Способ упрочнения рабочей части кромки режущего инструмента из коррозионно-стойких сталей мартенситного класса Российский патент 2025 года по МПК C21D9/18 C21D1/04 B21D53/64 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам упрочнения кромки режущего инструмента из коррозионно-стойких сталей мартенситного класса.

Предлагаемый способ можно использовать для производства деревообрабатывающего ручного инструмента и в производстве ножей бытового и профильного назначения.

Наиболее распространенным способом формирования кромки режущего инструмента является шлифование ее с двух сторон и, тем самым, кромка приобретает клинообразную форму. Из-за того, что толщина металла в области кромки достаточно мала (менее 0,3 - 0,5 мм), то под воздействием абразивов происходит местный нагрев кромки (прижог), что обеспечивает значительнее снижение твердости и в конечном итоге брак.

Режущий инструмент нередко подвергается динамическим нагрузкам, таким как удар. С целью придания режущей кромке высокого уровня износостойкости и прочности весь инструмент подвергается термической обработке на максимальную твердость. При этом все тело инструмента будет обладать низким уровнем пластичности. В итоге инструмент в процессе эксплуатации подвергается выкрашиванию, сколам и разрушению.

Известен способ [1] упрочняющей обработки деталей или изделий, выполненных из высокоуглеродистой стали, включающий нагрев под закалку, непосредственно закалку, ультразвуковую обработку, обработку холодом и отпуск. Недостатком данного способа является повышенная вероятность образования трещин на поверхности детали при ультразвуковой обработке с непосредственно закаленного состояния, а также низкая эффективность ультразвуковой обработки, проводимой с целью устранения остаточного аустенита, относительно операции обработки холодом. Так как обработка холодом предусматривает охлаждение металла до температуры, ниже температуры завершения мартенситного превращения, то в данном случае, с применением обработки холодом практически весь остаточный аустенит и так перейдет в состояние мартенсита.

Известен способ [2] упрочнения металлов, включающий в себя многократную закалку с различных температур и ультразвуковую обработку с последующим дисперсионным твердением (старение). К недостаткам способа следует отнести проведение ультразвуковой обработки в структурном состоянии, обладающем максимальной пластичностью, что будет способствовать образованию рельефности на поверхности обработки. Также следует отметить сложность и многооперационность способа обработки, что негативно влияет на технологичность производства и формирование окончательной себестоимости деталей при ее внедрении.

В качестве прототипа выбран способ [3] изготовления лезвия режущего инструмента, в частности режущей кромки скальпелей. В данном изобретении реализуется эффект двухсторонней ковки для придания режущей кромки инструмента клиновидной формы. В дальнейшем производится упрочняющая термическая обработка и последующие доводочные операции. Применение закалки после ультразвуковой ковки предусматривает нагрев металла до температуры аустенизации, технологическую выдержку и последующее охлаждение с критической скоростью закалки для обрабатываемой марки стали [4]. В этом случае при нагреве до высоких температур происходят процессы рекристаллизации в структуре металла, что способствует образованию зерна с наследственным размером, и, тем самым снижается эффект от измельчения структуры ультразвуковым методом [5].

После ультразвуковой обработки режущей кромки ее толщина достаточно мала. Нагрев при последующей закалке в зоне кромки будет происходить мгновенно, поэтому возникает риск образования окалины и выгорания режущей кромки.

Процессы нагрева под закалку снижают эффект от дробления структуры в процессе ультразвуковой ковки и требуют дополнительных мероприятий по защите режущей кромки от окисления и образования окалины. Эти факты можно отнести к недостаткам рассматриваемого способа.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении режущих параметров инструмента, устранении возможного брака за счет обеспечения удовлетворительной пластичности тела режущего инструмента и высокой прочности непосредственно рабочей зоны режущей кромки.

Для достижения указанного технического результата в известном способе, включающем термическую и ультразвуковую обработки, согласно изобретению сначала осуществляется закалка заготовки с аустенитного состояния, затем проводится отпуск и формирование одной стороны режущей кромки с последующим проведением по ней ультразвуковой обработки.

При необходимости изготовления режущей кромки клиновидной формы в дальнейшем формируется вторая сторона кромки с исключением возможности ее нагрева.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Использование коррозионно-стойкой стали для производства режущих инструментов бытового и профильного назначений обусловлено контактом инструмента с агрессивными средами. Как правило, для производства режущего инструмента, например, скальпеля и прочего хирургического инструмента используются стали мартенситного класса [6], например, 95X18, 65X13, 40X13, 50Х14МФ и т.д.

Заготовку режущего инструмента сначала подвергают закалке с аустенитного состояния с последующим проведением отпуска в температурном интервале 320-340°С с целью снижения уровня внутренних напряжений и повышения пластичности. При этой температуре еще не происходит выделения карбидов хрома по границам зерен, которые являются причиной снижения уровня коррозионной стойкости. В этом случае режущий инструмент будет способен выдерживать динамические нагрузки. Однако непосредственно рабочая часть режущего инструмента также будет обладать повышенной пластичностью, что негативно скажется на эксплуатационных параметрах.

После закалки и отпуска производится формирование одной стороны режущей кромки путем шлифования, при котором нередко происходит мгновенный локальный ее нагрев и, как следствие, снижение твердости в рабочей зоне инструмента. В таком случае рабочая часть кромки при резании будет деформироваться, что снижает качество реза.

