СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТВЕРДОСТИ БОЛЕЕ 68,0 HRC В ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ Российский патент 2009 года по МПК C21D9/22 C21D6/04 C21D1/78 

Изобретение относится к металлургии, машиностроительной и другим отраслям промышленности, использующим для изготовления режущего инструмента, штампов, рабочих валков листопрокатных станов и других изделий стали типа «90Х» (90Х, 90ХС, 90ХФ и др. - таблица 1), основным свойством которых является повышенная твердость.

Стали этой группы относятся к низколегированным сталям перлитного класса и содержат от 0,8 до 1,4%С и до 4,0% легирующих элементов: хрома, кремния, марганца, вольфрама, молибдена, ванадия [Ю.А.Геллер. Инструментальные стали. // М.: Металлургия, 1983 - 527 с. (стр.129-230)].

В таблице 2 представлены отечественные стали данной группы (ГОСТ 5950-73), многие из них и их аналоги используются в качестве валковых сталей (ГОСТ 3547-57 и ГОСТ 5.1323-72).

Аналогичные стали имеются в стандартах ведущих промышленно-развитых стран: ФРГ, Франции, США, Швеции, Испании (таблица 3). Составы ряда таких сталей, режимы термической обработки и твердость - в таблице 4 [марочник ФРГ - Wegst C.W. Stahlschussel, Verlag Stahl schussel Wegst GMBH, D-7142 Marbach, 1986 - 561 s.].

Стали типа «90Х» являются заэвтектоидными. Изделия из этих сталей закаливают в масле с температур 770-860°С (таблица 4) из области «аустенит+цементит вторичный», т.е. на 10÷100°С ниже температуры А_cm [И.В.Паисов. Термическая обработка стали и чугуна. // М.: Металлургия, 1970 - 264 с.], [А.П.Гуляев. Термическая обработка стали. // М.: Машгиз, 1960 - 496 с.] После такой термической обработки структура состоит из мартенсита закалки (88-94%), остаточного аустенита (3-5%) и карбидов (Fe, Me)₃C ≈ 3-7%. В справочнике ФРГ указано, что после закалки и низкого отпуска твердость сталей типа "90Х" не превышает 64HRC (см. таблицы 3 и 4).

В отечественной литературе [Ю.А.Геллер. Инструментальные стали. // М.: Металлургия, 1983 - 527 с. (стр.129-230] и [В.М.Доронин. Термическая обработка углеродистой и легированной стали. // М.: Металлургиздат, 1955 - 396 с.] отмечено, что максимальная твердость, получаемая в результате закалки изделий из сталей 90Х, 90ХС, 90ХФ и других сталей этой группы, составляет 65,0 HRC. Это полностью согласуется с данными, приведенными в справочнике ФРГ (таблица 4).

Известен способ закалки сталей, содержащих от 0,8 до 1,4% углерода и до 3% в сумме хрома, кремния, марганца, вольфрама, молибдена, ванадия, в масле с температурой 770-860°С, что составляет А_cm-(10÷100°С). Твердость после такой термической обработки 63,0-65,0 HRC [Ю.А.Геллер. Инструментальные стали. // М.: Металлургия, 1983 - 527 с. (стр.129-230)], [В.М.Доронин. Термическая обработка углеродистой и легированной стали. // М.: Металлургиздат, 1955 - 396 с.].

Наиболее близким к заявленному способу аналогом является «Способ термической обработки легированных заэвтектоидных сталей» (SU 1719440 A1, C21D 1/78, 15.03.1992 - бюл. №10).

Изобретение относится к металлургии, а именно к термообработке сталей при изготовлении инструмента - уменьшение карбидной сетки. Способ включает нагрев до А_cm+(100÷200°С), охлаждение до температуры ниже А_r1, термоциклирование путем нагрева до (A_c1+50°C)-A_cm и охлаждение до температуры ниже А_r1, причем скорость нагрева составляет (10÷50)°С/с.

Указанный способ (SU 1719440 А1, С21D 1/78) позволяет снизить степень развития карбидной сетки и повысить однородность распределения вторичных карбидов. Однако данный способ не позволяет увеличить значения твердости до 68,0-69,0 HRC, т.к. условия окончательной закалки и отпуска не изменяются, соответствуя стандартному режиму (таблица 4), и получаемая при этом твердость не превышает 65,0 (таблица 4).

