2. Штамповые стали

Для обработки металлов давлением применяют инструменты – штампы, пуансоны, ролики, валики и т.д., деформирующие металл. Стали применяемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповыми сталями.

Штамповые стали делятся на две группы:

• деформирующие металл в холодном состоянии;

• деформирующие металл в горячем состоянии.

Условия работы стали при различных видах штамповки сильно различаются между собой.

При штамповке в горячем состоянии штампуемый металл под действием сближающихся половинок штампа деформируется и заполняет внутреннюю полость штампа. В работе внутренняя полость штампа («фигура»), которая деформирует металл, соприкасается с нагретым металлом, поэтому штамповая сталь для горячей штамповки должна обладать не только определенными металлическими свойствами в холодном состоянии, но и достаточно высокими механическими свойствами в нагретом состоянии. Особенно желательно иметь высокий предел текучести (упругости), чтобы при высоких давлениях штамп не деформировался. Для кузнечных штампов большое значение имеет и вязкость, чтобы штамп не разрушился во время работы при ударах по деформируемому металлу. Устойчивость против износа во всех случаях важна, так как она обеспечивает сохранение размеров «фигуры» - долговечность работы штампа.

Для прессового инструмента, работающего без ударов, большое значение имеет износостойкость в горячем состоянии и относительно меньшее – вязкость.

Для штамповки в холодном состоянии сталь, из которой изготавливают штампы, обычно должна обладать высокой твердостью, обеспечивающей устойчивость стали против истирания, хотя и вязкость, особенно для пуансонов, имеет также первостепенное значение.

Сталь для «горячих штампов» должна иметь как можно меньшую чувствительность к местным нагревам. В недостаточно вязкой (пластичной) стали местный нагрев может привести к образованию трещин.

Еще в более тяжелых условиях работы находится сталь в штампах (пресс-формах) для литья под давлением. Нагрев рабочей поверхности формы расплавленным металлом и охлаждение водой внутренних частей формы вызывают значительные тепловые напряжения. Сталь, применяемая для пресс-форм должна быть также достаточно износостойкой, иметь высокие механические свойства в нагретом состоянии и хорошо сопротивляться разъеданию поверхности формы расплавленным металлом.

Кроме перечисленных свойств, от стали, из которой изготавливают штампы больших размеров, требуется повышенная прокаливаемость. Сталь, применяемая для штампов и пуансонов сложных конфигураций, должна мало деформироваться при закалке.

Ввиду многочисленных и разнообразных требований, предъявляемых к штампам в зависимости от их назначения, применяют стали различных марок, начиная от простых углеродистых и кончая сложнолегированными.

Рассмотрим отдельно стали для холодных и для горячих штампов.

Инструмент для деформирования металла в холодном состоянии должен иметь высокую твердость (практически не ниже HRC 58), поэтому для такого рода инструмента применяют стали с содержанием углерода не менее 1% после закалки и низкого отпуска.

Из углеродистой стали марок У10, У11, У12 изготавливают штампы небольших размеров и простой конфигурации. Ввиду неглубокой прокаливаемости их следует применять для относительно легких условий работы (малая степень деформации, невысокая твердость штампуемого материала).

Для более сложных конфигураций штампов и более тяжелых условий работы применяют легированные закаливаемые в масле стали – чаще всего сталь Х (ШХ15).

Валки станов холодной прокатки, которые тоже можно считать инструментом, деформирующим металл в холодном состоянии, изготавливают из хромистых сталей с 1 или 2 % Cr (9Х, 9Х2).

При относительно легких условиях работы (легкие удары, малая деформация металла, например ручные клейма, ручные зубила) применяют углеродистую сталь У7, У8, У9.

Состав штамповых сталей наиболее распространенных марок приведен в таблице 2.9. В этой же таблице указаны основные параметры термической обработки (температура закалки и отпуска) и твердость в закаленном состоянии.

Таблица 2.9.

