Способ упрочнения поверхности стального инструмента

Настоящее изобретение относится к металлургии, а именно к способам упрочняющей обработки окончательно изготовленных стальных деталей машин и инструментов без изменения их первоначальных размеров и структуры. Способ упрочнения поверхности стального инструмента включает предварительную подготовку поверхности стального инструмента, гидрохимческую обработку упомянутого стального инструмента в среде на основе компонента, образующего на стальной поверхности упрочняющую фазу и окончательный нагрев. Гидрохимическую обработку проводят в течение 40-100 мин в кипящей вододисперной щелочной среде, содержащей компонент, образующий на стальной поверхности нанооксидную упрочняющую фазу, в виде нанооксида с концентрацией 0,5-50 г/л и поверхностно-активное вещество в виде глицерина с концентрацией 0,5-50 г/л с добавкой водного аммиака, а окончательный нагрев стального инструмента проводят в воздушной атмосфере при температуре 140-200°С. В частных случаях осуществления изобретения в качестве упомянутого компонента кипящей вододисперной щелочной среды используют нанооксид олова, марганца, кремния, свинца, кобальта, никеля, алюминия, молибдена, цинка, сурьмы, ванадия, висмута, бора, бериллия, циркония, железа, хрома, вольфрама, титана или меди. В обрабатываемых инструментах обеспечивается композиционная структура при реализации двойственного характера упрочнения, причем на поверхности осаждается нанооксидное твердосмазочное покрытие с очень низким коэффициентом трения и в подслое формируется зона повышенных напряжений сжатия, сравнимых с уровнем напряжений, получаемых методами поверхностной пластической деформации, что существенно повышает работоспособность быстроизнашиваемых стальных изделий и инструментов. 1 з.п. ф-лы, 1табл., 1 пр.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к металлургии и главным образом к способам упрочняющей обработки окончательно изготовленных стальных инструментов без изменения их первоначальных размеров и структуры.

Предшествующий уровень техники

Известен способ упрочнения инструмента из быстрорежущей стали (а.с. СССР №1351979, кл. С21D 9/22, 1987), который включает обезжиривание поверхности, сначала обработку в 5…10%-ном водном растворе тиоацетамида при 95…100°C, затем обработку в кипящем 40%-ном водном растворе оксида молибдена с последующим нагревом до 250…300°C. Данный способ реализуется следующим образом. Предварительно заточенный инструмент обезжиривают уайт-спиритом и помещают в ванну с кипящим 5…10%-ным водным раствором тиоацетамида, где выдерживают его в течение 30-40 мин до приобретения поверхностью темно-серого цвета. Затем инструмент переносят в другую ванну с кипящим 40%-ным водным раствором оксида молибдена, где выдерживают его в течение 30 мин. По окончании этого процесса инструмент промывают водой, сушат и прогревают в муфельной печи при температуре 250°C в течение 1 часа.

Обработка инструмента в двух водных химических растворах позволяет создавать на поверхности комплексы тиоацетамида с оксидом молибдена, которые при нагреве взаимодействуют до образования упрочняющих фаз на базе твердых оксидов, нитридов и других тугоплавких соединений. В результате применения этого способа повышается стойкость инструмента из быстрорежущей стали.

К недостаткам указанного способа следует отнести невысокую износостойкость инструмента, длительность многостадийной обработки в водных растворах, невозможность применения этого способа для инструментов из нетеплостойких сталей, т.к. при нагреве выше 180…200°C происходят структурные превращения, приводящие к деформации и разупрочнению закаленных инструментов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ упрочнения инструмента из быстрорежущей стали (РФ, Пат. 2023027), подготовку поверхности, обработку в водном растворе при температуре не выше его кипения, в состав которого входят металл- и неметаллсодержащие компоненты для образования на инструментальной поверхности упрочняющей фазы и окончательный нагрев до температуры tком…Ac1, причем все операции полного технологического цикла многократно повторяют. В качестве металлсодержащих компонентов используют оксиды ванадия, молибдена, титана, хрома или кислоты, щелочи, соли на базе указанных металлов. В качестве неметаллсодержащих компонентов используют тиомочевину и сульфанол. Все компоненты в водной химической среде не превышают концентрацию, когда образуется нетехнологичная водная суспензия из-за стойкого осадка. Окончательный нагрев осуществляют или путем резания труднообрабатываемого материала, или путем нагрева в нагревательном устройстве с защитной средой, чтобы не окислялось полученное покрытие.

