SU1763510A1 - Сталь - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к металлургии, в частности к стали, котора  может быть использована дл  изготовлени  штампов диаметром до 225 мм, высотой 300 мм гор чего деформировани , имеющих разогрев рабочей поверхности до 470°С, дл  прессовани  деталей типа конуса из высокопроч- нов зкой стали. Предлагаема  сталь содержит, мае, %: 0,44-0,65 углерода, 0,17- 0,37 кремни , 0,7-1,0 марганце, 0,7-1,2 хрома , 0,9-1,5 никел , 0,25-0,40 молибдена, 0,20-0,34 меди, 0,40-0,60 тантала, 0,16-0,22 ниоби , 0,10-0,17 карбидов цери , 0,07- 0,14 дисилицидов тантала, 1,22-1,95 рени , 0,04-0,06 талли , 0,08-0,14 иттерби , 0,05- 0,11 натри , железо - остальное, при условии , что суммарное содержание иттери  и талли  должно составл ть 0,11-0,18, а отношение суммарного содержани  молибдена, тантала, ниоби , рени  к содержанию углерода должно составл ть 3,75-6,29. Механо- технологические свойства предлагаемой стали: высокие уровни при температуре испытани  470°С твердости, работы зарождени  трещины, предела текучести при сжатии, а также высокие уровни после действи  циклических нагрузок сжати  при температуре 470°С термической усталости, релаксационной стойкости, износостойкости превышают механико-технологические свойства ранее известных инструментальных сталей. 2 з.п. ф-лы. СО с

Description

Изобретение относитс  к области металлургии , в частности к области производства сталей, которые могут быть использованы дл  изготовлени  штампов диаметром до 225 мм и высотой 300 мм гор чего деформировани , имеющий разогрев рабочей поверхности до 470°С дл  прессовани  деталей типа конуса из высокопрочнов зкой стали. Известна сталь.содержаща , мае. %:

Углерод0,15-0,45

Кремний 2,0

Марганец 2,0

Хром2,6-4,5

Молибден0,5-3,5

один или несколько элементов из следующих:

Ванадий0,01-2,0

Вольфрам

Титан

Цирконий

Ниобий

а также один или следующих:

Никель

Кобальт

Медь меньше

Бор

0,01-4,0 0,001-0,5 0,001-0,5 0,001-0,5 несколько элементов из

0,25-1,0 0,05-4,0 3,0 0,0005-0,010

vj Os СО СЛ

О

и (или) один или несколько элементов из следующих

Кальций

Редкоземельные

металлы

Железо

0,0005-0,010 и

0,0005-0,20 Остальное

(см. за вку № 57-23048, Япони , за влена 14.07.80 г., Кл. МКИ С 22 С 38/20: реферат стали опубликован в реферативном журнале Металлурги , 15И, Металловедение и термическа  обработка, № 1, 1983 г., М.: ВИНИТИ, с. 150, 1И822П).

Эта сталь может быть использована дл  изготовлени  штампов диаметром до 225 мм и высотой 300 мм гор чего деформировани , имеющий разогрев рабочей поверхности до 470°С дл  прессовани  деталей типа конуса из высокопрочнов зкой стали, т.к. композици  по углероду и легирующим элементам может обеспечить при температуре испытани  470°С удовлетворительным уровн ми работы зарождени  трещины, предела текучести при сжатии,а также может обеспечить после действи  циклических нагрузок сжати  при температуре 470°С высокими уровн ми термической усталости . Однако на таком широком диапазоне содержани  углерода и легирующих элементов обнаруживаютс  р д составов, которые в одном случае будут иметь низкие значени  при температуре 470°С твердости, предела текучести при сжатии,а также низкой износостойкостью после действи  при температуре 470°С циклических нагрузок сжати ; в другом - недостаточные уровни работы зарождени  трещины, термической усталости после действи  при температуре 470°С циклических нагрузок сжати  а также низкой релаксационной стойкостью после действи  при температуре 470°С циклических нагрузок сжати . Из-за низкой в зкости при температуре испытани  470°С и низкой износостойкости после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  происходит интенсивный износ гравюры инструмента результате чего детали получаютс  бракованными с отклонени ми по размерам: из-за низкого предела текучести при сжатии при температуре 470°С и низкой релаксационной стойкости после действи  циклических нагрузок сжати  при температуре 470°С происходит потер  геометрических размеров инструмента результате чего детали получаютс  бракованными с отклонени ми по размерам. Из-за низких значений работы зарождени  трещины, низкой термической усталости после действи  при температуре 470°С циклических нагрузок сжати  инструмент выходит из стро  по причине разрушени , что отрицательно сказываетс  на производительности пресса. Поэтому данна  сталь может найти только ограниченное применение в машиностроении.

