Способ обработки инструментальных сталей

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Сфциалиатичесии к

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 170376 (21) 2340845/22-02 (5Ö N. Кл. с присоединением заявки И

С 21 D 1/78

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий (23) Приоритет (83) УД К 6 2 1 . 78 5 ..79(088.8) Опубликовано 050479. Бюллетень лй 13

Дата опубликования описания 0504.79 (72) Авторы изобретении

A.Н. Тарасов и A.Н. Попандопуло (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ

СТАЛЕЙ

Изобретение относится к способам обработки инструментальных сталей, содержащих более 0,3% углерода и легирующие карбидообразующие элементы: хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан, цирконий, бор, марганец, кобальт, кремний, азот .

Оно может быть использовано при изготовлении режущего и штампового инструмента, фильер для волочеиия и высадки, пресс-форм для литья под давлением и т.п.

Известен способ обработки легированных сталей различных классов, в частности быстрорежущих, включающий нитроцементацию при 900-1000 С на глубину 0.,3-0,5 мм до содержания углерода не выше 1,2% и азота до

0,1Ъ и последующую закалку от температуры нитроцементации с отпуском (1) . Нитроцементацию ведут в среде и по режимам, при которых не может образоваться большой избыток карбидов (до 40%).

Закалка от 900 †10"С обеспечивает высокой твердости, теплостойкости и износостойкости слоя, так как в металлической основе растворяется недостаточное количество легирующих элементов и углерода.

Известен также способ изготовления изделий из сталей, содержащих карбидообразующие элементы, путем цементации их до содержания углерода в слое 2,5-4,5% с последующим замедленным охдаждением в печи или иной среде для предотвращения структурных превращений s слое (2). Науглерожи вание до высоких содержаний углерода ведет к образованию крупных глобулярных карбидов, расположенных неравномерно в ocHQBHoA металлической мат" рице, что не позволяет получить высоких механических показателей. С другой стороны, замедленное охлаждение после цементации приводит к обеде нению твердого раствора углеродом и легирующими элементами, при этом сердцевина приобретает пониженную твердость (HRC 25-30). Износостой-. кость полученного слоя достаточна для втулок ° матриц, работающих при контактном износе в абразиве и т.п., но невелика для режущего и штампового инструмента из высоколегированных и быстрорежущих сталей. Если инструмент в последующем подвергнуть обычной закалке, то для соответствующих сталей твердость слоя может быть повышена до 60-64, сердцевины ло

655734

40-58, а красностойкость для быстро- режущих сталей не превышает HRC (620 С, 4 ч) = 48-52. Резкое изменение концентрации углерода и большой ,переходной слой, содержащий до

1,2% С, склонный к росту зерна, ведет к частому образованию трещин из-за высоких растягивающих напряжений при закалке и низкой прочности образующегося мартенсита.

Более высокую износостойкость и теплостойкость поверхностного слоя обеспечивает способ термической обработки быстрорежущих сталей, взятый за прототип, включающий предварительную нитроцементацию, закалку от температуры, на 5-80 С ниже температуры плавления нитроцементованного слоя, с последующим охлаждением сначала в соли r ри температуре,. на 150-200 С выше температуры начала мартенситного превращения сердцевины, в течение

5-30 мин, а затем — в жидком азоте при -196 С, возбуждаемом ультразвуком, а также многократный отпуск (3).

В процессе нитроцементации в стали на глубине 0,2-0,3 мм образуется 25 слой избыточных карбидов (до 50 вес.%), далее следует слой 0,8-1,0 мм с постепенно убывающим содержанием углерода и карбидов, что обеспечивает после закалки и отпуска достаточно высокие 3Q эксплуатационные свойства инструмента, работающет о при относительно невысо-. ких контактных нагрузках и разогреве рабочей поверхности до 600-640 С, но для инструмента, применяемого в условиях кратковременного разогрева до

1000 †12 С,,больших контактных нагрузок и всестороннего сжатия наличие такого слоя не обеспечивает высокой износостойкости, теплостойкости 40 и возможности многократного использования после переточки. При закалке некоторых видов инструмента указанным способом также возможно возникновение трещин переходному слою, связанное с тем, что при сквозном прогреве до температур закалки за время нагрева в переходном слое вырастает зерно аустенита, а при охлаждении образуется крупноигольчатый мартенсит, который непрочен, хрупок, имеет пони- 50 женную шлифуемость. Кроме. того, способ относительно трудоемок, так как связан с дополнительным нагревом под закалку, а также с длительным охлаждением в жидком азоте и дли; 55 тельным многократным отпуском.

