Способ термической обработки деталей высокой точности

 

1. СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ.ДЕТ АЛЕЙ ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТИ, преимущественно плоскопараллельных концевых мер длины, включающий предвар 1тельную термичест кую обработку и последующую поверх1гСЕШЯ ЗЙЛ2 lLiif- - л S- - .-ч ч ностную закалку посредством лазерного облучения рабочих поверхностей, л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью увеличения глубины закаленного слоя, получения noBiaiieHной твердости и стабильности размеров обрабатываемых деталей, предварительную термическую обработку производят на сорбит и троостит. 2.Способ по П.1, о т л ич а ю щ и и с я тем, что предварительную термическую обработку на троостит осуществляют путем закалки и отпуска при 300-500с или путем изотермической закалки с выдержкой при 300-500°С.3 .Способ,, по п. 1, отличающий с я. тем, что предварительную термическую обработку на сорбит осуществляют путем закалки и отпуска при 500-650 С изотермической закалки-с выдержкой при 500-650 С.

СООЗ СОВЕТСНИХ ! РЕСПУБЛИК (19) (И) М59 С 21 0 1 09

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3315431/22-02 (22) 10.06.81 (46) 30.04.83. Бюл. 9 16 (72) Л.С. Кремнев, Е.В. -Холоднов, И.A. Бусурина, С.Я. Митауэр, .Р.Н. Ионова, О.В.Попова и .Т.Г.Сагадеева (71) Московский станкоинструментальный институт (53) 621.785.79(088.8) (56) 1. Самохоцкий A.È. Парфеновская, Н.Г. Технология термической обработки металлов..М., "Машиностроение", 1976.

2. Технология и организация производства, 1976, Ф 11. (54)(57) 1. СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ВЫСОКОЙ

ТОЧНОСТИ, преимущественно плоскопараллельных концевых мер длины, включающий предварительную термичес-. кую обработку и последующую поввфхностную закалку посредством лазерного облучения рабочих поверхностей, отличающийся тем, что, с целью увеличения глубины за" каленного слоя, получения повьиаенной твердости и- стабильности размеров обрабатываемых деталей, предварительную .термическую обработку про" изводят на сорбит и троостит.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а— ю щ н и с-я тем, что предварительную термическую обработку на троостит осуществляют путем закалки и отпуска при 300-500 С или путем иэотермической закалки с выдержкой при

300 500о С е

3. Способ по и. 1, о т л и ч аю шийся "тем, что предварительную термическую обработку на сорбит осуществляют путем закалки-и отпуска при 500-650 С изотермической

О закалки .с выдержкой при 500-650 С. Я

1014925

40

Изобретение относится к термической обработке и может быть использовано в инструментальной и станкостроительной промышленности.

Для упрочнения рабочих поверхностей некоторых видов высокоточного измерительного инструмента, в том числе плоскопараллельных концевых мер длины, применяется стандартная (объемная) термическая обработка, которая не обеспечивает одного из; важнейших свойств — стабильности размеров инструмента в процессе длительной эксплуатации и хранения.

Технологический цикл термической обработки измерительного инструмента заключается в нормализации, закалке, обработке холодом и длительном отпуске при 130 С в течение

12 ч.Структура, получаемая после термической обработки, состоит из мар-тенсита, карбидов и остаточного аустенита. Одна из главных причин, ведущая к изменению размеров инструмента, заключается в превращении .остаточного аустенита в мартенсит в течение длительного времени. Для устранения этого недостатка и повышения стабильности размеров плиток на инструментальных заводах применяется обработка холодом и длительное старение P1) .

Однако эта обработка не приводит к полному превращению аустенита.

