Штампова сталь H13 – це штампова сталь для гарячої обробки, придатна для виготовлення штампів у середовищах з високими напруженнями та високими температурами. Вона містить високий рівень вуглецю та ванадію, а також відповідну кількість легуючих елементів, таких як хром та молібден, що забезпечує чудову прогартовуваність, зносостійкість та стійкість до термічного розтріскування.

Ці властивості роблять його ідеальним матеріалом для виготовлення пластикових штампів, штампів для лиття під тиском з алюмінієвих сплавів, штампів для гарячого штампування та прецизійних штампів для холодного штампування. Однак, штампова сталь H13 великого перерізу схильна до сегрегації та внутрішніх дефектів, що знижує якість штампів та термін їх служби.

Наразі найбільша специфікація штампової сталі в Китаї єΦ650 мм; більші специфікації вимагають імпорту або кування, що збільшує виробничі витрати та подовжує виробничі цикли. Щоб вирішити цю проблему, точний контроль хімічного складу штампової сталі H13 у поєднанні з оптимізованими процесами плавлення, кування та термічної обробки успішно покращив однорідність мікроструктури та подрібнення зерна, тим самим підвищуючи загальні характеристики великомасштабної штампової сталі H13.

Конструкція складу штампової сталі H13 відповідає стандартамПівнічноамериканський альянс центрів обробки даних (NADCA), що забезпечує точний контроль над елементами сплаву. Порівняння хімічного складу стандартів NADCA та штампової сталі H13, зазначеної вGB/T 1299—2014представлено в таблиці 1.

Хімічний склад штампованої сталі H13 представлено в таблиці 2. Вміст вуглецю (C) встановлено на верхній межі стандарту для досягнення високої твердості та зносостійкості; вміст хрому (Cr) відповідає стандарту для балансу прогартовуваності, корозійної стійкості та термостійкості; вміст марганцю (Mn) відповідає стандарту для підвищення прогартовуваності та міцності, зберігаючи при цьому добру в'язкість; вміст молібдену (Mo) вибрано на нижній межі стандарту для помірного покращення термічної міцності та в'язкості без надмірного збільшення витрат; вміст ванадію (V) також встановлено на нижній межі стандарту для покращення структури зерна, підвищення міцності та в'язкості матеріалу, а також контролю витрат; вміст сірки (S) та фосфору (P) збільшено для зменшення крихкості та пластичності матеріалу; суворий контроль над газоподібними елементами, такими як азот (N), водень (H) та кисень (O), мінімізує пористість та включення, забезпечуючи чистоту матеріалу та стабільну роботу. Тільки завдяки точному контролю хімічного складу штампової сталі H13 можна виготовити високопродуктивну, стабільну надвеликорозмірну штампову сталь H13, яка відповідає суворим вимогам преміального ринку.

2. Оптимізація виробничого процесу

Процес виробництва штампованої сталі H13 включає початкове електрошлакове переплавлення, потім нагрівальне кування, потім охолодження та відпал і, нарешті, чорнову обробку.

2.1 Промислова плавка

Відповідно до методу підготовки, запропонованого Ні Чжуовенем та ін., було виготовлено прототип штампової сталі H13 з використанням виробничого процесу, який включав попереднє плавлення шлакової шихти, запалювання дуги, плавку, компенсацію усадки, охолодження у вимкненому стані та виймання з форми. Форма мала діаметр тигля 480 мм та номінальну місткість 2 тонни. Шлакова система складалася з чотирикомпонентної суміші, що містила 65% фториду кальцію, 15% глинозему, 15% оксиду кальцію, 5% оксиду магнію та не більше 0,8% кремнезему, з висотою розплавленого шлаку приблизно 155 мм.

2.2 Нагрівання кування

Основний процес лиття під тиском сталі H13 включає використання пластичної деформації для фрагментації карбідних дендритів у сталевому злитку, усуваючи їх ланцюгоподібне розташування в зонах сегрегації, тим самим досягаючи структурної рівноваги та підвищуючи стійкість до поперечного та поздовжнього удару. Під час етапу попереднього нагрівання перед куванням необхідно забезпечити рівномірний нагрівання литого сляба; тому тривалість нагрівання та середня температура зони повинні суворо контролюватися в межах 1220–1240 °C. Будь-які поверхневі тріщини на штампі повинні бути негайно видалені. Використовується чотиристадійне грубе волочіння, а потім процес волочіння KD, зі ступенем кування понад 6 для покращення деформації серцевини та забезпечення щільності матеріалу та однорідної мікроструктури. Кінцева температура кування повинна суворо підтримуватися на рівні не менше 850 °C, щоб запобігти поверхневим тріщинам, особливо на краях та кутах. Застосовується ступінчастий метод охолодження для зниження температури кування до кімнатної температури, зі суворим контролем процесу охолодження для мінімізації внутрішніх напружень та деформації, тим самим подовжуючи термін служби штампа.

2.3 Відпал та термічна обробка

Для підготовки до подальших процесів термічної обробки та запобігання утворенню напружень під час кування, спочатку слід виконати процедуру відпалу. Перед сфероїдизувальним відпалом температуру кування необхідно підтримувати вище 500°C. Перед відпалом необхідна нормалізація та наддрібнозерниста обробка, при цьому температура витримки контролюється в межах 1020–1040°C, а швидкість охолодження регулюється відповідним чином. Цей процес спрямований на подрібнення зернистої структури, одночасно ефективно зменшуючи сегрегацію та сітчасті карбіди в заготовці кування, забезпечуючи однорідну мікроструктуру. Під час сфероїдизувального відпалу температуру слід встановити в межах 850–870°C, щоб полегшити регулювання карбіду та подрібнення мікроструктури. Для підготовки до остаточної термічної обробки використовується поетапне охолодження та відпал з контрольованою температурою.