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа термической обработки изделий из инструментальных заэвтектоидных сталей, позволяющего повысить производительность режущего и штампового инструмента, рабочих валков многовалковых станов холодной прокатки ленты и других деталей и механизмов, работающих на износ и истирание.

Техническим результатом изобретения является повышение твердости до 68,0-69,0 HRC.

Технический результат достигается тем, что в способе обработки изделий из инструментальных заэвтектоидных сталей, включающем предварительную подготовку структуры стальных изделий, окончательную закалку, термоциклирование, согласно изобретению предварительную подготовку структуры ведут путем закалки изделий с температуры A_cm+(10÷20°C) с последующем средним отпуском на температуру 400-480°С. Нагрев под окончательную закалку производят ускоренно в соляных ваннах или посредством ТВЧ на температуру А_cm+10°С, после чего следует обработка холодом при -70°С и низкий отпуск при 100-120°С. Операция обработки холодом в сочетании с низким отпуском повторяется многократно - термоциклирование. Промежуток времени от момента закалки (извлечения изделий из масляной ванны) до первой обработки холодом не должен превышать 15 минут. Температура масла в момент погружения в нее изделий не должна превышать 20°С. Охлаждение изделий проводят до температуры 25-35°С. Термоциклирование проводят с количеством циклов «обработка холодом-отпуск» от двух до шести.

Заявляемый способ полностью устраняет карбидную сетку в результате закалки из аустенитного состояния с температур А_cm+(10÷20°С).

Термоциклирование по способу, являющемуся аналогом, осуществляется в интервале температур (A_c1+50°C)-A_cm, что составляет ˜ 750-920°С и оказывает влияние исключительно на степень развития карбидной сетки.

Согласно заявляемому способу термоциклирование производится в интервале температур (-70°С) до 100-120°С и имеет своей задачей получение максимальных значений твердости 68,0-69,0 HRC.

По заявляемому способу предварительная подготовка структуры включает закалку с температур А_cm+10°С в воде или в масле и последующий отпуск в температурном интервале 400-480°С, в результате чего в изделиях получается структура, состоящая из отпущенного мартенсита и карбидов высокой степени дисперсности. Это позволяет в результате окончательной закалки с температур А_cm+10°С и ускоренным нагревом в соляных ваннах или ТВЧ получить мартенсит с высокой степенью неоднородности по содержанию углерода, что позволяет дополнительно повысить твердость на 1-3 HRC [И.Н.Кидин. Физические основы электротермической обработки металлов и сплавов. // М.: Металлургия, 1969 - 376 с.].

После закалки следует обработка холодом при (-70°С) и отпуск в интервале температур 100-120°С. Обработка холодом в сочетании с отпуском повторяются многократно (термоциклирование), что позволяет наиболее полно перевести остаточный аустенит в мартенсит и получить твердость 68,0-69,0 HRC (таблица 5 - режимы №2, 4, 5, 6 и 17). Закалка по стандартному режиму без предварительной обработки с медленным печным нагревом и отпуском на 140-200°С, без обработки холодом и без термоциклирования в интервале температур от (-70°С) до (100÷120°С) позволяет получить значения твердости 64,0-64,5 HRC (таблица 5 - режим №18).

Таблица 1Инструментальные стали России (стали типа «90Х»)№Марка ГОСТ 5950-73Основные легирующие элементы, % весМарка-аналог ФРГСSiMnCrVМоW190ХС0,85-0,951,20-1,600,30-0,600,95- 1,25---1,21082100ХГС0,95-1,050,40-0,700,85-1,251,30-1,65----390ХВГ0,85-0,950,15-0,350,90-1,200,50-0,80--0,50 0,801,25154100ХВГ0,90-1,050,15-0,350,80-1,100,90-1,20--1,20-1,601,24195100ХВСГ0,95-1,050,65-1,000,60-0,900,60-1,100,05-0,15-0,50-0,801,2419690Х0,80-0,950,25-0,450,15-0,401,40-1,70---1,20567100Х0,95-1,100,15-0,350,15-0,401,30-1,65---1,21278120Х1,15-1,250,15-0,350,30-0,601,30-1,65---1,2002980ХФ0,70-0,800,15-0,350,15-0,400,40-0,700,15-0,30--1,25111090ХФ0,80-0,900,15-0,350,30-0,600,40-0,700,15-0,30--1,223511110ХФ1,05-1,150,15-0,350,40-0,700,40-0,700,15-0,30---12130ХФ1,25-1,400,15-0,350,30-0,600,40-0,70---1,221013110 В2Ф1,05-1,220,15-0,350,20-0,500,20-0,700,20-0,28-1,60-2,001,2442

