Способ упрочнения штампов из полутеплостойких сталей

 

Сущность изобретения: штампы из полутеплостойких сталей, преимущественно типа Х12М, подвергают закалке, двукратному отпуску при температуре 520°С, после чего шлифуют и проводят окончательный отпуск в вакууме при той же температуре с последующим охлаждением до температуры не менее 300°С. Азотирование проводят в тлеющем разряде при температуре поверхности на 20°С выше температуры разупрочнения стали.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам термической и химико-термической обработки штампов, и может быть использовано в машиностроении.

Известен способ химико-термической обработки инструмента, включающий ионное азотирование при температуре 380^оС в течение четырех часов с последующей выдержкой при 280^оС.

Недостатком указанного способа является то, что на поверхности формируются избыточные нитриды и остаются растягивающие остаточные напряжения после предшествующей термической обработки. Это неблагоприятно сказывается на стойкости штампа.

Наиболее близким по технической сущности является способ термической обработки и азотирования стали Х12М, включающий закалку от 1000^оС, отпуск при 520^оС и азотирование сталей при температуре 510-520^оС в течение 8-12 ч.

Недостатки указанного технического решения - высокая хрупкость азотирования слоя, значительная трудоемкость обработки и существенные деформации штампов.

Цель изобретения - повышение стойкости штампов, снижение трудоемкости упрочняющей обработки и уменьшение их деформаций.

Указанная цель обеспечивается тем, что окончательный отпуск штампов из стали Х12М после закалки, отпуска на вторичную твердость и шлифование выполняют в вакууме при температуре 520^оС с последующим охлаждением до температуры не менее 300^оС, а азотирование производят в тлеющем разряде при температуре поверхности на 20^оС выше температуры разупрочнения сталей.

Выполнение упрочняющей обработки, включающей закалку стали Х12М в горячую среду, отпуск на вторичное твердение позволяет обеспечить механические свойства стали и устранить в структуре остаточный аустенит для предотвращения деформаций при последующем азотировании. Шлифовка инструмента вызывает образование дефектного (вторично закаленного) поверхностного слоя с растягивающими остаточными напряжениями, которые наследуются при последующем азотировании и снижают стойкость штампа. Образующиеся дефекты поверхности устраняются в процессе вакуумного отпуска в установке ионного азотирования с комбинированным нагревом. При температурах 520^оС и выше происходит полное превращение аустенита в мартенсит на поверхности штампа, формируются благоприятные сжимающие напряжения. Одновременно в процессе вакуумного нагрева происходит химическая очистка поверхности, что интенсифицирует протекание последующего ионного азотирования. Ионное азотирование выполняют при температурах, превышающих температуры вторичного твердения на 20^оС. Это вызывает интенсификацию диффузии азота в сталь и деформирование упрочненного слоя достаточной глубины. В связи с интенсификацией диффузии азота выдержка устанавливается кратковременной, для предотвращения образования хрупких нитридных фаз. Образующийся азотированный слой содержит минимальное количество нитридов (не более 5% ); в нем формируются остаточные напряжения сжатия. Такой слой оптимален для условий штамповки. Вместе с тем происходит отпуск основы до HRC 54...56. Однако в связи с тем, что на поверхности формируется слой с глубиной, превышающей допустимую величину износа штампов, на износостойкость поверхности этот факт не оказывает заметного влияния. Вместе с тем инструмент, имеющий сердцевину с пониженной твердостью и с большей вязкостью, надежнее в работе, т.к. выкрашивания рабочих кромок такого штампа меньше. В целом стойкость его выше. Выполнение перечисленных технологических приемов в комплексе и в описанной последовательности позволяет достичь заданный эффект.

Предложенный способ упрочнения инструмента осуществляется следующим образом.

