СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ Российский патент 2015 года по МПК C21D9/22 C21D1/46 

Описание патента на изобретение RU2543027C2

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для термической обработки режущего инструмента, например протяжек небольшого диаметра, метчиков и других мелких инструментов, для работы которых необходимы максимально возможные прочность и вязкость, но допустимо незначительное снижение красностойкости, например, с умеренными, при эксплуатации инструмента, скоростями резания.

Известен способ термической обработки режущего инструмента из быстрорежущей стали (см. книгу Ю.А. Геллера «Инструментальные стали», Москва, «Металлургия», 1975 год, стр.427-432 и стр.435-437). Способ взят за прототип. Изготовление инструмента по способу-прототипу заключается в следующем. Укладывают режущий инструмент в корзину или другое приспособление. Загружают корзину с инструментом в соляную ванну подогрева с температурой 780-840°C, выдерживают требуемое время, а затем переносят корзину с инструментом в хлорбариевую ванну для окончательного нагрева с температурой, указанной в таблице 104, стр.429 прототипа. В зависимости от марки стали и вида инструмента выдерживают его в ванне определенное время, а затем охлаждают на воздухе, в масле или в горячих средах, в зависимости от сечения и вида инструмента. После выдержки в горячей среде инструмент окончательно охлаждают на воздухе или в масле. По завершении охлаждения режущий инструмент подвергают отпуску. Отпуск выполняют, как правило, трехкратный с нагревом в селитровой ванне на температуру 560±10°C с выдержкой 1 час и охлаждением на воздухе.

Недостатки прототипа.

Режущий инструмент, как правило, термообрабатывают на десятый балл зерна (см. таблицу 104, стр.429 прототипа). В этом случае достигается практически максимальная красностойкость, но прочность и вязкость не имеют при этом максимальных значений.

Это отрицательным образом сказывается на стойкости режущих инструментов, которые испытывают при работе не только кручение и изгиб, но очень жесткие растягивающие напряжения, которые возникают при эксплуатации, например, протяжек. Кроме того, работа протяжек, так же как и метчиков, не требует максимальной красностойкости, поскольку скорости резания умеренные.

Максимально высокие значения прочности и вязкости необходимы для работы мелкого режущего инструмента, так как до 70% этого вида инструмента ломаются до наступления нормального износа (см. стр.49 прототипа, раздел 10 «Прочность» I и II абзацы).

Кроме того, при закалке по способу-прототипу наблюдаются случаи изменения линейных и угловых размеров инструмента сверх установленных допусков.

Предлагаемым изобретением решается задача резкого снижения материальных, энергетических и трудовых затрат при изготовлении мелкого режущего инструмента из быстрорежущих сталей.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, заключается в многократном повышении стойкости мелкого режущего инструмента из быстрорежущей стали за счет обеспечения максимально возможных значений прочности и вязкости при незначительном снижении красностойкости.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе термической обработки мелкого режущего инструмента из быстрорежущей стали, изготовленного из прутка диаметром 25 мм и менее, включающем предварительный подогрев в соляной ванне, окончательный нагрев в хлорбариевой ванне и охлаждение с последующим многократным отпуском, новым является то, что окончательный нагрев ведут до температуры на 30-50°C ниже обычной температуры закалки, с обеспечением после охлаждения балла зерна не крупнее 12, а после многократного отпуска твердости не ниже 56 HRC с незначительным понижением красностойкости.

Прочность режущего инструмента из быстрорежущих сталей зависит от содержания углерода в мартенсите, количества аустенита в структуре стали, величины зерна и состояния его пограничных слоев, дисперсности и условий распределения карбидов и напряжений.

С увеличением содержания углерода в мартенсите до 0,3-0,5% мас. прочность растет, при большей концентрации снижается, а содержание углерода в мартенсите зависит от полноты растворения карбидных фаз. В свою очередь, растворение карбидных фаз напрямую зависит от температуры нагрева под закалку. Чем выше температура закалки, тем больше степень растворения карбидных фаз, тем выше содержание углерода в мартенсите. Предлагаемые температуры закалки режущего инструмента из разных марок быстрорежущих сталей умеренной теплостойкости на 30-50°C ниже определенных прототипом надежно обеспечивают содержание углерода в пределах 0,3-0,4% масс.

Количество остаточного аустенита в структуре быстрорежущей стали снижает ее прочность, но поскольку режущий инструмент после закалки подвергают многократному отпуску, вызывающему распад аустенита, то в конечном итоге в готовом инструменте останется не более нескольких процентов аустенита. Предлагаемая закалка инструмента с более низких температур снижает устойчивость аустенита, поэтому в готовом инструменте, как правило, остаточный аустенит отсутствует.

