СПОСОБ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОХРОМИСТОЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ НА ВТОРИЧНУЮ ТВЕРДОСТЬ Российский патент 2002 года по МПК C21D9/22 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке высокохромистых инструментальных сталей типа Х12М, Х12Ф, и может быть использовано при изготовлении инструментов и деталей машин в машиностроении.

Известен способ термической обработки высокохромистой инструментальной стали на вторичную твердость, включающий нагрев под закалку до температуры 1100-1140^oС и многократный отпуск при температуре 490-530^oС. Нагрев при этой температуре приводит к значительному легированию аустенита за счет растворения первичных карбидов. При многократном отпуске в течение 4-5 раз твердость достигает HRC 59-60 вследствие распада остаточного аустенита и выделения мелкодисперсных карбидов (см. Позняк Л.А., Скрынченко Ю.М., Тишаев С.И. - М. : Металлургия, 1980, с.169).

Однако вследствие чрезмерно высокой легированности аустенита при нагреве под закалку дисперсионное твердение не обеспечивает высокой твердости и износостойкости инструмента. Кроме этого, высокая температура нагрева под закалку сопровождается интенсивным ростом зерна аустенита, вследствие чего сталь приобретает низкие значения прочности и ударной вязкости, приводящие к его низкой эксплуатационной стойкости.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ термической обработки инструментальной стали, включающий многократный нагрев выше A_с1 на 130-170^oС, охлаждение в цикле в расплаве солей до температуры 680-750^oC с выдержкой при этой температуре 3-9 мин, охлаждение в масле после нагрева в последнем цикле с последующим отпуском при температуре 200-400^oС (см. патент РФ 2131469, МПК 6 С 21 D 9/22, 1/78). Этот способ используют преимущественно для изготовления штампованной оснастки холодного деформирования из сталей X12М, Х12Ф1.

Основным недостатком описанного способа для штампов холодного деформирования из сталей Х12М, Х12Ф1 является неудовлетворительная эксплуатационная стойкость из-за низкой вторичной твердости, прочности и износостойкости после отпуска.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе термоциклической обработки высокохромистой инструментальной стали на вторичную твердость, включающем многократный нагрев выше A_С1, охлаждение в цикле в расплаве солей до 680-750^oC с выдержкой при этой температуре, охлаждение в масле после нагрева в последнем цикле с отпуском, многократный нагрев осуществляют выше A_с1 на 250-300^oC с выдержкой 8-10 с на мм сечения, выдержку при охлаждении в цикле в расплаве солей проводят в течение 15-20 с на мм сечения, а отпуск выполняют при температуре 520-540^oC три раза по 1 часу.

Техническим результатом является повышение эксплуатационной стойкости инструмента путем увеличения вторичной твердости, прочности и износостойкости.

Выполнение предлагаемого способа с такими режимами позволяет повысить вторичную твердость, прочность и износостойкость за счет дисперсионного твердения при отпуске. Чередующиеся повторения взаимного растворения - выделения между ферритокарбидной смесью и аустенитом - повышают легированность аустенита хромом, который обеспечивает повышение твердости инструментальной стали при высоком отпуске, образуя карбиды Сr₂₃С₆ и Сr₇С₃. При этом сохраняется мелкое зерно, обеспечивающее высокую прочность инструментальной стали, твердость и износостойкость.

В холодноштамповочном производстве широко применяются высокохромистые стали, в частности X12, Х12Ф1. Присутствие в структуре этих сталей большого количества карбидов хрома обеспечивает, с одной стороны, высокую износостойкость инструмента, а с другой - пониженную прочность, особенно в крупном сечении. Высокая легированность сталей создает устойчивые к растворению карбиды. Многократный нагрев выше A_с1 на 250-300^oC является оптимальным, так как он необходим для увеличения растворения карбидов в аустените и усиления эффекта дисперсионного твердения при высоком отпуске. Температура многократного нагрева выше A_с1 менее чем на 250^oC не обеспечивает растворение карбидной фазы в аустените, а температура многократного нагрева выше A_с1 более чем на 300^oС сопровождается значительным ростом зерна стали, следствием чего является снижение ее прочности и ударной вязкости.

Выдержка до 8-10 с на мм сечения при этом нагреве является оптимальной для полного прогрева изделия. Меньшая выдержка при нагреве недостаточна для растворения хрома в аустените, большая сопровождается ростом зерна.

Охлаждение в расплаве солей в течение 15-20 с мм обеспечивает протекание по всему сечению фазового наклепа и предотвращение выделения карбидной фазы из аустенита.

Выдержка в расплаве солей при охлаждении менее 15 с на мм сечения не обеспечивает протекание фазового наклепа по всему объему изделия, а более 20 с на мм - начинается выделение карбидной фазы из аустенита, которая снижает прочностные характеристики стали.

Многократный нагрев выше A_с1, на 250-300^oС и охлаждение в цикле в расплаве солей до 680-750^oС, определяемое областью наименьшей устойчивости аустенита против распада на феррито-перлитную смесь, формируют свехмелкозернистую структуру зерна стали. Это приводит к повышению прочности стали, а отпуск при температуре 520-540^oС три раза по 1 часу способствует образованию вторичных карбидов типа Сr₂₃С₆ и Сr₇С₃ для хромистых сталей и дисперсионному твердению на максимальную величину твердости, а следовательно, повышению вторичной твердости, прочности и износостойкости инструмента (см. таблицу).

