Инструмент из быстрорежущей стали р18

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для различного типа резцов, фрез, сверл, метчиков и т.д. Инструмент выполнен из быстрорежущей стали Р18, содержащей феррит α-Fe, легированный хромом и вольфрамом, и карбид быстрорежущей стали Fe₃W₃C. Средний размер блоков α-Fe составляет не более 42 нм, Fe₃W₃C - не более 32 нм, микродеформации кристаллической решетки α-Fe составляют не более 4,7·10^-3, а микродеформации кристаллической решетки Fe₃W₃C - не более 6,5·10^-4. Повышается прочность стали и уменьшается хрупкость компонентов стали. Увеличивается срок службы инструмента. 1 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для холодной и горячей механической обработки различных материалов, преимущественно металлов и их сплавов, и может быть выполнено в виде различного типа резцов, фрез, сверл, метчиков и т.д.

Известен инструмент, изготовленный из быстрорежущей вольфрамовой стали Р9 [1]. Недостатком инструмента, изготовленного из стали Р9, является ухудшение шлифуемости: возникновение при шлифовании прижогов и налипания обрабатываемого металла на инструмент.

Наиболее близким к заявляемому инструменту является инструмент, изготовленный из быстрорежущей вольфрамовой стали Р18 [2]. Недостатком инструмента из стали Р18 является большое содержание карбидов в стали, что приводит к меньшим значениям прочности и пластичности по сравнению со сталями с меньшим содержанием вольфрама.

Заявляемое изобретение направлено на увеличение прочности и уменьшение хрупкости компонентов быстрорежущей стали Р18 и тем самым на увеличение срока службы инструмента, изготовленного из нее.

Указанный результат достигается тем, что в инструменте, изготовленном из быстрорежущей стали Р18, содержащей феррит α-Fe, легированный хромом и вольфрамом, и карбид быстрорежущей стали Fe₃W₃C, средний размер блоков α-Fe составляет не более 42 нм, Fe₃W₃C - не более 32 нм, микродеформации α-Fe составляют не более 4.7·10^-3, Fe₃W₃С - не более 6,5·10⁴.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:

- выбор в качестве интервала средних размеров блоков феррита α-Fe, легированного хромом и вольфрамом, полуоткрытого интервала, ограниченного сверху средним размером 42 нм;

- выбор в качестве верхнего предела интервала средних размеров блоков феррита α-Fe среднего размера, равного 42 нм;

- выбор в качестве интервала средних размеров блоков карбида быстрорежущей стали Fe₃W₃C полуоткрытого интервала, ограниченного сверху средним размером 32 нм;

- выбор в качестве верхнего предела интервала средних размеров блока карбида Fe₃W₃С среднего размера, равного 32 нм;

- выбор в качестве интервала величины микродеформаций кристаллической решетки α-Fe полуоткрытого интервала, ограниченного сверху 4,7·10^-3;

- выбор в качестве верхнего предела интервала микродеформаций кристаллической решетки a-Fe величины микродеформаций, равной 4.7·10^-3;

- выбор в качестве интервала величины микродеформаций кристаллической решетки карбида Fe₃W₃С полуоткрытого интервала, ограниченного сверху 6,5·10^-4;

- выбор в качестве верхнего предела интервала микродеформаций кристаллической решетки Fe₃W₃С величины микродеформаций, равной 6,5·10^-4.

Экспериментально установлено, что средний размер блоков феррита α-Fe, реализуемый в заявляемом изобретении и равный от 40 до 42 нм, почти вдвое меньше среднего размера блоков феррита в базовом инструменте, что означает увеличение поверхностной энергии границ блоков [3] почти в 2 раза. Поскольку предел текучести обратно пропорционален корню квадратному из среднего размера блоков [4], то прочность основного компонента - α-Fe быстрорежущей стали Р18 возрастает приблизительно на 40%.

Средние размеры блоков α-Fe, равные от 40 до 42 нм, являются минимально достижимыми под воздействием ионизирующей радиации в условиях наших опытов. Средние размеры блоков, большие 42 нм и реализуемые при других режимах ионизирующей радиации, приводят к меньшему увеличению прочности по сравнению с базовым инструментом. Поэтому применение их в заявляемом инструменте нецелесообразно. Вполне вероятно, что при других условиях облучения удастся реализовать меньшие значения среднего размера блоков α-Fe. Поэтому в изобретении нижний предел средних размеров блоков α-Fe не ограничен.

