Новая высокопрочная штамповая сталь для горячего прессования

Язык труда и переводы:
УДК:
669.15:621.78
Дата публикации:
28 мая 2022, 12:33
Категория:
Материаловедение и новые материалы в машиностроении
Авторы
Рогачев Станислав Олегович
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Кругляков Александр Аркадьевич
Научно-коммерческая фирма WBH
Лебедева Надежда Валерьевн
НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей»
Аннотация:
Рассмотрены штамповые стали с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации — экономнолегированные инструментальные стали для горячей обработки давлением, обеспечивающие длительный ресурс прессового инструмента при рабочих температурах до 750–800 °С. Высокая стойкость прессового инструмента обеспечивается за счет способности этих сталей сохранять горячее деформационное упрочнение (горячий наклеп). В работе с использованием разных схем термомеханической обработки изучена возможность управлять уровнем горячего упрочнения сталей с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации. Показано, что для таких сталей в диапазоне температур 450–750 ºС возможны три варианта поведения горячего упрочнения: усиление, стабилизация и усиление с дальнейшей стабилизацией.
Ключевые слова:
инструментальная штамповая сталь, регулируемое аустенитное превращение при эксплуатации, горячая деформация, горячий наклеп
Основной текст труда

Введение

В 1980-х г. Озерским А.Д. и Кругляковым А.А. впервые в мировой практике был разработан новый класс безвольфрамовых штамповых сталей с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации (стали с РАПЭ) [1]. Это обстоятельство решило проблему создания экономнолегированных инструментальных сталей для горячей обработки давлением, обеспечивающих высокую стойкость и длительный ресурс штампового инструмента при рабочих температурах до 750–800 °С.

Основным революционным выводом в теории штамповых сталей при создании сталей с РАПЭ явилось то, что эти стали должны не сопротивляться, а использовать усилия деформации и высокие температуры для повышения прочности инструмента непосредственно при его эксплуатации (эффект Озерского-Круглякова) [2, 3]. Особенностью сталей с РАПЭ является низкая температура α→γ превращения (AC1) – около 600 °С и высокая устойчивость переохлажденного аустенита.

При высокотемпературной эксплуатации штамповый инструмент находится в условиях горячей деформации. При этом идут два противоположных процесса: разупрочнение за счет полигонизации, динамической рекристаллизации, снижения напряжения Пайерлса–Набарро, облегчения поперечного скольжения и других механизмов и упрочнение за счет создания дислокационных барьеров, изменения ближнего порядка и повышения плотности дислокаций от деформации. Как правило, в ходе горячей деформации процесс разупрочнения превалирует над процессом упрочнения [4]. Это обстоятельство снижает сопротивление металла пластической деформации при высоких температурах, ограничивая применение углеродистых и легированных сталей в качестве инструмента при высоких температурах [5]. Поэтому горячий наклеп ранее не рассматривался как фактор повышения высокотемпературной прочности инструментальных сталей.

Принципиально новый подход к легированию и упрочняющей обработке при создании нового класса штамповых сталей с РАПЭ позволил  сохранять и стабилизировать горячее деформационное упрочнение и, тем самым, обеспечивать высокую стойкость штампового инструмента [6].

В работе с использованием разных схем термомеханической обработки изучена возможность управлять уровнем горячего упрочнения сталей с РАПЭ.

Материалы и методы

В качестве материала для исследования выбрана среднеуглеродистая инструментальная сталь для горячего прессования на основе Fe–C–Si–Cr–Ni–Mn–Mo–V–Ti–Nb [7].

Для термомеханической обработки (ТМО) использовали цилиндрические образцы высотой 10 мм и диаметром 5 мм. ТМО проводили на закалочно-деформационном дилатометре DIL 805 A/D. ТМО состояла из следующих этапов:

  • аустенизация при 1150 °С в течение 20 минут (скорость нагрева 1 град/с);
  • охлаждение до 450 °С и выдержка при этой температуре в течение 15 минут с последующей пластической деформацией;
  • медленный нагрев со скоростью 1 град/с до 750 °С и выдержка при этой температуре в течение 15 минут с пластической деформацией.

В ряде схем было реализовано промежуточное охлаждение с температуры 450 ºС до комнатной температуры, после чего осуществлен медленный (1 град/с) нагрев до 750 °С и пластическая деформация после предварительной выдержки в течение 15 минут, либо быстрый (50 °С/с) нагрев до 750 °С и пластическая деформация без предварительной выдержки.

Деформацию проводили по схеме сжатия (5 циклов, истинная деформация на каждом цикле 1,3–2,0 %, скорость деформации 0,1 с–1) с записью истинных диаграмм «напряжение–деформация».