Для достижения высоких эксплуатационных параметров режущего инструмента, а также исправления эффекта от прижога необходимо упрочнить шлифованную рабочую часть режущей кромки. Эффект упрочнения достигается методом ультразвуковой обработки с усилием прижима магнитострикционного преобразователя с твердосплавным наконечником 175-200Н и частотой импульса 22 кГц. Увеличение пластичности при осуществлении отпуска повышает уровень обрабатываемости металла ультразвуковым воздействием без риска образования трещин.

Согласно результатам лабораторных исследований за один проход вдоль кромки магнитострикционным преобразователем ширина обработанной зоны составляет приблизительно 0,5 мм. При этом наблюдается эффект упрочнения в приграничных зонах по ширине видимого следа от ультразвуковой обработки. Поэтому технологически целесообразно проводить ультразвуковую обработку рабочей поверхности режущей кромки в четыре и более проходов без перекрытия дорожек, с расстоянием между проходами от 0 до 0,3 мм. Необходимая ширина обработки в конечном итоге осуществляется путем количества проходов, кратного ширине одного прохода - 0,5 мм.

В дальнейшем, при необходимости, формируется кромка клинообразной формы с другой стороны способами, исключающими нагрев кромки, например, на абразивных кругах с водным охлаждением с низкими скоростями оборотов.

Были проведены испытания, в ходе которых клинок из стали 40X13 подвергался шлифованию с обоих боков с целью формирования спусков (постепенное сужение клинка по толщине от верхней части клинка до режущей кромки). В дальнейшем заготовка подвергалась закалке с аустенитного состояния, нагретого в защитных атмосферах (с целью исключения обезуглероживания поверхности). После закалки твердость клинка составляла 57-58 HRC. Далее заготовка клинка подвергалась отпуску при температуре 320-340°С. В итоге твердость клинка соответствовала значениям 51-53 HRC. В дальнейшем заготовка подверглась шлифованию кромки с одной стороны и ультразвуковой обработке с шириной обработки приблизительно 4 мм (7 проходов). Это позволило упрочнить рабочую часть режущей кромки, а также восстановить локальное разупрочнение режущей кромки, возникшей в результате нагрева при шлифовании. Окончательное формирование обратной стороны кромки достигается абразивным шлифованием с водяным охлаждением и низкими скоростями обработки.

Исследование структуры стали 40X13 после термической и ультразвуковой обработки проводились в специализированной лаборатории. По результатам исследований следует, что эффект от ультразвуковой обработки достигается при нагружении преобразователя 170-200Н. При этом эффективная глубина обработки составляет 0,15 мм. Твердость в поверхностном слое составляет 62-63 HRC при соответствии средней твердости тела клинка 52 HRC. Как известно, в процессе закалки внутренние напряжения в теле металла характеризуются как напряжения растяжения, а поле напряжений, возникающих в процессе ультразвуковой обработки - напряжения сжатия. Ультразвуковая обработка позволяет компенсировать поле закалочных напряжений и в последующем отпуске не нуждается.

Таким образом, с помощью предложенного способа обеспечивается повышение режущих параметров инструмента и устранение возможного брака. Это происходит за счет обеспечения удовлетворительной пластичности тела режущего инструмента и высокой прочности рабочей зоны режущей кромки с переориентированным полем структурных напряжений в поверхностном и приповерхностном слоях.

Список литературы:

1. Свидетельство СССР №956581 от 16.01.1981, «Способ термической обработки инструмента»;

2. Патент на изобретение RU №2740294 от 16.10.2020, «Способ упрочняющей обработки мартенситно-стареющей стали»;

3. Патент на изобретение RU №2286227 от 18.01.2005, «Способ изготовления лезвия режущего инструмента, устройство для его осуществления и боек, используемый в этом устройстве»;

4. А.П. Гуляев. «Металловедение». Изд. 5-е переработанное. Москва «Металлургия» 1977 стр. 254;

5. С.Г. Лобанова «Структура и механические свойства высокопрочных алюминиевых сплавов и их сварных соединений с наноструктурированным поверхностным слоем». Труды 6-ой Всероссийской школы-семинара с международным участием. Новые материалы, создание, структура, свойства - 2006. Томск, 2006. Стр.98;

6. ГОСТ5632-2014 «Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки» Москва. Стандартинформ. 2015.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам упрочнения кромки режущего инструмента из коррозионно-стойких сталей мартенситного класса. Способ упрочнения режущей кромки режущего инструмента из коррозионно-стойких сталей мартенситного класса, включающий термическую и ультразвуковую обработки, характеризуется тем, что сначала осуществляют закалку заготовки с аустенитного состояния, затем проводят отпуск при 320-340°С и формирование с одной стороны режущей кромки с последующим проведением по ней ультразвуковой обработки с усилием прижима магнитострикционного преобразователя с твердосплавным наконечником 175-200 Н и частотой импульса 22 кГц. Технический результат изобретения заключается в повышении режущих параметров инструмента, устранении возможного брака за счет обеспечения удовлетворительной пластичности тела режущего инструмента и высокой прочности непосредственно рабочей зоны режущей кромки. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ упрочнения режущей кромки режущего инструмента из коррозионно-стойких сталей мартенситного класса, включающий термическую и ультразвуковую обработки, отличающийся тем, что сначала осуществляют закалку заготовки с аустенитного состояния, затем проводят отпуск при 320-340°С и формирование одной стороны режущей кромки с последующим проведением по ней ультразвуковой обработки с усилием прижима магнитострикционного преобразователя с твердосплавным наконечником 175-200 Н и частотой импульса 22 кГц.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после формирования с одной стороны режущей кромки на второй стороне формируют режущую кромку клиновидной формы путем шлифования с применением охлаждающих сред.