Однако данный способ упрочнения мало применим для инструментов из нетеплостойких сталей кроме быстрорежущих, требует защитной среды для образования упрочняющей фазы на поверхности в процессе проведения окончательного высокотемпературатурного нагрева и многократного повторения технологического процесса, имеет быструю истощаемость химических растворов из-за получения стойкого осадка и не позволяет значительно повышать стойкость упрочненных инструментов после их нагрева в окислительной среде ниже 200°С.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача разработки способа поверхностного упрочнения готового стального инструмента с помощью термогидрохимической (гидрохимической + термической) обработки, при которой можно сформировать в инструменте композиционную структуру, составленную из макроэлементов с разными свойствами в виде композиции: «твердосмазочный слой - переходный слой - матрица». При этом достигается двойственный характер упрочнения: на поверхности осаждаются нанооксидные твердосмазочные покрытия, которые почти на порядок снижают коэффициент сухого трения по сравнению с исходным состоянием от 0,55-0,85 до 0,07-0,38, а в подслое формируется переходная зона с повышенными напряжениями сжатия (270-470 МПа), сравнимыми с уровнем напряжений, получаемых методами поверхностной пластической деформации. В результате такого структурно-композиционного упрочнения можно существенно повысить работоспособность различных быстроизнашиваемых стальных инструментов.

Существо изобретения заключается в том, что в новом способе упрочнения поверхности стального инструмента, включающем предварительную подготовку поверхности, гидрохимическую обработку в водной среде на базе компонентов, образующих на стальной поверхности упрочняющую фазу и окончательный нагрев, согласно данному изобретению гидрохимическую обработку проводят в течение 40…100 мин в кипящей вододисперной среде, содержащей нанооксид с концентрацией 0,5…50 г/л и поверхностно-активного вещества (глицерина) с концентрацией 0,5…50 г/л с добавкой легкоиспаряемого водного аммиака для создания щелочного раствора (рН>7), а окончательный нагрев инструмента проводят в воздушной атмосфере при температуре 140…200°C. Предлагаемый способ распространяется на все марки инструментальных, в т.ч. нетеплостойких и теплостойких сталей.

Предварительную подготовку поверхности проводят по общепринятой методике: сначала обезжиривают в различных органических и водных растворителях, промывают в воде и затем декапируют в 5…10%-ном водном растворе неорганических кислот с последующей промывкой в воде.

В качестве основного компонента вододисперсной среды, создающего на поверхности нанооксидную упрочняющую фазу, используют наноксид различных элементов, таких как: нанооксид олова, марганца, кремния, свинца, кобальта, никеля, алюминия, молибдена, цинка, сурьмы, ванадия, висмута, бора, бериллия, циркония, железа, хрома, вольфрама, титана или меди. Поверхностно-активное вещество (ПАВ) в виде глицерина вводят в состав вододисперсной среды для создания ювенильной поверхности на стальном инструменте и диспергирования агрегированных оксидных частиц в условиях расклинивающего действия ПАВ и гидродинамического воздействия кипящей вододисперсной среды. Концентрация нанооксида и ПАВ в пределах 0,5…50 г/л выбрана из расчета, что при снижении их содержания ниже 0,5 г/л эффект упрочнения сталей незначителен, а увеличение их содержания выше 50 г/л делает состав вододисперсной среды нетехнологичным.