Процес термічної обробки включає гартування та вторинний відпуск. Спочатку матеріал попередньо нагрівають протягом 10 хвилин при 790°C ± 15°C, потім нагрівають протягом 10 хвилин при 1010°C ± 5°C, а потім охолоджують в олії. Згодом його витримують при 550°C ± 6°C протягом 2 годин, перш ніж пройти два цикли відпуску. Для відпалених зразків ливарної сталі вимірювання твердості проводилися в п'яти точках на серцевині та поверхні за допомогою твердомірів Брінелля та Роквелла, при цьому записувалися середні значення; результати представлені в таблиці 3. Як показано в таблиці 3, після відпалу зразки досягли значень твердості, що відповідають як національному стандарту (≤ 229 HBW), так і стандарту NADCA (≤ 235 HBW), з мінімальною різницею твердості між поверхневою та серцевинною областями.

2.4 Груба обробка

Після відпалу перевірте виріб, щоб переконатися, що його мікроструктура залишається неушкодженою, без тріщин або інших дефектів. Згодом виконайте токарну обробку з великою глибиною різання та швидкістю подачі — зазвичай 3–5 мм для глибини різання та 0,3–0,5 мм для швидкості подачі (r^-1), зі швидкістю різання 100–150 м/хв. Необхідне очищення після обробки та запобігання іржі.

3. Організаційна однорідність

3.1 Тканини з високим збільшенням

Один зразок було відібрано в центрі ливарної сталі, а інший – на половині її радіуса; ці три зразки представляють усі напрямки кування. Зразки були піддані корозії за допомогою 4% розчину азотної кислоти в спирті, після чого було проведено 500 аналізів мікроструктури відпалу та 50 випробувань на сегрегацію смуг, при цьому випробувальні поверхні були паралельні напрямку основної деформації. Така орієнтація гарантує, що межі зерен після корозії розташовані нижче відносно центрів зерен, створюючи канавки, що сприяють ретельному мікроструктурному аналізу. Випробування на сегрегацію відпалу продемонстрували високу однорідність мікроструктури, що свідчить про те, що ливарні сталеві заготовки пройшли ефективне електрошлакове переплавлення, кування та термічну обробку. Мікроструктурний аналіз показав, що всі три зразки мали сфероїдизовані перлітні структури без евтектичних карбідів на матриці, з дрібними та рівномірно розподіленими частинками вторинного карбіду. Через великі розміри поковок, різні швидкості охолодження під час охолодження після кування призвели до чітких мікроструктурних варіацій: швидше охолоджені поверхні утворювали менше та дрібніших карбідів, демонструючи меншу сфероїдизацію порівняно з серцевиною.

3.2 Тканина з низьким збільшенням

Згідно з національними стандартами, для обробки гарячеобробленої штампованої сталі необхідно використовувати метод холодного кислотного травлення з подальшим дослідженням мікроструктури при малому збільшенні. Зразки занурювали у 30% водний розчин персульфату амонію приблизно на 5 хвилин, потім ретельно промивали водою та негайно очищали медичним спиртом перед оглядом за допомогою лупи та візуального огляду. Не спостерігалося жодних металургійних дефектів, таких як видима стратифікація, бульбашки, білі плями або тріщини, а також не було виявлено таких проблем, як центральна пористість або сегрегація злитків, як показано на рисунку 1. Це пояснюється надзвичайно швидкою швидкістю затвердіння розплавленої сталі під час кування, що призводить до утворення дрібних дендритів, які забезпечують рівномірну мікроструктуру, тоді як варіації в орієнтації росту кристалів мінімізують центральну пористість та сегрегацію. Отже, штампована сталь, що піддається електрошлаковому переплавленню, демонструє кращу однорідність та щільність мікроструктури порівняно зі звичайними литими злитками.

3.3 Аналіз розміру зерен

Зразки штампованої сталі H13 пройшли градуйовану термічну обробку гартуванням за температури 1010 °C. Згодом було проведено випробування на корозію за розміром зерен для визначення сортності. У процесі сортування використовувалися методи аналізу зображень з використанням спеціалізованого програмного забезпечення для обробки та інтерпретації зображень, отриманих за допомогою металографічних та електронних мікроскопів, обчислення ключових параметрів, таких як площа зерна та периметр, для визначення розміру зерна.

На рисунку 2 показано зображення, отримані за допомогою металографічного та електронного мікроскопів. Спостереження показують, що зразки ливарної сталі мають переважно дрібні зерна з невеликою кількістю більших зерен. Розмір зерна в дрібнозернистих областях досягає 8-го класу, що відповідає мінімальній вимозі стандарту NADCA до 7-го класу розміру зерна. Це покращення є результатом процесу електрошлакового переплавлення з подальшим куванням з високим коефіцієнтом кувальної обробки та термічної обробки, що значно зменшило розмір зерна та ретельно подрібнило карбідні структури.

4 Висновок

Для підвищення однорідності мікроструктури ливарної сталі H13 після кування було оптимізовано її хімічний склад та вдосконалено виробничий процес. Процедура кування ливарних форм H13 була ретельно розроблена з використанням печі електрошлакового переплавлення для виробництва ливарної сталі, а потім відпалу та термічної обробки. Подальші випробування показали, що ливарна сталь H13, отримана методом електрошлакового переплавлення, демонструє кращу однорідність мікроструктури та щільність порівняно зі звичайними литими сталевими злитками, причому значні покращення мікроструктури спостерігалися при малому збільшенні.