Теплостойкость азотированного слоя штамповых сталей серии БИС и ФТА (статья)
При прессовании металлических профилей для обеспечения требуемой точности необходимо постоянство размеров основных рабочих органов прессового инструмента – матриц и пуансонов, их надежность и стойкость. Условия их работы крайне тяжелы и характеризуются интенсивными температурно-силовыми нагрузками. Поверхность гравюры прессового инструмента испытывает удельные давления, приближающиеся к пределу прочности материала, из которого он изготовлен. В этих условиях особенно опасна концентрация напряжений, возникающая в инструменте, что требует особо тщательной отделки рабочей поверхности.
Решающее влияние на стойкость прессового инструмента оказывают температурные условия, определяя тот или иной вид износа. Наибольшее влияние на состояние рабочей поверхности оказывают следующие параметры температурного режима работы инструмента:
• температура рабочей поверхности, которая определяет механические свойства поверхностного слоя и тем самым влияет на износ поверхности и ее смятие;
• колебания температуры на поверхности гравюры, которое обусловливает протекание процессов термоусталости и разгара;
• глубина проникновения температуры, при которой инструмент деформируется под воздействием внешних нагрузок.
При прессовании сталей поверхность матриц может разогреваться до 800–850 °С, а зона максимального разупрочнения находиться на глубине 2–9 мм. После такого разогрева образуются три основные зоны:
• поверхностная, малотравящаяся, в которой происходит вторичная закалка, и твердость ее выше исходной, т.к. в рабочем слое матрицы более интенсивно растворяются карбиды и в структуре вторично закаленного слоя с выраженной игольчатостью отсутствует вторая фаза;
• зона повышенной травимости, в которой температура выше температуры отпуска, но ниже критической;
• зона основного металла, не подвергнутого температурному воздействию.
Снизить глубину разупрочнения стараются различными способами: применением более теплоустойчивых сталей, изменением скорости прессования, подбором смазки, упрочнением рабочей поверхности и т.д.
Эффективным способом изменения состава поверхностного слоя штампового инструмента, обеспечивающим необходимый комплекс свойств его рабочей поверхности, является химико-термическая обработка. В результате изменяются структура и свойства поверхностного слоя, повышаются прочность, износо- и теплостойкость стали путем образования устойчивых в процессе нагревания карбидов, нитридов, боридов и т.п.
Наиболее распространено упрочнение поверхности горячепрессового инструмента азотированием, в результате которого сталь приобретает высокую твердость на поверхности, не изменяющуюся при нагреве до 400–450°С, высокую сопротивляемость износу, высокие пределы выносливости, коррозионную стойкость.
Структура, глубина и свойства азотированного слоя зависят от химического и фазового состава стали, а также от режимов азотирования, которые определяются методом, температурой и длительностью процесса.
Азотированный слой состоит из поверхностной нитридной зоны и диффузионного подслоя, который называют зоной внутреннего азотирования. Первая зона формируется нитридными и карбонитридными фазами, а зона внутреннего азотирования состоит из твердого раствора в α-фазе с включениями нитридов.
Для штампов, работающих при повышенных температурах и больших удельных нагрузках, необходим азотированный слой с развитой зоной внутреннего азотирования. В зависимости от природы и содержания легирующих элементов в этой зоне могут присутствовать в основном нитриды на базе основного металла, или нитриды легирующих элементов. Цирконий, алюминий, титан, ванадий, хром и молибден способствуют формированию зоны внутреннего азотирования второго типа, когда диффузионный слой состоит из тонкодисперсных нитридов легирующих элементов и α-твердого раствора азота.
Теплостойкость азотированных слоев штамповых сталей наиболее сильно повышает ванадий, затем в порядке убывания молибден, алюминий, кремний, титан. Положительное влияние V, Al и Ti на тепло стойкость азотированного слоя связано с образованием легированных нитридов и карбонитридов на основе нитридных и карбидных фаз железа, при этом возрастает их устойчивость к повышенным температурам. Молибден способствует повышению микротвердости азотированного слоя и повышает предел прочности стали.