Известна сталь, содержаща , мае. %:

Углерод Кремний Марганец Хром

Никель

Молибден Медь Тантал Ниобий

0 Железо

0,5-0,6

0,15-0,35

0,5-0,8

0,5-0,8

1,4-1,8

0,15-0,30

0,01-0,30

0,05-0,50

0,05-0,30

Остальное

Эта сталь обладает удовлетворительной закаливаемостью, работой зарождени  трещины и поэтому может быть использована дл  изготовлени  штампов диаметром до

225 мм высотой 300 мм гор чего деформировани , имеющий разогрев рабочей поверхности до 470°С дл  прессовани  деталей типа конуса. Однако эта сталь после действи  при температуре 470°С циклических нагрузок сжати  имеет низкие уровни релаксационной стойкости, термической усталости , что в совокупности отрицательно сказываетс  на эксплуатационной стойкости инструмента: инструмент преждевременно соответственно выходит из стро  по причине потери геометрических размеров либо по разрушению. Кроме того, данна  сталь имеет низкий предел текучести при сжатии, а также низкую после действи  при

температуре 470°С циклических нагрузок сжати  износостойкость, что в совокупности отрицательно вли ет на изменение геометрических размеров инструмента, в результате чего прессование детали получаютс  бракованными с отклонени ми по размерам . Поэтому ее применение ограничено дл  штампов диаметром до 225 мм высотой 300 мм гор чего деформировани  имеющий разогрев рабочей поверхности до 470°С дл 

прессовани  деталей типа конуса из высокопрочнов зкой стали. Целью насто щего изобретени   вл етс  устранение указанных недостатков. В основу изобретени  поставлена задача создать, сталь с таким

составом вход щих в нее компонентов и их соотношением, которые обеспечивали бы ей при сохранении на достаточно высоких уровн х после действи  при температуре 470°С циклических нагрузок сжати  релаксационной стойкости, термической усталости , износостойкости, высокие уровни при температуре испытани  470°С твердости, работы зарождени  трещины, предела текучести при сжатии по сравнению со стал ми

аналогичного назначени . Дл  достижени  указаннной цели в сталь, в состав которой вход т углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, медь, тантал, ниобий, железо , согласно изобретению, дополнительно ввод т карбиды цери , дисилициды

тантала, рений, таллий, иттербий, натрий (физическое состо ние их - твердое), при этом названные ингредиенты должны быть в ней в следующих соотношени х, мае. %: Углерод0,44-0,65

Кремний0,17-0,37

Марганец0,7-1,0

Хром0,7-1,2

Никель0,9-1,5

Молибден0,25-0,40

Медь0,20-0,34

Тантал0,40-0,60

Ниобий0,16-0,22

Карбиды цери 0,10-0,17

Дисилициды тантала 0,07-0,14

Рений1,22-1,96

Таллий0,04-0,06

Иттербий0,05-0,14

Натрий0,05-0,11

Железоостальное,

при условии, что суммарное (в мае. %) иттерби  и талли  должно составл ть 0,11-0,18, а также отношение суммарного содержани  молибдена , тантала, ниоби , рени , к содержанию углерода должно составл ть 3,75-6,29.

Предлагаема  сталь отличаетс  от известной:

1. Дополнительным содержанием карбидов цери  от 0,10 до 0,17 мае %.Карбиды цери , введенные в указанных количествах обеспечивают в стали при литье при повышенных температурах 1590-1890°С равномерное распределение карбидов цери , которые  вл ютс  зародышами дл  дальнейшего выделени  дисперсных карбидов хрома, молибдена, тантала, ниоби , рени  и получени  в последующем после ковки и термической обработки структуры с равномерным распределением дисперсных карбидов , что в итоге повышает твердость при температуре 470°С и повышает после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  износостойкость. Уменьшение содержани  карбидов цери  менее 0,10 вес. % снижает их эффективность в стали по измельчению карби- дов хрома, молибдена, тантала, ниоби , рени  и равномерность их распределени  в стали, что отрицательно сказываетс  на снижении твердости при температуре испытани  470°С и на снижении после деист- ви  при 470°С циклических нагрузок сжати  износостойкости.

Увеличение содержани  карбидов цери  более 0,17 мае. % приводит в стали к крупным скоплени м карбидов цери  и вследствие этого к образованию неравномерного распределени  карбидов хрома, молибдена, тантала, ниоби , рени , которые слабо св заны с матрицей и быстро выкрашиваютс , что отрицательно сказываетс  на снижении последействи  при 470°С циклических нагрузок сжати  износостойкости . Кроме того, из-за крупных скоплений карбидов цери , при содержании в стали карбидов цери  более 0,17 мае. % и вследствие этого образовавшихс  с неравномерным распределением карбидов хрома, молибдена, тантала, ниоби , рени  снижаетс  предел текучести при сжатии.

2. Дополнительным содержанием ди- силицидов тантала в пределах от 0,07 до 0,14 мае. %. Дисилициды тантала, введенные в указанных количествах создают в стали инертные со слабой реакционной способностью к коагул ции при эксплуатации стали в режиме циклического нагруже- ни  сжати  при температуре 470°С дисперсные упрочн ющие частицы а также придает стали комбинированное кар- бидносилицидноинтерметаллидное упрочнение, что в совокупности приводит к повышению после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  релаксационной стойкости и приводит к повышению предела текучести при сжатии при температуре 470°С. Уменьшение содержани  дисилици- дов тантала менее 0,07 мае. % уменьшает в стали количество инертных со слабой реакционной способностью в коагул ции при эксплуатации стали в режиме циклического нагружени  сжати  при температуре 470°С дисперсных упрочн ющих частиц и снижает эффект комбинированного карбидносили- цидноинтерметаллидного упрочнени , что приводит к снижению предела текучести при сжати  при 470°С и снижению после действи  при температуре 470°С циклических нагрузок сжати  релаксационной стойкости . Увеличение содержани  дисилицидов тантала более 0,14 мае. % приводит к образованию сложных молибденотанталонио- бийсилицидных окислов в виде хрупких окислов, пленок по границам зерен, в результате чего снижаетс  работа зарождени  трещины и снижаетс  после действи  циклических нагрузок сжати  при температуре 470°С термической усталости.

