Патент на изобретение №2270879

(54) ИЗДЕЛИЕ ИЗ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ ДЛЯ ХОЛОДНЫХ РАБОТ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изделиям из инструментальной стали для холодных работ. Предложено изделие из инструментальной стали для холодных работ, содержащей углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, молибден, никель, ванадий, вольфрам, медь, кобальт, алюминий, азот, кислород, железо и неизбежные примеси, при этом сталь изготовлена способом порошковой металлургии. Сталь после термического улучшения имеет твердость 64 HRC и ударную вязкость при комнатной температуре более 57,14 Дж/см². Технический результат – получение изделия из инструментальной стали для холодных работ с высокой износостойкостью, твердостью, вязкостью и улучшенной выносливостью. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение касается изделий из инструментальной стали для холодных работ. Более точно изобретение относится к изделию из инструментальной стали для холодных работ с улучшенным комплексом свойств, в частности с высокой прочностью, а также высокой пластичностью.

Для объемной холодной обработки давлением, например, при помощи матриц или штампов для штамповки выдавливанием деталей, а также для режущего инструмента с дополнительными высокими требованиями к вязкости материала, например метчик и тому подобное, в современной технике требуются изделия с общим высоким уровнем свойств материала. Но это сопряжено с затратами, которые возникают при изготовлении инструмента, так как сложная геометрия изготовляемой детали прежде всего обуславливает высокие расходы на изготовление инструмента.

Это требование очевидно, в первую очередь принимая во внимание улучшенную экономичность при массовом производстве деталей или компонентов. Чтобы поддерживать общие издержки на низком уровне, в каждом конкретном случае нужно сделать выбор материала для детали, который на основе свойств материала позволяет достичь максимально возможной долговечности.

Для улучшения стойкости изделия из инструментальной стали для холодных работ при использовании их с высокой нагрузкой, свойства материала как пластичности для предотвращения поломки изделия, так и прочности для обеспечения соблюдения выдержки размеров, должны устанавливаться на высоком уровне и минимизировать износ.

Повышенную прочность к абразивному износу имеют материалы на основе железа с высоким содержанием карбидов, в частности с высоким содержанием монокарбидов в твердой матрице. Подобного рода стали, чаще всего, имеют высокое содержание углерода до 2,5 мас.% при концентрации элементов, образующих монокарбиды, до 15 мас.%, то есть стали имеют высокое содержание первичных карбидов, но малую вязкость материала в термически улучшенном состоянии. За счет изготовления методом порошковой металлургии можно улучшить структурное строение, в частности размер карбидов и их распределение в материале изделия, однако требуемая вязкость материала часто не достигается.

Улучшенные вязкостные свойства могут достигаться в обычных высоколегированных материалах для быстрорежущих сталей, например, по стандарту DIN для материалов №1.3351, при изготовлении деталей методом порошковой металлургии, но это повышение вязкости материалов недостаточно для особенно ответственных изделий, так как при длительной эксплуатации также часто происходит отказ детали из-за излома.

Из документа RU 2154693 C1, C 22 C 38/50, известна также сталь для изготовления изделий, содержащая углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, молибден, никель, ванадий, вольфрам, медь, кобальт, алюминий, азот, кислород, железо и неизбежные примеси, обеспечивающая повышение вязкостных свойств, которая может рассматриваться в качестве ближайшего аналога заявленного изобретения.

Целью изобретения является создание изделия из инструментальной стали для холодных работ, материал которого при высокой износостойкости и твердости обладает повышенной вязкостью, а также пределом прочности при сжатии, и имеет улучшенный предел выносливости. Другими словами, задачей изобретения является разработка изделия из инструментальной стали для холодных работ с одновременно высокими значениями прочности и пластичности, которое, например, в варианте осуществления в виде матрицы и штампа обеспечивает высокую экономичность при массовом производстве деталей.

Эта цель в соответствии с изобретением достигается при использовании изделия из инструментальной стали для холодных работ со следующим химическим составом материала (мас.%):

углерод (С) от 0,6 до 1,0

кремний (Si) от 0,3 до 0,85

марганец (Mn) от 0,2 до 1,5

фосфор (Р) максимум 0,03

сера (S) менее 0,5

хром (Cr) от 4,0 до 6,2

молибден (Мо) от 1,9 до 3,8

никель (Ni) менее 0,9

ванадий (V) от 1,0 до 2,9

вольфрам (W) от 1,8 до 3,4

медь (Cu) менее 0,7

кобальт (Со) от 3,8 до 5,8

алюминий (Al) менее 0,045

азот (N) менее 0,2

кислород (О) максимум 0,012

железо (Fe),

а также ограниченно растворимые сопутствующие и примесные элементы в качестве остального, причем материал изготовлен способом порошковой металлургии и после термического улучшения до твердости 64 HRC обладает величиной работы ударной вязкости при ударном изгибе при комнатной температуре более 40,0 Джоулей.

