СПОСОБ ОБРАБОТКИ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ Российский патент 2006 года по МПК C21D9/22 

Изобретение относится к термомеханической обработке металлов, в частности к обработке металлов давлением, и может быть использовано в инструментальной промышленности для получения заготовок инструмента из быстрорежущей стали и других сталей этой группы (Р6М5, Р6М5Ф3, 10РМ5Ф3, 10Р6М5-МП, Р6М5К5, Р6АМ5, Р6АМ5Ф).

Известен способ обработки быстрорежущей стали, включающий отжиг, нагрев до температуры деформации и пластическую деформацию, при этом отжиг осуществляют путем термоциклирования через точку A_c1, a деформацию осуществляют в изотермическом режиме при температуре 880-920°С со степенью 40-50% и скоростью 10^-4-10^-10 с^-1 (а.с. №1502636, МПК³ С 21 D 9/22, 1987 г.).

Недостатком известного способа является высокая энергоемкость процесса, наличие последующего смягчающего отжига заготовок, невысокая стойкость деформирующего инструмента, окисление и потери металла на повышенные допуски, снижающие коэффициент использования металла.

Наиболее близким (прототипом) к предложенному изобретению по технической сущности является способ обработки быстрорежущей стали, включающий нагрев до температуры деформации и пластическую деформацию в изотермическом режиме со скоростью 10^-4-10^-1 с^-1, в процессе метастабильного фазового перехода при температуре 760-770°С с предельной степенью деформации 92% (Б.И. №35, 20.12.2003 г., 2219255).

Недостатком известного изобретения является недостаточно высокий коэффициент использования металла, невысокая износостойкость инструмента.

Задачей предложенного изобретения является повышение коэффициента использования металла, увеличение износостойкости инструмента.

Способ обработки быстрорежущей стали, включающий нагрев до температуры деформации и пластическую деформацию в изотермическом режиме со скоростью деформации 10^-3-10^-1 с^-1, осуществляется при температуре 825-835°С в процессе неравновесного фазового перехода, а затем при температуре 760-770°С.

На чертеже показаны линии равных значений относительного удлинения стали Р6М5 при испытаниях на растяжение при разных температурах и скоростях деформации. Анализ математических моделей позволяет выявить закономерности развития исследуемых процессов. При всех исследованных скоростях деформации сопротивление деформированию сталей Р6М5 при повышении температуры снижается, достигает минимума вблизи температуры фазового перехода, а затем возрастает. Из анализа проведенного после исследований ясно, что в стали Р6М5 выявлены четкие области пластичности. Так, при температуре 760-770°С сталь проявляет пластичность, измеряемую относительным удлинением, которая не превышает 90% при скоростях деформации 10^-3 с^-1. Поверхность пластичности ограничена линиями равных значений относительного удлинения.

Необходимо отметить, что при температурах выше 770°С и ниже 760°С максимальная пластичность исследуемых образцов на 30-40% ниже максимальной, что ограничивает их практическое применение, т.к. снижается ресурс деформационной способности стали, что не позволяет получать заготовки сложной формы за малое число переходов. Аналогичная поверхность пластичности, полученная при растяжении стали Р6М5 представлена на чертеже в области температур 820-840°С и скоростей деформации 10^-4-10^-3 с^-1. При температурах 835°С и скоростях деформации 10^-4 с^-1 расположена узкая область максимального проявления эффекта сверхпластичности стали, ограниченная линиями равной пластичности δ=107%. Результаты исследований, представленные на чертеже, получены экспериментально с использованием оптимального планирования, статистической обработки экспериментальных данных и математического моделирования процессов изотермического деформирования и сверхпластичности.

По синтезированным точным D оптимальным планам экспериментов в каждой исследуемой точке факторного пространства температурно-скоростного поля, представленного на чертеже, проводили по 3-4 эксперимента на растяжение и сжатие образцов из стали Р6М5 при различных скоростях и температурах. Затем данные экспериментов обрабатывали по программе регрессионного анализа. Получали адекватные математические модели зависимости критериев процесса от факторов. Проводили контрольные эксперименты, строили графические зависимости исследуемых критериев. Устанавливали закономерности их изменения в температурных скоростных полях и определяли условия проявления эффекта сверхпластичности.

Данные, приведенные на чертеже, имеют важное прикладное значение, так как они определяют границы проявления эффекта сверхпластичности и являются основой для создания базы данных изменения пластичности в сопряженных температурных и скоростных полях.

Способ обработки быстрорежущей стали заключается в следующем. Сначала заготовку нагревают до температуры 830°С, выдерживают до полного нагрева заготовки, затем осуществляют пластическую деформацию в изотермическом режиме со скоростью 10^-3 с^-1 при температуре 830°С со степенью деформации до 60%. Пластическую деформацию проводят в два этапа: заготовку переносят в другой штамповый блок с температурой 760-770°С, выдерживают ее и деформируют при этой температуре в изотермическом режиме со степенью деформации до 40%.