З.-Дополнительным содержанием рени  от 1,22 до 1,96 мае %. Рений, введенный в указанном количестве, образует стойкие к коагул ции при эксплуатации стали в режиме циклического нагружени  сжати  при температуре 470°С мелкодисперсные карбиды рени , что приводит к повышению при температуре 470°С твердости, предела текучести при сжатии и повышению после действи  циклических нагрузок сжати  износостойкости . Уменьшение содержани  рени  менее 1,22 мае. % приводит к небольшому количеству мелкодисперсных стойких

к коагул ции при эксплуатации стали в режиме циклического нагружени  сжати  при температуре 470°С мелкодисперсных карбидов рени , что отрицательно сказываетс  на снижении при температуре 470°С твер- дости, предела текучести при сжатии, а также приводит к снижению после действи  циклических нагрузок сжати  при 470°С износостойкости . Увеличение содержани  рени  более 1,96 мае. % приводит к крупным скоплени м карбидных фаз и образованию карбидной неоднородности, что в итоге отрицательно сказываетс  на снижении работы зарождени  трещины и на снижении способности сохран ть последействи  цик- лических на грузок сжати  при470°С высокой износостойкости. Кроме того, увеличение содержани  рени  более 1,96 мае. % приводит к перелегированию стали;из-за чего образуетс  повышенное количество остаточного аустенита, привод щий к снижению при температуре испытани  470°С твердости.

4. Дополнительным содержанием иттерби  от 0,05 до 0,14 мае. %. Иттербий, введенный в указанном количестве измен - ет природу, форму и распределение сульфидных включений: сульфидные включени  станов тс  более тугоплавкими и глобул рными: границы зерен очищаютс  от сульфидных включений не только по границам, но и в теле зерен. Все это в совокупности повышает работу зарождени  трещины. Кроме того, иттербий, введенный в указанном количестве, образует сложные окислы иттерби  с хромом, марганцем, ниобием ти- па шпинели, что повышает после действи  циклических нагрузок сжати  при 470°С термическую усталость. Уменьшение содержани  иттерби  менее 0,05 мае. % неэффективно , т.к. снижение содержани  иттерби  уменьшает его роль как глобул ризатора сульфидных включений: незначительно очищает зерна от сульфидных включений как по границам, так и по телу зерен, уменьшает количество сложных окислов иттерби  с хромом, марганцем, ниобием типа шпинели , что приводит соответственно к снижению работы зарождени  трещины и снижению после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  термической уста- лости. Увеличение содержани  иттерби  более 0,14 мае. % также нежелательно, т.к. будет иметь место загр знение металла сложными многофазными включени ми, при этом за счет увеличени  остаточного иттерби  в расплаве заметно возрастает склонность стали к повторному окислению и загр зненность стали неметаллическими включени ми увеличиваетс , в результате чего снижаетс  работа зарождени  трещины , а также снижаетс  после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  термическа  усталость.

5.Дополнительным содержанием талли  от 0,04 до 0,06 мае. %. Таллий, введенный в указанном количестве; усиливает общую десульфурацию стали, уплотн ет структуру вблизи зерен, очища  границы зерен от обогащени  фосфором и карбидного выделени , что в совокупности положительно сказываетс  на повышении работы зарождени  трещины и на повышении после действи  циклических нагрузок сжати  при 470°С релаксационной стойкости. Уменьшение содержани  талли  менее 0,04 мае. % неэффективно, т.к. снижение содержани  талли  повышает рыхлость структуры вблизи зерен, не очищает границы зерен от обогащени  фосфором и карбидных выделений, что отрицательно вли ет на снижение работы зарождени  трещины и на снижении после действи  циклических нагрузок сжати  при температуре 470°С релаксационной стойкости. Увеличение содержани  талли  более 0,06 мае. % также нежелательно, т.к. будет иметь место загр знение металла сложными многофазными включени ми талли . Кроме того, при увеличении содержани  талли  более 0,06 мае. % происходит увеличение остаточного талли  в расплаве, в результате чего возрастает склонность стали к повторному окислению и загр зненность стали окислами талли  увеличиваетс : все это в совокупности приводит к снижению работы зарождени  трещины и снижению после действи  циклических нагрузок сжати  при температуре 470°С релаксационной стойкости.

6.Дополнительным содержанием натри  от 0,05 до 0,11 мае. %. Натрий, введенный в указанном количестве,образует низкоплавкие комплексные эвтектоиды типа x(Na20) у(МпО) z(Cu20);KOTOpbie выполн ют роль смазки при эксплуатации стали, имещий разогрев рабочей поверхности до 470°С, что положительно сказываетс  на повышении после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  износостойкости , термической усталости. Уменьшение содержани  натри  менее 0,05 мае. % приводит к образованию в небольших количествах низкоплавких комплексных эвтектоидов типа x(Na20) у(МпО) z(Cu20), которые недостаточно выполн ют роль смазки при экс- плуатации стали, имеющий разогрев рабочей поверхности до температуры 470°С, что отрицательно сказываетс  на снижении после действи  циклических нагрузок сжати  при температуре 470°С износостойкости , термической усталости. Увеличение содержани  натри  более 0,11 мае. % также нежелательно, т.к. будет иметь место загр знение металла в большом количестве легкоплавкими комплексными эвтектоида- ми типа x(Na20) у(МпО) z(Cu20), в результате чего снижаетс  при температуре 470°С предел текучести при сжатии, а также снижаетс  после действи  циклических нагрузок сжати  при 470°С релаксационна  стойкость.