Результаты

Показано, что пластическая деформация при 450 ºС обеспечивает существенное упрочнение стали. Степень наклепа в стали, полученная после аустенизации при температуре 1150 °С с последующей деформацией при 450 °С, усиливается при дальнейшей деформации при 750 °С. Аустенизация, выдержка и деформация при 450 ºС с последующим охлаждением до комнатной температуры и медленным нагревом на температуру деформации 750 °С стабилизирует состояние горячего наклепа при этой температуре. Увеличение скорости нагрева с 1 до 50 град/с усиливает уровень горячего упрочнения на первой ступени последующей деформации при 750 °С и стабилизирует его на последующих 4-х ступенях деформации, тем самым, способствуя максимальному упрочнению стали при 750 °С (на уровне ~ 660 МПа).

По данным ПЭМ, сталь с РАПЭ склонна к накоплению высокой плотности дислокаций в процессе высокотемпературной деформации, а также к выделению упрочняющих наноразмерных фаз (на основе Nb, V, Ti и Mo).

По данным дилатометрических исследований, в процессе нагрева до 1150 °С сталь претерпевает α→γ превращение и полностью переходит в аустенитное состояние. При этом происходит растворение карбидов и интерметаллидов, присутствовавших в стали исходного состояния. Это обогащает аустенит легирующими элементами и стабилизирует переохлажденный аустенит. Благодаря этому, аустенит сохраняется при переохлаждении до 450 °С, и пластическая деформация стали при этой температуре происходит в полностью аустенитном состоянии.

После аустенизации при 1150 °С, выдержке и деформации при 450 °С, охлаждения до комнатной температуры и последующего медленного нагрева до 750 °С, в стали сохраняется структура аустенита в результате α→γ превращения, и пластическая деформация стали при 750 °С осуществляется полностью в однофазной γ-области, так же и для схемы ТМО без охлаждения с температуры 450 ºС. Можно предположить, что в этом случае важную роль в стабилизации горячего наклепа играет наличие полиморфного превращения — распада аустенита по бейнито-мартенситному механизму и фазовый наклеп от последующего α→γ превращения.

По данным рентгеновского фазового анализа, после деформации при 450 °С и охлаждения до комнатной температуры в структуре стали присутствует около 15% аустенита. Тогда при быстром нагреве до 750 °С последующая деформация при этой температуре осуществляется в двухфазной (α+γ) области, т. к. ускоренный нагрев препятствует полному α→γ превращению.

Заключение

Показано, что для стали с РАПЭ в зависимости от схемы ТМО в диапазоне температур 450–750 °С возможны три варианта поведения горячего упрочнения: усиление, стабилизация и усиление с дальнейшей стабилизацией. Это обеспечивается действием (в т. ч. совместным) ряда механизмов: деформационное упрочнение; дисперсионное и нанофазное упрочнение; упрочнение от полиморфных превращений и упрочнение от деформации в двухфазной (γ + α)-области.

По результатам систематического исследования механического поведения и изменения структуры при горячей деформации штамповой стали с РАПЭ в интервале температур 450–750 °С показано, что важнейшим фактором, влияющим на наличие горячего наклепа в исследуемой стали является температура аустенизации и высокая устойчивость переохлажденного аустенита за счет снижения температур α↔γ превращения. Влияние температуры аустенизации на горячий наклеп заключается в степени растворения частиц карбидов/интерметаллидов, что способствует стабилизации переохлажденного аустенита, накоплению высокой плотности дислокаций при высокотемпературной деформации и обеспечении условий для выделения упрочняющих фаз в процессе высокотемпературной деформации.

Литература
  1. Озерский А.Д., Кругляков А.А. Штамповые стали с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации. Ленинград, ЛДНТП, 1998, 28 с.
  2. Орлов Ю.Г., Дудецкая Л.Р. Материалы и технологии изготовления литого штампового инструмента. Минск, Беларуская навука, 2010, 171 с.
  3. Кругляков А.А., Никулин С.А. Структура и особенности деформационного упрочнения штамповых сталей с регулируемым аустенитным превращением. Деформация и разрушение материалов, 2004, № 11, с. 23–25.
  4. Sakai T., Belyakov A., Kaibyshev R., Miura H., Jonas J.J. Dynamic and post-dynamic recrystallization under hot, cold and severe plastic deformation conditions. Prog. Mater. Sci., 2014, vol. 60, pp. 130–207. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.09.002
  5. Позняк Л.А. Инструментальные стали. Киев, Наукова думка, 1996, 488 с.
  6. Krugljakow A.A., Nikulin S.A., Rogachev S.O., Nguyen Hoan Xuan, Lebedeva N.V., Panova G.A. Hot-hardening phenomenon in die steel during thermomechanical processing. Mater. Lett., 2020, vol. 266, pp. 127475. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127475
  7. Никулин С.А., Кругляков А.А., Рогачев С.О., Панова Г.А., Лебедева Н.В. Штамповая сталь. Патент 2744584 Российская Федерация, 2021, бюл. № 8, 5 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.