Для обработки металлов давлением применяют инструменты, деформирующие металл, – штампы, пуансоны, ролики, валики и т. д. Стали, применяемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповым (по виду наиболее распространенного инструмента).
Штамповые стали делятся на две группы: деформирующие металл в холодном состоянии и 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 механическими 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 очень важна, т. к. 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. Поэтому для молотовых штампов и для прессового инструмента применяют стали различных марок.
Для штамповки в холодном состоянии сталь, из которой изготавливают штампы, обычно должна обладать высокой твердостью, обеспечивающей устойчивость стали к истиранию, 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, например в плохо отпущенной, местный нагрев может привести к образованию трещин.
Еще в более тяжелых условиях работы находится сталь в штампах (прессформах) для литья под давлением. Нагрев рабочей поверхности формы расплавленным металлом и охлаждение водой внутренних частей формы вызывают значительные напряжения. Сталь, применяемая для прессформ, 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 кштампам в зависимости от их назначения, применяют стали различных марок, начиная от простых углеродистых и заканчивая сложнолегированными.
Рассмотрим отдельно стали для холодных и для горячих штампов.
Инструмент для деформирования металла в холодном состоянии должен иметь высокую твердость (>58 HRC). В ряде случаев высокая твердость (>62 HRC) обеспечивает и более высокую стойкость в работе. Поэтому для такого рода инструмента применяют стали с содержанием углерода не менее 1% в состоянии низкоотпущенного мартенсита.
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 (глубоко прокаливающиеся) стали – чаще всего сталь X (ШХ15).
Валки станов холодной прокатки, которые тоже можно считать инструментом, деформирующим металл в холодном состоянии, изготавливают из хромистых сталей с 1 или 2% Сr (9Х: 0,95–1,10% С, 1,4–1,7% Сr; 9X2: 0,85–0,95% С, 1,7–2,1% Сr). Ввиду большого сечения валки закаливают в воде и затем подвергают низкому отпуску при 100–120°С.
Это делают для того, чтобы поверхность валка (на глубине от 10–15 мм) имела максимально высокую твердость (64–66 HRC), т. к. это наряду с другими условиями (отсутствием перегрева, равномерностью распределения карбидов и т. д.) обеспечивает высокую стойкость в работе.
Наоборот, для инструмента некоторых видов, деформирующего металл в холодном состоянии, но с ударом (например, клейма, инструмент для пневматических молотков, зубила и т. д.), твердость должна быть ограничена некоторым верхним пределом порядка 52–58 HRC (в зависимости от вида инструмента и условий работы).
При относительно легких условиях работы (легкие удары, малая деформация металла, например ручные клейма, ручные зубила) применяют углеродистую сталь У7, У8, У9. Необходимая твердость (58 HRC) получается путем закалки и отпуска при 250–350°С. Степень разогрева при самоотпуске контролируется или строго регламентированными по времени условиями охлаждения, или по цветам побежалости. При этих способах термической обработки получается неравномерная твердость - высокая в рабочей части и постепенно снижающаяся к нерабочей; это обстоятельство и обеспечивает большую стойкость в работе такого инструмента. Состав штамповых сталей наиболее распространенных марок приведен в табл. 3.5. Закалку этих сталей проводят в масле.
Таблица 3.5