7.Суммарное содержание талли  и ит терби  в стали должно составл ть 0,11-0,18 мае. %. При этом содержание в стали талли  и иттерби  должно быть в пределах состава за вл емой стали, т.е. талли  в пределах 0,04-0,06 мае. %, иттерби  в пределах 0,05- 0,14 мае. %. Суммарное содержание талли  и иттерби  в пределах 0,11-0,18 мае. % обеспечивает образование равновесных сфероидальных с кругленными гран ми карбидов хрома, молибдена, тантала, ниоби  с преимущественным распределением карбидов хрома, молибдена, тантала, ниоби  и карбонитридных частиц тантала, ниоби  по телу зерен, в результате чего повышаетс  после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  термическа  усталость, релаксационна  стойкость. Суммарное содержание в стали талли  и иттерби  менее 0,11 мае. % приводит к образованию в небольших количествах равновесных сфероидальных с кругленными гран ми карбидов хрома, молибдена, тантала, ниоби  с исчезновением преимущественного распределени  карбидов хрома, молибдена, тантала, ниоби  и карбонитридных частиц тантала, ниоби  по телу зерен, в результате чего снижаетс  после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  термическа  усталость, релаксационна  стойкость. Суммарное содержание в стали талли  и иттерби  более 0,18 мае. % приводит к увеличению в расплаве остаточного талли  и иттерби , в результате чего возрастает склонность стали к повторному окислению и загр зненность границ зерен стали окислами талли  и иттерби  увеличиваетс : все это в совокупности приводит к снижению после действи  циклических нагрузок сжати  при 470°С термической усталости, релаксационной стойкости,

8.Содержание молибдена, тантала, ниоби , рени , углерода в стали должно отвечать отношению суммарного содержани  молибдена, тантала, ниоби , рени  к содержанию углерода 3,75-6,29. При этом содержание в стали молибдена, тантала, ниоби , рени , углерода должно быть в пределах состава за вл емой стали, т.е. молибдена в

пределах 0,25-0,40 мае. %, тантала в пределах 0,40-0,60 мае. %, ниоби  в пределах 0,16-0,22 мае. %, рени  в пределах 1,22- 0,96 мае. %, углерода в пределах 0,44-0,65

мас.%. Отношение суммарного содержани  молибдена, тантала, ниоби , рени - к содержанию углерода в пределах 3,75-6,29 обеспечивает высокое обогащение мартенсита углеродом, в результате чего повышаетс 

0 при 470°С твердость, предел текучести при сжатии. Отношение суммарного содержани  молибдена, тантала, ниоби , рени  к содержанию углерода менее 3,75 приводит к переобогащению мартенсита углеродом,

5 из-за чего образуетс  большое количество остаточного аустенита, что отрицательно сказываетс  на снижении при 470°С твердости , предела текучести при сжатии. Отношение суммарного содержани  молибдена,

0 тантала, ниоби , рени  к содержанию углерода более 6,29 приводит к снижению степени обогащени  мартенсита углеродом, в результате чего снижаетс  при температуре испытани  470°С твердость и предел теку5 чести при сжатии. Кроме того, отношение суммарного содержани  молибдена, тантала , ниоби , рени  к содержанию углерода более 6,29 приводит к крупным скоплени м по границам зерен карбидов молибдена,

0 тантала, ниоби , рени , а также карбонит- ридов тантала, ниоби , в результате чего снижаетс  после действи  циклических нагрузок сжати  при 470°С релаксационна  стойкость. Приведенное содержание угле5 рода (0,44-0,65 мае. %) обеспечивает стали высокие уровни при температуре 470°С твердости, предела текучести при сжатии. Указанное содержание кремни  (0,17-0,37 мае. %) обеспечивает стали полное раскис0 ление и получение плотной отливки, а также повышение термической усталости после действи  циклических нагрузок сжати  при 470°С. Введение в сталь марганца в преде-р лах от 0,7 до 1,0 мае. %, хрома от 0,7 до 1,2

5 мае. % обеспечивает стали после действи  циклических нагрузок сжати  при 470°С высокие уровни релаксационной стойкости. Введение в сталь молибдена в пределах от 0,25 до 0,40 мае. %, тантала от 0,40 до 0,60

0 мае. %, ниоби  от 0,16 до 0,22 мае. % обеспечивает стали после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  высокие уровни износостойкости. Введение в сталь никел  в пределах от 0,9 до 1,5 мае. %, меди от

5 0,20 до 0,34 мае. % повышает работу зарождени  трещины. Основным компонентом стали  вл етс  железо, но кроме указанных легирующих элементов в ней содержатс  примеси в мае. %: серы до 0,03, фосфора до 0,03. Наиболее эффективно сталь, согласно