Вследствие этого способ стабилизации структуры недостаточно эффективен для инструментов высокой точ- . ности. После обработки холодом изменения размеров инструмента .менее значительны, но все же величина этих изменений больше, чем предусмотрено ГОСТом. Например, для плос копараллельных мер длины при номинальном значении длины меры 10 мм предельное отклонение от номинала составляет + 0,05 мкм (класс 00, ГОСТ 9038-73), а после обработки холодом эта величина иногда составляет(+ 0,06) -(+ 0,07) мкм. Для значительного повйшения стабильности размеров высокоточных деталей целесообразно применять не объемную,а поверхностную закалку. При этом исключаются операции обработки холодом и длительного старения.

Известен способ лазерного упрочнейия инструментальных сталей, включающий облучение отожженых инструментальных сталей, имеющих исходную стабильную структуру перлит, с помощью импульсной лазерной установки "КВАНТ-16" 2J.

Однако существующий способ лазерной закалки не пригоден для упрочнения рабочих поверхностей измерительных инструментов, особенно плоскопараллельных концевых мер длины, так как глубина упрочненного лазером слоя стали, имеющей исходную структуру перлит, составляет 100-130 мкм.

Рабочие поверхности всех высокоточных деталей должны обладать высокой чистотой поверхности (10-14 кл), которая обеспечивается шлифованием и доводками; Таким образом, с учетом припуска на механическую обработку глубина упрочненного лазером слоя

10 должна быть не менее 250-300 мкм.

Цель изобретения — получение достаточной глубины, высокой твердости и износостойкости закаленного слоя рабочих поверхностей деталей высо35 кой точности, а также стабильности их размеров. Поставленная цель достигается применением сталей с исходной структурой сорбит или троостит с твер20 достык ННС 28-47 и последующей лазерной закалкой рабочих поверхностей.

При лазерном упрочнении деталей, имеющих исходную структуру сорбит или троостит, глубина закаленного слоя больше, чем у деталей с исходной перлитной структурой,что объясняется различной теплопроводностью рассматриваемых структур. Теплопроводность зависит от величины внутренней межфаэовой поверхности, отделяющей феррит от цементита.

Известно,что теплопроводность феррита составляет 0,184 кал/см>град.с, а цементита 0,017 кал/см-град.с, т.е. меньше чем у феррита на порядок.

Следовательно, теплопроводность слоя с мелкодисперсной сорбитной и трооститной структурами, где величина внутренней межфаэовой поверхности велика и на пути теплового потока встречается наибольшее количество кристаллитов цементита, будет меньше, чем теплопроводность слоя со

45.стРуктуРой перлит, состоящей из смеси феррита и более крупных, но реже расположенных в структуре кристаллитов цементиза. Теплопроводность сорбита составляет 10; а троостита 20% по

0 отношению к теплопроводности перлита (л 0,105 кал/см град.с).

Таким образом, при облучении образца с исходной сорбитной или трооститной структурой энергия лазерного луча прогревает до закалочных температур более толстый поверхностный слой стали, чем в случае исходной перлитной структуры, так как тепловой поток в меньшей степени рассеивается в глубь металла.

При облучении отожженой стали с перлитной структурой энергия излучения рассеивается в результате увеличенной теплопроводности в глубь инструмента, и до эакалочных темпе1014925

Плотность мощности, Вт/см

Исходная структура

Исходная твердость (НВС) Скорость сканирования луча, мм/с (2-2, 2) 10

-Э (3,5-4)- 10 (4-4, 5) 10

45-47

Троостит

Сорбит

28-30

18-20

Перлит

Таблица 2

Структура после Исходная. Глубина слоя, мм термической об- твердость работки (НВ) Режим термической обработки сталей

У12, ШХ15,ХВГ

Зернистый перлит и карбиды

207-212

0 08+0 039

0,15+0,042

Отжиг

0,24+0,056

0,26+0,086

272-277

Пластинчатый сорбит

Нормализация при

860о С

Закалка и отпуск при 600 С

Зернистый сорбит 300

310

322

0,28+0,086

0,30+0,038

0,45+0,082

0,50+0,052

0 53+0 064

0,75+0,024

Зернистый троос- 415 тит 423

428

Закалка и отпуск при 400 С ратур нагревается поверхностный слой меньшей толщины.

