Способ термической обработки быстрорежущей стали

 

Использование: в машиностроении при изготовлении режущего и штампового инструмента из быстрорежущей стали, в частности из стали Р6М5. Способ включает закалку, высокотемпературный однократный отпуск и окончательный отпуск, при этом закалку проводят от температуры, превышающей стандартную на 20 - 40^oС, а окончательный отпуск проводят при 150 - 350^oС. После высокотемпературного отпуска возможно проведение обработки холодом. Данный способ обеспечивает повышение износостойкости быстрорежущей стали. 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в машиностроении при изготовлении режущего и штампового инструмента из быстрорежущей стали, в частности из вольфрамо-молибденовой стали Р6М5.

Технический результат, на решение которого направлено предлагаемое изобретение повышение износостойкости обрабатываемой стали.

Известен способ термической обработки стали Р6М5 [1] который включает закалку от 1210-1230^оС в масле и трехкратный отпуск при 540-560^оС. Этот известный способ не обеспечивает получения максимально высокого уровня износостойкости. Это связано с тем, что при многократном высоком отпуске в процессе каждого последующего нагрева отпускается мартенсит, образующийся из остаточного аустенита при охлаждении после предыдущего отпуска. В результате матрица стали состоит из высокоотпущенного низкоуглеродистого мартенсита, который не обладает максимальной износостойкостью.

В качестве прототипа выбран способ термической обработки инструмента из быстрорежущей стали [2] наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому и включающий закалку от 1225±5^оС, отпуск при 540-560^оС, обработку холодом и отпуск при 380-400^оС. Однако данный способ термообработки не обеспечивает быстрорежущей стали максимальной износостойкости, так как после отпуска при 400^оС в мартенсите стали Р6М5 сохраняется приблизительно 0,2 мас. углерода [3] что соответствует концентрации углерода в мартенсите быстрорежущих сталей, подвергнутых стандартному трехкратному отпуску при 560^оС. Следовательно, после проведения в соответствии со способом-прототипом [2] заключительного отпуска при 380-400^оС матрица стали состоит из низкоуглеродистого мартенсита, не обладающего максимальной износостойкостью, как и в случае стандартного способа термообработки быстрорежущей стали [1] Цель изобретения повышение износостойкости быстрорежущей стали, увеличение эксплуатационной стойкости инструмента.

Цель достигается тем, что согласно предлагаемому способу термической обработки быстрорежущей стали, включающему закалку, высокотемпературный однократный отпуск и окончательный отпуск, закалку проводят от температуры, превышающей на 20-40^оС стандартную температуру закалки, а окончательный отпуск проводят при 150-350^оС. После высокотемпературного отпуска возможно проведение обработки холодом.

Суть изобретения заключается в следующем.

При закалке от повышенных температур вследствие более интенсивного растворения карбидных фаз увеличивается насыщение мартенсита и остаточного аустенита углеродом и легирующими элементами замещения (Cr, Mo, W, V). Это обеспечивает рост прочности мартенсита и усиление эффекта дисперсионного твердения при высоком отпуске. При закалке от температур 1240-1260^оС (например, для стали Р6М5) содержание остаточного аустенита в данной стали достигает 40% (после закалки от 1220^оС в структуре присутствует порядка 30% аустенита). Однократный отпуск при 560^оС (1 ч) с последующим охлаждением на воздухе приводит к возникновению приблизительно 30% неотпущенного мартенсита. Остаточного аустенита сохраняется до 10% После окончательного отпуска при 150-350^оС (2 ч) в стали наряду с карбидной фазой присутствует матрица со структурой, состоящей из 60% высокоотпущенного мартенсита, 30% низкоотпущенного мартенсита и до 10% метастабильного остаточного аустенита. В случае проведения после высокотемпературного отпуска обработки холодом при -196^оС (10-20 мин) в структуре сохраняется не более 5% остаточного аустенита и соответственно возрастает доля низкоотпущенного мартенсита, отличающегося повышенной износостойкостью по сравнению с высокоотпущенным мартенситом.