изобретению, может быть использована дл  изготовлени  штампов диметром до 225 мм и высотой 300 мм гор чего деформировани , имеющий разогрев рабочей поверхности до 470°С дл  прессовани  деталей типа конуса из высокопрочнов зкой стали. Дл  по снени  изобретени  ниже описаны примерные составы сталей со ссылками на при- лагаемую таблицу. Сталь, согласно изобретению, выплавл ют в электропечах по известным способам выплавки инструментальных сталей на обычных шихтовых материалах с соответствующим содержанием ингредиентов. Дл  подтверждени  того, что за вленна  сталь в соответствии с формулой изобретени  обеспечивает достижение поставленной цели приводом дл  сравнени  плавки № 6-8 конкретного выполнени  с граничными и оптимальным значени ми всех ингредиентов, вход щих в состав известной стали (прототипа) с полученными по каждому из них механико-технологическими свойствами в процессе их испытани  на образцах того же типа и при тех же одинаковых услови х их изготовлени  и испытани , что и за вл емой стали (плавки № 1-5).

Химический состав сталей плавок 1-8 приведен в таблице 1.

Состав плавки 1 (см. табл. 1) не обеспечивает стали высокой твердости: твердость на шлифованных, с параметром шероховатости Ra 0,32 мкм по ГОСТ 2789-73, образцах размером 15x15x15 мм, вырезанных электроэрозионным способом с поверхности заготовок диаметром 225 мм и высотой 300 мм, прошедшие закалку (закалка от температуры аустенитизации 870°С с выдержкой 3,5 ч и охлаждени  в масле) и отпуск при температуре 470°С продолжительностью 5 ч, охлаждение на воздухе до температуры 20°С, составл ет при температуре испытани  470°С 47,0 ед. HRC. Сталь указанного состава имеет низкую работу зарождени  трещины, равную 4,37 кгс м/см2. Работу зарождени  трещины определ ли на образцах размером 10x10x55 мм с поверхностно-упрочненным слоем и без него. Образцы размером 10x10x55 мм и образцы-свидетели диаметром 10 мм и длиной 55 мм вырезались с поверхности, где должна быть приложена циклическа  нагрузка сжати  при эксплуа-. тации инструмента, отожженных (в состо - ний после механической обработки) заготовокк штампа диаметром 225 мм и высотой 300 мм. Поверхностный упрочненный слой в образце создавалс  цементацией в газовой печи цементации Ц-105 по режиму: нагрев по мощности печи от 500 до 930°С при расходе осветительнго керосина (ГОСТ

4753-68) 70 капли/мин, выдержка при температуре 930°С в течение 2,5 ч при расходе осветительного керосина 165 капли/мин: охлаждение образца производили от 930 до

500°С в закрытом муфеле с отключенным вентил тором при расходе осветительного керосина 60 капли/мин. Нагрев образца до температуры насыщени  и выдержку при этой температуре производили с включен0 ным вентил тором печи. При достижении температуры 500°С печь открывали, вынимали из муфел  образцы и охлаждали до 20°С на спокойном воздухе. Глубину цементованного сло  определ ли на образцах5 свидетел х диаметром 10 мм и длиной 55 мм, прошедшие цементацию в газовой печи цементации Ц-105 по режиму: нагрев по мощности печи от 500 до 930°С при расходе осветительного керосина 70 капли/мин, вы0 держка при температуре 930°С в течение 2,5 ч при расходе осветительного керосина 165 капли/мин: охлаждение образца-свидетел  производили с печью от 930 до 500°С в закрытом муфеле с отключенным вентил то5 ром при расходе осветительного керосина 60 капли/мин. Нагрев образца до температуры насыщени  и выдержку при этой температуре производили с включенным вентил тором печи. При достижении темпе0 ратуры 500°С печь открывали, вынимали из муфел  орбразцы и охлаждали до 20°С на спокойном воздухе. За глубину цементованного сло  принимали рассто ние от поверхности до зоны, содержащий углерода 0,755

5 мае. %. Содержание углерода определ ли в стружке, которую снимали послойно глубиной 0,05 мм с цементированного образца диаметром 10 мм, длиной 55 мм (методика определени  глубины цементованного сло 

0 описана в книге И.С. Козловского Химико- термическа  обработка шестерен, М. Машиностроение , 1970, с. 16). После цементации образцы подвергали упрочн ющей термической обработке по режиму: аустенитизаци 

5 в течение 6 мин при температуре 870°С в сол ной ванне (состав ванны в мае. %: хлористого натри  22, хлористого бари  78) и охлаждени  в масле и отпуска при температуре 470°С продолжительностью 22 мин.