Таблица 2Валковые стали России (стали типа «90Х»)№МаркаГОСТОсновные легирующие элементы, % вес.Марка-аналог ФРГСSiMbCrVMoW190Х3547-570,80-0,950,25-0,450,20-0,351,40-1,70---1,2056290X23547-570,85-0,950,25-0,450,20-0,351,70-2,10---1,2067390ХФ3547-570,85-0,950,20-0,400,20-0,451,40-1,700,10-0,25--1,2235490Х2В3547-570,85-0,950,25-0,450,20-0,351,70-2,10--0,30-0,60-590X2МФ3547-570,85-0,950,25-0,450,20-0,351,70-2,100,10-0,200,20-0,30-1,2303690Х2СФ3547-570,85-0,951,30-1,600,20-0,351,70-2,100,10-0,20---790ХШ5.1323-720,80-0,950,25-0,450,25-0,351,40-1,70---1,2056890ХСВФШ5.1323-720,85-0,950,80-1,100,20-0,301,40-1,700,10-0,20-0,40-0,60-

Таблица 3Химический состав инструментальных сталей России 90Х, 90ХС, 100ХГС, 100ХВГ и их зарубежных аналогов ФРГ, Франции, США, Швеции и Испании№СтранаНациональный стандартМаркаСодержание основных легирующих элементов, % весМарка-аналог стандарт ФРГСSiMnCrVМоW1РоссияГОСТ 5950-7390ХС0,85-0,951,20-1,600,30-0,600,95-1,25---1.21082ФРГПо стандарту ФРГ 1.210890CrSi50,85-0,951,05- 1,250,30-0,801,10-1,30---1.21083РоссияГОСТ 3547-5790Х0,80-0,950,25-0,450,20-0,351,40-1,70---1.20564ФРГПо стандарту ФРГ 1.210890СгЗ0,85-0,950,15-0,300,20-0,400,70-0,90---1.20565ФранцияСтандарт AF NOR NFA-35-590 (78)Y100C60,95-1,100,15-0,300,20-0,401,25-1,60---1.20676РоссияГОСТ 5950-73100ХГС0,95-1,050,40-0,700,85-1,251,30-1,65---1.21087ШвецияСтандарт Швеции (SS)21400,85-1,000,20-0,401,10-1,300,40-0,600,05-0,15-0,40-0,601.24198СШАСтандарт США AISI010,85-0,950,20-0,401,00-1,300,40-0,60≈0,20-0,40-0,601.24199РоссияГОСТ 5950-73100ХВГ0,90-1,050,15-0,350,80-1,100,90-1,20--1,20-1,601.241910ИспанияИспания F-5233105WCr51,00-1,150,10-0,400,70-1,000,80-1,10--1,00-1,601.2419

Таблица 4Режимы термической обработки и твердость сталей 90Х, 90ХС, 100ХВГ и их зарубежных аналогов (по стандартам ФРГ, Франции, Швеции, США, Испании)№Марка (Россия)Марка-аналог (ФРГ)Термическая обработка и твердость по стандарту ФРГТермическая обработка и твердость по нормам РоссииТемпературы
A_c1/A_cm [2]закалкаотпускзакалкаотпускт-ра закалки, °Ствердость, HRCт-ра отпуска, °Ствердость, HRCт-ра закалки, °Ствердость, HRCт-ра отпуска, °Ствердость, HRC190Х1.2056770-800°С масло65 [4]18063 [4]820-850°С масло62-64 [1-3]18063 [2,3]740°/850°С290ХС1.2108770-800°С масло66 [4]20064 [4]840-860°С масло62-64 [1-3]14063 [2,3]770°/870°С3100ХВГ1.2419800-830°С масло65 [4]20063 [4]830-850°С масло62-64 [1-3]20062 [2,3]750°/940°С

