Способ термической обработки сварного инструмента из быстрорежущих сталей

 

Сущность изобретения: сварной инструмент из быстрорежущей стали нагревают в вакууме до 820°С 3 раза с последующими охлаждениями в течение 20 - 30 мин до 200 - 180°С и выдержками при температуре охлаждения в течение 2 - 3 мин. Далее нагревают в течение 30 - 40 мин до 1045 - 1050°С и выдерживают при данной температуре 5 - 6 мин. До температуры аустенитизации нагревают в течение 5 мин и выдерживают 20 мин. Охлаждают газом. Отпуск проводят дважды при 540 - 570°С с нагревом в течение 30 - 40 мин, выдержкой в течение часа и охлаждением газом под давлением 0,1 МПа до 30 - 20°С. 1 табл.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к термической обработке в вакууме сварного инструмента из быстрорежущей стали.

Известен способ термической обработки сварного инструмента из разнородных марок стали, заключающийся в нагреве в солевой ванне, охлаждение режущей части с выдержкой при температуре 450-500^оС, при этом термическую обработку стержневой части выполняют после закалки и отпуска режущей части. Стержневую часть из углеродистой стали охлаждают в воде, а из легированной стали - в масле и отпускают при температуре 400-450^оС.

Известный способ позволяет получить для быстрорежущей и конструкционной стали удовлетворительную твердость, но не обеспечивает высокого запаса прочности сварного шва необходимого при эксплуатации вследствие образования трещин непосредственно у листа сварки, что является причиной поломки инструмента при фрезеровании профиля турбинных лопаток, изготовленных из титана, жаропрочных сплавов и стали. В этом и заключается недостаток термической обработки сварного инструмента в соли.

Заметно улучшить прочность сварного шва путем изменения температуры закалки не представляется возможным, так как понижение температуры закалки влечет за собой образование недостаточно легированного мартенсита, что снижает твердость, а при повышении температуры происходит чрезмерный рост зерна, укрупнение карбидов, образование четко видимой разорванной оторочки вокруг зерен, увеличение мартенситных игл. Все стадии перегрева приводят к повышению твердости, что существенно снижает прочностные свойства сварного соединения инструмента из быстрорежущей и конструкционной стали. А это в свою очередь снижает износостойкость инструмента.

Известен способ термической обработки в вакууме режущего инструмента, который заключается в ступенчатом нагреве в вакууме (10^-4-10^-5 МПа) до 700-900^оС в течение 30 мин, выдержке 30 мин, нагреве до 1000-1100^оС 5 мин, выдержке 30 мин; нагреве до 1220^оС 5 мин, выдержке 20 мин, охлаждение в азоте.

Существенным недостатком известного способа является невозможность применить его для термической обработки сварного инструмента, так как он не обеспечивает стойкость сварного соединения.

В настоящее время в инструментальном производстве 70% режущего инструмента приходится на инструмент, изготовленного с помощью сварки из двух разнородных марок стали, так как рабочая часть изготавливается из быстрорежущей стали, а державка - из конструкционной.

Задача изобретения - разработка режимов термической обработки в вакууме сварного инструмента из быстрорежущей и конструкционной стали, которые позволяют обеспечить высокую прочность сварного соединения, необходимые механические свойства как на быстрорежущей стали, так и на конструкционной.

Указанная задача решается созданием следующей совокупности существенных признаков изобретения, при этом общими с прототипом являются: ступенчатый подогрев до температуры 820^оС в течение 30 мин, окончательный нагрев до температуры аустенизации 5 мин и выдержка в вакууме и последующее охлаждение газом, а отличительными от прототипа являются: на первой ступени подогрева осуществляют трехкратные подогрев и охлаждение в течение 20-30 мин с изотермической выдержкой при 200^оС-180^оС в течение 2 мин, на второй ступени подогрева поднимают температуру в течение 30-40 мин, выдерживают при ней в течение 5-6 мин, на третьей ступени нагрева поднимают температуру в течение 5 мин, после окончательного нагрева и выдержки осуществляют дважды нагрев в течение 30-40 мин с изотермической выдержкой при 540-570^оС в течение часа и охлаждение газом под давлением 0,1 МПа до температуры 30-20^оС.