Достигаемые изобретением преимущества по существу заключаются в том, что состав материала устанавливается в узких границах, а изготовление методом порошковой металлургии устанавливает синергетические требования для изделия из инструментальной стали для холодных работ, которое после термического улучшения имеет желаемый комплекс свойств.

В химическом составе материала активности легирующих элементов, принимая во внимание структурное строение в улучшенном состоянии и требуемые свойства материала, подбираются кинетически согласованными друг с другом.

Содержание углерода определяется из суммы карбидообразующих в сплаве так, чтобы, с одной стороны, формировать карбиды, а с другой, определять закаливаемость и желаемые свойства матрицы. Концентрации углерода более 0,6 мас.% необходимы, чтобы при предусмотренных максимальных содержаниях карбидообразующих элементов при улучшении достигать высоких значений твердости матрицы, а содержание менее 1,0 мас.% важно для установления желаемого количества карбидов и морфологии карбидов.

Карбидообразующие элементы: хром (Cr), молибден (Мо), ванадий (V) и вольфрам (W) рассматриваются с точки зрения совместного легирования, так как их активность по отношению к углероду, как оказалось, в сумме определяет состав аустенитной и соответственно кубической гранецентрированной атомной структуры при температуре закалки и в результате свойства матрицы и возможность вторичного выделения карбидов после, по меньшей мере, единственного отпуска.

При этом важно, что содержание ванадия в сплаве в мас.% более 1,0, но менее 2,9, чтобы, с одной стороны, образовывались в достаточном количестве монокарбиды, а с другой стороны, имелся удовлетворительный потенциал вторичной твердости. При этом потенциал вторичной твердости должен определяться остаточным ванадием и содержанием элементов молибдена (Мо) и вольфрама (W), так как концентрациями в мас.% от 3,8 молибдена (Мо), а также 3,4 вольфрама (W) и более уже вызывается ухудшение вязкости матрицы, где, напротив, требуется содержание выше 1,9 молибдена (Мо) и 1,8 вольфрама (W) для предпочтительной ванадиевой маскировки для устранения образования крупных монокарбидов с острыми кромками.

Для взаимодействия элементов также может быть важным, что содержание молибдена самое большее на 10% выше, чем содержание вольфрама (W).

С точки зрения закаливаемости и прокаливаемости материала важны следующие элементы: хром (Cr), кремний (Si), марганец (Mn) и в малых количествах никель (Ni), а также кобальт (Со).

Содержание кремния более 0,3 мас.% требуется для обеспечения низкого содержания кислорода в материале. Содержание менее 0,85 мас.% кремния должно быть предусмотрено в сплаве, чтобы воспрепятствовать феррито-стабилизирующему действию этого элемента и вызванному им ухудшению закаливаемости матрицы.

Марганец в качестве элемента, определяющего необходимую скорость охлаждения при упрочнении изделия, в соответствии с изобретением должен иметь содержание в материале менее 1,5 мас.%. Так как для связывания остаточной серы в сплаве также требуются незначительные концентрации марганца, то предусмотрено минимальное количество более 0,2 мас.%.

Чтобы образование мартенсита при охлаждении от температуры закалки не оказывало нежелательного влияния, содержание никеля в материале установлено менее 0,9 мас.%.

Хотя кобальт также эффективен с точки зрения технологии улучшения, но в соответствии с изобретением его действие учитывается в технологии легирования. Для получения высокой твердости посредством твердорастворного упрочнения материала важна концентрация кобальта в матрице от 3,8 до 5,8 мас.%. В соответствующих изобретению границах кобальт, принимая во внимание свойства материала, оказывает выгодное влияние на скорость и величину вторичного карбидообразования. Образуются очень мелкие карбиды, определяющие вторичную твердость, и уменьшается их склонность к укрупнению, вследствие чего происходит существенно замедленное разупрочнение улучшенного сплава при повышенных температурах. Содержание кобальта менее 3,8 мас.% уменьшает твердость, а также длительную прочность материала. Содержание кобальта 5,8 мас.% и выше, напротив, уменьшает вязкость материала.