0 Образцы без упрочненного сло  подвергали ложной цементации (т.е. нагреву до 930°С в течение 10 ч) и термической обработке по режиму: аустенитизаци  в течение 6 мин при температуре 870°С в сол ной ванне (со5 став ванны в мае. %: хлористого натри  22, хлористого бари  78) и охлаждени  в масле и отпуска при температуре/Г70°С продолжительностью 22 мин. Дл  предотвращени  науглероживани  ложноцементированные образцы омедн ли и изготавливали с припуском на шлифовку после термической обработки . Образцы без цементованного сло  (ложноцементированные) и в цементованном слое шлифовали до параметра шероховатости Ra 0,32 мкм по ГОСТ 2789-73. На ложноцементированных образцах по ере-, дине поперек длины на поверхности параллельной торцовой поверхности заготовок штампа, где должна быть приложена циклическа  нагрузка сжати  при эксплуатации инструмента, наносили надрез Менаже(/- вид концентратора, R 1 ± 0,07 мм). Цементированные образцы испытывали без надреза . Испытани  производили на копре с запасом работы ма тника 147 Дж. при температуре 470°С. Методика испытани  описана в книге М.П. Брауна Экономноле- гированные стали дл  машиностроени , Киев, Наукова думка, 1977 г, с. 170-172. Работа зарождени  трещины определ лась как разность значений ударной в зкости ложноцементированных и цементированных образцов стали. Сталь указанного состава имеет при температуре испытани  470°С низкий предел текучести при сжатии, равный 1570 МПа. Предел текучести при сжатии определ лс  на образцах диаметром 5 мм, высотой 8 мм/образцы электроэрозионным способом вырезались с- поверхности заготовок диаметром 225 мм и высотой 300 мм, прошедшие закалку от температуры аустенитизации 870°С с выдержкой 3,5 ч и охлаждени  в масле и отпуск при температуре 470°С продолжительностью 5 ч, охлаждение на воздухе. Образцы шлифовали до параметра шероховатости Р 0,32 мкм по ГОСТ 2789-73 и испытывали при температуре 470°С на машине ИМ-12А с записью диаграммы нагружени  при скорости нагружени  1,2 мм/мин. Сталь указанного состава после термической обработки и действи  циклических нагрузок сжати  при 470°С имеет низкую релаксационную стойкость ( Дг), равную 16,3 кгс/мм2. Испытани  на релаксационную стойкость осуществл ли на кольцевых образцах равного сечени ; диаметр наружный 56 ± 0,1 мм: внутренний диаметр 50 ±0,1 мм, толщина кольца 4,5 ±0,1 мм, ширина прорези кольца 3 ± 0,1 мм. Образцы дл  определени  релаксационной стойкости вырезались электроэрозионным способом с поверхности штампа диаметром 225 мм и высотой 300 мм, прошедшие закалку от температуры аустенитизации 870°С с выдержкой 3,5 ч и охлаждени  в масле и отпуск при температуре 470°С продолжительностью 5 ч, охлаждение на воздухе и действи  циклических нагрузок сжати , нормально приложенных

к плоской поверхности штампа (циклирова- ни ). Циклирование штампов (приложение циклических нагрузок сжати ) производили на гидравлическом прессе путем циклического нагружени  сжати  при нормальном напр жении 180 кгс/мм2 в количестве 2600 циклов. Обща  продолжительность одного цикла 31 с., в том числе: врем  дл  достижени  напр жени  180 кгс/мм2 составл ло 8 с.,

активное врем  нажати  4,5 с., врем  на перемещение штока пресса дл  производства следующего цикла составл ло 18,5с. Усилие пресса замер ли манометром: врем  определ лось секундомером. Следует отметить , что нормальное напр жение, равное 180 кгс/мм , - это минимальное напр жение , необходимое дл  прессовани  деталей, а число циклов, равное 2600, - это средн   стойкость штампов, изготовленных из стали

прототипа. Штампы во врем  циклировани  имели температуру 470°С. Образцы дл  определени  релаксационной стойкости шлифовали до параметра шероховатости Ra 0,32 мкм по ГОСТ 2789-73. Методика

испытани  на релаксационную стойкость описана в книгах B.C. Золотаревского Механические испытани  .и свойства металлов , М.: Металлурги , 1974 г, с. 272-273, С.А. Довнара Термомеханика упрочнени  и

разрушени  штампов объемной штамповки , М.Машиностроение, 1975 г, с. 142, МЛ. Хенкена, И.Х. Локшина Размерна  стабильность металлов и сплавов в точном машиностроении и приборостроении, М.:

Машиностроение, 1974 г, с. 17. Величину создани  напр жени  в кольце определ ли толщиной клина, котора  больше ширины прорези. При этом клин вводили в прорезь кольца с таким расчетом, чтобы начальна 

деформаци  кольца соответствовала напр жению в кольце 42 кгс/мм2. Кольца с клинь ми выдерживали в электрической печи при температуре 470°С в течение 50 ч. После выдержки в печи при указанных режимах,

его вынимали из печи, охлаждали, удал ли клин из прорези и измер ли ширину прорези . Изменение размеров прорези контролировали компоратором ИЗА-2. Величину релаксации напр жени  ( Да) определ ли

по формулам.

lo t - a; Ob EAlo; оЪст Е А АI;

(7о - ОЪст I

где t - толщина клина мм; lo - начальна  деформаци  кольца, мм. О0- напр жение при начальных деформаци х lo, кгс/мм2, Е- модуль нормальной упругости, кгс/мм .

А- коэффициент, св занный с перемещением концов кольца в процессе деформации, равный 0,0004 мм, Оост - величина остаточных напр жений кольца, прошедшего термический цикл прм температуре 470°С в течение 50 ч, Д| - разница между 0 и получаемой после испытани  деформацией. Дсг- величина релаксации напр жени , кгс/мм2.