Высокая прочность сварного шва обеспечивается плавным переходом пермето-сорбитной структуры к сорбитной структуре конструкционной стали и одинаковыми объемными изменениями структуры в зоне шва. Необходимые механические свойства как на быстрорежущей стали, так и на конструкционной обеспечиваются величиной аустенитного зерна (N 11-12) мартенситом мелкого строения, благоприятным расположением карбидной фазы и их размерами, а также насыщение поверхностного слоя азотом.

Трехкратный нагрев до 820^оС с охлаждением до 200-180^оС сварного инструмента позволяет устранить цементитную сетку и измельчить зерно конструкционной стали, в результате чего при нагреве до температуры закалки (1190-1280^оС) быстрорежущей стали не происходит "пережог" хвостовика из конструкционной стали и рост зерна, что позволяет получить необходимый уровень прочностных свойств конструкционной стали.

Предлагаемый способ термической обработки сварного инструмента в вакууме по сравнению с известными способствует охране окружающей среды, обеспечивает улучшение условий труда, снижает уровень шума, ликвидирует тепловые нагрузки, дым. Кроме того благодаря высококачественному состоянию поверхности инструмента и очень незначительной деформации, эти инструменты хорошо обрабатываются при последующей механической обработке.

Термическую обработку осуществляли в вакуумной печи модели VVC=324 p фирмы "ИПСЕН" сварного инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали марки Р18 и конструкционной стали марки 40Х.

Загружают партию сварного инструмента (фрезы) из быстрорежущей стали марки Р18 или Р6М5К5, Р6М5Ф3МП, Р10М4К14МП и т.д. в указанную печь. Настраивают печь в зависимости от размера садки, т.е. задают давление вакуума и охлаждающего газа (в данном случае используют азот (N₂)). Подогревают инструменты в течение 30 мин до температуры 820^оС, подают под заданным давлением охлаждающий газ в течение 20-30 мин, который охлаждает инструменты до температуры 200-180^оС, и при этой температуре выдерживают в течение 2,3 мин. И так повторяют еще два раза. Далее поднимают температуру в течение 30-40 мин до 1045-1050^оС, выдерживают при этой температуре в течение 5-6 мин. Поднимают температуру в течение 5 мин до температуры окончательного нагрева (аустенизации), выдерживают 20 мин. Подают охлаждающий газ в течение 30-40 мин и охлаждают фрезы до температуры 60^оС. Не выгружая инструмент из печи, осуществляют двукратный отпуск, т.е. поднимают температуру в течение 30-40 мин до 540-570^оС, выдерживают при этой температуре в течение часа. Потом подают охлаждающий газ под давлением 0,1 МПа и охлаждают им фрезы до температуры 30-20^оС.

После термообработки сварные фрезы подвергались испытанию на прочность сварного соединения, твердость, красностойкость и определяли номер аустенитного зерна. Все данные сведены в таблицу. Из этой таблицы ясно, что сварной инструмент, например, выполненный из марки стали 618, после предлагаемого способа термической обработки имеет прочность сварного шва σ_изг. = 598 МПа, режущей части σ_изг. =784 МПа, твердость сварного шва HRC_э=50-51, режущей части HRC_э= 63-64, при этом красностойкость режущей части HRC_э=59 (620^оС), размер аустенитного зерна N 10-11.

В производственных условиях фрезы испытывались при обработке рабочих лопаток из стали марки 15Х11МФ на станках с ЧПУ модели фирмы "Форест". До первой переточки фрезы обработали без посадки и поломки. Потом их еще раз переточили, снова поставили на станок и они отработали смену (8 ч). Так повторяли до тех пор, пока возможна была заточка фрез и при этом разрушение сварного шва не наблюдалось.

Формула изобретения

СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНОГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ, включающий трехступенчатый нагрев в вакууме, выдержку, охлаждение газом и отпуск, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности сварного шва, нагрев до температур первой ступени осуществляют 3 раза с последующими охлаждениями в течение 20 - 30 мин до 200 - 180^oС и выдержками при температуре охлаждения в течение 2 - 3 мин, нагрев до температур второй ступени ведут в течение 30 - 40 мин, а выдержку осуществляют в течение 5 - 6 мин, нагрев до температур третьей ступени ведут в течение 5 мин, а отпуск проводят дважды при 540 - 570^oС с нагревом в течение 30 - 40 мин, выдержкой в течение 1 ч и охлаждением газом под давлением 0,1 МПа до 30 - 20^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4