Способ термической обработки изделий с металлическим покрытием Российский патент 2017 года по МПК C21D6/04 C23C14/00 C21D9/22 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении режущего и штампового инструмента, быстро изнашиваемых деталей и технологической оснастки из конструкционных и инструментальных сталей, а также из металлокерамических твердых сплавов.

Известен способ термической обработки быстрорежущей стали (RU2059000), включающий закалку, высокотемпературный однократный отпуск и окончательный отпуск, отличающийся тем, что после высокотемпературного отпуска проводят обработку холодом. Данный способ не обеспечивает максимально высокого уровня износостойкости. Более высокий уровень износостойкости инструмента и пластин из инструментальной стали и металлокерамических твердых сплавов достигается нанесением износостойких покрытий на основе хрома и титана.

Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости деталей и инструмента с покрытием, увеличение эксплуатационной стойкости инструмента, быстроизнашиваемых деталей и оснастки.

Технический результат достигается в способе термической обработки изделий, включающем предварительные закалку и отпуск, нанесение металлического покрытия. Затем проводят криогенную обработку в среде газообразного азота при температуре от –153 до –196ºС более 24 часов, нагревают до комнатной температуры, проводят низкий отпуск при температуре от 150 до 180ºС с последующим охлаждением на воздухе. Металлическое покрытие наносится методом вакуумного напыления.

Термическая обработка позволяет значительно повысить износостойкость. Дополнительно проведенная обработка холодом или криогенная обработка к термической обработке позволяет превзойти повышенный уровень износостойкости, который обеспечивает термическая обработка. В случае нанесения покрытия на термически обработанные поверхности с повышенной износостойкостью позволяет достичь уровня износостойкости, превосходящего уровень износостойкости получаемого от совместного влияния термической обработки и дополнительной криогенной обработки. Максимально высокий уровень износостойкости продукции обеспечивается, если изделия с металлическим покрытием предварительно термически обработанные подвергнуть криогенной обработке. В таком случае криогенная обработка позволяет достичь максимального уровня износостойкости материала покрытия и основного металла. Если при эксплуатации наступит полный износ слоя металлического покрытия, то высокое сопротивление истиранию обеспечит криогенно обработанный основной материал детали и тем самым будет обеспечен наибольший ресурс работы изделия.

Способ осуществляют, например, следущим образом.

Образцы из инструментальных сталей Х12МФ, 9ХС и Р6М5 диаметром 8 мм и длиной 15 мм термически обработанные по обычной технологии (например, Гуляев А.П. и др. Инструментальные стали. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Машиностроение, 1975), включающий закалку, высокотемпературный однократный отпуск и окончательный отпуск (таблица 1), подверглись нанесению металлического покрытия, а именно методом вакуумного напыления (PVD) Balinit-Allnova (на основе AlCrN) в атмосфере азота. Метод PVD характеризуется высокой производительностью процесса нанесения покрытий, малой энергоёмкостью.

Таблица 1 - Режимы термообработки инструментальных сталей

№ п/п Наименование параметра режима термообработки Единица измерения Марка стали 9ХС Х12МФ Р6М5 1 Температура первого подогрева под закалку ºС 500 - 600 2 Температура второго подогрева под закалку ºС 840 - 860 3 Температура закалки ºС 860 - 880 1060 - 1080 1215 - 1225 4 Охлаждающая среда масло Расплав селитры и щелочи Расплав селитры и щелочи 5 Температура среды охлаждения ºС 20 - 40 400 - 550 400 - 500 6 Выдержка в охлаждающей среде До температуры масла Равна выдержке при нагреве под закалку 3 – 5 мин 7 Охлаждение до температуры 20ºС среда На воздухе 8 Температура отпуска ºС 160 - 180 150 - 170 555 + 5 9 Среда, применяемая при отпуске Масло Масло Расплав солей щелочи 10 Время отпуска ч 1 1 1 11 Количество отпусков шт. 1 1 3

Далее, образцы были термически обработаны в среде газообразного азота при температуре от –153 до –196ºС более 24 часов с последующим нагревом в данной среде до комнатной температуры. Для уменьшения остаточных закалочных напряжений выбирают температуру низкого отпуска такой, чтобы твёрдость и износостойкость практически не снижалась. Низкий отпуск образцов проводился при температуре 150-180ºС с выдержкой, превышающей 1-3 часа. В завершении, охлаждают образцы на воздухе.

