ИНСТРУМЕНТ ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ Р18 Российский патент 2007 года по МПК B23D13/00 B23B27/00 B23B51/00 B23C5/00 B23G5/00 C21D1/09 C21D9/22 C22C38/24 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для холодной и горячей механической обработки различных материалов, преимущественно металлов и их сплавов, и может быть выполнено в виде различного типа резцов, фрез, сверл, метчиков и т.д.

Известен инструмент, изготовленный из быстрорежущей вольфрамовой стали Р9 [1]. Недостатком инструмента, изготовленного из стали Р9, является ухудшение шлифуемости: возникновение при шлифовании прижогов и налипания обрабатываемого металла на инструмент.

Наиболее близким к заявляемому инструменту является инструмент, изготовленный из быстрорежущей вольфрамовой стали Р18 [2]. Недостатком инструмента из стали Р18 является большое содержание карбидов в стали, что приводит к меньшим значениям прочности и пластичности по сравнению со сталями с меньшим содержанием вольфрама.

Заявляемое изобретение направлено на увеличение прочности и уменьшение хрупкости компонентов быстрорежущей стали Р18 и тем самым на увеличение срока службы инструмента, изготовленного из нее.

Указанный результат достигается тем, что в инструменте, изготовленном из быстрорежущей стали Р18, содержащей феррит α-Fe, легированный хромом и вольфрамом, и карбид быстрорежущей стали Fe₃W₃C, средний размер блоков α-Fe составляет не более 42 нм, Fe₃W₃C - не более 32 нм, микродеформации α-Fe составляют не более 4.7·10^-3, Fe₃W₃С - не более 6,5·10⁴.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:

- выбор в качестве интервала средних размеров блоков феррита α-Fe, легированного хромом и вольфрамом, полуоткрытого интервала, ограниченного сверху средним размером 42 нм;

- выбор в качестве верхнего предела интервала средних размеров блоков феррита α-Fe среднего размера, равного 42 нм;

- выбор в качестве интервала средних размеров блоков карбида быстрорежущей стали Fe₃W₃C полуоткрытого интервала, ограниченного сверху средним размером 32 нм;

- выбор в качестве верхнего предела интервала средних размеров блока карбида Fe₃W₃С среднего размера, равного 32 нм;

- выбор в качестве интервала величины микродеформаций кристаллической решетки α-Fe полуоткрытого интервала, ограниченного сверху 4,7·10^-3;

- выбор в качестве верхнего предела интервала микродеформаций кристаллической решетки a-Fe величины микродеформаций, равной 4.7·10^-3;

- выбор в качестве интервала величины микродеформаций кристаллической решетки карбида Fe₃W₃С полуоткрытого интервала, ограниченного сверху 6,5·10^-4;

- выбор в качестве верхнего предела интервала микродеформаций кристаллической решетки Fe₃W₃С величины микродеформаций, равной 6,5·10^-4.

Экспериментально установлено, что средний размер блоков феррита α-Fe, реализуемый в заявляемом изобретении и равный от 40 до 42 нм, почти вдвое меньше среднего размера блоков феррита в базовом инструменте, что означает увеличение поверхностной энергии границ блоков [3] почти в 2 раза. Поскольку предел текучести обратно пропорционален корню квадратному из среднего размера блоков [4], то прочность основного компонента - α-Fe быстрорежущей стали Р18 возрастает приблизительно на 40%.

Средние размеры блоков α-Fe, равные от 40 до 42 нм, являются минимально достижимыми под воздействием ионизирующей радиации в условиях наших опытов. Средние размеры блоков, большие 42 нм и реализуемые при других режимах ионизирующей радиации, приводят к меньшему увеличению прочности по сравнению с базовым инструментом. Поэтому применение их в заявляемом инструменте нецелесообразно. Вполне вероятно, что при других условиях облучения удастся реализовать меньшие значения среднего размера блоков α-Fe. Поэтому в изобретении нижний предел средних размеров блоков α-Fe не ограничен.

