Способ упрочняющей обработки мартенситно-стареющей стали Российский патент 2021 года по МПК C21D6/00 C21D8/00 B24B39/00 

Заявляемое изобретение упрочняющей обработки металлических деталей относится к области машиностроения, в частности к пластической деформации поверхности с помощью ультразвуковых колебаний и последующей термической обработки и может быть использовано для упрочняющей обработки деталей, в частности деталей из мартенситно-стареющей стали 03Н18К9М5Т. Способ может быть реализован в машиностроении и технологиях, обеспечивающих повышение твердости износостойкости поверхностей за счет изменения структуры поверхностных слоев этих изделий.

Известен способ термомеханической обработки деталей из мартенситно - стареющих сталей [Патент РФ 2391413 МКИ C21D 6/00. Опубликован 10.06.2010] при котором осуществляют холодную пластическую деформацию до 40-60% и последующее старение.

Известен способ термомеханчиеской обработки деталей из мартенситно - стареющих сталей [Патент РФ 2031145 МПК C21D6/00. Опубликован 20.03.1995] при котором осуществляют закалку, холодную пластическую деформацию и последующее старение. Этот способ выбран за прототип.

Недостатком вышеперечисленных способов упрочняющей обработки является небольшая степень деформации поверхности, что не обеспечивает получение упрочненного слоя с максимально возможным для обрабатываемого материала уровнем твердости и, как следствие, высокой износостойкости.

Известно также устройство [патент РФ 2124430 C1. МПК B24B 39/00, Опубликован 10.06.2010], предназначенное для упрочнения поверхности деталей, в частности, поверхностно-пластическим деформированием использующим энергию ультразвуковых колебаний. Оно включает магнитострикционный преобразователь, преобразующий электрическую энергию в энергию упругих волн. Устройство работает следующим образом: для осуществления упрочняюще-чистовой обработки поверхностей магнитострикционный преобразователь необходимо поджать устройство к обрабатываемой детали. Подаваемое на обмотку магнитострикционного преобразователя напряжение вызывает в нем колебания ультразвуковой частоты, передаваемые на обрабатываемую поверхность.

За один проход заявляемое устройство на 10-140% повышает прочность материала обрабатываемой поверхности и может понизить шероховатость на R_a=0,1 мкм. Устройство позволяет осуществлять обработку поверхностей деталей из металлических материалов. При этом возможна обработка поверхностей вращения, плоских поверхностей, в том числе пазов и отверстий.

Цель изобретения - повышение твердости и износостойкости мартенситно-стареющей стали 03Н18К9М5Т.

Техническим результатом изобретения является повышение твердости и износостойкости изделий, испытывающих в процессе эксплуатации механические нагрузки. В результате такой обработки в поверхностном слое структура приобретает преимущественно сетчатую дислокационную и становится близкой к нанокристаллической, в результате чего увеличивается микротвердость, увеличивается плотность дислокаций, происходит допревращение остаточного аустенита, уменьшается шероховатость.

Технический результат достигается тем. Что в способе упрочняющей обработки деталей или изделий из мартенситно-стареющей стали 03Н18К9М5Т, включающем термическую и ультразвуковую обработку, с целью повышения твердости и износостойкости деталей или изделий после проведения закалки - 1200±10°C, выдержка 1 час, охлаждение в воде, трехкратная закалка 930±10°C, выдержка по 1 часу, охлаждение в воде, закалка 770-830°C, выдержка 1 час, охлаждение в воде, осуществляют ультразвуковую обработку, далее следует старение - старение 530±10°C, выдержка 3,5 часа, вакуум, при этом режим ультразвуковой обработки следующий: сила статического прижима 100 Н, скорость подачи 200 мм/мин, частота колебаний 22 кГц, амплитуда колебаний 15 мкм.

Достигаемый технический результат и возможности применения предлагаемого способа упрочняющей обработки поверхностей мартенситно-стареющей стали иллюстрируются следующими примером его осуществления.