Известно, что алюминий может частично выступать в качестве заменяющего кобальт элемента и у быстрорежущих сталей повышает производительность резки. Ввиду склонности к образованию нитридов, а также простой технологии распыления расплава и невысокой концентрации азота в металле, менее 0,2 мас.%, содержание алюминия в сплаве должно составлять менее 0,045 мас.%.

Кроме того, было установлено, что концентрации кислорода более 0,012 мас.% при изготовлении методом порошковой металлургии ухудшают механические свойства материала соответствующего изобретению состава.

При содержании фосфора более 0,03 мас.% ухудшается технологичность.

Для достижения особенно предпочтительных механических свойств материала, например высокой прочности и пластичности, в соответствии с изобретением является важным изготовление изделия из инструментальной стали для холодных работ методом порошковой металлургии. Благодаря соответствующей технологии легирования образуются по существу округлые первичные карбиды с малым диаметром и высокой степенью чистоты при формировании необходимой структуры материала, что позволяет предотвратить возникновение трещин, вызванное, как правило, остроугольными частицами карбидов и примесей. Таким образом, при высокой твердости материала может достигаться высокая работа ударной вязкости материала, а также необходимый предел выносливости изделия из стали при его применении.

Эксплуатационные свойства изделия из инструментальной стали для холодных работ в соответствии с изобретением могут дополнительно повышаться, если один или несколько элементов присутствуют в материале в следующей концентрации (мас.%):

углерод (С) от 0,75 до 0,94, предпочтительно от 0,8 до 0,9;

кремний (Si) от 0,35 до 0,7, предпочтительно от 0,4 до 0,65;

марганец (Mn) от 0,25 до 0,9, предпочтительно от 0,3 до 0,5;

фосфор (Р) максимум 0,025;

сера (S) менее 0,34, предпочтительно максимум 0,025;

хром (Cr) от 0,4 до 5,9, предпочтительно от 4,1 до 4,5;

молибден (Мо) от 2,2 до 3,4, предпочтительно от 2,5 до 3,0;

никель (Ni) менее 0,5;

ванадий (V) от 1,5 до 2,6, предпочтительно от 1,8 до 2,4;

вольфрам (W) от 2,0 до 3,0;

медь (Cu) менее 0,45, предпочтительно не более 0,3;

кобальт (Со) от 4,0 до 5,0, предпочтительно от 4,2 до 4,8;

алюминий (Al) менее 0,065, предпочтительно от 0,01 до 0,05;

азот (N) от 0,01 до 0,1, предпочтительно от 0,05 до 0,08;

кислород (О) не более 0,01, предпочтительно не более 0,09.

Особым преимуществом для высоких значений вязкости и хороших усталостных свойств изделия является, если один или более примесных элементов в материале имеют следующую концентрацию (мас.%):

олово (Sn) не более 0,02;

сурьма (Sb) не более 0,022;

мышьяк (As) не более 0,03;

селен (Se) не более 0,012;

висмут (Bi) не более 0,01.

Чистота и таким образом также механические свойства материала, в частности вязкость, могут быть достигнуты, если способ порошковой металлургии включает в себя распыление расплава высокочистым азотом до металлического порошка с размером зерна порошка не более 500 мкм, а затем по существу загрузку порошка без доступа кислорода в корпус и горячее изостатическое прессование металлического порошка в закрытом корпусе для образования прессовки.

Для экономичного изготовления изделия из инструментальной стали для холодных работ, а также улучшения свойств материала, может быть предпочтительно, если прессовка, полученная горячим изостатическим прессованием, подвергается последующей обработке посредством горячей деформации.

Если, как может быть предусмотрено, изделие из инструментальной стали для холодных работ имеет предел текучести под давлением более 2700 МПа, измеренный при твердости 61 HRC, то могут быть изготовлены высоконадежные высадочные матрицы со сложными тонкими фасонными деталями, которые при длительной эксплуатации также проявляют незначительный износ поверхности и невысокую опасность трещинообразования.

Преимущественно для твердого выдавливающего вкладыша с ударным нагружением для длительной эксплуатации согласно изобретению может быть предусмотрено, что изделие из инструментальной стали для холодных работ после термического улучшения до твердости 64 HRC обладает величиной работы ударной вязкости при ударном изгибе при комнатной температуре более 80,0 Джоулей (Дж), предпочтительно более 100 Джоулей (Дж).

В дальнейшем изобретение поясняется с помощью научных экспериментов, а также сравнения результатов экспериментов и выводов.

