ИНСТРУМЕНТ ИЗ СТАЛИ Х12МФ 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 вольфрамо-молибденовой стали Р6М5 [1]. Недостатком инструмента, изготовленного из стали Р6М5, является сравнительно малое значение его прочности.

Наиболее близким к заявляемому инструменту является инструмент, изготовленный из безвольфрамовой стали Х12МФ [2]. Инструмент из стали Х12МФ обладает большей прочностью по сравнению с инструментом из стали Р6М5. Однако в случае тяжелых условий механической обработки его прочность также является недостаточной.

Заявляемое изобретение направлено на увеличение прочности и уменьшение хрупкости основного компонента быстрорежущей стали Х12МФ - феррита α-Fe и, тем самым, на увеличение срока службы инструмента, изготовленного из нее.

Указанный результат достигается тем, что в инструменте, изготовленном из стали Х12МФ, содержащей в качестве основного компонента феррит α-Fe, легированный хромом и молибденом, средний размер блоков α-Fe составляет не более 35 нм, а микродеформации α-Fe составляют не более 4,3·10^-3.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:

- выбор в качестве интервала средних размеров блоков феррита α-Fe, легированного хромом и молибденом, полуоткрытого интервала, ограниченного сверху средним размером, равным 35 нм;

- выбор в качестве верхнего предела интервала средних размеров блоков феррита α-Fe среднего размера, равного 35 нм;

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

- выбор в качестве верхнего предела интервала микродеформаций кристаллической решетки α-Fe величины микродеформаций, равной 4,3·10^-3.

Экспериментально установлено, что средний размер блоков феррита α-Fe, реализуемый в заявляемом изобретении и равный от 30 до 35 нм, составляет 21,37-25,02% от среднего размера блоков феррита в базовом инструменте, что означает увеличение поверхностной энергии границ блоков [3] основного компонента - α-Fe стали Х12МФ в 4,0-4,7 раза. Поскольку предел текучести обратно пропорционален корню квадратному из среднего размера блоков [4], прочность основного компонента - α-Fe стали Х12МФ возрастает в 2,0-2,17 раза.

Средние размеры блоков α-Fe, равные от 30 до 35 нм, являются минимально достижимыми под воздействием ионизирующей радиации в условиях наших опытов. Средние размеры блоков, большие 35 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 неограничен.

Экспериментально установлено, что величина микродеформаций кристаллической решетки α-Fe, реализуемая в заявляемом изобретении, составляет от 4,2·10^-3 до 4,3·10^-3, что на 25,7-28,0% меньше величины микродеформаций в базовом инструменте. Это означает уменьшение хрупкости основного компонента стали Х12МФ.

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

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 стали Х12МФ и образцы из стали Х12МФ, подвергнутые радиационной обработке, исследовались методом рентгеновской дифрактометрии. Параметры тонкой кристаллической структуры - средний размер блоков (кристаллитов) D и микродеформации кристаллической решетки основного компонента стали Х12МФ - феррита α-Fe, легированного хромом 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.

Таблица
Размер блоков D и микродеформации ε кристаллической решетки основного компонента стали Х12МФ - феррита α-Fe, легированного хромом и молибденом, в необлученном образце и образцах, подвергнутых воздействию проникающей радиацииПараметр кристаллической структурыНеоблученный образецОблученные образцыОблученные поверхностиНеоблученные поверхностиD, нм139,935,029,9ε·10³5,804,314,17

Из таблицы ясно, что благодаря радиационной обработке в основном компоненте стали Х12МФ - феррите α-Fe средний размер блоков уменьшается в среднем в 4,3 раза. Поскольку предел текучести материала обратно пропорционален корню квадратному из среднего размера блоков [4], то очевидно, что радиационная обработка в среднем в 2,08 раза увеличивает прочность основного компонента стали Х12МФ.

Из таблицы ясно также, что в фазе α-Fe облучение уменьшает микродеформации в среднем на 27,6%. 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 47,6%. Поэтому хрупкость инструмента, изготовленного из стали Х12МФ, безусловно уменьшается после облучения, хотя точную оценку величины уменьшения трудно дать исходя из представленных данных.

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 стали Х12МФ. 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 стали Х12МФ 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.362-368.

2. Геллер Ю.Г. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1968. - 568 с. - С.287-292. (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 выполнен из стали Х12МФ, содержащей в качестве основного структурного компонента феррит α-Fe, легированный хромом и молибденом. Средний размер блоков α-Fe составляет не более 35 нм, а микродеформации кристаллической решетки α-Fe составляют не более 4,3·10^-3. Увеличивается прочность и уменьшается хрупкость феррита α-Fe. Увеличивается срок службы инструмента. 1 табл.

Инструмент, выполненный из стали Х12МФ, содержащей в качестве основного структурного компонента феррит α-Fe, легированный хромом и молибденом, отличающийся тем, что средний размер блоков α-Fe составляет не более 35 нм, а величина микродеформации кристаллической решетки α-Fe составляет не более 4,3·10^-3.