Способ термической обработки инструментальных штамповых сталей

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке заготовок из инструментальных штамповых сталей, используемых при изготовлении прессовой оснастки, работающей при высоких температурах. Стальную заготовку подвергают процессу тройной фазовой перекристаллизации путем нагрева со скоростью 30-70°С/ч выше точки А_с3 на 30-80°С, выдержки при данной температуре, затем заготовку охлаждают со скоростью не более 40°С/ч до температуры ниже точки A_r1 на 20-80°С, выдерживают при данной температуре с последующим охлаждением до 400°С со скоростью не более 40°С/ч, окончательное охлаждение выполняют на воздухе. Технический результат заключается в получении повышенных механических свойств заготовок сталей. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к способам термической обработки заготовок из инструментальных штамповых сталей, и может широко использоваться при изготовлении прессовой оснастки, работающей при высоких температурах.

Известен способ изготовления крупногабаритных поковок, включающий нагрев, ковку и высокотемпературный отжиг, выдержку и окончательное охлаждение с лимитированной скоростью (Авторское свидетельство СССР №1689406, кл. C21D 1/02, 1989).

Недостатком данного способа термической обработки поковок является получение крупного зерна аустенита, так как высокотемпературный нагрев, ведущий к росту зерна, проводится после деформации, а ускоренное охлаждение на воздухе выполняется после завершения не только γ→α превращения, но и перлитного, и не измельчает зерна аустенита.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является способ получения заготовок из инструментальных сталей, состоящий из высокотемпературного нагрева, ковки с этого нагрева, изотермического отжига и охлаждения с заданными скоростями (Патент РФ №2058999, кл. C21D 9/22, 1993).

Однако использование режима термической обработки, предложенного в прототипе, не позволяет измельчить зерно аустенита, следовательно, обеспечить повышенные механические характеристики штамповых сталей, особенно ударную вязкость.

Основной задачей изобретения является измельчение зерна аустенита заготовок инструментальных штамповых сталей.

Другая задача изобретения заключается в получении повышенных механических свойств заготовок сталей.

Для достижения поставленных задач заявляемый способ улучшения свойств инструментальных сталей содержит следующую совокупность существенных признаков: тройную фазовую перекристаллизацию при нагреве со скоростью 30-70°С/ч до температуры выше точки А_c3 на 30-80°С, выдержку при данной температуре, регламентированное охлаждение со скоростью не более 40°С/ч до температуры ниже точки A_r1 на 20-80°С, выдержку при данной температуре и последующее охлаждение до 400°С со скоростью не более 40°С/ч, затем на воздухе.

По отношению к прототипу у предлагаемого способа имеются следующие отличительные признаки: стали подвергают процессу тройной фазовой перекристаллизации путем нагрева со скоростью 30-70°С/ч выше точки А_c3 на 30-80°С, выдержки при данной температуре, затем охлаждают со скоростью не более 40°С/ч до температуры ниже точки A_r1 на 20-80°С, выдерживают при данной температуре с последующим охлаждением до 400°С со скоростью не более 40°С/ч, окончательное охлаждение выполняют на воздухе.

Между отличительными признаками и решаемой задачей существует следующая причинно-следственная связь, которая подтверждается данными, приведенными в таблицах 1 и 2. Выбор граничных значений параметров нагрева выше точки А_c3 на 30-80°С со скоростью 30-70°С/ч обусловлен получением в структуре инструментальных сталей мелкозернистого аустенита с отдельными нерастворившимися карбидными частицами, препятствующими росту зерна, и низким уровнем остаточных напряжений. Последующее охлаждение ниже точки А_r1 на 20-80°С со скоростью не более 40°С/ч приводит к распаду аустенита по перлитному механизму с образованием сфероидизированных избыточных карбидов и зернистого сорбита. Для более полного измельчения зерна аустенита и сфероидизации карбидов этот процесс повторяется трижды.

Нагрев до более низкой температуры, ниже, чем температура (А_c3+30)°С, значительно удлиняет время выдержки для образования структуры аустенита, что экономически нецелесообразно. Высокотемпературный нагрев выше температуры (А_c3+80)°С приводит к увеличению размера отдельных зерен аустенита, рост которых не заторможен избыточными карбидными частицами. Это предопределяет образование разнозернистости и увеличивает разброс свойств на готовом инструменте, особенно ударной вязкости, хотя в структуре будет наблюдаться зернистый сорбит.

