Стали для штампов горячего деформирования

В Штамповые инстру­менты для горячего формообразования работают в еще более тяжелых условиях.Материал штампов со­прикасается с горячим металлом и нагревается, причем нагрев чередуется с охлаждением. Эффективность использования таких прогрессивных методов точного формообразования, как горячая объемная штамповка, прессование и литье под давлением, зави­сит от стойкости инструмента. С расширением номенклатуры об­рабатываемых сплавов, увеличением производительности и мощ­ности оборудования формообразующий инструмент испытывает возрастающие нагрузки. Требования к материалу инструмента непрерывно растут.

Материал для горячих штампов должен удовлетворять ком­плексу требований. К ним в первую очередь относятся высокая прочность (не менее 1000 МПа), необходимая для сохранения формы штампа при высоких удельных давлениях во время де­формирования, и высокая теплостойкость, позволяющая сохра­нить высокие твердость и прочностные свойства при длительном температурном воздействии. Теплостойкость характеризуется температурой, при которой предел текучести остается не ниже 900-1000МПа и температурой, при которой нагрева после которого сталь сохраняет твердость HRC 45, на эту твердость обрабатывается большинство штампов так как при этом обеспечивается требуемая износостойкость и достаточная вязкость.

Стали должны иметь достаточную вязкость для предупреждения поломок при ударном нагружении. Они должны обладать высоким сопротивлением термической ус­талости (разгаростойкости), сохраняя способность выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования сетки тре­щин. Горячештамповые стали должны иметь хорошую окалиностойкость и высокую прокаливаемость для обеспечения необхо­димых механических свойств по всему сечению, что особенно важно для массивных штампов.

В соответствии с указанными требованиями для штампов го­рячего формообразования применяют легированные стали, со­держащие 0,3-0,6 % С, подвергаемые закалке и отпуску при 550-680°С с целью получения трооститной и трооститно-сорбитной структуры.

Для молотовых штампов применяют стали 5ХНМ,5ХНВ, 5ХНТ, 5ХГМ. После закалки и отпуска при 550 °С сталь 5ХНМ в сечении 500-700мм при комнатной температуре имеет следующие меха­нические свойства: _в = 1200-1300 МПа,  = 10-12 %, KCU = 0,4 МДж/м². При нагреве до 500 °С _в = 850-900 МПа, ₀,₂ = 600-650 МПа. При температурах эксплуатации выше 500 °С стойкость инструмента из стали 5ХНМ резко падает.

Хорошо зарекомендовали себя на автотракторных машино­строительных заводах стали 4ХМФС, 5Х2СФ и 4ХСНМЦР. Вне­дрение этих сталей взамен 5ХНМ для штамповки углеродистых и низколегированных сталей позволило повысить стойкость инст­румента в 2-3 раза. Сталь 4ХМФС прокаливается в меньших сечения (в заготовках диаметром 300мм), закаленных и отпущенных на твердость 38- 42HRC. Для крупногабаритных прессо­вых и молотовых штампов применяют сталь 5Х2НМФС (твердость 43- 44НRC в сечении ≥300х300мм после закалки и отпуска), обеспе­чивающую повышение стойкости более чем в 2 раза.

Для пресс-форм литья под давлением и прессования цветных металлов и сплавов до последнего времени использовали сталь ЗХ2В8Ф. Ее недостатком является низкая технологичность, что ограничивает возможность ее применения для крупного инстру­мента. Кроме того, сталь ЗХ2В8Ф чувствительна к ударным на­грузкам и содержит значительные количества дорогого и дефи­цитного вольфрама.

Взамен этой стали предложена стань марки ЗХ2М2Ф, исполь­зуемая для изготовления пресс-форм литья под давлением мед­ных и алюминиевых сплавов, а также для изготовления пресс-шайб и внутренних втулок контейнеров при прессовании медных сплавов. Применение стали ЗХ2М2Ф позволило повысить стой­кость инструмента в 1,5-3 раза.

Для изготовления крупного прессового инструмента (пресс-штемпелей, втулок контейнеров и матриц) на заводах цветной металлургии применяют стали ЗХВ4СФ и 4ХСН2МВФ.

Прогресс техники требует расширения рабочего температур­ного диапазона штамповых сталей. Уже сейчас нужны стали с рабочей температурой 700-800 °С. Обычные жаропрочные сплавы не технологичны, так как плохо обрабатываются резанием. Раз­работан принципиально новый класс штамповых сталей для го­рячего формообразования - сталей с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации. Примером такой стали служит 4Х2Н5МЗК5Ф, сочетающая технологические преимущества ста­лей на ферритной основе с высокой эксплуатационной стойкостью, свойственной жаропрочным аустенитным сталям и сплавам. Вне­дрение этой стали взамен ЗХ2В8Ф при изготовлении матриц для прессования медных сплавов позволило повысить их стойкость в 10 раз.

Хорошие эксплуатационные свойства показали и безникелевые аустенитные стали типа 55Х10Г15СМ2Ф2Р. после закалки и старения теплостойкость стали соответствует 820°С, твердость стали при этой температуре не снижается ниже 40HRC за 4часа выдержки. Для увеличения твердости при высоких температурах исполь­зуют химико-термическую обработку: азотирование, диффузион­ное хромирование, борирование. На поверхность гравюры штампа из газовой фазы проводят осаждение карбидов, карбонитридов титана, имеющих особо высокую твердость. Технологии поверхностного упрочнения изложены в разделе 1