Высокотемпературная прочность штамповой стали с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации после закалки и отпуска

Стали с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации (РАПЭ) – новый класс безвольфрамовых сталей на ферритной основе для горячего прессования [1; 2]. Находясь в однофазной γ- или двухфазной (γ + α)-области, эти стали склонны к сохранению высокотемпературного упрочнения [3]. Этот эффект позволяет осуществлять предварительное горячее упрочнение стали. Для этого перед эксплуатацией сталь подвергают аустенитизации при 1150 °С, после чего охлаждают до 450 °С. При этом сталь сохраняет аустенитную структуру из-за очень высокой устойчивости переохлажденного аустенита, после чего осуществляют деформацию. В результате сталь приобретает требуемый уровень упрочнения, который будет сохраняться при рабочих температурах до 750 – 800 °С [4].

В то же время стали с РАПЭ способны работать при высоких температурах и без предварительного упрочнения – в состоянии после закалки и отпуска [5]. Однако для сталей с РАПЭ новых оптимизированных составов исследований в этом направлении не проводилось. Поэтому цель работы – оценка высокотемпературной прочности новой штамповой стали с РАПЭ после закалки и отпуска.

Для исследования взята штамповая сталь с РАПЭ типа 5Х2Г4H3М2ФСТБ после закалки (1100 °С, 20 мин, масло) и двойного отпуска (590 °С, 2 ч + 560 °С, 2 ч, воздух) на твердость 55 HRC [6]. Испытание круглых образцов с резьбовым креплением длиной и диаметром рабочей части 20 и 4 мм соответственно проводили на машине Zwick по двум схемам (см. рисунок):

– нагрев до 450 °С, выдержка 15 мин, пластическая деформация растяжением до разрушения;

– нагрев до 450 °С, выдержка 15 мин, пластическая деформация растяжением до общей деформации 5 %, нагрев до 750 °С, выдержка 15 мин и пластическая деформация растяжением до общей деформации 5 %.

Показатель степени деформационного упрочнения (n) оценивали аналогично работе [3].

Условный предел текучести и предел прочности стали при температуре испытания 450 °С составили 1277 и 1379 МПа соответственно, а относительное удлинение 9 % (см. рисунок). Таким образом, в процессе пластической деформации при 450 °С наблюдается деформационное упрочнение стали (n = 0,03). После достижения максимальной нагрузки происходит локализация деформации с последующим разрушением образца. В процессе деформации при 450 °С до величины относительного удлинения 5 % упрочнение стали достигает 1335 МПа. Последующий нагрев до 750 °С приводит к многократному снижению прочности: при деформации условный предел текучести составил 311 МПа (в 4 раза меньше, чем при температуре 750 °С). Однако в процессе дальнейшей деформации при температуре 750 °С склонность стали к деформационному упрочнению усиливается (n = 0,06) и при величине относительного удлинения около 2 % уровень прочности достигает 356 МПа. Это можно связать с переходом стали в аустенитное состояние в результате α → γ превращения. Достигнутый уровень упрочнения сохраняется при дальнейшей деформации до величины относительного удлинения около 5 %.

Выводы

Установлено, что при температурах 450 – 750 °С, соответствующих эксплуатационным, наблюдается деформационное упрочнение стали с РАПЭ, причем склонность к деформационному упрочнению при 750 °С выше, чем при 450 °С. При величине относительного удлинения около 5 % горячая прочность стали при 750 °С достигает ~360 МПа. Полученные результаты прогнозируют стабильную работу штампового инструмента из стали с РАПЭ при температурах до 750 °С.