При температуре отпуска меньше 520^oС не происходит вторичного твердения, а при повышении температуры отпуска более 540^oС снижается вторичная твердость вследствие коагуляции карбидов и разупрочнения стали.

Таким образом, повышение вторичной твердости, прочности и износостойкости позволяет повысить эксплуатационную стойкость штампов холодного деформирования.

Способ термоциклической обработки высокохромистой инструментальной стали поясняется таблицей, в которой приведены механические свойства образцов из высокохромистых инструментальных сталей Х12М, Х12Ф1 после стандартной термообработки и термоциклической обработки по предлагаемому способу и способу-прототипу.

Способ термоциклической обработки высокохромистой инструментальной стали осуществляется следующим образом. Образцы из сталей Х12М, Х12Ф1 подогревают в расплаве хлористых солей при 840-860^oC для предотвращения тепловых напряжений при фазовых превращениях. Затем эти образцы переносят в другой расплав хлористых солей с температурой 1080-1100^oС (выше A_с1 на 250-300^oС) с выдержкой 8-10 с на мм сечения образца при этой температуре. После этого образцы охлаждают до температуры 680-750^oС путем переноса в третий расплав смеси хлористых солей с выдержкой 15-20 с на мм сечения при этой же температуре 680-750^oС. Затем их вновь нагревают до 1080-1100^oС (выше A_с1 на 250-300^oС путем переноса во второй расплав солей с выдержкой 8-10 секунд на мм сечения, охлаждают до 680-750^oС путем переноса в третий расплав солей с выдержкой в течение 15-20 с на мм сечения и т.д. После третьего или четвертого (последнего) нагрева выше A_с1 на 250-300^oC с выдержкой 8-10 с на мм сечения образцы охлаждают в масле и выполняют отпуск на вторичную твердость при температуре 520-540^oС три раза по одному часу.

Примеры осуществления способа термоциклической обработки высокохромистой инструментальной стали
Пример конкретного выполнения предлагаемого способа
Образцы из сталей Х12М, Х12Ф1 подогревают в расплаве хлористых солей при 850^oС для предотвращения тепловых напряжений при фазовых превращениях. Затем эти образцы переносят во второй расплав смеси хлористых солей и подвергают нагреву до 1100^oC с выдержкой 8-10 с на мм сечения при этой же температуре 1100^oС. После этого образцы охлаждают до температуры 715^oС путем переноса в третий расплав смеси хлористых солей с выдержкой 15-20 с на мм сечения при этой же температуре 715^oС. Затем их вновь нагревают до 1100^oС путем переноса во второй расплав солей в выдержкой 8-10 с на мм сечения, охлаждают до 715^oC с переносом в третий расплав. Выдерживают при этой же температуре в течении 15-20 с на мм сечения и т.д. Выше описанные нагрев и охлаждение повторяют три раза. После третьего (последнего) цикла нагрева до 1100^oC с выдержкой 9 с на мм сечения образцы охлаждают в масле и выполняют отпуск при температуре 530^oС три раза по 1 ч. Твердость (вторичная) образцов НRС_Э составляет 62.

Для получения сравнительных данных параллельно проводят термическую обработку по стандартной технологии: закалка от 1030^oС и отпуск при 200^oС (см. Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки стали. - М.: Металлургия, 1986, c.364-372).

Пример конкретного выполнения способа-прототипа
Берут образцы из сталей Х12М, Х12Ф1 и подвергают нагреву до 980^oС со скоростью 6-35 град/с в расплаве хлористых солей. Затем их охлаждают до температуры 730^oС путем переноса в другой расплав хлористых солей с выдержкой 3-9 мин. Затем вновь нагревают до 980^oС путем переноса в первый расплав солей, охлаждают до 730^oC с переносом во второй расплав, выдерживают при этой температуре и т.д. После третьего нагрева до 980^oС образцы охлаждают в масле с последующим отпуском при 200^oС.

Результаты исследования приведены в таблице.

Как видно из таблицы, использование предлагаемого способа термоциклической обработки высокохромистой инструментальной стали на вторичную твердость позволяет повысить твердость, прочность при изгибе, ударную вязкость и износостойкость на 20% по сравнению с прототипом.

Таким образом, улучшение комплекса механических свойств позволяет повысить эксплуатационные свойства инструмента.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке высокохромистых инструментальных сталей при изготовлении инструментов и деталей машин. Осуществляют многократный нагрев выше Ас₁ на 250-300^oC с выдержкой 8-10 с на мм сечения, охлаждение в цикле в расплаве солей до 680-750^oC с выдержкой при этой температуре 15-20 с на мм сечения, охлаждение в масле после нагрева в последнем цикле с отпуском. Отпуск выполняют при 520-540^oC три раза по 1 ч. Твердость образцов HRCэ составляет 62. Технический результат: повышение эксплуатационной стойкости инструмента путем увеличения вторичной твердости, прочности и износостойкости. 1 табл.

Способ термоциклической обработки высокохромистой инструментальной стали на вторичную твердость, включающий многократный нагрев выше Ас₁, охлаждение в цикле в расплаве солей до 680-750^oC с выдержкой при этой температуре, охлаждение в масле после нагрева в последнем цикле с отпуском, отличающийся тем, что многократный нагрев осуществляют выше Ас₁ на 250-300^oC с выдержкой 8-10 с на мм сечения, выдержку при охлаждении в цикле в расплаве солей проводят в течение 15-20 с на мм сечения, а отпуск выполняют при 520-540^oC три раза по 1 ч.