Первая деформация позволяет осуществить формоизменение, а вторая - деформирование при высоких сопротивлениях, обеспечивая насыщение материала (стали Р6М5) дефектами структуры, упрочняя его, что повышает механические и эксплуатационные свойства инструмента, изготовленного из этой стали.

На заготовку из стали Р6М5 перед нагревом наносят защитно-смазочное покрытие из стеклографитовой смеси для защиты от обезуглероживания, окисления и смазки при пластической деформации в нагретом состоянии.

В таблице 1 представлены общие сведения, т.е. полученные данные и отражены данные прототипа.

Пример 1.

Проводили изготовление дисковых резаков из стали Р6М5 ГОСТ 19265-73 в состоянии после отжига с исходной твердостью НВ 250, пределом прочности δ_в=770 МПа и относительным удлинением δ=15%.

Заготовки диаметром 16 мм и высотой 22 мм с защитно-смазочным покрытием, нанесенным на них и подвергнутым сушке, нагревали в камерной электрической печи до 750°С. Затем нагретые заготовки переносили в изотермический штамп с температурой 750°С и деформировали в изотермических условиях со скоростью 10^-3 с^-1 и со степенью деформации 75% в штамповом блоке, который изготовлен из жаропрочного никелевого сплава ЖС-6К, установленном на гидравлическом прессе усилием 400 кН. При степени деформации Σ<75% на боковой поверхности образца появляются трещины и происходит нарушение сплошности материала и разрушение образца.

Пример 2.

Проводили изготовление дисковых резаков из стали Р6М5 ГОСТ 19265-73 в состоянии после отжига с исходной твердостью НВ 250, пределом прочности δ_в=770 МПа и относительным удлинением δ=15%.

Заготовки диаметром 16 мм и высотой 22 мм с защитно-смазочным покрытием, нанесенным на них и подвергнутым сушке, нагревали в камерной электрической печи до 765°С. Затем нагретые заготовки переносили в изотермический штамп с температурой 765°С и деформировали в изотермических условиях со скоростью 10^-3 с^-1 со степенью деформации до 92% в штамповом блоке, изготовленном из жаропрочного никелевого сплава ЖС-6К, установленном на гидравлическом прессе усилием 400 кН. При этом не происходит разрушение образца, и образование трещин на боковой поверхности заготовки дисковых резаков из стали Р6М5. После деформирования заготовка имеет твердость НВ 247, не превышающую исходную.

Пример 3.

Проводили изготовление дисковых резаков из стали Р6М5 ГОСТ 19265-73 в состоянии после отжига с исходной твердостью НВ 250 пределом прочности δ_в=770 МПа и относительным удлинением δ=15%.

Заготовки диаметром 16 мм и высотой 22 мм с защитно-смазочным покрытием, нанесенным на них и подвергнутым сушке, нагревали в камерной электрической печи до 790°С. Затем нагретые заготовки переносили в изотермический штамп с температурой 780°С и деформировали в изотермических условиях со скоростью 10^-3 с^-1 в штамповом блоке, изготовленном из жаропрочного никелевого сплава ЖС-6К, установленном на гидравлическом прессе усилием 400 кН. При этом степень деформации не превышала 70-75% из-за нарушения сплошности материала образца и его разрушения.

Пример 4.

Проводили изготовление дисковых резаков из стали Р6М5 ГОСТ 19265-73 в состоянии после отжига с исходной твердостью НВ 250, пределом прочности δ_в=770 МПа и относительным удлинением δ=15%.

Заготовки диаметром 16 мм и высотой 22 мм с защитно-смазочным покрытием, нанесенным на них и подвергнутым сушке, нагревали в камерной электрической печи до 800°С. Затем нагретые заготовки подавали в изотермический штамп с температурой 800°С и деформировали в изотермических условиях со скоростью 10^-3 с^-1 со степенью деформации до 60% в штамповом блоке, изготовленном из жаропрочного никелевого сплава ЖС-6К, установленном на гидравлическом прессе усилием 400 кН. Затем заготовку переносили в изотермический штамп с температурой 750°С и деформировали в изотермических условиях со скоростью деформации 10^-3 с^-1 со степенью деформации до 40%. При этом образуются трещины на боковой поверхности заготовки дисковых резаков из стали Р6М5. После деформирования заготовка имеет твердость НВ 247, не превышающую исходную.

Пример 5.

Проводили изготовление дисковых резаков из стали Р6М5 ГОСТ 19265-73 в состоянии после отжига с исходной твердостью НВ 250, пределом прочности δ_в=770 МПа и относительным удлинением δ=15%.

