Стали для штампов, деформирующих металл в горячем состоянии (ударное нагружение), должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать окалиностойкостью и разгаростойкостью, т.е. способностью выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования сетки трещин (сетки разгара). Под разгаростойкостью понимают устойчивость к образованию сетки поверхностных трещин, вызываемых объемными изменениями в поверхностном слое при резкой смене температур. Это свойство обеспечивается снижением содержания углерода в стали для повышения пластичности, вязкости, а также теплопроводности, уменьшающей разогрев поверхностного слоя и термические напряжения в нем.
Кроме того, стали должны иметь высокую износостойкость и теплопроводность для лучшего отвода тепла, передаваемого обрабатываемой заготовкой.
Многие штампы имеют большие размеры, поэтому сталь для их изготовления должна обладать высокой прокаливаемостью. Это обеспечивает высокие механические свойства по всему сечению штампа. Важно, чтобы сталь не была склонна к обратимой отпускной хрупкости, так как быстрым охлаждением крупных штампов ее устранить нельзя. Состав и термическая обработка более часто применяемых штамповых сталей приведены в табл. 2.
В соответствии с указанными требованиями для штампов горячей обработки давлением применяют легированные стали с 0,3–0,6% С которые после закалки подвергают отпуску при 550–680° С на троостит или троостосорбит. Среди них следует выделить несколько групп, обладающих в наибольшей степени теми свойствами, которые необходимы для определенных условий эксплуатации. Крупные ковочные (молотовые) штампы, испытывающие повышенные ударные и изгибочные нагрузки, а также инструмент ковочных машин и прессов, нагревающихся не выше 500–550° С при умеренных нагрузках, изготовляют из полутеплостойких сталей 5ХНМ и 5ХГМ (вместо никеля содержит 1,2–1,6% Мn), обладающих повышенной вязкостью.
Таблица №2
Присутствие в стали молибдена или вольфрама (5ХНВ) повышает теплостойкость, прокаливаемость и уменьшает склонность к обратимой отпускной хрупкости. Сталь 5ХНМ прокаливается полностью в блоке 400x300x300 мм. Закалка штампов производится в масле. Отпуск крупных штампов проводится при температуре 550–580°С (HRC35–38), а мелкие при 500–540° С (HRC 40–45).
Структура стали после отпуска – троостосорбит. Механические свойства стали 5ХНМ при температуре 500°C составляют: s в = 900МПа, s О,2 = 650 МПа, d = 20¸22% и y = 70%.
Стали 5ХГМ и 5ХНВС при одинаковой со сталью 5ХНМ прокаливаемостью уступают ей в вязкости из-за замены никеля марганцем или увеличения содержания хрома и кремния. Они предназначены для средних штампов со стороной 300–400 мм или для крупных (сталь 5ХНВС) простой формы.
Сталь 5ХНВ по стойкости равноценна стали 5ХНМ, но имеет меньшую прокаливаемость, так как вольфрам повышает ее слабее, чем молибден. Она применяется для небольших и средних штампов со стороной 200 – 300 мм.
Средненагруженный инструмент, работающий с разогревом поверхности до температуры 600°С, а также инструмент с большой поверхностью, работающий при температурах 400–500°С, изготовляют из стали 4Х5В2ФС и 4Х5В4ФМС. Например, из них изготовляют выталкиватели для неглубоких отверстий, матрицы, различные вставки, инструмент для штамповки труднодеформируемых металлов, пресс-форм для литья под давлением алюминиевых сплавов и т.д.
Фазовый состав этих сталей в отожженном состоянии – легированный феррит и карбиды типа М23С6 и М6С. Эти стали теплостойки, мало чувствительны к резкой смене температур, обладают повышенной окалиностойкостью, устойчивы против корродирующего действия жидкого алюминия и обладают высокой прочностью при хорошей вязкости. Стали повышенной теплостойкости 3Х2В8Ф и 4Х2В5ФМ используют для деформирования при разогреве поверхности до температуры 600–700°С (сохраняется твердость HRC45, s0.2=1000 МПа). Из них изготовляют тяжело-нагруженный штамповый инструмент, например прошивные пуансоны, выталкиватели для глубоких отверстий, матрицы пресс-формы для отливок под давлением медных сплавов и т.д.
Превращения в сталях 4Х5В4ФМС, ЗХ2В8Ф и 4Х2В5ФМ, протекающие при термической обработке, во многом сходны с превращениями в быстрорежущей стали. Эти стали при закалке нагреваются до высоких температур для растворения возможно большего количества карбидов и получения после закалки высоколегированного мартенсита. Так как при температуре закалки карбиды полностью не растворяются, стали сохраняют мелкое зерно. При отпуске происходит дополнительное повышение твердости вследствие дисперсионного твердения при одновременном снижении пластичности и вязкости. Для получения достаточной вязкости отпуск проводят при более высоких температурах на твердость HRC 45 – 50, что соответствует структуре троостит.
Механические свойства после термической обработки следующие: sв = 1500¸1800 МПа, s0,2 = 1350¸1650 МПа (при температуре 600–650°С – s0,2 = 900¸1100 МПа), d = 25% (30–40% при температуре 650°С) и КС =2¸5,5 кГ×м/см2.
Стали 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС и другие с небольшими добавками вольфрама (молибдена) отличаются повышенной разгаростойкостьюблагодаря более высокой вязкости. Теплостойки до 600°С. Присутствие 4–5% Сr придает им хорошую окалиностойкость и повышенную износостойкость при нагреве. Эти стали предназначены для инструмента с высокой устойчивостью к резкой смене температур, в частности, для инструмента высокоскоростной штамповки.
Для пресс-форм, менее нагруженных в тепловом отношении, используют стали 4ХВ2С, Х12, 7X3, 8X3, коррозионностойкую сталь 30X13, конструкционные стали 40Х, 30ХГС и др. Для повышения стойкости пресс-формы также как и штампы подвергают азотированию, цианированию, борированию и хромированию.