Состав, свойства и термическая обработка сталей для инструментов ударного деформирования в холодном состоянии

Марка стали	Содержание элементов, %				Закалка		Отпуск
	С	Si	Cr	W	T,°С	HRC	T,°С	HRC
4ХС	0,35 – 0,45	1,2 – 1,6	1,3 – 1,6	—	880 – 890	47	240 – 270	51 – 52
6ХС	0,60 – 0,70	0,6 – 1,0	1,0 – 1,3	—	840 – 860	56	240 – 270	52 – 53
4ХВ2С	0,35 – 0,44	0,6 – 0,9	1,0 – 1,3	2,0 – 2,5	860 – 900	53	240 – 270	50 – 52
5ХВ2С	0,45 – 0,54	0,5 – 0,8	1,0 – 1,3	2,0 – 2,5	860 – 900	55	240 – 270 420 – 440	51 – 53 45 – 47
6ХВ2С	0,55 – 0,65	0,5 – 0,8	1,0 – 1,3	2,0 – 2,5	860 – 900	57	240 – 270 420 – 440	53 – 55 46 – 48

Широкое применение для холодных штампов и других инструментов, деформирующих металл в холодном или относительно не высоко нагретом состоянии (накатанные плашки и ролики, фильеры для волочения и др.), получили высоко хромистые стали, обладающие высокой износоустойчивостью, повышенной теплостойкостью, малой деформируемостью при термической обработке и некоторыми другими особыми свойствами.

Все высокохромистые штамповые стали содержат в среднем 12% хрома и высокий процент углерода.

Рассмотрим стали, применяемые для изготовления горячих штампов, деформирующих металл в горячем состоянии.

Металл, применяемый для горячих штампов, должен иметь определенный комплекс свойств. Рассмотрим их.

Жаропрочность. Металл горячих штампов должен обладать высоким пределом текучести и высоким сопротивлению износу при высоких температурах, чтобы замедлить процессы истирания и деформирования элементов фигуры штампа, разогревающихся от соприкосновения с горячим металлом.

Красностойкость. Высокие жаропрочные свойства не должны снижаться под длительным воздействием температуры, металл горячих штампов должен устойчиво сопротивляться отпуску.

Термостойкость. Циклический нагрев и охлаждение поверхности штампа во время работы и, следовательно, чередующееся расширение и сжатие поверхностных слоев приводят к появлению так называемых разгарных трещин. Материал штампа должен обладать высокой разгаростойкостью или, как чаще называют, термостойкостью или высоким сопротивлением термической усталости.

Вязкость. Деформирование металла при штамповке сопровождается ударным воздействием этого металла на штампы, поэтому металл штампов должен обладать известной вязкостью – особенно при штамповке на молотах, когда приходится достигать нужного повышения вязкости даже за счет снижения жаропрочности.

Прокаливаемость. Многие штампы имеют весьма большие размеры (например, кубики ковочных штампов имеют размеры 500х500х1000 мм и т.п.). Для получения хороших свойств по всему сечению, в частности достаточной вязкости, сталь штампов должна глубоко прокаливаться.

Отпускная хрупкость. Так как быстрым охлаждением штампов крупных размеров нельзя устранить отпускную хрупкость, то сталь должна быть минимальна чувствительной к этому пороку.

Слипаемость. При значительном давлении горячий металл может как бы прилипать к металлу штампа (явление адгезии), и когда штампуемое изделие отдирается от штампа, то оно всякий раз частично разрушает его поверхность. Это явление разрушения будет тем сильнее выражено, чем сильнее адгезионное взаимодействие штампуемого металла и металла штампа. Поэтому подобное взаимодействие штамповой стали с металлом изделия должно быть минимальным.

Для тяжелых условий работы (штамповка с большой производительностью, штамповка изделий больших размеров, а так же те случаи, когда выемка в штампе, образующая фигуру, глубока и имеет сложную конфигурацию) применяют легированные стали. Состав легированных сталей для молотовых штампов приведен в таблице 2.10.

Таблица 2.10.

