Из какого материала делают штампы

Вопрос «из какого материала делают штампы» в инженерной практике сводится к выбору инструментальной стали под условия работы оснастки. Штампы изготавливают преимущественно из инструментальных сталей: для холодной обработки давлением применяют стали холодного деформирования (типичный представитель — Х12МФ), для горячей — стали горячего деформирования (например, 5ХНМ). Реже, для мелкого ненагретого инструмента, используют углеродистые инструментальные стали; для тяжёлых массовых операций — порошковые и твёрдые сплавы.

Ниже разобраны классификация штамповых сталей по ГОСТ, ключевые свойства (твёрдость, вязкость, теплостойкость, прокаливаемость), система обозначения марок, типовые представители для холодных и горячих штампов, а также логика выбора материала под конкретную операцию. Марки и нормы приведены по действующим стандартам.

Какие стали применяют для штампов

Основной материал штампов — инструментальная сталь. Легированные инструментальные стали нормирует ГОСТ 5950-2000, нелегированные (углеродистые) — ГОСТ 1435-99. Легированные штамповые стали стандарт делит на две группы по назначению.

Выбор между группами определяется тем, нагревается ли рабочая поверхность штампа в процессе работы. Холодные штампы контактируют с относительно холодной заготовкой, и на первый план выходят твёрдость и износостойкость. Горячие штампы соприкасаются с разогретым металлом и испытывают циклические нагревы, поэтому от стали требуются теплостойкость и сопротивление термоусталости.

Главная развилка выбора — холодная или горячая операция: она определяет, что важнее, твёрдость и износостойкость или теплостойкость и вязкость.

Как читается марка стали

Обозначения марок по ГОСТ строятся по единым правилам, что позволяет «прочитать» химический состав прямо из названия.

Буквенные обозначения легирующих элементов: Х — хром, В — вольфрам, М — молибден, Ф — ванадий, С — кремний, Н — никель, Г — марганец, К — кобальт. Для молибдена и ванадия отсутствие цифры обычно подразумевает доли в десятых процента.

Ключевые свойства

Пригодность стали для штампа определяется сочетанием нескольких свойств. Между ними существует компромисс: рост твёрдости обычно снижает вязкость, и наоборот.

По теплостойкости инструментальные стали делят на нетеплостойкие (углеродистые и низколегированные), полутеплостойкие и теплостойкие (высоколегированные стали, к которым относятся и быстрорежущие). Для холодных штампов решающими являются твёрдость и износостойкость, для горячих — теплостойкость, вязкость и стойкость к термоусталости. Прокаливаемость особенно важна для крупных штампов, где нужна равномерная структура по всему сечению.

Теплостойкость (красностойкость) — это способность сохранять твёрдость при нагреве рабочей кромки. У углеродистых сталей она низкая: при нагреве выше примерно 200 °C их твёрдость резко падает.

Стали холодного деформирования

Холодные штампы (вырубные, пробивные, гибочные, формовочные, волочильный инструмент) работают без значительного разогрева, поэтому от стали требуются высокая твёрдость и износостойкость при достаточной вязкости. Характерный представитель — высокохромистая сталь Х12МФ и её аналоги.

Сталь Х12МФ соответствует широко известным зарубежным аналогам класса D2 (AISI) и 1.2379 (DIN/EN), что удобно при подборе по импортным каталогам. Для массовых штампов с большим ресурсом применяют также порошковые инструментальные стали, обеспечивающие более однородную карбидную структуру.

Стали горячего деформирования

Горячие штампы (молотовые, прессовые, высадочные, пресс-формы литья под давлением) контактируют с разогретым металлом и подвергаются циклическим нагревам. Здесь решающими становятся теплостойкость, ударная вязкость и сопротивление термоусталости; твёрдость в работе обычно ниже, чем у холодноштамповых сталей.

Сталь 5ХНМ — одна из наиболее распространённых для крупных штампов горячего деформирования: она хорошо прокаливается, обладает повышенной ударной вязкостью и сохраняет рабочие свойства при умеренном нагреве. Сталь 4Х5МФС близка к зарубежной марке класса H11 (1.2343); более теплостойкому классу H13 (1.2344) ближе соответствует сталь 4Х5МФ1С. Такие стали применяют там, где требуется повышенная теплостойкость.

Углеродистые инструментальные стали

Нелегированные (углеродистые) инструментальные стали по ГОСТ 1435-99 — это марки ряда У7…У13 (и высококачественные У7А…У13А). Цифра после буквы «У» показывает содержание углерода в десятых долях процента, буква «А» — высокое качество (пониженные сера и фосфор).

Эти стали дешевле и хорошо обрабатываются, но имеют небольшую прокаливаемость и низкую теплостойкость: при нагреве рабочей кромки их твёрдость быстро снижается. Поэтому их применяют для небольшого инструмента и штампов, не подверженных значительному нагреву и работающих с умеренными нагрузками. Марки с меньшим содержанием углерода (У7, У8) выбирают там, где нужна повышенная вязкость при ударной работе; более углеродистые (У10…У13) — где важнее твёрдость и износостойкость.

Как выбрать марку

Выбор материала штампа ведут от условий работы оснастки к требуемому набору свойств, а затем к марке и режиму термообработки.

1. Определите тип операции. Холодная или горячая обработка давлением — это задаёт группу стали (холодного или горячего деформирования).
2. Оцените характер нагрузки. Преобладает износ или удар. Под износ — более твёрдые и износостойкие стали; под удар — более вязкие.
3. Учтите размер и сечение. Для крупной оснастки важна прокаливаемость, обеспечивающая равномерную структуру по сечению.
4. Сопоставьте с типовыми марками. Холодные штампы — Х12МФ и аналоги; горячие — 5ХНМ, 4Х5МФС и подобные.
5. Согласуйте термообработку. Итоговые твёрдость и вязкость задаются режимом закалки и отпуска под конкретную марку.

Частые ошибки

• Холодноштамповая сталь в горячей операции. Высокохромистые стали холодного деформирования не рассчитаны на длительный нагрев и теряют твёрдость при рабочих температурах горячей штамповки.
• Погоня за твёрдостью в ущерб вязкости. Завышенная твёрдость при ударной работе ведёт к выкрашиванию и сколам кромок.
• Игнорирование прокаливаемости для крупной оснастки. Без достаточной прокаливаемости сердцевина крупного штампа остаётся недозакалённой, структура неоднородна.
• Несогласованный режим термообработки. Одна и та же марка при разных режимах закалки и отпуска даёт разную твёрдость и вязкость; режим назначают под задачу.

Вопросы и ответы