Экспериментально установлено, что средний размер блоков карбида быстрорежущей стали Fe₃W₃С, реализуемый в заявляемом изобретении и изменяющийся от 26 до 32 нм, вдвое меньше среднего размера блоков Fe₃W₃С, в базовом инструменте, что означает увеличение поверхностной энергии границ блоков [3] в 2 раза. Поскольку предел текучести обратно пропорционален корню квадратному из среднего размера блоков [4], то прочность этого компонента быстрорежущей стали Р18 возрастает на 40%. Средние размеры блоков Fe₃W₃C, равные от 26 до 32 нм, являются минимально достижимыми под воздействием ионизирующей радиации в условиях наших опытов. Средние размеры блоков, большие 32 нм и реализуемые при других режимах ионизирующей радиации, приводят к меньшему увеличению прочности по сравнению с базовым инструментом. Поэтому применение их в заявляемом инструменте нецелесообразно. Вполне вероятно, что при других условиях облучения удастся реализовать меньшие значения среднего размера блоков Fe₃W₃С. Поэтому в изобретении нижний предел средних размеров блоков Fe₃W₃C не ограничен.

Экспериментально установлено, что величина микродеформаций кристаллической решетки α-Fe, реализуемая в заявляемом изобретении и равная 4,6÷4,7·10^-3, на 17% меньше величины микродеформаций в базовом инструменте, что означает уменьшение хрупкости основного компонента быстрорежущей стали Р18.

Величина микродеформаций кристаллической решетки α-Fe, равная (4,6-4,7)·10^-3, является минимально достижимой под воздействием ионизирующей радиации в условиях наших опытов. Микродеформации, большие 4.7·10^-3 и реализуемые при других режимах ионизирующей радиации, приводят к меньшему уменьшению хрупкости по сравнению с базовым инструментом. Поэтому применение их в заявляемом инструменте нецелесообразно. Вполне вероятно, что при других условиях облучения удастся реализовать меньшие значения микродеформаций α-Fe. Поэтому в изобретении нижний предел микродеформаций α-Fe не ограничен.

Экспериментально установлено, что величина микродеформаций кристаллической решетки карбида быстрорежущей стали Fe₃W₃C, реализуемая в заявленном изобретении и равная от 4,5·10^-4 до 6,5·10^-4, в несколько раз меньше микродеформаций Fe₃W₃C в базовом инструменте, что означает также и уменьшение хрупкости карбидной фазы быстрорежущей стали Р18 в несколько раз.

Значения микродеформаций кристаллической решетки Fe₃W₃С, от 4,5·10^-4 до 6,5·10^-4 являются минимально достижимыми под воздействием ионизирующей радиации в условиях наших опытов. Микродеформациии, большие 6,5·10^-4 и реализуемые при других режимах ионизирующей радиации, приводят к меньшему уменьшению хрупкости по сравнению с базовым инструментом. Поэтому применение их в заявляемом инструменте нецелесообразно. Вполне вероятно, что при других условиях облучения удастся реализовать меньшие значения микродеформаций Fe₃W₃С. Поэтому в изобретении нижний предел микродеформаций Fe₃W₃С не ограничен.

Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Инструмент представляет собой единое целое и не имеет движущихся частей, поэтому работа инструмента не описывается и чертежи, поясняющие работу инструмента, не приводятся.

Проверка достижения заявленного технического результата осуществлялась следующим образом. Базовые образцы из быстрорежущей стали Р18 и образцы из стали Р18, подвергнутые радиационной обработке, исследовались методом рентгеновской дифрактометрии. Параметры тонкой кристаллической структуры - средний размер блоков (кристаллитов) D и микродеформации кристаллических решеток компонентов быстрорежущей стали Р18: феррита α-Fe, легированного хромом и вольфрамом, и карбида быстрорежущей стали Fe₃W₃C определялись при помощи метода, изложенного в работах [3, 5].

Пример.

Образцы цилиндрической формы (диски) диаметром 20 мм и толщиной 5 мм облучались со стороны одного из плоских оснований проникающей радиацией. Образцы, как необлученный (базовый), так и облученные, исследовались методом рентгеновской дифрактометрии. Результаты экспериментом представлены в таблице 1.

Из табл.1 ясно, что благодаря радиационной обработке средние размеры блоков уменьшаются в фазе α-Fe почти в 2 раза, а в фазе Fe₃W₃С - ровно в 2 раза. Поскольку предел текучести материала обратно пропорционален корню квадратному из среднего размера блоков [4], то очевидно, что радиационная обработка на 40% увеличивает прочность компонентов быстрорежущей стали Р18.

Из табл.1 ясно также, что в фазе α-Fe облучение уменьшает микродеформации на обеих плоскостях, как облученной, так и необлученной, приблизительно на 17%. В то же время в фазе Fe₃W₃C на облученной поверхности микродеформации уменьшаются в 2,4 раза, а на необлученной поверхности - в 3,48 раза. Если принять во внимание, что упругая энергия, заключенная в микродеформациях кристаллической решетки, пропорциональна квадрату ε [6], можно сделать вывод, о том, что упругая энергия кристаллической решетки α-Fe в результате облучения уменьшилась на 31%, а упругая энергия кристаллической решетки Fe₃W₃С - в 5,8-12,1 раза. Поэтому хрупкость инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали Р18, безусловно уменьшается после облучения, хотя точную оценку величины уменьшения трудно дать, исходя из представленных данных.

