ИНСТРУМЕНТ ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ Р6М5 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 Р18 [1]. Недостатком инструмента, изготовленного 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.

Наиболее близким к заявляемому инструменту является инструмент, изготовленный из быстрорежущей вольфрамомолибденовой стали марки Р6М5 [2]. Быстрорежущая сталь Р6М5 лишена недостатков быстрорежущей стали Р18. Однако в случае тяжелых условий резания ее прочность также является недостаточной.

Заявляемое изобретение направлено на увеличение прочности и уменьшение хрупкости основного компонента быстрорежущей стали Р6М5 - феррита α-Fe и, тем самым, на увеличение срока службы инструмента, изготовленного из нее.

Указанный результат достигается тем, что в инструменте, изготовленном из быстрорежущей стали Р6М5, содержащей в качестве основного компонента феррит α-Fe, легированный хромом, вольфрамом и молибденом, средний размер блоков α-Fe составляет не более 47 нм, а микродеформации α-Fe составляют не более 5,2·10^-3.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:

- выбор в качестве интервала средних размеров блоков феррита α-Fe, легированного хромом, вольфрамом и молибденом, полуоткрытого интервала, ограниченного сверху средним размером, равным 47 нм;

- выбор в качестве верхнего предела интервала средних размеров блоков феррита α-Fe среднего размера, равного 47 нм;

- выбор в качестве интервала микродеформаций кристаллической решетки α-Fe полуоткрытого интервала, ограниченного сверху величиной микродеформаций, равной 5,2·10^-3;

- выбор в качестве верхнего предела интервала микродеформаций кристаллической решетки α-Fe величины микродеформаций, равной 5,2·10^-3.

Экспериментально установлено, что средний размер блоков феррита α-Fe, реализуемый в заявляемом изобретении и равный от 44 до 47 нм, составляет 64,45-68,45% от среднего размера блоков феррита в базовом инструменте, что означает увеличение поверхностной энергии границ блоков [3] основного компонента - α-Fe быстрорежущей стали Р6М5 в 1,45-1,55 раза. Поскольку предел текучести обратно пропорционален корню квадратному из среднего размера блоков [4], прочность основного компонента - α-Fe быстрорежущей стали Р6М5 возрастает на 20-20,5%.

Средние размеры блоков α-Fe, равные от 44 до 47 нм, являются минимально достижимыми под воздействием ионизирующей радиации в условиях наших опытов. Средние размеры блоков, большие 47 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 величина микродеформаций кристаллической решетки α-Fe, реализуемая в заявляемом изобретении, составляет от 4,9·10^-3 до 5,2·10^-3, что на 5-10% меньше величины микродеформаций в базовом инструменте. Это означает уменьшение хрупкости основного компонента быстрорежущей стали Р6М5.

Величина микродеформаций кристаллической решетки α-Fe, изменяющаяся от 4,9·10^-3 до 5,2·10^-3, является минимально достижимой под воздействием ионизирующей радиации в условиях наших опытов. Микродеформации, большие 5,2·10^-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.

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 Р6М5 и образцы из стали Р6М5, подвергнутые радиационной обработке, исследовались методом рентгеновской дифрактометрии. Параметры тонкой кристаллической структуры - средний размер блоков (кристаллитов) D и микродеформации кристаллической решетки основного компонента быстрорежущей стали Р6М5 - феррита α-Fe, легированного хромом, вольфрамом и молибденом, 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 экспериментов представлены в таблице.

Из таблицы ясно, что, благодаря радиационной обработке, в основном компоненте быстрорежущей стали Р6М5 - феррите α-Fe средний размер блоков уменьшается в среднем в полтора раза. Поскольку предел текучести материала обратно пропорционален корню квадратному из среднего размера блоков [4], то очевидно, что радиационная обработка в среднем на 20,2% увеличивает прочность основного компонента быстрорежущей стали Р6М5.

Из таблицы ясно также, что в фазе α-Fe облучение уменьшает микродеформации на облученной поверхности на 10,3%, а на необлученной поверхности на 5,2%. 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 уменьшилась в среднем на 14,8%. Поэтому хрупкость инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали Р6М5, безусловно уменьшается после облучения, хотя точную оценку величины уменьшения трудно дать исходя из представленных данных.

Размер блоков D и микродеформации ε кристаллической решетки основного компонента быстрорежущей стали Р6М5 - феррита α-Fe, легированного хромом, вольфрамом и молибденом в необлученном образце и образцах, подвергнутых воздействию проникающей радиацииПараметр кристаллической структурыНеоблученный образецОблученные образцыОблученные поверхностиНеоблученные поверхностиD, нм68,444,146,8ε·10³5,434,875,15

Необходимо отметить, что из таблицы 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 Р6М5. 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 Р6М5 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.348-361.

2. Геллер Ю.Г. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1968. - 568 с. - С.362-368 (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 Российской Федерации №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 Российской Федерации №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 Российской Федерации №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 изготовлен из быстрорежущей стали Р6М5, содержащей в качестве основного структурного компонента феррит α-Fe, легированный хромом, вольфрамом и молибденом. Средний размер блоков α-Fe составляет не более 47 нм, а микродеформации кристаллической решетки α-Fe составляют не более 5,2·10^-3. Увеличивается прочность и уменьшается хрупкость феррита α-Fe. Увеличивается срок службы инструмента. 1 табл.

Инструмент, выполненный из быстрорежущей стали Р6М5, содержащей в качестве основного структурного компонента феррит α-Fe, легированный хромом, вольфрамом и молибденом, отличающийся тем, что средний размер блоков α-Fe составляет не более 47 нм, а величина микродеформации кристаллической решетки α-Fe составляет не более 5,2·10^-3.