При наличии щелочного характера (рН>7) вододисперсной среды, что создается путем добавления туда водного аммиака (NH4OH), достигается стабильное осаждение на стальной поверхности качественных покрытий из наноструктурированных оксидов. При снижении рН<7 нарушается процесс устойчивого осаждения мономолекулярного твердого слоя, меняется морфология и качество покрытий, появляются черные следы коррозии на их поверхности, что существенно снижает рабочие свойства стального инструмента. Для поддержания щелочного состояния среды (рН>7) в нее постоянно добавляют легкоиспаряемый водный аммиак со свойствами щелочи.

Выбор времени гидрохимической обработки сталей обусловлен тем, что время в пределах 40…100 мин является оптимальным, т.к. ниже 40 мин - не достигается улучшение триботехнических и эксплуатационных свойств стального инструмента, выше 100 мин - все оптимальные свойства снижаются, а сам процесс обработки становится нетехнологичным.

Выбор температурного интервала (140…200°С) при окончательном нагреве в воздушной атмосфере гидрохимически обработанных сталей обусловлен тем, что в указанном интервале температур снимаются критические остаточные напряжения, вызванные предшествующей обработкой в вододисперсной среде, и проходят благоприятные фазовые превращения в покрытии при образовании сложных нанооксидов, легированных железом матрицы и в подслое, модифицированном этими оксидами, что в целом улучшает триботехнические и эксплуатационные свойства сталей. Верхний температурный предел окончательного нагрева ограничен температурой 200°C, поскольку выше этой температуры при нагреве в воздушной среде наблюдается местное окисление поверхности, в закаленной матрице нетеплостойких сталей проходят разупрочняющие структурно-фазовые превращения, что резко ухудшает рабочие свойства стального инструмента. Нижний температурный предел окончательного нагрева ограничен температурой 140°C, поскольку ниже этой температуры не релаксируются критические остаточные напряжения, что может вызвать частичное отслаивание покрытия и трещинообразование стального инструмента в процессе его эксплуатации. Длительность выдержки при температуре 140…200°С выбирается согласно общепринятым нормам термообработки из условия полного прогрева различных инструментов и составляет для разных минимальных размеров и диаметров инструментов в среднем 30…60 мин и более. Охлаждение может проходить на воздухе или в масле.

Лучший вариант осуществления изобретения

Предлагаемый способ упрочнения поверхности стального инструмента, преимущественно для интенсивно эксплуатируемого режущего или штампового инструмента, осуществляют следующим образом. Инструмент из теплостойких быстрорежущих сталей обезжиривали в бензине Б-70, промывали в горячей и холодной воде, затем декапировали в 5... 10%-ном водном растворе серной кислоты в течение 1 мин и снова промывали в воде. После этого инструмент подвергали специальной обработке в течение 40…100 мин в кипящей вододисперсной среде, содержащей нанооксид и поверхностно-активное вещество с их концентрацией 0,5…50 г/л, в которую постоянно добавляли легкоиспаряемый водный аммиак для создания щелочного раствора (рН>7). Обработанный инструмент с твердосмазочными покрытиями промывали в горячей и холодной воде, и затем подвергали окончательному нагреву в муфельной печи с воздушной атмосферой при температуре 140…200°С в течение времени согласно общепринятым нормам термообработки (30…60 мин) с последующим охлаждением на воздухе.

Примеры

Эксплуатационную стойкость инструмента оценивали по результатам испытаний метчиков М6Х1, изготовленных из стали Р18 путем нарезания резьбы 5Н6Н в гайках из жаропрочного никелевого сплава ЭИ437Б с твердостью НВ 300…350. Нарезание резьбы осуществляли на резьбонарезном станке Г813-5026 при следующих режимах обработки: V=5 м/мин, S - ручная с самозатягиванием, СОЖ - масло МР-7. В зависимости от состава вододисперсных сред, а также режима гидрохимической и термической обработки определяли коэффициент трения упрочненной поверхности при сухом скольжении (без смазки). Условия триботехнических испытаний на микротрибометре возвратно-поступательного типа были следующие: нагрузка 1 Н; длина хода (трека) 3 мм, скорость 4 мм/с; пара трения: упрочненная сталь Р18 (плоскость) - сталь ШХ15 (сфера диаметром 4 мм). Коэффициент трения стальной поверхности до ее упрочнения составил 0,573 при 1500 циклах скольжения. Результаты сравнительных триботехнических и эксплуатационных испытаний приведены в табл. 1. Показатели определяли как усредненное значение испытаний нескольких образцов, упрочненных по одному режиму.