П р и м е р 1. (заявляемый объект). Проводят термическую обработку штампов и образцов из стали Х12М по заявляемому способу. Температура закалки 1080^оС, охлаждение в селитре при температуре 300^оС. Выдержка в течение 30-40 мин, далее на воздухе. После закалки проводят двукратный высокий отпуск (520^оС) в течение часа. Затем выполняют шлифование штампов в окончательный размер. После шлифования инструмент и образцы загружают в специальном приспособлении в камеру установки для ионного азотирования с комбинированным нагревом НШВ-6 10/6-И1. Выполняют вакуумный отпуск в установке при давлении 3-5 10^-2 мм рт.ст. при температуре 520^оС в течение часа. Затем охлаждают изделия до температуры не менее 300^оС для завершения структурных превращений. После завершения отпуска проводят ионное азотирование инструмента при следующих параметрах: давление диссоциированного аммиака - 2 мм рт. ст. , температура азотирования - 540^оС, температура нагревателей при косвенном нагреве - 470^оС, плотность ионного тока - 0,3 мА/см²; время процесса - 2 ч.

Определяют механические и эксплуатационные свойства стали после упрочняющей обработки.

Структурные характеристики упрочненного слоя и остаточные напряжения определялись рентгеновским методом. Механические свойства определяли стандартными методами. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3, деформации на образцах 10х100 мм. Эксплуатационные свойства определяли в лабораторном стенде - штампе.

Эксплуатационная стойкость и комплекс механических свойств стали Х12М после упрочняющей обработки по заявляемому способу является наивысшим при минимальной трудоемкости. Это реализуется за счет обеспечения в структуре упрочненного слоя азотистого мартенсита с высокой твердостью (H₀₅ = 12ГПа) и формирования в нем сжимающих остаточных напряжений. Деформация штампов после азотирования минимальна.

П р и м е р 2. Аналогичен примеру 1, но отпуск перед азотированием проводят в окислительной среде (воздухе). Это вызывает снижение интенсивности ионного азотирования и уменьшение глубины азотированного слоя. Поэтому стойкость штампа ниже.

П р и м е р 3. Аналогичен примеру 1, но отпуск перед азотированием проводят в вакууме при температуре ниже заявляемой (500^оС). В упрочненном слое формируются невысокие сжимающие напряжения, и стойкость ниже оптимальной.

П р и м е р 4. Аналогичен примеру 1, но отпуск перед азотированием выполняют при температуре выше заявляемой (560^оС). Это вызывает отпуск образца и смятие штампа.

П р и м е р 5. Аналогичен примеру 1, но азотирование проводят при температуре ниже, чем в заявляемом объекте (520^оС). Формируется неглубокий упрочненный слой. Твердость основы (стали Х12М) высока. Поэтому в зонах концентрации нагрузок штампа наблюдаются незначительные выкрашивания. Стойкость штампа в результате этого ниже.

П р и м е р 6. Аналогичен примеру 1, но азотирование выполняют при температуре 560^оС. Это вызывает отпуск образца и смятие штампа.

П р и м е р 7. Аналогичен примеру 1, но охлаждение после отпуска в вакууме перед азотированием проводят до 400^оС. Это вызывает усиленные деформации штампа после азотирования из-за незавершенности структурных превращений.

П р и м е р 8. Аналогичен примеру 1, но охлаждение после отпуска проводят до температуры 20^оС. Трудоемкость обработки выше.

П р и м е р 9 (прототип). Проводят закалку от температуры 1000^оС в масле и отпуск при температуре 180^оС в течение часа. Затем производят азотирование при температуре 520^оС в течение 8 ч. Это вызывает сильную деформацию штампов, невысокую стойкость штампов против выкрашивания. Одновременно трудоемкость такой обработки выше заявляемой. В процессе испытаний вырубные штампы после упрочнения по режиму, приведенному в примере 1 стабильно показали минимальную деформацию в процессе обработки, ее пониженную трудоемкость и высокую стойкость по сравнению с инструментом, упрочненным по способу, принятому за прототип, пример 9.

Таким образом, использование изобретения создает положительный эффект в повышении эксплуатационной стойкости штампов, снижении трудоемкости обработки, обеспечения минимальных деформаций в процессе их изготовления.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ШТАМПОВ ИЗ ПОЛУТЕПЛОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ, преимущественно типа XI2M, включающий закалку, отпуск при 520^oС и последующее азотирование, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости штампов, снижения трудоемкости обработки и уменьшения их деформации, отпуск проводят двухкратный, после чего штампы шлифуют и проводят окончательный отпуск в вакууме при той же температуре с последующим охлаждением до температуры не менее 300^oС, а азотирование проводят в тлеющем разряде при температуре поверхности на 20^oС выше температуры разупрочнения стали.