Особенно значительно влияние на прочность величины зерна. Прочность быстрорежущих сталей снижается почти пропорционально с увеличением зерна, а величина зерна напрямую зависит от температуры закалки. Чем выше температура закалки, тем крупнее зерно. Поэтому закалка режущего инструмента с предлагаемым пониженным диапазоном температур обеспечивает балл зерна не крупнее 12, по прототипу (10-10,5) балл (см. стр.429, табл.104). При отпуске режущего инструмента из быстрорежущих сталей, закаленных согласно прототипу, наблюдается понижение значений прочности и вязкости за счет выделения карбидов, в том числе по границам зерен в процессе дисперсионного твердения. При сохранении мелкого зерна и не очень значительном выделении карбидов, что характерно для пониженных температур закалки, прочность возрастает.

Прочность в значительной степени зависит от карбидной неоднородности. Чем больше диаметр прутка, из которого изготовлен инструмент, тем больше карбидная неоднородность. Но поскольку в предлагаемом способе термической обработки рассматривается только мелкий инструмент, который изготовляют из прутков диаметром 25 мм и меньше, то карбидный балл при этом не больше 2, поэтому значения прочности существенно не отличаются (см. стр.169, табл.27 прототипа).

Таким образом, из всех рассмотренных факторов особое влияние на прочность оказывает величина зерна, а следовательно, температура закалки. Пониженная температура закалки режущего инструмента на 30-50°C обеспечивает получение мелкого зерна не крупнее 12 баллов.

Вязкость характеризует сопротивление образованию трещин и разрушение инструмента под действием ударных нагрузок. Большинство режущих инструментов испытывают при работе ударные нагрузки: при врезании инструмента в обрабатываемый материал, сквозном сверлении, прерывистом резании и часто при недостаточной жесткости (наладке) станка, даже при относительно небольших нагрузках, происходит поломка режущих, в особенности мелких, инструментов. Поэтому для резкого повышения стойкости наряду с высокой прочностью режущие инструменты должны обладать высокой вязкостью. Предлагаемое снижение температуры закалки на 30-50°C одновременно, существенным образом повышает и прочность, и вязкость режущего инструмента из быстрорежущих сталей.

Вязкость таким же образом, как и прочность, зависит от величины зерен и состояния их пограничных слоев, количества, размеров и условий распределения карбидов.

Влияние этих факторов в предлагаемом способе термической обработки режущего инструмента на прочность, а значит, и на вязкость, рассмотрены выше.

Границы зерна служат барьером, задерживающим распространение трещины, которая возникает при хрупком разрушении. В конце трещины создается наибольшая концентрация напряжений. Она тем значительнее, чем больше трещина, следовательно, чем крупнее зерно. У сталей с более мелким зерном больше сопротивление распространению трещин и ниже температурный порог хладноломкости.

Между величиной зерна и красностойкостью, естественно, нет прямой связи. Однако проведенные исследования показывают, что понижение температуры закалки на 30-50°C обеспечивает балл зерна не крупнее 12, в то же время достигается значительное растворение карбидов и насыщение аустенита, а следовательно, достаточная красностойкость, особенно для мелкого инструмента. После окончательной упрочняющей термической обработки инструмента по предлагаемому способу, дополнительный нагрев на 620°C с выдержкой 4 часа не приводит к заметному снижению твердости. В этом случае имеем твердость ≥56 HRC, при обычной закалке режущего инструмента при проверке красностойкости имеем твердость ≥58 HRC.

В то же время при закалке с пониженных температур получаем значительный выигрыш в прочности и вязкости (см. стр.345, рис.231 прототипа). При закалке стали Р18 с обычной для нее температуры 1280°C имеем прочность при изгибе σизг=250 кгс/мм2, вязкость α=6 кгс·м/см2. Предлагаемое снижение температуры закалки на 30-50°C обеспечивает прочность при изгибе σизг≈320 кгс/мм2, а вязкость α≈7,4 кгс·м/см2.

Понижение температуры закалки сверх выбранного диапазона 30-50°C приводит к снижению прочности, вязкости и красностойкости.

Таким образом, предлагаемый способ термической обработки режущего инструмента из быстрорежущих сталей умеренной теплостойкости при получаемом незначительном снижении красностойкости всего на 3,3% обеспечивает повышение прочности на 28% и вязкости на 23%, а значит, резкое повышение его стойкости.

Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, неизвестны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.

Предложенный способ термической обработки режущего инструмента реализуется следующим образом.