В испытательной лаборатории Заявителя по предлагаемому способу был обработан вал, выполненный из мартенситно-стареющей стали 03Н18К9М5Т и имеющий исходную шероховатость R_a=0.880 мкм, микротвердость HV_0,05=510.

Мартенситно-стареющие стали после закалки состоят в основном из высоколегированного безуглеродистого мартенсита и некоторого количества остаточного аустенита и имеют сравнительно невысокую прочность. В процессе старения происходит распад твердых растворов мартенсита и аустенита с выделением в мартенситной матрице упрочняющих частиц интерметаллидных фаз. В результате ультразвуковой обработки на поверхности вала была получена шероховатость R_a=0,048 мкм и микротвердость HV_0,05=580. Структура приобретает преимущественно сетчатую дислокационную структуру, поперечный размер реек наблюдаемого мартенсита составляет ~ 90 нм, структура состоит преимущественно из субзеренной α-фазы размером ~ 110 нм на всех режимах обработки. Таким образом структура становится близкой к нанокристаллической. Остаточный аустенит не наблюдается. Плотность дислокаций увеличивается до ~ 7,5⋅10¹⁰ см ^-2. По границам нанокристаллических зерен α-фазы наблюдаются выделения высокодисперсных интерметаллидных упрочняющих фаз размером 3-20 нм.

Величина и знак остаточных макронапряжений поверхностного слоя составляют - 250 МПа.

Благодаря комбинированной обработки мартенситно-стареющей стали 03Н18К9М5Т достигается технический результат, а именно: в поверхностном слое структура приобретает преимущественно сетчатую дислокационную структуру, поперечный размер реек наблюдаемого мартенсита уменьшается, структура состоит преимущественно из субзеренной α-фазы и становится близкой к нанокристаллической. По границам нанокристаллических зерен α-фазы происходит выделение высокодисперсных интерметаллидных упрочняющих фаз. Происходит допревращение остаточного мартенсита и увеличение плотности дислокаций и микротвердости, уменьшение шероховатости.

Результаты влияния различных режимов термической обработки и последующей ультразвуковой обработки на микротвердость образца представлены на рисунке 1.

Предложенное изобретение относится к способу упрочняющей обработки деталей или изделий из мартенситно-стареющей стали 03Н18К9М5Т. Осуществляют закалку деталей или изделий при температуре 1200±10°C, после которой проводят выдержку в течение 1 часа, охлаждение в воде, трехкратную закалку при температуре 930±10°C с выдержкой по 1 часу, охлаждение в воде, закалку при температуре 770-830°C, выдержку в течение 1 часа, охлаждение в воде, ультразвуковую обработку. Затем осуществляют старение при температуре 530±10°C, выдержку в течение 3,5 часа и вакуумирование. Ультразвуковую обработку осуществляют с силой статического прижима, равной 100 Н, скоростью подачи 200 мм/мин, частотой колебаний 22 кГц и амплитудой колебаний 15 мкм. В результате повышается твердость и износостойкость стали 03Н18К9М5Т. 1 ил.

Способ упрочняющей обработки деталей или изделий из мартенситно-стареющей стали 03Н18К9М5Т, включающий их термическую и ультразвуковую обработку, отличающийся тем, что осуществляют закалку деталей или изделий при температуре 1200±10°C, после которой проводят выдержку в течение 1 часа, охлаждение в воде, трехкратную закалку при температуре 930±10°C с выдержкой по 1 часу, охлаждение в воде, закалку при температуре 770-830°C, выдержку в течение 1 часа, охлаждение в воде, ультразвуковую обработку, затем осуществляют старение при температуре 530±10°C, выдержку в течение 3,5 часа и вакуумирование, при этом ультразвуковую обработку осуществляют с силой статического прижима, равной 100 Н, скоростью подачи 200 мм/мин, частотой колебаний 22 кГц и амплитудой колебаний 15 мкм.