Сталь указанного состава после термической обработки и действи  циклических нагрузок сжати  при 470°С имеет низкую термическую усталость равную 7210 циклов, Терммческую усталость определ ли на образцах диаметром 20 мм и длиной 55 мм, вырезанных электроэрозионным способом с поверхности штампа диаметром 225 мм и высотой 300 мм, прошедшие закалку от температуры аустенитизации 870°С с выдержкой 3,5 ч и охлаждени  в масле и отпуск при температуре 470°С продолжительностью 5 ч, охлаждение на воздухе и действи  циклических нагрузок сжати , приложенных нормально к плоской поверхности штампа (циклировани ), Циклирование штампов (приложение циклических нагрузок сжати ) производили на гидравлическом прессе путем циклического нагружени  сжати  при нормальном напр жении 180 кгс/мм в количестве 2600 циклов. Обща  продолжительность одного цикла 31 с : в том числе врем  дл  достижени  напр жени  180 кгс/мм составл ло 8 с , активное врем  нажати  4,5 с , врем  на перемещение штока пресса дл  производства следующего цикла составл ло 18,5 с. Усилие пресса замер ли манометром: врем  определ лось секундомером . Следует отметить, что нормальное напр жение,равное 180 кгс/мм2,-это минимальное напр жение, необходимое дл  прессовани  деталей, а число циклов,равное 2600, - это средн   стойкость штампов, изготовленных из стали прототипа. Штампы во врем  циклировани  имели температуру 470°С. Образцы дл  определени  термической усталости шлифовали до параметра шероховатости Ra 0,32 мкм. Методика испытани  на термическую усталость описана в книге Ю.А,Геллера Инструментальные стали, М.: Металлурги , 1983 г., с; 67-69. Дл  определени  термической усталости образцы нагревали токами высокой частоты на установке Л ПЗ-67В при частоте тока 60- 74 кгц на глубину 1,2-1,5 мм. Термический цикл включал: нагрев образцов до температуры 470°С в течение 5 сек и охлаждени  в масле до температуры 20°С, Через каждые 10 термических циклов образцы зачищали и исследовали на наличие трещин. Термическа  усталость определ лась по числу термических циклов до образовани  первой трещины. Сталь указаного состава после термической обработки и действи  циклических нагрузок сжати  при температуре

470°С имеет низкую износостойкость равную 12,0 г. Испытани  на износостойкость производили на образцах диаметром 28 и высотой 23 мм, вырезанных электроэрозионным способом с поверхности штампа ди0 аметром 225 мм и высотой 300 мм, прошедшие закалку от температуры аустенитизации 870°С с выдержкой 3,5 ч и охлаждени  в масле и отпуск при температуре 470°С продолжительностью 5 ч, охлаждение

5 на воздухе и действи  циклических нагрузок сжати , нормально приложенных к плоской поверхности штампа (циклировани ). Циклирование штампов (приложение циклических нагрузок сжати ) производили на

0 гидравлическом прессе путем циклического нагружени  сжати  при нормальном напр жении 180 кгс/мм2 в количестве 2600 циклов . Обща  продолжительность одного цикла 31 с , в том числе врем  дл  достиже5 нм  напр жени  180 кгс/мм составило 8 с , активное врем  нажати  4,5 с, врем  на перемещение штока пресса дл  производства следующего цикла составило 18,5 с. Усилие пресса замер ли манометром: врем  опре0 дел лось секундомером. Следует отметить, что нормальное напр жение,равное 180 кгс/мм -это минимальное напр жение, необходимое дл  прессовани  деталей, а число циклов, равное 2600, - это средн  

5 стойкость штампов, изготовленных из стали прототипа. Штампы во врем  циклировани  имели температуру 470°С. Образцы дл  определени  износостойкости шлифовали до параметра шероховатости Ra 0,32 мкм по

0 ГОСТ 2789-73. Методика испытани  на износостойкость описана в книге В.Н-Кащее- ва Процессы в зоне фрикционного контакта металлов, М.: Машиностроение, 1978 г., 213 с.). Испытани  на износ произ5 водили при 470°С в абразивной массе зерна электрокорунда белого ЭБ твердостью 2000 даН/мм2 крупностью 500 мкм, при малой частоте вращени  абразивного резервуара 8,1 об/мин. Глубина сло  зерна в резервуа0 ре 70 мм, глубина погружени  нижнего торца образцов 60 мм. Минимальное рассто ние боковой поверхности образца от боковой поверхности абразивного резервуара 10 мм, длительность испытани  при

5 температуре 470°С 90 мин. Образец и абразивна  масса при испытании имела 470°С, Нагрев и поддержание образца и абразивной массы до температуры 470°С осуществл ли с помощью электрической печи. Износостойкость (износ) определ лс  по потере массы на аналитических весах ВЛА-200 г-м. При испытани х верхние и нижние торцы образцов прикрывались шайбами соответствующих размеров и не изнашивались. Состав плавки 2, при рассмотренных

