Материал: Kushner - Materialovedeniye 2008
Недостатком сталей этого класса является их сравнительно высокая стоимость, использование в больших количествах дефицитного никеля, низкие теплопроводность и сопротивление газовой коррозии в средах.
Аустенитные стали (08X18Н9Т, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 20Х25Н20С2)
используют в качестве жаростойкого материала для выхлопных систем, труб, листовых и сортовых деталей при температурах 600–800 ° С и невысоких нагрузках. Повышение жаростойкости аустенитных сталей достигается увеличением содержания в стали хрома, никеля, а также дополнительным легированием кремнием. В качестве жаростойких материалов для работы в науглероживающих средах до 1100 ° С (например, печные контейнеры и арматура) используют стали с повышенным содержанием углерода (сталь 36Х18Н25С2).
Термическая обработка аустенитных жаростойких сталей заключается обычно в закалке от температур 1000–1050 ° С.
Жаростойкие сплавы на никельхромовой основе (нихромы) получили значительное распространение в качестве материалов для работы при 800—1100 ° С, а при кратковременной работе – до 1200 ° С. Эти сплавы применяют для изготовления деталей газовых турбин, не испытывающих больших рабочих нагрузок и работающих при высоких температурах (камеры сгорания, жаровые трубы, нагревательные элементы электрических печей и другие детали).
Сплавы представляют собой в основном твердый раствор хрома (15–27%) в никеле с решеткой ГЦК, слабо упрочняются при термической обработке, имеют высокую пластичность, высокое электросопротивление и хорошие технологические свойства. В качестве элементов, дополнительно повышающих жаростойкость нихромов, применяется алюминий (до 3,5%), титан, молибден, ниобий в небольших количествах, а также вольфрам.
151
13. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ И РЕЗАНИЕМ
13.1. Условия работы деформирующих и режущих инструментов, требования к инструментальным материалам
Условия работы деформирующих инструментов (штампов) различаются, прежде всего, тем, нагреваются ли предварительно заготовки или они деформируются в холодном состоянии.
Штамповые инструменты для горячего деформирования по условиям работы можно разделить на три группы: инструменты для прессов, для штамповочных молотов и для высокоскоростного деформирования на скоростных молотах и гидровинтовых прессах. Время деформирования заготовок для всех способов горячей обработки давлением относительно невелико, но для различных способов может существенно отличаться.
Прессовые инструменты работают в условиях наиболее медленного деформирования. Время деформирования при работе на прессах находится в пределах от 0,1 до 0,4 с. Чем длительнее контакт с заготовкой, тем значительнее нагрев штампа.
Инструменты для молотовых штампов работают в условиях ударного нагружения. Время деформирования при штамповке на молотах на порядок меньше, чем при прессовании, и находится в пределах 0,012–0,014 с. При этом плотность теплового потока в инструмент возрастает, но за меньшее время в него поступает меньшее количество тепла. Следовательно, поверхностные слои молотовых штампов нагреваются менее прессовых.
При высокоскоростной штамповке на молотах и гидровинтовых прессах время деформирования еще меньше (0,001–0,006 с). Соответственно, в штамп в этом случае поступает еще меньше тепла, а плотность теплового потока еще выше.
В связи с высокой температурой нагрева деформируемых заготовок на поверхностях штампов возникают достаточно высокие температуры. Из-за кратковременности контакта штампа с заготовкой толщина прогреваемых до высокой температуры (500–550 °С) слоев штампа невелика (около 0,6– –1,0 мм), причем распределяется температура по этой толщине – неравномерно. При штамповке жаропрочных труднодеформируемых материалов температура поверхностных слоев штампа может достигать 650–750 °С. Наиболее нагретыми оказываются поверхностные слои, основная масса штампа прогревается до меньших температур и более равномерно. После завершения кратковременного периода деформирования неравномерно распределенная температура поверхностных слоев штампа выравнивается и приближается к более низкой средней температуре штампа, обычно находящейся в пределах 300–400 °С.
152
Всвязи с характером работы кузнечно-прессового оборудования температура контактных поверхностей штампов циклически изменяется. Колебания температуры вызывают в материале штампа термические напряжения. С течением времени на рабочих поверхностях штампа могут возникать и развиваться термические трещины, являющиеся причиной искажения профиля или разрушения ручьев штампа.
Удельные давления на инструмент зависят от механических свойств материала деформируемой заготовки. При горячем деформировании они обычно находятся в пределах от 300 до 900 МПа. С увеличением температуры предварительного подогрева заготовки удельные давления снижаются, а с увеличением скорости деформирования – возрастают.
Таким образом, для операций горячего деформирования штамповые стали должны:
∙обладать удовлетворительной пластической прочностью после термической обработки на твердость HRC 45–50;
∙сохранять высокие значения предела текучести и твердости при повышенных температурах;
∙обеспечивать длительную эксплуатацию инструментов при высоких контактных температурах 600–700 °С, устойчиво сопротивляться отпуску;
∙сопротивляться износу и возникновению трещин вследствие термической усталости.