Состав стали для молотовых штампов

Марка стали	C, %	Mn, %	Si, %	Cr, %	Ni, %	Mo, W, Ti
5ХНМ	0,5 – 0,6	0,5 – 0,8	0,15 – 0,35	0,5 – 0,8	1,4 – 1,8	0,15 – 0,30Mo
5ХГМ	0,5 – 0,6	1,2 – 1,6	0,25 – 0,65	0,6 – 0,9	—	0,15 – 0,30Mo
5ХНСВ	0,5 – 0,6	0,3 – 0,6	0,6 – 0,9	1,3 – 1,6	0,8 – 1,2	0,4 – 0,6W
5ХНТ	0,5 – 0,6	0,5 – 0,8	0,15 – 0,35	0,9 – 1,25	1,4 – 1,8	0,08 – 0,15Ti

Типичной наиболее распространенной и, пожалуй, наилучшей из указанных в таблице 2.10 является сталь 5ХМН. Остальные представляют собой стали – заменители, в которых никель (или молибден) заменен другими элементами, что несколько ухудшает качество.

Из сталей этих марок изготавливают так называемые кубики (рис 2.26), т.е. по ковки большого размера призматической формы, на одной из плоскостей которых вырезается фигура. После ковки в кубики отжигают по изотермическому режиму.

Закалка и отпуск штампа – весьма ответственные и сложные операции, особенно если принять во внимание большой размер изделия.

Рис. 2.26 «Кубики » (молотовые штампы)

Закалка и отпуск штампа – весьма ответственные и сложные операции, особенно если принять во внимание большой размер изделия.

Прессовый инструмент, а также штампы горизонтально – ковочных машин изготавливают из других более легированных сталей, так как в виду более спокойной работы здесь можно несколько поступиться вязкостью за счет более высокой жаропрочности. Составы сталей для штампов горизонтально – ковочных машин и прессов указаны в таблице 2.11.

Таблица 2.11

Состав стали для штампов горизонтально – ковочных машин и прессов

Марка стали	C, %	Mn, %	Si, %	Cr, %	W, %	Mo, %	V, %
3Х2В8	0,3 – 0,4	0,15 – 0,4	0,15 – 0,40	2,2 – 2,7	7,5 – 9,0	—	0,2 – 0,5
4Х5В2ФС (ЭИ958)	0,35 – 0,45	0,15 – 0,5	0,8 – 1,2	4,5 – 5,5	2,6 – 2,4	—	0,8 – 1,2
4Х2В5ФМ (ЭИ959)	0,35 – 0,45	0,15 – 0,4	0,15 – 0,35	2,0 – 3,0	4,5 – 5,5	0,6 – 1,0	0,6 – 1,0
4Х3ВФ2М2 (ЭП1)	0,35 – 0,45	0,3 – 0,5	0,15 – 0,35	3,0 – 3,7	2,0 – 2,7	2,0 – 2,5	1,5 – 2,0

Для пуансонов и матриц, работающих при больших удельных давлениях и высоких температурах, следует применять сталь 3Х2В8 и ей подобные. Когда по условиям работы возникают удары, то вместо стали 3Х2В8 следует применять сталь типа 5ХНМ или 4Х5В2ФС, обладающую большей вязкостью, чем 3Х2В8, и большей красностойкостью, чем 5ХНМ.

Следовательно, для прессового инструмента следует применять:

• сталь 3Х2В8 для частей наиболее нагруженных в тепловом отношении;

• стали типа 5ХНМ для деталей подвергающихся ударным воздействиям при относительно умеренной тепловой нагрузке;

• сталь 4Х5В2ФС для деталей, подвергающихся сравнительно высоким рабочим температурам и динамической нагрузке;

• конструкционные стали типа 3ХГС, 40ХН – для частей штампа, испытывающих только значительные механические нагрузки при слабом разогреве (до 300°С).

Температурные режимы работы деталей пресс-форм для литья под давлением и горячих штампов похожи. Поэтому для пресс-форм применяют те же стали: 3Х2В8 для наиболее нагруженных деталей и для менее нагруженных в тепловом отношении деталей – более простыне стали (7Х3, 30ХГС, и даже углеродистые стали 40 и У7), а также нержавеющие стали типа 3Х13.