выше методах испытаний, режимах термической обработки и циклического нагруже- ни  сжати  обеспечивает стали при температуре испытани  470°С высокие уровни твердости (48,2 ед, HRC), работы за- рождени  трещины (5,96 кгс/мм), предела текучести при сжатии (1635 МПа)а также высокими уровн ми после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  термической усталости (9144 циклов), релаксаци- онной стойкости (17,22 кгс/мм2), износостойкости (9,2 г). Состав плавки 3, при рассмотренных выше методах испытаний , режимах термической обработки и циклического нагружени  сжати  обеспечивает стали при температуре испытани  470°С высокие уровни твердости (50,4 ед. HRC), работы зарождени  трещины (3,32 кгс/мм ) предела текучести при сжатии (1710 МПа),а также высокими уровн ми после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  термической усталости (8840 циклов), релаксационной стойкости (12,6 кгс/мм2), износостойкости (8,4 г). Состав плавки 4, при рассмотренных выше методах испытаний, режимах термической обработки и циклического нагружени  сжати  обеспечивает стали при температуре испытани  470°С высокие уровни твердости (52,1 ед. HRC), работы зарождени  трещины (2,98 кгс/мм2), предела текучести при сжатии (1795 МПа) а также высокими уровн ми после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  на высоком уровне термической усталости (8316 циклов), релаксационной стойкости (9,66 кгс/мм2), износостойкости (7,4 г). Состав плавки 5, при рассмотренных выше методах испытаний, режимах термической обработки и циклического нагружени  сжати  не обеспечивает стали при температуре испытани  470°С высокие уровни твердости (47,8 ед. HRC), работы зарождени  трещины (2,06 кгс/мм ), предела текучести при сжатии (1605 МПа) а также не обеспечивает высокими уровн ми после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  термической усталости (6960 циклов), релаксационной стойкости (21,42 кгс/мм), износостойкости (11,6 г). Состав плавки 6, при рассмотренных выше методах испытаний, режимах терми- ческой обработки и циклического нагружени  сжати  не обеспечивает стали при температуре испытани  470°С высокие уровни твердости (36,7 ед. HRC), работы зарождени  трещины (1,96 кгс/мм , предела

текучести при сжатии (1420 МПа),а также не обеспечивает высокими уровн ми после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  термической усталости (6010 циклов ), релаксационной стойкости (39,48 кгс/мм2), износостойкости (15,3 г). Состав плавки 7, при рассмотренных выше методах испытаний, режимах термической обработки и циклического нагружени  сжати  не обеспечивает стали при температуре испытани  470°С высокие уровни твердости (40,1 ед. HRC), работы зарождени  трещины (1,64 кгс/мм ), предела текучести при сжатии (1485 МПа), а также не обеспечивает высокими уровн ми после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  термической усталости (5730 циклов), релаксационной стойкости (36,12 кгс/мм износостойкости (13,7 г). Состав плавки 8, при рассмотренных выше методах испытаний, режимах термической обработки и циклического нагружени  сжати  не обеспечивает стали при температуре испытани  470°С высокие уровни твердости 43,9 ед. HRC), работы зарождени  трещины (1,21 кгс/мм), предела текучести при сжатии (1510 МПа),а также не обеспечивает высокими уровн ми после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  термической усталости (5195 циклов ), релаксационной стойкости (33,432 кгс/мм2), износостойкости (12,8 г). Механические свойства за вл емой стали согласно изобретению представлены в прилагаемой таблице 2 в сопоставлении со сталью известного состава.

Приведенные в таблице данные подтверждаютс  актом испытаний (приложение к материалам за вки). За вл ема  сталь дл  штампов гор чего деформировани , как видно из таблицы, состава планок 2,3,4 при высоких значени х при температуре испытани  470°С твердости, работы зарождени  трещины, предела текучести при сжатии, обладает способностью сохран ть после действи  при температуре 470°С циклических нагрузок сжати  на высоком уровне термической усталости, релаксационной стойкости, износостойкости. Применение за вл емой стали дл  штампов гор чего деформировани  приводит к увеличению стойкости инструмента и позвол ет получить ожидаемый годовой экономический эффект на одном виде инструмента в размере 7423,5 руб.

За вл ема  сталь прошла испытани  на Орском механическом заводе и рекомендована руководством завода к внедрению.

Claims (3)

1. Сталь, содержаща  углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, медь, тантал, ниобий и железо, отличающа с   тем, что, с целью повышени  при температуре испытани  470°С твердости, работы зарождени  трещины, предела текучести при сжатии, после действи  при 470°С циклических нагрузок сжати  термической усталости , релаксационной стойкости, износостойкости, она дополнительно содержит карбиды цери , дисилициды тантала , рений, таллий, иттербий, натрий при следующм соотношении компонентов, мае. %:

Углерод0,44-0,65

Кремний0,17-0,37

Марганец0,7-1,0

Хром0,7-1,2

Никель0,9-1,5

Молибден0,25-0,40

Медь0,20-0,34

Тантал

Ниобий

Карбиды цери 

Дисилициды тантала

Рений

Таллий

Иттербий

Натрий

Железо

0

0,40-0,60 0,16-0,22 0,10-0,17 0,07-0,14 1,22-1,95 0,04-0,06 0,05-0,14 0,05-0,11 Остальное

2.Сталь по п. 1,отличающа с  тем, что суммарное содержание талли  и иттерби  составл ет 0,11-0,18.

3.Сталь по п. 1,отличающа с  тем, что отношение суммарного содержани  молибдена, тантала, ниоби , рени  к содержанию углерода составл ет 3,75- 6,29.

т а б л и ц а 1

, Продолжение табл.1

альное же

0,215

0,18

0,145

0,11

0,075

8,76 6,29 477 3,75 1,68

Таблица 2