Заготовки диаметром 16 мм и высотой 22 мм с защитно-смазочным покрытием, нанесенным на них и подвергнутым сушке, нагревали в камерной электрической печи до 830°С. Затем нагретые заготовки подавали в изотермический штамп с температурой 830°С и деформировали в изотермических условиях со скоростью 10^-3 с^-1 со степенью деформации до 60% в штамповом блоке, изготовленном из жаропрочного никелевого сплава ЖС-6К, установленном на гидравлическом прессе усилием 400 кН. Затем заготовку переносили в изотермический штамп с температурой 765°С и деформировали в изотермических условиях со скоростью деформации 10^-3 с^-1 со степенью деформации до 40%. При этом не происходит разрушение образца и образование трещин на боковой поверхности заготовки дисковых резаков из стали Р6М5. После деформирования заготовка имеет твердость НВ 247, не превышающую исходную. Стойкость металлорежущего инструмента, изготовленного из таких деформированных заготовок, до 2 раз выше, чем при других режимах.

Пример 6.

Проводили изготовление дисковых резаков из стали Р6М5 ГОСТ 19265-73 в состоянии после отжига с исходной твердостью НВ 250, пределом прочности δ_в=770 МПа и относительным удлинением δ=15%.

Заготовки диаметром 16 мм и высотой 22 мм с защитно-смазочным покрытием, нанесенным на них и подвергнутым сушке, нагревали в камерной электрической печи до 840°С. Затем нагретые заготовки подавали в изотермический штамп с температурой 840°С и деформировали в изотермических условиях со скоростью 10^-3 с^-1 со степенью деформации до 60% в штамповом блоке, изготовленном из жаропрочного никелевого сплава ЖС-6К, установленном на гидравлическом прессе усилием 400 кН. Затем заготовку переносили в изотермический штамп с температурой 780°С и деформировали в изотермических условиях со скоростью деформации 10^-3 с^-1 со степенью деформации до 40%. При этом образуются трещины на боковой поверхности заготовки дисковых резаков из стали Р6М5. После деформирования заготовка имеет твердость НВ 247, не превышающую исходную.

По сравнению с существующим способом предлагаемый имеет ряд преимуществ.

1. Более широкая температурная область сверхпластичности, чем при 835°С, что не требует дорогостоящих высокоточных регулирующих пирометров.

2. Более низкая температура процесса на 70°С ниже существующего, что снижает энергоемкость и скорость образования окалины.

3. Практическое отсутствие обезуглероживания получаемой заготовки.

4. После формообразования заготовка имеет твердость 240 НВ, не требует подготовки структуры перед закалкой и хорошо обрабатывается резанием.

5. Более высокая стойкость инструмента за счет упрочнения материала путем деформирования при 765°С и повышение структурных и механических характеристик стали Р6М5.

6. Меньшее усилие деформирования.

7. Использование технологий изотермического и сверхпластического деформирования позволяет снизить вредное воздействие на природную среду за счет уменьшения объемов выбросов, сопровождающих технологические процессы.

8. При этом повышение экономии дорогостоящих быстрорежущих сталей и дефицитных легирующих добавок: ванадия, молибдена, хрома и особенно стратегического элемента - вольфрама позволяет отнести процессы обработки давлением с использованием эффекта сверхпластичности к процессам рационального природопользования.

Таблица 1Способ обработки заготовкиИнтервал термоциклирования, °ССтепень деформации, %Температура деформации, с^-1Скорость деформации, с^-1Балл карбиднойВнешний вид заготовокДлина пути резания канавки на деталях из ст 18 ЮА готовым инструментом, мИзвестный (прототип)Процесс термоциклирования отсутствует9079010^-12Трещины на боковой поверхности-9079010^-32То же-9079510^-31-2Трещин нет127207579510^-41-2То же11206579510^-31-2-"-114006079510^-12-"-103104581010^-12-"-146805082010^-22-1-"-153907582010^-41-2-"-181006583010^-31-2-"-171909582510^-11-2Трещины на боковой поверхности Предлагаемый способПроцесс термоциклирования отсутствует7075010^-31-2Трещины на боковой поверхности-9276510^-31-2 175007578010^-31-2Трещины на боковой поверхности122006080010^-31-2Трещины на-40750  боковой поверхности 6083010^-31-2Трещин нет1910040765    60
40840
78010^-31-2Трещины на боковой поверхности-

Изобретение относится к области инструментальной промышленности, в частности к обработке материалов давлением. Для повышения коэффициента использования металла, увеличения износостойкости инструмента заготовку из стали Р6М5 нагревают до 830°С и деформируют в изотермическом режиме со скоростью 10^-3 с^-1 со степенью деформации 60%, затем заготовку подвергают деформации при 765°С со скоростью 10^-3 с^-1 со степенью деформации 40%. Стойкость инструмента, изготовленного из деформированных заготовок, согласно изобретению в 2 раза выше стойкости инструмента, изготовленного по известному способу. 1 ил., 1 табл.

Способ обработки быстрорежущей стали, включающий нагрев до температуры деформации и пластическую деформацию в изотермическом режиме со скоростью деформации 10^-3-10^-1 c^-1 в процессе метастабильного перехода при 760-770°С с заданной степенью деформации, отличающийся тем, что предварительно осуществляют пластическую деформацию при 825-835°С со степенью деформации до 60%, а затем - при 760-770°С со степенью деформации до 40%.