Стали для холодного деформирования.

Используются для изготовления обрезных, высадочных и вытяжных штампов, волочильных досок, накатных роликов и т.д.

Для штампов простой формы часто применяют углеродистые стали У10А и У12А, которые после закалки имеют высокую поверхностную твердость (НRC62-65), но сохраняют вязкую сердцевину из-за пониженной прокаливаемости.

Крупные штампы и штампы, работающие в более тяжелых условиях эксплуатации (большая степень деформации, повышенная твердость штампуемого материала и т.д.), изготавливают из легированных сталей повышенной прокаливаемости, закаливаемых в масле или горячих средах (для минимизации деформации): Х и 7ХГ2ВМ, а иногда ШХ15.

Валки станов холодной прокатки изготавливают из хромистых сталей с 1 или 2% Cr (9Х, 9Х1). Причем из-за большого сечения они закаливаются в воде, а затем подвергаются низкому отпуску при 100-120⁰С. После такой термообработки поверхность валка на глубину 10-15 мм имеет твердость 64-66 HRC, что вместе с равномерностью карбидов обеспечивает высокую эксплуатационную стойкость.

Для инструмента, деформирующего в холодном состоянии, но с ударом (клейма, инструмент для пневматических молотков, зубил и т. д.), используют легированные стали с пониженным (0,4-0,6%) содержанием углерода (ГОСТ5950-2000): 4ХС, 6ХС, 4Х2ВС, 5Х2ВС, 6Х2ВС. Эти стали закаливают с температур 860-900⁰С в масло и отпускают при температуре 280-420⁰С на твердость НRС 52-58.

Для изготовления очень крупных штампов, особенно испытывающих повышенный износ (сложные дыропробивные пуансоны и матрицы, матрицы глубокой высадки листового материала, формировочные матрицы сложных форм), используют высокохромистые стали (12%Cr при 1,0-1,5%С), обладающие высокой прокаливаемостью (до 300-400мм) и износостойкостью, повышенной теплопроводностью, малой деформируемостью: Х12М, Х12Ф1, реже Х12.

Высокое содержание Cr и С приводят к образованию большого количества хромистых карбидов (Cr, Fe)₇C₃, которые и обеспечивают высокую износостойкость. С другой стороны карбиды (Cr, Fe)₇C₃ обладают хорошей способностью растворяться в аустените, насыщая его хромом и повышая устойчивость к γ→α превращению. Поэтому после закалки сохраняется большое количество остаточного аустенита (15-20%), а это обеспечивает минимум деформации.

Штампы из этих сталей закаливают с 1000-1050⁰С (Х12М) и 1040-1070⁰С (Х13Ф1) в масле или на воздухе и отпускают при 150-170⁰С на твердость 60-63НRС.

Недостатком этих сталей является трудность их обработки резанием и карбидная неоднородность. Поэтому многие детали штампов изготавливают из стали Х6ВФ, карбидная неоднородность которой существенно ниже.

Для изготовления штампов холодной высадки, прессования и накатных инструментов применяют стали с повышенным сопротивлением пластической деформации, например 6Х6В3МФС.

После закалки такой стали с 1070-1090⁰С в масло она становится устойчивой против нагрева, а это позволяет получать высокую твердость (НRС 58-62) после отпуска 540-560⁰С.

Стали горячего деформирования.

Наиболее применяемыми сталями для молотовых штампов, подверженных ударным нагрузкам, являются стали 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНСВ, лучшей из которых является 5ХНМ, а остальные заменителями.

Термическая обработка (из-за сложности конфигурации и большого размера изделий) очень сложная. Нагрев для закалки проводится до температур на 20-40⁰С выше АС₃ (850⁰С) с медленным прогревом (несколько часов). Затем осуществляется закалка в масло и длительный отпуск при 550-600⁰С. После такой обработки σ_{В =}1200-1300МПа, К_v=0,4-0,5МДж/м², НRС35-45, δ=10-13%, структура - сорбит отпуска.

Для штампов горячей высадки и прессования, продолжительно соприкасающихся с нагретым металлом, применяют более легированные стали 30В2В8Ф, 4Х5МФ1С, 4Х2В5ФМ и др., сохраняющие высокую твердость и прочность при нагреве. После закалки с 1070⁰С в масло и отпуска при 610-620⁰С они имеют твердость ~НRС45.

Высокая теплостойкость этих сталей обеспечивается легированием W, Mo, которые образуют карбиды типа M₆C, коагулирующие при температурах больше 600⁰С.

Кроме указанных, для штампов, работающих при температурах 400-500⁰С, применяют более дешевую сталь 7Х3, которая обладает более высокой износостойкостью по сравнению с 5ХНМ (из-за высокого содержания углерода), но уступает ей по вязкости и красностойкости.

Тема 5. ЧУГУНЫ.

Чугун – самый распространенный железоуглеродистый нековкий литейный материал, содержащий свыше 2% углерода, до 4,5% кремния, до 1,5% магния, до 0,18% фосфора и до 0,08% серы. В практике применяют чугуны, содержащие 3-3,5% углерода, как конструкционный материал. Они хорошо обрабатываются резанием, имеют невысокий коэффициент трения, используются для изготовления подшипников скольжения.