Из приведенных данных следует, что использование предлагаемого способа упрочнения поверхности стального инструмента позволяет, по сравнению с прототипом, снизить коэффициент трения стальной поверхности в 1,2…5,9 раз и повысить стойкость метчиков при резании труднообрабатываемого жаропрочного сплава в 1,1…2,4 раза.

Промышленная применимость

Предлагаемый способ можно применить в условиях любого инструментального, машиностроительного и другого производства, оснащенного оборудованием для химической и термической обработки инструментальных сталей.

1. Способ упрочнения поверхности стального инструмента, включающий предварительную подготовку поверхности стального инструмента, гидрохимическую обработку упомянутого стального инструмента в среде на основе компонента, образующего на стальной поверхности упрочняющую фазу, и окончательный нагрев, отличающийся тем, что гидрохимическую обработку проводят в течение 40-100 мин в кипящей вододисперной щелочной среде, содержащей компонент, образующий на стальной поверхности нанооксидную упрочняющую фазу, в виде нанооксида с концентрацией 0,5-50 г/л и поверхностно-активное вещество в виде глицерина с концентрацией 0,5-50 г/л с добавкой водного аммиака, а окончательный нагрев стального инструмента проводят в воздушной атмосфере при температуре 140-200°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве упомянутого компонента кипящей вододисперной щелочной среды используют нанооксид олова, марганца, кремния, свинца, кобальта, никеля, алюминия, молибдена, цинка, сурьмы, ванадия, висмута, бора, бериллия, циркония, железа, хрома, вольфрама, титана или меди.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к нанесению антифрикционных покрытий из порошковых материалов посредством их лазерного спекания на металлической поверхности. Способ формирования антифрикционного покрытия на поверхности стального изделия включает нанесение слоя порошковой композиции на поверхность стального изделия, содержащей следующие компоненты, мас.

Изобретение может быть использовано для получения жаростойких покрытий при изготовлении деталей энергетических и химических установок. Составляют пакет с симметричным размещением между двумя алюминиевыми пластинами толщиной 1,5-2 мм пластины из низкоуглеродистой стали толщиной не менее 3 мм.

Изобретение может быть использовано при изготовлении жаростойких деталей энергетических и химических установок. Алюминиевую пластину размещают между пластинами из низкоуглеродистой стали.

Способ может быть использован при изготовлении жаростойких деталей энергетических и химических установок. Между биметаллическими пластинами, состоящими из слоя легированной стали и слоя низкоуглеродистой стали, с зазором размещают алюминиевую пластину толщиной 1-1,5 мм.

Изобретение может быть использовано при изготовлении жаростойких деталей энергетических и химических установок. Алюминиевую пластину размещают между пластинами из низкоуглеродистой стали.

Изобретение относится к способу обработки поверхности оптического элемента, а также к обработке поверхности оптического покрытия, сформированного на поверхности оптической подложки, формированию поверхностного барьерного покрытия на гигроскопичном кристаллическом материале, к оптическому элементу и гигроскопичной подложке.

Изобретение относится к технологии создания селективных мембран, функционирующих за счет избирательной диффузии водорода сквозь тонкую пленку палладия или его сплава, и может быть использовано в устройствах глубокой очистки водорода от сопутствующих примесей, сепарации водорода из водородсодержащих примесей, например в микрореакторах.