Устанавливают режущий инструмент в специальное приспособление. Загружают инструмент в соляную ванну для подогрева, выдерживают требуемое время, затем переносят инструмент в приспособлении в хлорбариевую ванну с температурой на 30-50°C ниже, чем установленная прототипом, выдерживают требуемое время, затем инструмент охлаждают на воздухе, в масле или горячих средах с последующим охлаждением на воздухе или в масле. После охлаждения инструмент подвергают многократному отпуску на температуру 560°C с выдержкой 1 час в селитровой ванне и охлаждением на воздухе после каждого отпуска.

Пример термической обработки протяжки длиной 300 мм с максимальным диаметром режущей части 20 мм из стали Р6М5 по предлагаемому способу.

Посредством нихромовой проволоки и клещей загружают протяжку в соляную ванну подогрева с температурой 810±10°C вертикально, выдерживают при этой температуре 7 минут, затем переносят протяжку в хлорбариевую ванну для окончательного нагрева. Загружают протяжку в соль вертикально. Температуру окончательного нагрева под закалку определяют следующим образом. Обычная температура закалки для стали Р6М5 согласно прототипу (стр.429, табл.104) составляет 1220°C. По предлагаемому способу температура закалки на 30-50°C ниже. Выбираем среднюю температуру 40°C. Окончательная температура нагрева под закалку 1220-40=1180°C. Таким образом, температура в хлорбариевой ванне должна поддерживаться в диапазоне 1180±5°C.

Выдерживают протяжку при температуре 1180±5°C в течение 3 минут, затем переносят протяжку в селитровую ванну с температурой 480-560°C для охлаждения. Загружают протяжку в селитровую ванну вертикально. Выдерживают протяжку в селитре в течение 8-10 минут. Затем извлекают протяжку из селитровой ванны и охлаждают на воздухе. После выгрузки протяжки из селитры незамедлительно производят правку протяжки ударом, используя явление сверхпластичности быстрорежущей стали в интервале мартенситного превращения. По завершении правки и охлаждения протяжку подвергают трехкратному отпуску в селитровой ванне с температурой 560±5°C с выдержкой при каждом отпуске 1 час и охлаждением на воздухе.

Температура закалки протяжки 1180°C обеспечивает балл зерна не крупнее 12 и максимально возможные значения прочности и вязкости, что важно, поскольку в протяжках кроме прочих возникают очень жесткие растягивающие напряжения. Незначительное снижение красностойкости не оказывает никакого влияния на стойкость, т.к. протяжка эксплуатируется с умеренными скоростями резания.

Кроме того, следует отметить, что закалка длинномерного режущего инструмента с пониженной температурой положительным образом влияет на сохранение размеров в процессе закалки, что облегчает их правку.

Пример термической обработки метчиков М4 из быстрорежущей стали Р18 по предлагаемому способу.

Закалку метчиков производят местно, для этого используют клещи, губки которых теплоизолируют, например, асбестом. Зажимают партию метчиков в клещах за хвостовики, загружают инструмент в соляную ванну подогрева с температурой 830±5°C таким образом, чтобы режущая часть метчиков была полностью погружена в расплав соли. Выдерживают инструмент в ванне подогрева в течение 3 минут, затем его переносят в хлорбариевую ванну с температурой 1235±5°C для окончательного местного нагрева и выдерживают в ней в течение 1,5 минут. Температуру окончательного нагрева определяют следующим образом. Обычная температура закалки для стали Р18 согласно прототипу (стр.429, табл.104) составляет 1280°C. По предлагаемому способу температура закалки на 30-50°C ниже, выбираем температуру 1235°C. Таким образом, температура хлорбариевой ванны должны поддерживаться в диапазоне 1235±5°C. По завершении выдержки метчиков в ванне окончательного нагрева их охлаждают на воздухе. После закалки инструмент подвергают 2-кратному отпуску в селитровой ванне с температурой 560±5°C и выдерживают при каждом отпуске 1 час и охлаждением на воздухе.

Предложенный способ термической обработки режущего инструмента обеспечивает практически максимальные значения прочности и вязкости при несущественном снижении красностойкости, а значит, повышение его стойкости, в том числе за счет резкого сокращения поломок в процессе эксплуатации мелкого инструмента. Кроме того, в большинстве случаев термической обработки режущего инструмента по предложенному способу существует возможность ограничения количества отпусков после закалки, поскольку закалка с пониженной температурой уменьшает процентное содержание аустенита в структуре закаленной стали.

При пониженной температуре закалки уменьшаются внутренние напряжения, что благотворно сказывается на сохранении линейных и угловых размеров режущего инструмента.