Чугун получают в доменных печах из железных руд. Углерод в чугунах может находиться в виде карбида железа – цементита (белые чугуны) или в свободном состоянии в виде графита – частично или полностью (серые чугуны). В зависимости от формы графитовых включений и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый с пластинчатым графитом; высокопрочный с шаровидным графитом; ковкий с хлопьевидным графитом.

В состав чугунов вводят как графитизирующие элементы (Si, Ti, Ni, Cu, Al), способствующие выделению графита, так и антиграфитизирующие (Mn, Mo, S, Cr, V, W), тормозящие процесс графитизации.

Наибольшее влияние на структуру чугуна оказывает кремний, который как графитизирующий элемент действует в том же направлении, что и понижение скорости охлаждения. При фиксированном содержании углерода, чем больше в чугуне кремния, тем более полно протекает процесс графитизации.

Марганец образует с углеродом прочное химическое соединение. Поэтому его содержание в чугунах ограничивают. С другой стороны марганец, соединяясь с серой, и, образуя сульфид MnS, уменьшает ее отбеливающее действие.

Сера – это вредная примесь чугуна, т.к. ухудшает его литейные свойства и механические характеристики. Поэтому ее содержание ограничивают 0,1%.

Фосфор оказывает благоприятное влияние на жидкотекучесть и твердость (повышает их).

Большое влияние на структуру чугуна оказывают условия затвердевания и охлаждения отливок. Быстрое охлаждение приводит к получению белого чугуна, медленное - серого. Скорость охлаждения зависит от применяемой литейной формы (песчаная или металлическая), а также от толщины стенки отливки.

Серые чугуны (ГОСТ1412-85).

Широко применяются в машиностроении. По структуре металлической основы серые чугуны могут быть перлитными, перлитно-ферритными и ферритными; графитовые включения имеют пластинчатую форму. Графит такой формы нарушает сплошность металлической основы, располагаясь между ее зернами и ослабляя связь между ними. Поэтому серый чугун плохо сопротивляется растяжению и имеет очень низкие пластичность и вязкость. Причем, чем крупнее и прямолинейнее графитовые включения, тем хуже механические свойства. Твердость и сопротивление сжатию чугуна аналогичны этим показателям для стали со схожей структурой.

Вместе с тем графитовые включения оказывают и положительное влияние на свойства чугуна, в частности, повышают его износостойкость, действуя аналогично смазке; способствуют гашению вибраций изделий; уменьшают усадку при изготовлении отливок; обеспечивают обрабатываемость резанием, являясь своеобразными стружколомами.

Механические свойства серого чугуна можно улучшить, если обеспечить равномерное распределение мелкопластинчатого графита в отливке. Это достигается модифицированием силикокальцием или ферросилицием. Эти добавки образуют дополнительные центры графитизации, в результате чего получается мелкопластинчатый графит.

Чугун с такими графитом называют модифицированным. Модифицированный чугун имеет более высокое временное сопротивление растяжению, чем обычный серый чугун, но пластичность и вязкость модифицирование практически не изменяет.

Серый чугун с пластинчатым графитом маркируется буквами СЧ, после которых стоит цифровое обозначение минимального временного сопротивления при растяжении в МПа ×10^-1 (СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35).

В зависимости от завершенности степени графитизации, количества связанного углерода (в цементите), свойств и применения серые чугуны подразделяются на следующие группы.

1. Перлитный чугун, в котором 0,7-0,8%С находится в виде Fe₃C, входящего в состав перлита, а остальной в графитовых включениях (СЧ21, СЧ24, СЧ28, СЧ33, СЧ35, СЧ38). Перлитные серые чугуны применяют для отливки мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений (компрессорное, арматурное и турбинное литье, блоки двигателей, детали металлургического оборудования и т.д.). Структура таких чугунов – мелкопластинчатых перлит (сорбит) с мелкими завихренными графитовыми включениями.

2. Ферритно - перлитный и ферритный серый чугун.

В этих чугунах в связанном состоянии находится от 0,1 до 0,7%С в ферритно - перлитных и весь углерод находится в графитовых включениях в ферритных (СЧ00, СЧ12, СЧ15, СЧ18).

В процессе эксплуатации чугунов этой группы применяют небольшие нагрузки (строительные колонны, фундаментные плиты (СЧ12); литые малонагруженные детали сельхозмашин, станков, автомобилей и тракторов (СЧ15, СЧ18); крышки, корпуса редукторов, диски сцепления, тормозные барабаны и т.д.).

Все эти чугуны для снятия литейных напряжений и стабилизации размеров отливок отжигают в течение 3-10 часов (в зависимости от размеров) при температуре 500-570⁰С с последующим охлаждением вместе с печью. Иногда для снижения напряжений в чугунный отливках применяют естественное старение – выдержку на складе в течение 6-10 месяцев. При этом напряжения снижаются на 40-50%.

Еще одной группой серых чугунов являются антифрикционные чугуны, которые применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих в условиях трения о металл, чаще в присутствии смазки. Эти чугуны должны иметь низкий коэффициент трения. Антифрикционные свойства чугуна обеспечиваются определенным соотношением феррита и перлита в основе. Они изготавливаются следующих марок: АСЧ-1, АСЧ-2, АСЧ-3.

Детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, изготавливают из чугунов АСЧ-1 и АСЧ-2, содержащих до 85% перлита, а при работе в паре с термически не обработанными валами применяют чугун АСЧ-3, в металлической основе которого не менее 60% перлита.