Таблица 1Средний размер блоков D и микродеформации ε кристаллических решеток компонентов быстрорежущей стали марки Р18: феррита α-Fe, легированного хромом и вольфрамом, и карбида быстрорежущей стали Fe₃W₃С в необлученном образце и образцах, подвергнутых воздействию проникающей радиацииПараметр тонкой кристаллической структурыНеоблученный образецОблученные образцыОблученные поверхностиНеоблученные поверхностиα-FeFe₃W₃Cα-FeFe₃W₃Сα-FeFe₃W₃СD, нм76,352,142,431,640,226,0Е·10⁴55,915,6446,76,546,34,5

Необходимо отметить, что из табл.1 следует, кроме того, что эффект от воздействия ионизирующей радиации как на облученной, так и на необлученной поверхностях образцов практически одинаков. Отсюда можно сделать вывод, что по крайней мере до глубины 5 мм ионизирующая радиация оказывает одинаковое воздействие на изменение свойств быстрорежущей стали Р18. Подобные же результаты были получены нами ранее при исследованиях воздействия облучения электронами на сплавы на основе железа и алюминиевые сплавы методом измерения микротвердости [7, 8].

Таким образом, подводя итог сказанному выше, можно утверждать, что срок службы инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали Р18 и подвергнутого воздействию ионизирующей радиации, должен значительно возрасти по сравнению с базовым инструментом.

Источники информации

1. Геллер Ю.Г. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1968. - 568 с. - С.354-355.

2. Геллер Ю.Г. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1968. - 568 с. - С.353. (Прототип)

3. Коршунов А.Б. Аналитический метод определения параметров тонкой кристаллической структуры по уширению рентгеновских линий // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2004. - Т.70, №2. - С.27-32.

4. Миркин Л.И. Физические основы прочности и пластичности. М.: МГУ, 1968. - 540 с.

5. Патент РФ №2234076 от 10.08.2004 г. «Способ определения параметров тонкой кристаллической структуры поликристаллического материала» / Патентообладатель: Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова. Авторы: Коршунов А.Б., Иванов А.Н.

6. Инденбом В.Л. Строение реальных кристаллов. // Современная кристаллография. Т.2. Структура кристаллов. - М.: Наука, 1979. - С.297-341.

7. Патент РФ №2221056 от 10.01.2004 г. «Способ обработки изделий из металлических сплавов на основе железа» / Патентообладатели: ФГУП Научно-исследовательский институт приборов, Коршунов А.Б., Жуков Ю.Н., Голубцов И.В. и др. Авторы: Коршунов А.Б., Жуков Ю.Н., Голубцов И.В. и др.

8. Патент РФ №2225458 от 10.03.2004 г. «Способ обработки алюминиевых сплавов» / Патентообладатели: ФГУП Научно-исследовательский институт приборов, Коршунов А.Б., Жуков Ю.Н., Голубцов И.В. и др. Авторы: Коршунов А.Б., Жуков Ю.Н., Голубцов И.В. и др.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для различного типа резцов, фрез, сверл, метчиков и т.д. Инструмент выполнен из быстрорежущей стали Р18, содержащей феррит α-Fe, легированный хромом и вольфрамом, и карбид быстрорежущей стали Fe₃W₃C. Средний размер блоков α-Fe составляет не более 42 нм, Fe₃W₃C - не более 32 нм, микродеформации кристаллической решетки α-Fe составляют не более 4,7·10^-3, а микродеформации кристаллической решетки Fe₃W₃C - не более 6,5·10^-4. Повышается прочность стали и уменьшается хрупкость компонентов стали. Увеличивается срок службы инструмента. 1 табл.

Инструмент, выполненный из быстрорежущей стали Р18, структура которой содержит феррит α-Fe, легированный хромом и вольфрамом, и карбид быстрорежущей стали Fe₃W₃C, отличающийся тем, что средний размер блоков α-Fe составляет не более 42 нм, а Fe₃W₃C - не более 32 нм, величина микродеформации кристаллической решетки α-Fe составляет не более 4,7·10^-3, а Fe₃W₃C - не более 6,5·10^-4.