Способ обработки инструментальныхСТАлЕй Советский патент 1981 года по МПК C21D9/22 C21D1/78 

Изобретение относится к кимико-термической обработке инcтpyмeнтaльньfx сталей, преимущественно штампозого наз начения и может быть использовано для повышения стойкости штампов и цеталей прессн})орм, работающих в условиях иктен сивных температурно-силовых нагрузок. В современном машиностроении аля изготовления штампового инструмента применяются сложнолегированные хромовольфрамовые стали 4ХЗВМФ, ЗХ2В8Ф и др. Для создания износоустойчивого и теплостойкого поверхностного слоя инструмент подвергают химико-термической обработке, в процессе которой основное упрочнение достигается за счет азотирования. Известны способы химико- техмической обработки, отличающиеся большой длительностью. Образующийся на поверхности сплошной слой карбонитрицной фазы и нитридной сетки по границам зерен обусл/шливаот резкое снижение прочности 1. Некоторое ускорение процесса может быть достигнуто за счет предварительной дегазации при нагреве до температуры обработки в вакууме 2. Однако эти способы не обеспечивают повышения прочности диффузионного слоя с одновременным увеличением его глубины. Невысокая прочность связана, в частности с развитием пористости в зоне метастабильной высокоазотистой Б -фазы. Увеличение глубины слоя не достиг - ется также и в способе химико-термической обработки, согласно которого применительно к инструментальным сталям пред-варительная выдержка при ЗОО-4ОО° в течение 1-3 часов не дает ощутимого увеличения коэффициента диффузии азота, что связана с наличием в инструментальных сталях большого количества дисперсных карбидов, которые связывают азот в карбонитриды, что препятствует развитию диффузионного подслоя в вице Oi,-твердого раствора . Наиболее бл-изким по технической сущ ности и носгнгаемому разульгагу являет ся способ химико-термической обработки инструментальных сталей штампового назначения, включающий закалку с пони женной температуры 1000-1050 С, отпуск и азотирование . Однако этот способ не позволяет получить повышенные значения твердости и глубины упрочненного слоя, а обеспечивает только лучшее сочетание вязкости и разгаростойкости основного металла В ряде случаев для штампов, работающих под воздействием интенсивных ударно силовых и температурных нагрузок, это не обеспечивает высокой стойкости инструмента. При повышении температуры закалки до 1100-1120 С происходит рост зер- на, а растворимость карбидов в твердом растворе увеличивается незначительно. Сохранение дисперсных карбидов легирую щих элементов в структуре термообработанной стали приводит в процессе азотирования к развитию гетерофазной хрупкой карбонитридной зоны азотированного слоя Для повышения прочности азотированного слоя необходимо увеличить раствори мость азота в сзб - твердом растворе, а также создать условия для повышения его диффузионной активности. Цель изобретения - интенсификация процесса насыщения стали азотом и повышение твердости а аотированного слоя. Поставленная цель достигается тем, что в способе химико-термической обработки инструментальных сталей, включаю щем закалку с пониженной температуры, отпуск, и азотирование, перед закалкой проходят термоциклирование с нагревом до 12ОО-125О С и охлаждением в масл а отпуск совмещают с азотированием. При этом закалку с пониженной температуры проводят от ЭТО-ЮТО С, а количество циклов при термоциклировании вы бирают равным 3-5 в зависимости от марки стали.

Марка стали 4X3 ВМФ Количество циклов термоциклирования 1, 2 34 5. . 1 2 Глубина упрочненногослоя, мкм 190 227 295 ЗО1 304 183 202