Ограничение скорости нагрева интервалом 30-70°С/ч является оптимальным и связано с образованием термических и структурных напряжений, а также с экономическими соображениями. Невысокие скорости нагрева менее 30°С/ч приводят к необоснованно длительному времени нагрева инструментальных сталей. Нагрев со скоростью более 70°С/ч создает значительный градиент температур между центром и поверхностью изделия, что обуславливает высокий уровень термических и структурных напряжений, приводящих к короблению изделий или даже к трещинам.

Охлаждение нагретых заготовок под инструмент ниже температуры точки А_r1 на 20-80°С создает термодинамические условия для распада аустенита по перлитному механизму, а выдержка при этой температуре обеспечивает получение зернистых структур. Малая степень переохлаждения меньше 20°С из-за низкого выигрыша объемной свободной энергии, несмотря на высокую диффузионную подвижность атомов, существенно замедляет перлитный распад. Более высокие степени переохлаждения выше 80°С также приводят к торможению распада аустенита на перлит из-за снижения при низких температурах диффузионных перераспределений, особенно атомов легирующих элементов, образующих твердые растворы замещения в феррите.

Скорость охлаждения не более 40°С/ч в интервале температур от точки А_c3 до точки А_r1 способствует дополнительной сфероидизации карбидных частиц, выделению их в дисперсной форме, а также снижению термических и структурных напряжений. Охлаждение после изотермической выдержки ниже температуры А_r1 минус 20-80°С выполняют со скоростью не более 40°С/ч до 400°С. Регламентирование скорости охлаждения связано с условиями получения структуры зернистого перлита и снижением уровня остаточных напряжений в заготовках при их охлаждении. Скорость охлаждения ниже температуры 400°С не регламентируется, так как структура сталей в интервале 400-20°С (комнатная) не претерпевает существенных изменений, поэтому заготовки охлаждаются на воздухе.

Как показали результаты опытной проверки, при использовании заявляемого способа обеспечивается достижение следующих показателей:

- измельчение зерна аустенита при фазовой перекристаллизации не ниже 8 балла ГОСТ 5639;

- повышение механических свойств заготовок, в том числе ударной вязкости, до KCU=40-45 Дж/см².

Выполнение заданных режимов и испытание механических свойств были проведены на стали 3Х3М3ФШ (ГОСТ 5950). Скорости нагрева, равные 30-70°С/ч, до температуры выше точки А_c3 на 30-80°С достигались путем посада заготовок в предварительно нагретую печь, температура которой зависела от объема садки и регулировалась включением и выключением нагрева. Охлаждение заготовок штамповых сталей с температур А_c3+ (30 -80)°С и А_r1 минус 20-80°С со скоростью не более 40°С/ч было выполнено с печью с выключенным обогревом.

Таблица 1
Параметры получения заготовок стали 3Х3М3ФШ и размер зерна аустенита
Пример	Способ обработки	Параметры обработки
Перегрев выше Аc3, °С	Vнагр выше Аc3, °С/ч	Переохлаждение ниже Аr1, °С	Vохл до 400°С, °С/ч	Балл зерна аустенита ГОСТ 5939
1	Известный	350	-	40	-	7
2	Предлагаемый	30	30	20	40	9
3	Предлагаемый	50	50	50	40	11
4	Предлагаемый	80	70	80	40	10
5	За пределами предлагаем.	10	20	10	20	4
6	100	90	100	100	6
* Балл зерна аустенита замерялся на трех образцах по пяти полям зрения микроскопа с выполнением пятнадцати замеров

Таблица 2
Механические свойства заготовок
Пример*	Механические свойства
σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	KCU, Дж/см2
1	1740	1550	9,6	30,5
2	1820	1630	10,6	41,3
3	1850	1780	12,4	50,7
4	1760	1680	10,8	45,6
5	1660	1540	8,2	14,8
6	1720	1600	9,5	23,7
*Номер примера и режимы термической обработки соответствуют таблице 1

Способ термической обработки заготовок из инструментальных штамповых сталей, включающий нагрев заготовок, выдержку при температуре нагрева, охлаждение и окончательное охлаждение, отличающийся тем, что сталь подвергают тройной фазовой перекристаллизации, при этом нагрев заготовок ведут со скоростью 30-70°С/ч до температуры А_с3+(30-80)°С, охлаждение после выдержки осуществляют со скоростью не более 40°С/ч до температуры A_r1-(20-80)°С, выдерживают при данной температуре с последующим охлаждением до 400°С со скоростью не более 40°С/ч, а окончательное охлаждение выполняют на воздухе.