, пластичность. При обработке предложенным способом )количество этой эвтек65 тики сокращается, увеличивается дисЦелью изобретения является повыше,ние износостойкости, теплостойкости, уменьшение хрупкости поверхностного слоя и упрощение процесса.

Поставленная цель достигается тем, что при реализации способа обработки сталей, включающего высокотемпературную нитроцементацию, за калку и отпуск, нитроцементацию о осуществляют при 940-980 С в течение

10-16 ч с последующим подстуживаннем до температуры, на 20-60 С выше температуры начала перлитного превращения, и нагревом под закалку до температуры, на 30-50" С выше температуры начала плавления поверхностного слоя.

При длительной (более 12 ч) и высокотемпературной (940-9800C) нитроцементации создаются условия для образования внутри слоя избыточных карбидов на границе карбонитридов и металлической основы первичного ледебурита.Образующийся глубокий слой избыточных карбонитридов и первичной ледебуритной эвтектики g+N С + М„C при последующей закалке обеспечивают образование аустенита с высоким содержанием углерода и легирующих элементов, а при охлаждении — легированного мартенсита. Первичная ледебуритная эвтектика и дисперсные карбиды не только повышают степень легирования твердого раствора при закалке, но и являются основой, для образования

15-25% вторичного ледебурита. Наличие после охлаждения в структуре участков высоколегированного мартенсита, карбидов и вторичной эвтектики повышает теплостойкость слоя.

С другой стороны, избыточные карбиды в слое препятствуют при закалке росту зерна аустенита и образованию сплошной сетки по границам зерен, уменьшают хрупкость слоя за счет образования скрытоигольчатого мартенсита в пределах зерна аустенита. Длительная высокотемпературная нитроцементация позволяет получить слой избыточных карбидов с резким переходом к сердцевине. Переходной слой получается очень тонким — 0,10,3 мм, при кратковременном нагреве под закалку он успевает перегреться, зерно аустенита при этом не превышает 10-11 балла, что обеспечивает высокую вязкость подслоя и исключает образование трещин в нем.

Подстуживание в предложенном способе направлено не только на упрошение процесса но и на подготовку структуры.

В случае отсутствия подстуживания свойства слоя и сердцевины значительно ухудшаются.

Образовавшиеся области вторичного ледебурита (15-25%), равномерно распределенные в слое, в силу наличия в них некоторого количества вязкого аустенита являются своеобразным демпфером в слое, поглощающем напряжения при эксплуатации инструмента в условиях разогрева и знакопеременных нагрузок. Ледебуритная эвтектика, .характерная для литых быстрорежущих сталей, имеет низкую прочность и

655734

ЗО

Формула изобретения

35 итель

Л.Рл персность образующих ее карбидно-аустенитных колоний в пределах слоя избыточчых карбидов, что обеспечивает получение новых качеств — высокой прочности, вязкости, твердости и теплостойкости. Последняя растет из-за большей стойкости против отпуска аустенита, входящего во вторичный ледебурит, большей степени легирования и искажения решетки мартенсита, наличия развитой поверхности ветвис- тых, неравноосных и мелких глобулярных карбидов. Склонность к коагуляции таких карбидов при равных температурах значительно меньше, чем при обработке известными способами. Азот, диффундирующий в сталь в количествах до 0,5%, не только ускоряет диффузию углерода и образование специальных карбидов, но и образует нитриды и карбонитриды в поверхностном слое, дополнительно увеличивающие износостойкость и теплостойкость основной матрицы.