Таблица 1

I

4Х4ВМ,ФС Термоциклирование интенсифицирует процесс растворения карбидов и обеспечивает высокую концентрацию легируюЕ1их элементов в пересыщенном об -твердом растворе термообработанной стали. Повышение легированности твердого раствора способствует увеличению растворимости азота в оС - фазе, что служит одной из основных причин повышения твердости. Повышение растворимости азота в 06 -фазе тормозит Образование на поверхности слоя хрупких высокоазотистых фаз и тем самым способствует повышению прочности. Кроме того, термоциклирование увеличивает количество дефектов кристаллической решетки, что облегчает диффузию, активирует кинетику азотирования и обеспечивает увеличение толщины диффузионного слоя. Совмещение отпуска с процессом азотирования определяется необходимостью сохранения в твердом растворе на начальном этапе упрочнения высокой концентрации дефектов, достигаемой в процессе термоциклирования, что важно в связи с тем, что азотирование особенно интенсивно протекает на начальном этапе. Кроме того, нагрев до отпускных температур и длительная выдержка в процессе азоти- рования обеспечивают получение требуемого уровня (}йзико-механических свойств основного металла упрочняемого изделия. Выбор температур 1200-1250° для нагрев1а при термоциклировании обусловлен необходимос ью наиболее полного растворения карбидов типа М е С и повышения степени насыщения твердого раствора легирующими элементами. С целью обоснования необходимого количества циклов термоциклирования выполнена оценка влияния количества циклов, на глубину упрочненного слоя в образцах из сталей 4ХЗВМФ и 4Х4ВМФС. Термоциклирование осуществляется с нагревом до 125О в каждом цикле, выдержкой времени 6 мин и охлаждением в масло. Азотирование в среде диссоциированного аммиака при 560±1О° в течение 18 ч. Данные приведены в табл. 1. 3 4 5 6 278 315 326 329 Иэ анализа приведенных в табл. 1 резульгагоь следует, что глубина упрочненного слоя на стали 4ХЗВМФ, заметно возрастает при увеличении чшсла циклов до 3. При меньшем количестве циклов не обеспечивается интенсификация процесса и повышение твердости азотированного слоя, так как при этом не достигается . достаточная диссоциация карбидов Me 6 С и не образуется необходимая для активизации диффузии азота плотность дефектов. При увеличении степени легированности (например для стали 4Х4ВМФС) число циклов необходимо увеличить. Однако, как следует из приведенных данных, выбор числа циклов более 5 нецелесообразен, так как практически не способствует увеличению глубины упрочненного слоя. В процессе 3-5 кратного термоциклирова ния происходит полная диссоциация карбидов МехС и насыщение 0 f твердого раствора легирующими элементами. Это подтверждается данными рентгеноструктурного анализа экстрагированных карбидов, которые показывают, что в стали 4ХЗВМФ, подвергнутой 3-х кратному моциклированию, рефпексы карбидов уже не наблюдаются. В более легированной стали 4Х4ВМФС этот эффект аостигается за 5 циклов. При этом максималь

Таблица ая поверхностная твердость соответствут 3-5 кратному термоциклированию и при дальнейшем увеличении числа циклов практически не изменяется. Это позволяет считать, что оптимальное число циков термоциклирования находится в пределах 3-5. Пример. Испытания предлагаемого способа проводит на цилиндрических образцах диаметром 26 мм, .высотой . 10 мм из стали 4ХЗВМФ. Образцы подвергают 3-х кратному термоциклнрованию с нагревом до 1250 и охлаждением в масло. После термоциклирования выпопнйют закалку с нагревом до 97О и охлаждением в масло. Затем образцы азотируют в среде диссоцированного акамиака при температуре 56О + 10 в течение 18 ч. Одновременно проводят обработку аналогичных образцов по известному способу. закалка в масло с температуры 1О7ОЯ отпуск при температуре 6ОО и последующее азотирование при 56О + Ю в течение 18 ч. В образцах, обработанных по сравниваемым режимам, определяют глубину диффузионного слоя и распределение микротвердости по глубине на приборе Durimet. Результаты приведены в табл. 2.

По предлагае116В 1097 мому способу29О По, известному18О

Таким образом, предлагаемый способ Ьбеспечивает увеличение глубины упрочненного слоя и повышение твердости по глубине. Кроме того, как показывает металлографические исследования происходит заметное уменьшение карбидной неоднородности по сечению образцов.

Формула изобретения

женной температуры, отпуск и азотирование, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса азотирования и увеличения твердости азотированного слоя, перед закалкой проводят термоцикли{Ьование с нагревом до 120О125О С и охлаждением в мпсло, а отпуск совмещают с азотированием.

, 1064 1003 920 824 514 454 847 8ОЗ 724 627 429 429

7 6215128

при гермоииклировании равно 3-5 в за-2. Авторское свидетельсгво СССР

виснмости от марки стали.№ 560004, кл. С 23 С 11/14, 1961.

Источники информации,3. Авторское свидетельство СССР

принятые во внимание при экспертизеN«534520, кл. С 23 С 11/14, 1975.

стали. М., 1968, с. 491-495.стали. М., 1976, с. 73.