Строение мартенсита, получаемое после лазерной закалки, также зависит от исходной структуры.

Мелкоигольчатый (бесструктурный} мартенсит образуется после лазерной закалки образцов с предварительной структурой троостит. Более крупные . иглы мартенсита возникают в резуль-. тате закалки стали с сорбитной структурой.

Самые крупные и более выраженные иглы мертенсита образуются при исходной структуре перлит, что снижает качество поверхностного слоя после шлифования и доводок.

Экспериментальные работы по упрочнению образцов проводились на лазерной технологической установке непрерывного действия мощностью излучения порядка 1 кВт.

В целях лучшего поглощения энер- .гии излучения поверхность плиток чернят (сажей, черной краской, оксиСтруктуры сорбит и троостит получают путем закалки и отпуска при

300-500 С для получения структуры . троостит или закалхи и отпуска при

500-650оС для получения структуры сорбит. путем:изотермической закалкн

1 о с выдержкой при 300-500 С для получения структуры троостит или изотермической закалки с выдержкой при

500- 650 C для получения структуры сорбит. Режимы последующего лазерного угрочнения выбирают таким образом, чтобы получить поверхность образцов

15 без оплавления.

Результаты приведены в табл. 2.

Т а б л и ц а 1

1 дировали), образцы подвергают предварительной термической обработке для получения различных структур: перлит, сорбит, троостит.

Значение глубины закаленного слоя при различных исходных структурах приведены в табл. 2.

1014925. Составитель С. Подгурский

Техред A.Áàáèíåö Корректор A. Повх

Редактор С. Юско

Тираж 68 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 3137/23 филйал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 е

Микротвердость и глубину упорядоченной зоны измеряют на шлифе, изготовленном перпендикулярно лазерной дорожке; Результаты выполненных исследований показывают, что. при лазерном . облучении глубина упрочненного слоя существенно зависит от исходной структуры облучаемого образца.

Упрочненный слой наибольшей глубины(л 0,75 мм) и твердости (HRC 6566) образуется в плитках с исходной структурой троостит. Слой наименьшей толщины(г0,08 мм) и твердости ,(НВС 62-63) и даже его отсутствие на некоторых образцах наблюдается при исходной структуре перлит.

Для исследования стабильности размеров образцов в процессе хранения проводят следующие эксперименты. . Изготавливают образцы иэ стали

ШХ15(Х). Часть образцов подвергают термообработке по известному техно логическому процессу. Структура после термообработки — мартенсит (HRC-62-64) .

Другую часть образцов подвергают термообработке для получения струк- тур сорбита (HRC 28-30) и троостита (HRC 45-.47) и затем зти образцы подвергают лазерной закалке по предлагаемым режимам и отпуску при 150 С в течение 3 ч без обработки холодом и без. длительного старения. После

12 мес. хранения измеряют размеры образцов. Изменение размеров образцов с исходной структурой маотенсит составляет 1,57 мкм, а образцов с исходной структурой троостит и сорбит не обнаружено.

Экономический эффект от применения предлагаемого способа достига ется повыаением твердости на рабочих поверхностях до НЦС 65-66 вместо

HRC 63-64 после объемной закалки, что увеличивает износостойкость. Да1З ет возможность заменить дефицитные твердосплавные плитки (иэ сплава

BK8M) размерами до 10 мм более деше Выми и технологичными стальными. Повышается стабильность размеров дета2р;ли (отсутствие мартенситной струк- туры; во всем объеме металла/ . Уменьшается количество операций по сравнению с известным технологическим процессом изготовления деталей и инструментов высокой точности, многие из которых являются дорогостоящими (например, обработка холодом и т.д.) . Уменьшается. время термообработки детали (2-5 раэ в зависимости от размеров).