Способ был опробс(ван при обработке различного штампдвого и реяжщего инструментов из сталей

Р12Ф2К8МЗ, Р6МЗ, РбМ5, ЗХ2В8, ЗХ13, 4Х13 и др. Режимы обработки выбирали в зависимости от марки стали, требуемой твердости и условий эксплуатации инструмента.

Пример 1. Матрицы и пуансоны высадочные цельные из стали марки

Р6М5 обрабатывали в печи Ц-25 в продуктах пиролиза карбюризатора, содержащего, Ъ: NH40H 0,4; NaNOg

0,1; NaA(, Oz 0,05; Й О 2, остальное— (с н Он) 1..

Режим обработки. Нитроцементация при 940 С, 12 ч, 120 кап/мин; подстуживание на воздухе до 750 С, нагрев под закалку в соляной ванне (100% Ва CP<) при 1210 С, 30с; охлаждение в солй при 550 С, 4 мин, далее на воздухе. Отпуск 4 ч при 520 С, 3 раза. Образуется поверхностный слой глубиной 0,80 мм, содержащий 64Ъ карбонитридов и 18% вторичного ледебурита. Твердость слоя HRC = 67,568,0 сердцевины HRC = 60-62. Износостойкость инструмента при высадке болтов иэ стали 16ХСН диаметром

7 мм составила 600 мин (420 мин. при обработке известными методами).

Пример 2. Фильеры и втулки иэ стали 3Х13 обрабатывали в печи

Ц-25 в том же карбюризаторе по следующему режиму. Нитроцементация при 950"С, 10 ч, 120 кап/мин, подстуживание на воздухе до 750 С, за.Состав

Редактор Т. Орловская Техрец тем нагрев в вакуумной печи, разогретой до 1180 С, в течение 20 мин с последующим охлаждением в масле. Отпуск при 500 С в течение 1 ч 3 раза.

В результате обработки на глубине

1,1 мм образуется слой, содержащий

61Ъ карбонитридов и 21% вторичного ледебурита. Твердость слоя HRC

65,0-65,5. Испытания проводили при обмазке флюсом электродов из стали

10ХМА, а втулки — при опескоструивании металлическим песком. Износостойкость до полного износа на 20% выше, чем при обработке известными способами.

Пример 3. Обрабатывали прошивки диаметром 14 мм иэ стали

Р12Ф2К8МЗ. Нитроцементировали при

940 С в течение 16 ч, 90 кап/мин.

Подстуживали до 780 С, нагревали под закалку в соли при 1200 С, 15 с, охлаждали при 550 С в соли 4 мин, затем на воздухе. Отпуск при 560 С в течение l ч 3 раза. Твердость слоя

HRC = 69,0-69 5. Толщина слоя избыточных карбонитридов 1,37 мм, содержание карбидов бб вес.Ъ, вторичного ледебурита 24 вес.Ъ. Износостойкость прошивок в 1,2 раза выше, чем обычных иэ стали Р12Ф4К5.

Предложенный способ в сравнении с известными — обеспечивает повыаение теплостойкости на 1,5-2 ед.

HRC и иэносостойкости в 1,2-2 раза.

Способ обработки инструментальных сталей, содержащих карбидообразующие элементы, включающий высокотемпературную нитроцементацию, закалку и отпуск, отличающийся тем, что, с целью повышения иэносостойкости и теплостойкости инструмента, нитроцементацию осуществляют при 940-980 С в течение 10-16 ч с последующим подстуживанием до температуры на 20-60 С выше температуры начала перлитного превращения, и нагревом под закалку до температуры, на 30-50 С выше температуры начала плавления поверхностного слоя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе, l. Авторское свидетельство СССР

Р 223126, кл. С 21 D 1/78, 1968.

2. Авторское свидетельство СССР

9 436892, кл. С 23 С 9/00, 1974.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 533650, кл. С 21 D 9/22, 1976.

Р. Клыкова ферова Корректор О Билак

Заказ 1459/21 Тираж 6 52 Подписное

ЦНИИПИ Государственного, комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4