Экспериментально установлено, что средний размер блоков карбида быстрорежущей стали Fe₃W₃С, реализуемый в заявляемом изобретении и изменяющийся от 26 до 32 нм, вдвое меньше среднего размера блоков Fe₃W₃С, в базовом инструменте, что означает увеличение поверхностной энергии границ блоков [3] в 2 раза. Поскольку предел текучести обратно пропорционален корню квадратному из среднего размера блоков [4], то прочность этого компонента быстрорежущей стали Р18 возрастает на 40%. Средние размеры блоков Fe₃W₃C, равные от 26 до 32 нм, являются минимально достижимыми под воздействием ионизирующей радиации в условиях наших опытов. Средние размеры блоков, большие 32 нм и реализуемые при других режимах ионизирующей радиации, приводят к меньшему увеличению прочности по сравнению с базовым инструментом. Поэтому применение их в заявляемом инструменте нецелесообразно. Вполне вероятно, что при других условиях облучения удастся реализовать меньшие значения среднего размера блоков Fe₃W₃С. Поэтому в изобретении нижний предел средних размеров блоков Fe₃W₃C не ограничен.

Экспериментально установлено, что величина микродеформаций кристаллической решетки α-Fe, реализуемая в заявляемом изобретении и равная 4,6÷4,7·10^-3, на 17% меньше величины микродеформаций в базовом инструменте, что означает уменьшение хрупкости основного компонента быстрорежущей стали Р18.

Величина микродеформаций кристаллической решетки α-Fe, равная (4,6-4,7)·10^-3, является минимально достижимой под воздействием ионизирующей радиации в условиях наших опытов. Микродеформации, большие 4.7·10^-3 и реализуемые при других режимах ионизирующей радиации, приводят к меньшему уменьшению хрупкости по сравнению с базовым инструментом. Поэтому применение их в заявляемом инструменте нецелесообразно. Вполне вероятно, что при других условиях облучения удастся реализовать меньшие значения микродеформаций α-Fe. Поэтому в изобретении нижний предел микродеформаций α-Fe не ограничен.

Экспериментально установлено, что величина микродеформаций кристаллической решетки карбида быстрорежущей стали Fe₃W₃C, реализуемая в заявленном изобретении и равная от 4,5·10^-4 до 6,5·10^-4, в несколько раз меньше микродеформаций Fe₃W₃C в базовом инструменте, что означает также и уменьшение хрупкости карбидной фазы быстрорежущей стали Р18 в несколько раз.

Значения микродеформаций кристаллической решетки Fe₃W₃С, от 4,5·10^-4 до 6,5·10^-4 являются минимально достижимыми под воздействием ионизирующей радиации в условиях наших опытов. Микродеформациии, большие 6,5·10^-4 и реализуемые при других режимах ионизирующей радиации, приводят к меньшему уменьшению хрупкости по сравнению с базовым инструментом. Поэтому применение их в заявляемом инструменте нецелесообразно. Вполне вероятно, что при других условиях облучения удастся реализовать меньшие значения микродеформаций Fe₃W₃С. Поэтому в изобретении нижний предел микродеформаций Fe₃W₃С не ограничен.

Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Инструмент представляет собой единое целое и не имеет движущихся частей, поэтому работа инструмента не описывается и чертежи, поясняющие работу инструмента, не приводятся.

Проверка достижения заявленного технического результата осуществлялась следующим образом. Базовые образцы из быстрорежущей стали Р18 и образцы из стали Р18, подвергнутые радиационной обработке, исследовались методом рентгеновской дифрактометрии. Параметры тонкой кристаллической структуры - средний размер блоков (кристаллитов) D и микродеформации кристаллических решеток компонентов быстрорежущей стали Р18: феррита α-Fe, легированного хромом и вольфрамом, и карбида быстрорежущей стали Fe₃W₃C определялись при помощи метода, изложенного в работах [3, 5].

Пример.

Образцы цилиндрической формы (диски) диаметром 20 мм и толщиной 5 мм облучались со стороны одного из плоских оснований проникающей радиацией. Образцы, как необлученный (базовый), так и облученные, исследовались методом рентгеновской дифрактометрии. Результаты экспериментом представлены в таблице 1.

Из табл.1 ясно, что благодаря радиационной обработке средние размеры блоков уменьшаются в фазе α-Fe почти в 2 раза, а в фазе Fe₃W₃С - ровно в 2 раза. Поскольку предел текучести материала обратно пропорционален корню квадратному из среднего размера блоков [4], то очевидно, что радиационная обработка на 40% увеличивает прочность компонентов быстрорежущей стали Р18.

