Исследование теплостойкости штамповой стали, наплавленной порошковой проволокой Н13М5Х4ФСТЮР

Для изготовления заготовок методом горячего деформирования на кузнечно-прессовых машинах применяют штамповый инструмент, во многих случаях изготовленный из сталей марок 50ХНМ, 50ХНВ, и т. п. Большое распространение данных штамповых сталей объясняется тем, что они обладают достаточно высоким комплексом эксплуатационных и технологических свойств, и, кроме того, имеют относительно низкую стоимость и не дефицитны. Однако износостойкость штампов, изготовленных из стали 50ХНМ, остается на достаточно низком уровне и составляет в ряде случаев менее одной рабочей смены [1].

В настоящее время в качестве конструкционного материала для упрочнения инструмента различного назначения широкое применение находят мартенситно-стареющие стали. Несложная термическая обработка этих сталей, а также повышенная прочность в сочетании с высокой пластичностью явились предпосылкой для разработки на их основе материалов, предназначенных для износостойкой наплавки деталей, работающих в условиях циклического температурно-силового воздействия [2, 3].

В этом отношении высокие результаты показывает металл, полученный порошковой проволокой типа 0Н13М5Х4ФСТЮР, в состав которой введены карбид бора, диборид титана и диборид циркония в количестве 2,5 % [4, 5]. Такой металл в со- стоянии после наплавки обладает микротвердостью 460–495 HV, что позволяет удовлетворительно обрабатывать ее режущим инструментом, не проводя операцию отжига. После отпуска при 500 °С в течение 1–2 ч происходит повышение микротвердости до 670–714 HV за счет выделения мелкодисперсных интерметаллидных фаз Лавеса (Fe, V, Si)2(Mo, Ti)) и высокопрочных труднорастворимых карбоборидных фаз (Ti, Mo, Fe, V)23(С,В)6 и (Сr, Fe, Mo, Ti)7(С,В)3 [6, 7]. Вместе с тем, механизм повышения эксплуатационных свойств полученного наплавленного металла при высоких температурах изучен недостаточно, что и послужило целью выполнения данной работы.

В данной работе приведены результаты исследования теплостойкости наплавленного металла Н13М5Х4ФСТЮР с соединения бора (B 4 C, TiB 2 , ZrB₂). Для сравнения также определялась теплостойкость наплавленного металла, полученного серийно выпускающимися материалами компании Castolin-Eutectic (Германия), предназначенных для упрочнения штамповой оснастки: электроды Castolin 6 – ∅ 2,5 мм (80М10Х5В2Ф2С) и проволокой CastoMag 45355 – ∅ 1,2 мм (0Н18К12М4ТС); а также штамповой стали 50ХНМ по ГОСТ 5950–73.

Испытание теплостойкости проводили по изменению твердости металла после отпуска в интервале температур от 450 до 750 °С при выдержке 2 ч.

Сварка, родственные процессы и технологии

Как показали исследования, наплавленный металл порошковой проволокой (ПП) Н13М5Х4ФСТЮР с боридами по теплостойкости при температурах до 650 °С находится на уровне металла, наплавленного электродами Castolin 6, а при более высоких температурах значительно превосходит все исследуемые наплавочные материалы. Результаты испытаний на теплостойкость приведены в таблице.

Такие значения теплостойкости исследуемых сталей можно связать с их различием в составе и характере образующихся упрочняющих фаз, а также предельной температурой фазовых α ↔ γ-превращений. Штамповая сталь 50ХНМ в состоянии после закалки имеет мартенситную структуру, упрочненную карбидами цементитного типа Ме3С. При температурах свыше 550 °С в структуре тако- го металла происходит распад карбидов с образованием участков перлита и стабилизацией остаточного аустенита (рис. 1, а), что и определяет низкие показатели теплостойкости стали.

Металл, наплавленный электродами Castolin 6, относится к классу быстрорежущих сталей, упрочнение которого происходит специальными труднорастворимыми карбидами Ме2С и Ме23С6, что и предопределяет его высокую теплостойкость при температурах до 650 °С (рис. 1, б). При более высоких температурах в данном металле происходит стабилизация аустенита, приводящая к резкому снижению твердости.

Мартенситно-стареющий металл, наплавленный проволокой CastoMag 45355, имеет структуру безуглеродистого никелевого мартенсита, упроч-

Таблица

Наплавочный материал	Твердость наплавленного металла перед испытанием, HRC	Твердость наплавленного металла HRC после отпуска при температуре, °С
		450	550	650	750
Castolin 6	61	61	60	52	34
CastoMag 45355	54	54	52	43	35
50ХНМ	55	44	38	33	30
ПП Н13М5Х4ФСТЮР	56	56	55	50	45

а)

б)

в)

Рис. 1. Микроструктуры металла после отпуска при 750 °С – 2 часа: а – штамповая сталь 50ХНМ; б – Castolin; в – CastoMag 45355; г – ПП Н13М5Х4ФСТЮР

г)

Лосев А.С., Еремин Е.Н., Маталасова А.Е., Исследование теплостойкости штамповой стали, Гуржий А.С., Сумленинов В.К.              наплавленной порошковой проволокой Н13М5Х4ФСТЮР нение которого происходит за счет выделения ин-терметаллидных фаз Ni3Ti, (Fe, Co)2Mo или Fe2Mo. При нагреве такого наплавленного металла свыше температур оптимального старения (500 °С) происходит коагуляция упрочняющих интерметал-лидных фаз за счет растворения более мелких частиц и стабилизация остаточного аустенита (рис. 1, в), что снижает теплостойкость данного металла при температурах отпуска свыше 650 °С.

Значительное повышение теплостойкости наплавленного металла ПП Н13М5Х4ФСТЮР с боридами (см. таблицу), в отличие от обычных мар-тенситно-стареющих сталей, происходит за счет эффектов как интерметаллидного, так и дисперсионного упрочнения. Кроме этого, введение боридов в данную сталь приводит к образованию кар-боборидной эвтектики, имеющей скелетообразный характер и зернограничное расположение, и труднорастворимых карбоборидных фаз (рис. 1, г), которые повышают температуру рекристаллизации и замедляют диффузионные процессы при высоких температурах, что обусловливает более существенное повышение теплостойкости.

Таким образом, введение боридов (B 4 C, TiB 2 , ZrB 2 ) в состав порошковой проволоки Н13М5Х4ФСТЮР позволяет значительно повысить теплостойкость наплавленного металла вплоть до 750 °С. Применение данной порошковой проволоки в качестве наплавочного материала, позволит существенно повысить работоспособность штамповой оснастки и узлов металлургического оборудования.