Повышенная износостойкость низкоотпущенного мартенсита связана с более высоким содержанием в нем углерода, что обуславливает не только значительную исходную твердость, но и способность данного мартенсита к упрочнению при изнашивании вследствие развития деформационного динамического старения при трении. Повышенная температура закалки (1240-1260^оС) обеспечивает рост количества и степени легированности износостойкого низкоотпущенного мартенсита. Наличие низкоотпущенного (тетрагонального) мартенсита обусловливает также повышенный уровень остаточных сжимающих напряжений, благоприятно влияющих на контактную прочность поверхности стальных изделий.

Снижение температуры окончательного отпуска ниже нижней границы оптимального интервала, т.е. менее 150^оС, нецелесообразно, поскольку не повышает износостойкость стали, а вязкость и пластичность стали продолжают падать (наибольшей вязкостью закаленная сталь Р6М5 обладает после отпуска при 250-300^оС, а наименьшей при температуре дисперсионного твердения 550^оС и при температурах ниже 150^оС). Увеличение же температуры окончательного отпуска выше верхнего предела (350^оС) также нецелесообразно, поскольку влечет за собой значительное обеднение мартенсита углеродом, снижающее износостойкость материала, а также уменьшение вязкости и пластичности стали.

П р и м е р. Образцы из стали Р6М5 размером 7х7х20 мм после предварительного подогрева при 850-860^оС выдерживали в хлорбариевой ванне при 1240 и 1260^оС в течение 5 мин и закаливали в масле. Затем образцы подвергали однократному отпуску при 560^оС продолжительностью 1 ч с последующим охлаждением на воздухе. Часть образцов обрабатывали в жидком азоте при -196^оС в течение 10-15 мин с последующим оттаиванием на воздухе. Окончательный отпуск обеих партий образцов проводили при температурах 150, 200, 250, 300 и 350^оС (выдержка 2 ч) с последующим охлаждением на воздухе. Образцы испытывали на износостойкость при абразивном и усталостном (фрикционная усталость) видах изнашивания.

Испытания на абразивную износостойкость проводили при возвратно-поступательном скольжении торцовых поверхностей образцов по полузакрепленному абразиву шлифовальной шкурке марки 81Кр20НМ (кремень). Средняя скорость скольжения 0,15 м/с, нормальная нагрузка 49 Н, путь трения 17,6 м, длина рабочего хода 100 мм, величина поперечного смещения образца за один двойной ход 1,2 мм. Абразивная износостойкость определялась как отношение потери массы эталона (армко-железо) к потере массы испытуемого материала.

Испытания стали на фрикционную усталость проводили при возвратно-поступательном скольжении полусферического индентора (твердый сплав ВК-8, радиус сферы 2,5 мм) по боковой поверхности образца. Испытания проводили в безокислительной среде (этиловый спирт) при средней скорости скольжения 0,026 м/с и нагрузке 980 Н с определением потерь массы образцов.

Результаты проведенных испытаний по определению влияния режимов термообработки стали Р6М5 на абразивную износостойкость ε и потери массы Δ Р при испытании на фрикционную усталость приведены в таблице. Режим 1 стандартный способ термоообработки [1] подогрев при 860^оС (5 мин), выдержка при 1220^оС (5 мин) и закалка в масле, трехкратный отпуск при 560^оС (1 ч) с охлаждением на воздухе. Режим 2 известный способ термообработки [2] (прототип): подогрев при 860^оС (5 мин), выдержка при 1220^оС (5 мин) и закалка в масле, отпуск при 560^оС (1 ч) с охлаждением на воздухе, обработка при -196^оС в жидком азоте (20 мин) с последующим оттаиванием на воздухе, отпуск при 390^оС (1 ч) с охлаждением на воздухе. Режимы 3-12 предлагаемый способ термообработки: подогрев при 860^оС (5 мин), выдержка при 1240 или 1260^оС (5 мин) и закалка в масле, отпуск при 560^оС (1 ч) с охлаждением на воздухе, для части образцов обработка холодом в жидком азоте при -196^оС (10-20 мин), отпуск при 150-350^оС (2 ч) с охлаждением на воздухе. Из таблицы видно, что предлагаемый способ позволяет значительно повысить износостойкость быстрорежущей стали по сравнению с известными способами термической обработки.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ, включающий закалку, высокотемпературный однократный отпуск и окончательный отпуск, отличающийся тем, что закалку проводят до температуры, превышающей стандартную на 20 - 40^oС, а окончательный отпуск проводят при 150 350^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после высокотемпературного отпуска проводят обработку холодом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2