Условия работы штамповых инструментов для холодного деформирования существенно отличаются от условий, характерных для горячего деформирования. Эти отличия связаны с более высокими механическими характеристиками деформируемых заготовок, вызывающими и более высокие удельные давления, а также с низкой начальной температурой заготовки. Удельные давления при холодном прессовании достигают 2000–2500 МПа.
Температурные условия работы инструментов для холодного деформирования могут изменяться в широком диапазоне. В наибольшей степени разогреваются инструменты для холодной объемной штамповки (например, при прессовании, высадке), а также на некоторых операциях пробивки, вырубки.
Например, при холодном прессовании температура пуансона увеличивается с ростом скорости деформирования и в среднем возрастает с течением времени, постепенно приближаясь к некоторому стационарному значению (рис. 13.1).
Вкаждом цикле (т. е. при штамповке одной заготовки) в начальный момент соприкосновения с холодной заготовкой температура пуансона снижается, а затем под влиянием выделяющейся теплоты от деформации и трения снова возрастает. С ростом скорости деформирования и толщины
разрубаемого материала температура увеличивается, иногда до 450–550 °С.
153
Рис. 13.1. Изменение температуры пуансона при холодном прессовании
Таким образом, штамповые стали для холодного деформирования должны обладать:
∙теплостойкостью не ниже 400–450 °С;
∙способностью противостоять воздействию удельных давлений до 2000–2200 МПа в течение длительного времени;
∙высокой износостойкостью (в частности, для вырубных штампов). Штамповые стали для горячего и холодного деформирования должны
также обладать удовлетворительными технологическими свойствами: шлифуемостью, обрабатываемостью резанием, хорошей прокаливаемостью, малой деформируемостью при термической обработке.
Режущие инструменты работают при очень напряженных термомеханических нагрузках, их поверхности находятся в контакте с чистыми, только что образовавшимися поверхностями стружки и детали. Зачастую контакт инструмента со стружкой и обрабатываемой деталью осуществляется в течение достаточно длительного периода, поэтому режущее лезвие инструмента в окрестности режущей кромки и участков контакта инструмента со стружкой и обрабатываемой деталью прогревается достаточно равномерно до высоких температур.
Из-за очень больших скоростей деформации в процессе резания прочностные характеристики и твердость стружки существенно возрастают в сравнении с исходными свойствами обрабатываемого материала, измеренными в статических условиях нагружения. Прочность и твердость инструментального материала под влиянием температуры резко уменьшаются. При резании, например, чистое железо, мягкое в условиях статического нагружения, способно вызвать напряжения, достаточные для деформации и срезания быстрорежущей стали, имеющей в аналогичных условиях нагружения значительно более высокие механические характеристики. В связи с этим к режущим инструментальным материалам предъявляется целый ряд повышенных требований.
Для того, чтобы иметь возможность резать обрабатываемый материал и противостоять абразивному изнашиванию, режущий инструментальный
154
материал должен иметь высокую твердость. Чтобы противостоять пластическим деформациям и разрушению, режущий инструментальный материал должен обладать высокими пределами прочности на сжатие и на изгиб.
Режущий инструментальный материал должен сопротивляться разрушению при знакопеременном нагружении, т. е. иметь высокий предел выносливости. Он должен выдерживать ударные нагрузки, т. е. иметь высокую ударную вязкость. Он также должен сопротивляться возникновению и росту трещин, удалению собственных частиц при контактном взаимодействии с обрабатываемым материалом, т. е. быть износостойким. Опыт показывает, что для повышения износостойкости кристаллохимические свойства инструментального материала должны отличаться от соответствующих свойств обрабатываемого материала.
Твердость и прочностные характеристики режущих инструментальных материалов должны сохраняться при повышенных температурах. Это свойство инструментального материала обычно называют теплостойкостью. Кроме того, в условиях прерывистого или нестационарного резания режущий инструментальный материал должен быть малочувствительным к циклическим температурным изменениям.
Желательно, чтобы режущий инструментальный материал обладал достаточно высокой теплопроводностью, так как это препятствует возникновению локальных термических напряжений на контактных площадках инструмента и способствует снижению температуры.
13.2. Инструментальные легированные (штамповые) стали
В качестве инструментальных материалов для горячего деформирования применяют легированные инструментальные стали (штамповые стали), которые условно можно разделить на три основные группы:
1)стали умеренной теплостойкости и повышенной ударной вязкости (стали типа 5ХНМ, 5Х2МНФ и др.);
2)стали повышенной теплостойкости и ударной вязкости (4Х5МФС и
др.);
3)стали высокой теплостойкости (5Х3В3МФС, 3Х2В8Ф, 5Х4В18Ф1 и
др.).
Общим характерным признаком штамповых сталей для горячего деформирования является более низкое по сравнению со сталями для холодного деформирования содержание углерода (0,3–0,6%). Это необходимо для обеспечения повышенной ударной вязкости.
Стали умеренной теплостойкости (типа 5ХНМ, 5Х2МНФ и др.) используются для изготовления молотовых штампов, работающих в условиях отно-
сительно невысоких (до 400–450 °С) температур поверхностей гравюры в процессе штамповки, крупных прессовых штампов, контейнеров и блоков
155