Испытания образцов на абразивную износостойкость проводили по закрепленному абразиву по стандартной схеме «палец – диск», но с заменой наиболее часто используемой траектории движения по архимедовой спирали на прямолинейные участки. Триботехнические испытания образцов проводились на трехкоординатном фрезерном станке с ЧПУ модели КХ3А. Исследуемый цилиндрический образец из инструментальной стали закрепляли в шпинделе станка и нагружали осевой силой тарированной пружины, расположенной внутри шпинделя. Листовой абразивный материал закрепляется на столе фрезерного станка. Рабочая поверхность образца для достижения плотного прилегания к абразивной поверхности предварительно прирабатывалась.

Основными параметрами испытаний являются: сила нагружения образца N=4H; скорость перемещения F=500 мм/мин; путь трения L=415 мм. В качестве варьируемого параметра испытаний использовалась зернистость абразива (электрокорунда) Р240 и Р400. Весовой износ определялся с точностью до 0,0001 грамма на аналитических весах ВЛ-120. Результаты испытаний на абразивный износ представлены в Таблице 2. В первых 6 строках таблицы приведены результаты испытаний инструментальных сталей без покрытия. В строках с 7 по 12 представлены результаты по приросту износостойкости за счет нанесения покрытия.

Таблица 2

№ п/п Марка стали Зернистость абразива Износ, г Повышение износостойкости, % Без покрытия PVD покрытие после КО и отпуска 1 Х12МФ Р400 0,0042 - 0,0034 19 2 9ХС 0,0062 - 0,0043 31 3 Р6М5 0,0051 - 0,0034 33 4 Х12МФ Р240 0,0092 - 0,0072 22 5 9ХС 0,0138 - 0,0113 18 6 Р6М5 0,0119 - 0,0089 25 7 Х12МФ Р400 0,0042 0,0014 - 66 8 9ХС 0,0062 0,0029 - 53 9 Р6М5 0,0051 0,0019 - 63 10 Х12МФ Р240 0,0092 0,0045 - 51 11 9ХС 0,0138 0,0065 - 53 12 Р6М5 0,0119 0,0052 - 56 13 Х12МФ Р400 - 0,0014 0,0012 14 14 9ХС - 0,0029 0,0016 45 15 Р6М5 - 0,0019 0,0013 32 16 Х12МФ Р240 0,0045 0,0036 20 17 9ХС - 0,0065 0,0031 52 18 Р6М5 0,0052 0,0027 48 19 Х12МФ Р400 0,0042 - 0,0012 71 20 9ХС 0,0062 - 0,0016 74 21 Р6М5 0,0051 - 0,0013 74 22 Х12МФ Р240 0,0092 - 0,0036 61 23 9ХС 0,0138 - 0,0031 77 24 Р6М5 0,0119 - 0,0027 77

Из таблицы 2 видно, что предлагаемый способ позволяет значительно повысить абразивную износостойкость инструментальных сталей с покрытием по сравнению с известными способами термической обработки.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении режущего и штампового инструмента, быстро изнашиваемых изделий и технологической оснастки из конструкционных и инструментальных сталей, а также из металлокерамических твердых сплавов. Для повышения износостойкости изделий и увеличения эксплуатационной стойкости проводят предварительные закалку, отпуск и нанесение металлического покрытия на изделие методом вакуумного напыления, осуществляют криогенную обработку изделия в среде газообразного азота при температуре от –153 до –196ºС более 24 ч с последующим нагревом в ней до комнатной температуры, затем проводят низкий отпуск при температуре от 150 до 180ºС с последующим охлаждением на воздухе. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ термической обработки изделий из инструментальной стали, включающий предварительные закалку и отпуск, нанесение металлического покрытия, отличающийся тем, что после нанесения покрытия проводят криогенную обработку изделия более 24 ч в среде газообразного азота при температуре от –153 до –196ºС с последующим нагревом до комнатной температуры, затем осуществляют низкий отпуск при температуре от 150 до 180ºС с последующим охлаждением на воздухе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлическое покрытие наносят методом вакуумного напыления.