Из табл.1 ясно также, что в фазе α-Fe облучение уменьшает микродеформации на обеих плоскостях, как облученной, так и необлученной, приблизительно на 17%. В то же время в фазе Fe₃W₃C на облученной поверхности микродеформации уменьшаются в 2,4 раза, а на необлученной поверхности - в 3,48 раза. Если принять во внимание, что упругая энергия, заключенная в микродеформациях кристаллической решетки, пропорциональна квадрату ε [6], можно сделать вывод, о том, что упругая энергия кристаллической решетки α-Fe в результате облучения уменьшилась на 31%, а упругая энергия кристаллической решетки Fe₃W₃С - в 5,8-12,1 раза. Поэтому хрупкость инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали Р18, безусловно уменьшается после облучения, хотя точную оценку величины уменьшения трудно дать, исходя из представленных данных.

Таблица 1
Средний размер блоков D и микродеформации ε кристаллических решеток компонентов быстрорежущей стали марки Р18: феррита α-Fe, легированного хромом и вольфрамом, и карбида быстрорежущей стали Fe3W3С в необлученном образце и образцах, подвергнутых воздействию проникающей радиации
Параметр тонкой кристаллической структуры	Необлученный образец	Облученные образцы
	Облученные поверхности	Необлученные поверхности
α-Fe	Fe3W3C	α-Fe	Fe3W3С	α-Fe	Fe3W3С
D, нм	76,3	52,1	42,4	31,6	40,2	26,0
Е·104	55,9	15,64	46,7	6,5	46,3	4,5

Необходимо отметить, что из табл.1 следует, кроме того, что эффект от воздействия ионизирующей радиации как на облученной, так и на необлученной поверхностях образцов практически одинаков. Отсюда можно сделать вывод, что по крайней мере до глубины 5 мм ионизирующая радиация оказывает одинаковое воздействие на изменение свойств быстрорежущей стали Р18. Подобные же результаты были получены нами ранее при исследованиях воздействия облучения электронами на сплавы на основе железа и алюминиевые сплавы методом измерения микротвердости [7, 8].

Таким образом, подводя итог сказанному выше, можно утверждать, что срок службы инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали Р18 и подвергнутого воздействию ионизирующей радиации, должен значительно возрасти по сравнению с базовым инструментом.

Источники информации

1. Геллер Ю.Г. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1968. - 568 с. - С.354-355.

2. Геллер Ю.Г. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1968. - 568 с. - С.353. (Прототип)

3. Коршунов А.Б. Аналитический метод определения параметров тонкой кристаллической структуры по уширению рентгеновских линий // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2004. - Т.70, №2. - С.27-32.

4. Миркин Л.И. Физические основы прочности и пластичности. М.: МГУ, 1968. - 540 с.

5. Патент РФ №2234076 от 10.08.2004 г. «Способ определения параметров тонкой кристаллической структуры поликристаллического материала» / Патентообладатель: Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова. Авторы: Коршунов А.Б., Иванов А.Н.

6. Инденбом В.Л. Строение реальных кристаллов. // Современная кристаллография. Т.2. Структура кристаллов. - М.: Наука, 1979. - С.297-341.

7. Патент РФ №2221056 от 10.01.2004 г. «Способ обработки изделий из металлических сплавов на основе железа» / Патентообладатели: ФГУП Научно-исследовательский институт приборов, Коршунов А.Б., Жуков Ю.Н., Голубцов И.В. и др. Авторы: Коршунов А.Б., Жуков Ю.Н., Голубцов И.В. и др.

8. Патент РФ №2225458 от 10.03.2004 г. «Способ обработки алюминиевых сплавов» / Патентообладатели: ФГУП Научно-исследовательский институт приборов, Коршунов А.Б., Жуков Ю.Н., Голубцов И.В. и др. Авторы: Коршунов А.Б., Жуков Ю.Н., Голубцов И.В. и др.

Инструмент, выполненный из быстрорежущей стали Р18, структура которой содержит феррит α-Fe, легированный хромом и вольфрамом, и карбид быстрорежущей стали Fe₃W₃C, отличающийся тем, что средний размер блоков α-Fe составляет не более 42 нм, а Fe₃W₃C - не более 32 нм, величина микродеформации кристаллической решетки α-Fe составляет не более 4,7·10^-3, а Fe₃W₃C - не более 6,5·10^-4.