Изобретение относится к технологии получения покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано при изготовлении деталей энергетических и химических установок, обладающих повышенной жаростойкостью.
Изобретение относится к управлению трением в парах трения и может найти широкое применение в различных отраслях, таких как станкостроение, транспортное машиностроение, приборостроение и других.

Изобретение относится к методам нанесения маркировок прямого нанесения (МПН) непосредственно на маркируемый предмет. Способ защиты сформированной на поверхности изделия маркировки прямого нанесения (МПН) от внешнего воздействия при эксплуатации включает нанесение на МПН защитного покрытия в виде по меньшей мере одной защитной пленки на полимерной основе, при этом в качестве материала защитной пленки используют защитную композицию, содержащую смесь органических растворителей в количестве 50-55% общей массы защитной композиции, смесь акриловых полимеров в количестве 40-45% общей массы защитной композиции, коалесцент в количестве до 2,5% общей массы композиции в виде бутилгликольацетата, менее 0,3% общей массы композиции каждого из целлюлозного загустителя, пеногасителя, биоцида, не более 20% общей массы защитной композиции добавки, обладающей защитными свойствами, в виде красителя, флуоресцентного пигмента или наполнителя, рассеивающего свет в виде мелкодисперсных фракций мела, окиси титана или сульфата бария.

Изобретение относится к области машиностроения, а в частности к обработке металлических листов с целью обеспечения их жесткости. В способе обеспечения жесткости металлического листа посредством локального переплава механической и химической обработкой подготавливают металлический лист необходимых размеров в диапазоне (Д×Ш×Т) 300×100×2 мм до 3000×1500×12 мм из перлитных, бейнитных или мартенситных закаливающихся сталей марок 30ХГСА, 35ХГСА и прочих.

Изобретение относится к области металлургии. Для улучшения эксплуатационных свойства режущего инструмента и деталей проводят химико-термическую обработку деталей в условиях акустического резонансного воздействия потоком сжатого воздуха путем нагрева до температуры от 150 до 450 С° и охлаждения деталей в газовой смеси, состоящей из воздуха и газообразных химических реагентов, при этом нагрев и охлаждение деталей осуществляют в резонаторной камере при давлении 1.5-4.5 атм и воздействии на детали циркулирующим потоком сжатого воздуха на резонансной частоте в диапазоне 500-5000 Гц, а концентрация газовых компонент по отношению к воздушной среде в камере составляет: по водороду: от 2 до 2.5%, по метану: от 10 до 25%, по азоту: от 15 до 25%, по аммиаку: от 15 до 45%.

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к термической обработке горячекатаного рулонного проката из легированных доэвтектоидных сталей типа 50ХГФА, предназначенного для изготовления нажимных пружин сцепления.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству бесшовного трубного изделия, и может быть использовано в нефтяных и газовых скважинах. Бесшовное трубное изделие нефтегазопромыслового сортамента в виде трубки или трубы из высокопрочной нержавеющей стали имеет состав, мас.%: С 0,05 или менее, Si 0,5 или менее, Mn от 0,15 до 1,0, P 0,030 или менее, S 0,005 или менее, Сr от 15,5 до 17,5, Ni от 3,0 до 6,0, Мо от 1,5 до 5,0, Cu 4,0 или менее, W от 0,1 до 2,5, N 0,15 или менее, и остальное состоит из Fe и случайных примесей.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения высокой твердости в сочетании с высокой пластичностью предложен способ формирования и обработки стального изделия из высокопрочного и высокопластичного сплава, в частности, предназначенного для использования в качестве броневой плиты.
Изобретение относится к металлургии и машиностроению и может быть использовано для термической обработки сталей. Для повышения срока службы деталей машин и инструмента, изготовленных из легированных, низколегированных и углеродистых сталей, выполняют по меньшей мере два цикла нагрева под закалку до температуры гомогенизации аустенита и охлаждения со скоростью, обеспечивающей мартенситное превращение, и отпуск с нагревом со скоростью выше 50°С/сек до температуры не выше Ac1, причем в первом цикле нагрев осуществляется до температуры аустенизации с выдержкой до полной гомогенизации аустенита, во втором и последующих циклах осуществляется высокоскоростной нагрев под закалку со скоростью 50°С/сек без выдержки до температуры, обеспечивающей гомогенизацию аустенита, температура отпуска в каждом последующем цикле ниже, чем предыдущем.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при термообработке ответственных деталей верхнего строения пути: рельсов, остряковых и рамных рельсов.

Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано при получении износостойких покрытий на деталях из углеродистых и низколегированных сталях, работающих в условиях абразивного износа.

Изобретение относится к способу лазерного упрочнения полой металлической заготовки. Посредством локального переплава, механической и химической обработкой подготавливают заготовку необходимых размеров в диапазоне (длина×радиус×толщина) от 100×10×2 мм до 1000×1000×12 мм из перлитных, бейнитных или мартенситных закаливающихся сталей марок 30ХГСА, 35ХГСА и пр.

Изобретение относится к устройству ввода газа в тяжелый жидкий металл. Устройство состоит из электродвигателя (12), магнитной муфты (6), вала (1), заборной и рабочей частей устройства, корпуса (5) с отверстиями (9), нижнего вращающегося (2) и верхнего неподвижного (7) диска, кожуха (4), побудителя расхода (10) тяжелого жидкого металла, опорного узла вала (8) с, по меньшей мере, одним каналом (3).
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в машиностроительной и радиотехнической промышленности. Техническим результатом изобретения является упрощение и сокращение процесса закалки и улучшение экологии. Для достижения технического результата длинномерные тонкостенные детали толщиной до 10 мм из стали 12Х2НВФА (ЭИ712) в верхней их части вертикально подвешивают на приспособление – консоль для формирования садки. Садку помещают в печь шахтного типа и нагревают до температуры аустенизации 910-930°C, по достижении прогрева садку перемещают из печи в кабину охлаждения, где в верхней части установлена вытяжная вентиляция, обеспечивающая управляемый ламинарный относительно деталей воздушный поток, направленный снизу вверх, с расходом не менее 0,45 м3/с, а в нижней выполнены вырезы для забора воздуха. 1 з.п. ф-лы.

Настоящее изобретение относится к металлургии, а именно к способам упрочняющей обработки окончательно изготовленных стальных деталей машин и инструментов без изменения их первоначальных размеров и структуры. Способ упрочнения поверхности стального инструмента включает предварительную подготовку поверхности стального инструмента, гидрохимческую обработку упомянутого стального инструмента в среде на основе компонента, образующего на стальной поверхности упрочняющую фазу и окончательный нагрев. Гидрохимическую обработку проводят в течение 40-100 мин в кипящей вододисперной щелочной среде, содержащей компонент, образующий на стальной поверхности нанооксидную упрочняющую фазу, в виде нанооксида с концентрацией 0,5-50 гл и поверхностно-активное вещество в виде глицерина с концентрацией 0,5-50 гл с добавкой водного аммиака, а окончательный нагрев стального инструмента проводят в воздушной атмосфере при температуре 140-200°С. В частных случаях осуществления изобретения в качестве упомянутого компонента кипящей вододисперной щелочной среды используют нанооксид олова, марганца, кремния, свинца, кобальта, никеля, алюминия, молибдена, цинка, сурьмы, ванадия, висмута, бора, бериллия, циркония, железа, хрома, вольфрама, титана или меди. В обрабатываемых инструментах обеспечивается композиционная структура при реализации двойственного характера упрочнения, причем на поверхности осаждается нанооксидное твердосмазочное покрытие с очень низким коэффициентом трения и в подслое формируется зона повышенных напряжений сжатия, сравнимых с уровнем напряжений, получаемых методами поверхностной пластической деформации, что существенно повышает работоспособность быстроизнашиваемых стальных изделий и инструментов. 1 з.п. ф-лы, 1табл., 1 пр.

Наверх