Похожие патенты RU2543027C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЫХ ШТАМПОВЫХ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ ОТХОДОВ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ ДЛЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ 2009
  • Афонин Борис Владимирович
  • Великолуг Александр Михайлович
  • Воронин Павел Вячеславович
  • Воронин Роман Павлович
  • Ласуков Валерий Дмитриевич
RU2406590C1
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ БОЙКОВ И ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ШТАМПОВ 2012
  • Афонин Борис Владимирович
  • Великолуг Александр Михайлович
  • Воронин Павел Вячеславович
  • Воронин Роман Павлович
RU2471878C1
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ 2014
  • Шматов Александр Анатольевич
RU2563382C1
Способ термической обработки литой быстрорежущей стали 1981
  • Биронт Виталий Семенович
  • Железнова Анна Алексеевна
  • Федорова Наталья Андреевна
SU1014938A1
Способ контроля качества термической обработки быстрорежущей стали 1976
  • Попандопуло Авенир Николаевич
SU730837A1
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ 2020
  • Евдокимов Александр Иванович
  • Киселев Алексей Николаевич
RU2738870C1
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ 1990
  • Шматов А.А.
  • Ворошнин Л.Г.
RU2010870C1
Способ термической обработки быстрорежущей стали 1982
  • Хазанов Иосиф Ошерович
  • Ординарцев Игорь Андреевич
  • Егоров Юрий Петрович
  • Черняков Михаил Лазаревич
SU1089152A1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕЛКОРАЗМЕРНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ 2006
  • Гужва Руслан Павлович
RU2315675C1
Способ термомеханической обработки инструмента из быстрорежущей стали 1979
  • Хазанов Иосиф Ошерович
  • Ординарцев Игорь Андреевич
  • Хазанов Михаил Иосифович
  • Черняков Михаил Лазаревич
SU863677A1

Реферат патента 2015 года СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для термической обработки режущего инструмента, например протяжек небольшого диаметра, метчиков и других мелких инструментов. Для повышения прочности, вязкости и незначительного снижения красностойкости, например, с умеренными, при эксплуатации инструмента, скоростями резания, инструмент получают из прутка диаметром 25 мм и менее, осуществляют предварительный подогрев инструмента в соляной ванне, затем окончательный нагрев в хлорбариевой ванне до температуры, на 30-50°C ниже обычной температуры нагрева под закалку, охлаждение с обеспечением балла зерна не крупнее 12, многократный отпуск с обеспечением твердости не ниже 56 HRC и незначительного понижения красностойкости. 2пр.

Формула изобретения RU 2 543 027 C2

Способ термической обработки режущего инструмента из быстрорежущей стали, изготовленного из прутка диаметром не более 25 мм, включающий предварительный подогрев инструмента в соляной ванне, окончательный нагрев в хлорбариевой ванне и охлаждение с последующим многократным отпуском, отличающийся тем, что окончательный нагрев инструмента ведут до температуры, которая на 30-50°C ниже установленной температуры закалки для быстрорежущей стали, с обеспечением после охлаждения зерна не крупнее 12 баллов, а многократный отпуск проводят до достижения твердости стали не ниже 56 HRC.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2543027C2

Ю.А.Геллер, Инструментальные стали, М., "Металлургия", 1983, с.403-405
Способ термической обработки быстрорежущей стали 1976
  • Заблоцкий Владимир Кириллович
  • Нестеренко Владимир Михайлович
  • Иванов Федор Иванович
  • Чикаленко Григорий Андреевич
  • Маслова Юлия Николаевна
  • Гоголь Алла Борисовна
  • Солодун Дориан Иванович
  • Шарабан Николай Данилович
SU590349A1
Способ закалки деталей из быстрорежущей стали 1983
  • Бельский Эдуард Жанович
  • Шафоренко Мария Кузьминична
SU1157093A1
SU 2059000 C1, 27.04.1996
Способ термической обработки быстрорежущей стали 1984
  • Заблоцкий Владимир Кириллович
  • Шарабан Николай Данилович
  • Антонов Виктор Васильевич
  • Солодун Галина Борисовна
  • Савина Валентина Григорьевна
  • Алексеенко Валентина Тихоновна
  • Литвиненко Людмила Львовна
SU1209723A1
US 5916114 A1, 29.06.1999

RU 2 543 027 C2

Авторы

Афонин Борис Владимирович

Великолуг Александр Михайлович

Воронин Павел Вячеславович

Воронин Роман Павлович

Папаев Евгений Владимирович

Ярмолович Галина Михайловна

Даты

2015-02-27Публикация

2013-07-03Подача