 5ХН, 4ХМФС, 5Х2МНФ - высокий отпуск.

Стали 5ХНМ (5ХНВ) характеризуются невысокой устойчивостью против роста зерна аустенита, так как их карбидная фаза представлена в основном легкорастворимыми частицами типа М₃С. До более высоких температур (980--1020°С) сохраняют мелкое зерно стали 4ХСМФ и 5Х2МНФ, содержащие в структуре наряду с цементитом карбиды типа М₆С и МС. Твердость после закалки повышается до определенных температур аустенитизации, соответствующих наиболее интенсивному растворению карбидов. При дальнейшем увеличении температуры (свыше 900 - 950°С для сталей 5ХНМ, ЗХ2МНФ и 1000 - 1050°С для сталей 4ХСМФ, 5Х2МНФ) она изменяется мало или понижается вследствие увеличения в структуре количества остаточного аустенита.

Обычно штампы из сталей этой группы для получения необходимых прочности, теплостойкости и вязкости нагревают под закалку до температур, обеспечивающих сохранение зерна аустенита не крупнее №9 - 10. Однако эти рекомендации справедливы в основном для небольших молотовых штампов (стороной, диаметром не более 200--250 мм) со структурой мартенсита после закалки или более крупных прессовых штампов с неглубокой рабочей гравюрой, работающих без ударных нагрузок. Для крупногабаритных молотовых штампов со смешанной бейнитно-мартенситной структурой после закалки, неизбежно получаемой при замедленном охлаждении после аустенитизации и значительно снижающей- вязкость стали, они нуждаются в уточнении. В этом случае (штампы со стороной диаметром более 200 мм) лучшее сочетание прочности, теплостойкости и вязкости сталей достигается после получения зерна аустенита не крупнее № 10-11.

Структура сталей после закалки определяется их химическим составом и условиями охлаждения после аустенитизации, зависящими в свою очередь от размеров штампов, охлаждающей способности среды

2. Концептуальная схема базы данных

· Созданы две таблицы «Химический состав» и «Механические свойства», которые связаны между собой ключевыми полями связью один ко многим.

· Созданы и заполнены соответствующие формы

* Выполнены запросы:

1) Выбрать материал и режим ТО для штампа, работающего длительное время (не менее 300 часов) при температуре до 500 С и нагрузке не менее 300 МПа.

2) Выбрать материал и режим ТО для крупного молотого штампа, работающего до температуры 300 С. Требование: ударная вязкость KCU не менее 0,55 МДж/м²

* Выполнены отчеты:

Список литературы

1) Штамповые стали. Позняк Л.А., Скрынчемко Ю.М., Тишаев С.И. Металлургия,1980.

2)Справочник по конструкционным материалам: Б.Н. Арзамасов, Т.В. Соловьева, С.А. Герасимов и др. Под ред. Б.Н. Арзамасова и Т.В. Соловьевой. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана,2006.

3)Инструментальные стали справочник: Л.А. Позняк, С.И. Тишаев, Ю.М. Скрынченко и др. Металлургия,1977.

4)Материаловедение: Ю.С. Козлов. Высшая школа,1983.

5)Материаловедение:Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана,2008.

Приложение

Влияние хрома

Хром положительно влияет на ряд характеристик штамповых сталей (прокаливаемость, склонность к вторичному твердению, теплостойкость и т.д.). По мере повышения его концентрации в твердом растворе существенно возрастает устойчивость аустенита как в перлитной, так и в промежуточной областях. При снижении содержания хрома с 5 до 3% изменяется состав карбидных фаз; в стали с 3% хрома присутствуют карбиды Ме₃ С наряду с карбидами Ме₂₃ С₆ и Ме₆ С, что немного уменьшает теплостойкость и предел текучести при температурах выше 400-500^о С.

Влияние вольфрама и молибдена

Увеличение концентрации вольфрама повышает теплостойкость до определенных пределов. Такими пределами являются 1,0-2% W в сталях типа 4Х4ВМФС и ~ 3% в сталях типа 5Х3В3Ф2МС. Содержание молибдена, как правило, составляет 1,5-3%. Молибден в этих сталях с заменяет вольфрам в соотношении 1: 2.

Стали, в которых молибден заменяет более 2-3% W, имеют меньшую карбидную неоднородность. Молибден при замене 3-4% W (и одинаковом ванадии) почти не изменяет теплостойкости, вследствие чего прочностные свойства вольфрамомолибденовых сталей при нагреве такие же, как вольфрамовых. Выбор конкретный соотношений между вольфрамом и молибденом определяется условиями эксплуатации инструмента, и он должен быть экономически обоснован.

Влияние ванадия

Ванадий оказывает эффективное влияние на процессы собирательной рекристаллизации и существенно уменьшает чувствительность штамповых сталей к перегреву. В относительно невысоколегированных сталях (типа 5ХНМ и др.) его действие оказывается заметным уже при содержании порядка 0,10-0,30%. Для других групп сталей, содержащих карбиды типа М₇ С₃, М₆ С, М₂₃ С₆, требуется большее количество ванадия для существенного смещения температур начала интенсивного роста зерна.

Ванадий, также, как и хром, обладает сильно выраженной склонностью к дендритной ликвации, но в отличие от него ванадий благоприятно влияет на дисперсность и характер распределения первичных карбидов в высокоуглеродистых сталях.

Влияние кремния

Кремний является ферритообразующим элементом и «выклинивает» область существования г-железа в сплавах системы Fe - Si уже при содержании около 2%. Аналогично влияет он на диаграмму состояния углеродистых сталей (0,5-1% С), однако в этом случае полное завершения б > г-превращения достигается при содержаниях 3-5% кремния. Не образуя в сплавах на основе железа соединений с углеродом, кремний практически не оказывает влияния на тип и состав карбидов в штамповых сталях, но вызывает их укрупнение в отожженном состоянии.

Влияние никеля и марганца

Легирование сталей никелем и марганцем повышает прокаливаемость. Этим определяется целесообразность легирования ими штамповых сталей, предназначенных для изготовления крупногабаритных инструментов. Мало изменяя чувствительность к перегреву и, как следствие, оптимальные температуры закалки, никель и марганец сильно понижают критическую скорость охлаждения.

Никель эффективно повышает пластичность, что очень важно для материалов, испытывающих воздействие динамических нагрузок.

Размещено на Allbest.ru