Таблица 5Влияние параметров режима термической обработки на твердость образцов стали 90ХС промышленной плавки (0,94% С, 1,52% Si, 0,43% Mn, 1,21% Cr)№ режима термической обработкиПредварительная термическая обработка (подготовка структуры стали к окончательной термической обработке)Окончательная термическая обработкаТвердость*) HRCзакалка с ускоренным нагревомобработка холодом и отпуск123451860°С масло+450°С - 3 часа; воздух890°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза67,5-68,02890°С масло+450°С - 3 часа; воздух890°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза68,5-69,03920°С масло+450^иС - 3 часа; воздух890°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза67,0-68,04880°С масло+400°С - 3 часа; воздух890°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза68,0-68,55880°С масло+420^иС - 3 часа; воздух890°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза68,0-68,56880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух890°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза68,5-69,07880°С масло + 480°С - 3 часа; воздух890°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза67,5-68,58880°С масло + 450°С - 1 час; воздух890°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза67,0-68,09880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух890°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза68,5-69,010880°С масло + 450°С - 6 часов; воздух920°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза68,0-68,511880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух880°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза68,5-69,012880°С масло + 450°С - 5 часов; воздух880°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 120°С - 2 часа) - 3 раза68,0-69,013880°С масло + 450°С - 7 часов; воздух880°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 140°С - 2 часа) - 3 раза67,0-68,514880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух880°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 2 раза68,0-69,015880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух880°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 6 раз68,0-68,516880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух880°С масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 8 раз67,5-68,517880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух880°С через воду в масло(-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза68,5-69,518 известный способ (аналог)865°С масло + 680°С - 2 часа; воздухТВЧ - 900°С вода(-40°С) - 2 часа; воздух + 120°С - 2 часа); воздух + (-50°С) - 2 часа; воздух + 125°С -2 часа; воздух66,0*) При измерении твердости полученные значения округляли до 0,5 HRC. На каждый режим термической обработки отбирали по 3-5 образцов толщиной 3 мм

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и используется для изготовления режущего инструмента, штампов, рабочих валков листопрокатных станов стали типа «90Х». Технический результат изобретения заключается в повышении твердости более 68 HRC. Для достижения технического результата осуществляют предварительную подготовку структуры стального изделия, закалку, многократную обработку холодом и низкий отпуск, при этом предварительная подготовка структуры заключается в закалке с температуры 890°С A_cm+(10÷20°C) и последующем среднем отпуске на температуру 400-480°С в течение 1-6 часов. Закалку осуществляют посредством охлаждения в масле или через воду в масло с температуры А_cm+(10÷20°С) с последующей обработкой холодом при -70°С и низким отпуском при температурах 100-120°С. Нагрев под закалку проводят ускоренно в соляных ваннах или посредством электронагрева, а охлаждение при закалке ведут в масляной ванне с температурой масла не выше 20°С до температуры 25-35°С и сразу передают изделия на обработку холодом. Промежуток времени от момента выгрузки изделий из масляной ванны и помещения их в камеру холодильника не должен превышать 15 минут. Обработка холодом при -70°С в сочетании с низким отпуском повторяется от двух до шести раз. 3 з.п. ф-лы, 5 табл.

1. Способ обработки изделий из инструментальных заэвтектоидных сталей, включающий предварительную подготовку структуры стальных изделий, окончательную закалку, термоциклирование, отличающийся тем, что предварительную подготовку структуры ведут путем закалки изделий с температуры А_cm+(10÷20)°С и последующего отпуска при 400-480°С в течение 1-6 ч, с обеспечением твердости более 68,0 HRC, а термоциклирование осуществляют обработкой холодом и последующим нагревом до температуры низкого отпуска.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев под окончательную закалку проводят ускоренно в соляных ваннах или посредством электронагрева до A_cm+(10÷20)°C, закалку осуществляют посредством охлаждения в масле, а затем проводят термоциклирование обработкой холодом при -70°С и последующим нагревом до 100-120°С, при этом охлаждение ведут с температурой масла не выше 20°С до температуры 25-35°С.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что промежуток времени от момента извлечения изделий из охлаждающего масла до обработки холодом не превышает 15 мин.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что термоциклирование проводят с количеством циклов от двух до шести.