Для характеристики соответствующего изобретению изделия использовалась величина работы ударной вязкости при комнатной температуре, измеренная в соответствии со стандартом DIN 51222, на образце без надрезов с размерами 7х10х55, так как подобного рода величины обеспечивают точную оценку величины вязкости. Значение ударной вязкости (Дж/см²) стали может быть определено из значения работы ударной вязкости (Дж), измеренной согласно DIN 51222, путем деления на площадь сечения образца (0,7 см²).

Для определения относительного удлинения и пластической работы из статического одноосного испытания на растяжение использовались особые образцы на растяжение с увеличенными в диаметре зажимными головками шарообразной формы, причем зажимное приспособление испытательной машины учитывало шарообразную геометрию головки. Подобного рода исследования описаны в литературе (6th International Tooling Conference, The Use of Tool Steels: Experience and Research, Karlstad University 10-13 September 2002, Material Behaviour of Powder-Metallurgically Processed Tool Steels in Tensile and Bending Tests, стр.169-178).

Предел текучести 0,2% при сжатии материала определялся при испытании на сжатие в соответствии с DIN 50106 при комнатной температуре.

Испытание на абразивный износ осуществлялось SiC-шлифовальной бумагой Р 120.

При испытании материалов применяются различные способы для характеристики прочности и пластичности металлических материалов. Наиболее важным экспериментом является одноосное испытание на растяжение. Этим экспериментом могут определяться важные показатели прочности и пластичности. Кроме того, этот эксперимент позволяет судить о характере упрочнения при одноосной растягивающей нагрузке.

На фиг.1 представлено относительное удлинение соответствующего изобретению материала по сравнению с быстрорежущей сталью HS-6-5-4 в зависимости от установленной при термическом улучшении твердости материала, причем испытание осуществлялось с использованием вышеописанных образцов.

Относительное удлинение соответствующего изобретению сплава лежит во всей области закалки материала выше, чем у сравниваемой стали, и, в частности, в верхней области закалки 58-62 HRC имеет более высокое, до 4 раз, относительное удлинение.

Предпочтительная по сравнению с уровнем техники комбинация свойств высокой прочности и высокой пластичности у соответствующего изобретению материала особенно проявляется по сравнению с работой, которая определяется при статическом одноосном испытании на растяжение. При по существу одинаковых условиях отпуска у материала в соответствии с изобретением при комнатной температуре приблизительно на 20% выше работа при испытании на растяжение при твердости материала 63 HRC. При твердости материала 61,5 HRC увеличение работы было установлено приблизительно на уровне 50%, причем в качестве материала для сравнения использовались изготовленные методом порошковой металлургии быстрорежущие стали HS-10-2-5-8-PM и HS-6-5-3-РМ.

Наряду с выгодной комбинацией свойств прочности и пластичности, которая указана выше, соответствующий изобретению сплав обладает очень хорошей абразивной износостойкостью, которая определялась при испытании SiC-шлифовальной бумагой. Это свойство достигалось, несмотря на уменьшенное содержание первичных карбидов по отношению к используемым в этой области применения стандартным сплавам, полученным методом порошковой металлургии.

Среднее значение износа для названных сплавов равно от 7 г^-1 при твердости 61 HRC.

Формула изобретения

1. Изделие из инструментальной стали для холодных работ, содержащей углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, молибден, никель, ванадий, вольфрам, медь, кобальт, алюминий, азот, кислород, железо и неизбежные примеси, отличающееся тем, что сталь изготовлена способом порошковой металлургии при следующей концентрации элементов, мас.%:

причем сталь после термического улучшения имеет твердость 64 HRC и ударную вязкость при комнатной температуре более 57,14 Дж/см².

2. Изделие по п.1, отличающееся тем, что один или более элементов в стали имеют следующую концентрацию, мас.%:

3. Изделие по п.1, отличающееся тем, что один или более примесных элементов имеют следующую концентрацию, мас.%:

4. Изделие по п.1, отличающееся тем, что оно получено способом порошковой металлургии, включающим распыление расплава азотом до металлического порошка с размером зерна порошка не более 500 мкм, загрузку порошка без доступа кислорода в корпус и горячее изостатическое прессование металлического порошка в закрытом корпусе с получением прессовки.

5. Изделие по п.4, отличающееся тем, что прессовка, полученная горячим изостатическим прессованием, подвергнута горячей деформации.

6. Изделие по п.1, отличающееся тем, что оно имеет предел текучести 2700 МПа, измеренный при твердости 61 HRC.

7. Изделие по п.1, отличающееся тем, что оно после термического улучшения до твердости 64 HRC имеет ударную вязкость при комнатной температуре более 114 Дж/см², предпочтительно более 142 Дж/см².

РИСУНКИ