Способ повышения твердости более 68,0 hrc в изделиях из инструментальных сталей
Владельцы патента RU 2349651:
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) (RU)
Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и используется для изготовления режущего инструмента, штампов, рабочих валков листопрокатных станов стали типа «90Х». Технический результат изобретения заключается в повышении твердости более 68 HRC. Для достижения технического результата осуществляют предварительную подготовку структуры стального изделия, закалку, многократную обработку холодом и низкий отпуск, при этом предварительная подготовка структуры заключается в закалке с температуры 890°С Acm+(10÷20°C) и последующем среднем отпуске на температуру 400-480°С в течение 1-6 часов. Закалку осуществляют посредством охлаждения в масле или через воду в масло с температуры Аcm+(10÷20°С) с последующей обработкой холодом при -70°С и низким отпуском при температурах 100-120°С. Нагрев под закалку проводят ускоренно в соляных ваннах или посредством электронагрева, а охлаждение при закалке ведут в масляной ванне с температурой масла не выше 20°С до температуры 25-35°С и сразу передают изделия на обработку холодом. Промежуток времени от момента выгрузки изделий из масляной ванны и помещения их в камеру холодильника не должен превышать 15 минут. Обработка холодом при -70°С в сочетании с низким отпуском повторяется от двух до шести раз. 3 з.п. ф-лы, 5 табл.
Изобретение относится к металлургии, машиностроительной и другим отраслям промышленности, использующим для изготовления режущего инструмента, штампов, рабочих валков листопрокатных станов и других изделий стали типа «90Х» (90Х, 90ХС, 90ХФ и др. - таблица 1), основным свойством которых является повышенная твердость.
Стали этой группы относятся к низколегированным сталям перлитного класса и содержат от 0,8 до 1,4%С и до 4,0% легирующих элементов: хрома, кремния, марганца, вольфрама, молибдена, ванадия [Ю.А.Геллер. Инструментальные стали. // М.: Металлургия, 1983 - 527 с. (стр.129-230)].
В таблице 2 представлены отечественные стали данной группы (ГОСТ 5950-73), многие из них и их аналоги используются в качестве валковых сталей (ГОСТ 3547-57 и ГОСТ 5.1323-72).
Аналогичные стали имеются в стандартах ведущих промышленно-развитых стран: ФРГ, Франции, США, Швеции, Испании (таблица 3). Составы ряда таких сталей, режимы термической обработки и твердость - в таблице 4 [марочник ФРГ - Wegst C.W. Stahlschussel, Verlag Stahl schussel Wegst GMBH, D-7142 Marbach, 1986 - 561 s.].
Стали типа «90Х» являются заэвтектоидными. Изделия из этих сталей закаливают в масле с температур 770-860°С (таблица 4) из области «аустенит+цементит вторичный», т.е. на 10÷100°С ниже температуры Аcm [И.В.Паисов. Термическая обработка стали и чугуна. // М.: Металлургия, 1970 - 264 с.], [А.П.Гуляев. Термическая обработка стали. // М.: Машгиз, 1960 - 496 с.] После такой термической обработки структура состоит из мартенсита закалки (88-94%), остаточного аустенита (3-5%) и карбидов (Fe, Me)3C ≈ 3-7%. В справочнике ФРГ указано, что после закалки и низкого отпуска твердость сталей типа "90Х" не превышает 64HRC (см. таблицы 3 и 4).
В отечественной литературе [Ю.А.Геллер. Инструментальные стали. // М.: Металлургия, 1983 - 527 с. (стр.129-230] и [В.М.Доронин. Термическая обработка углеродистой и легированной стали. // М.: Металлургиздат, 1955 - 396 с.] отмечено, что максимальная твердость, получаемая в результате закалки изделий из сталей 90Х, 90ХС, 90ХФ и других сталей этой группы, составляет 65,0 HRC. Это полностью согласуется с данными, приведенными в справочнике ФРГ (таблица 4).
Известен способ закалки сталей, содержащих от 0,8 до 1,4% углерода и до 3% в сумме хрома, кремния, марганца, вольфрама, молибдена, ванадия, в масле с температурой 770-860°С, что составляет Аcm-(10÷100°С). Твердость после такой термической обработки 63,0-65,0 HRC [Ю.А.Геллер. Инструментальные стали. // М.: Металлургия, 1983 - 527 с. (стр.129-230)], [В.М.Доронин. Термическая обработка углеродистой и легированной стали. // М.: Металлургиздат, 1955 - 396 с.].
Наиболее близким к заявленному способу аналогом является «Способ термической обработки легированных заэвтектоидных сталей» (SU 1719440 A1, C21D 1/78, 15.03.1992 - бюл. №10).
Изобретение относится к металлургии, а именно к термообработке сталей при изготовлении инструмента - уменьшение карбидной сетки. Способ включает нагрев до Аcm+(100÷200°С), охлаждение до температуры ниже Аr1, термоциклирование путем нагрева до (Ac1+50°C)-Acm и охлаждение до температуры ниже Аr1, причем скорость нагрева составляет (10÷50)°С/с.
Указанный способ (SU 1719440 А1, С21D 1/78) позволяет снизить степень развития карбидной сетки и повысить однородность распределения вторичных карбидов. Однако данный способ не позволяет увеличить значения твердости до 68,0-69,0 HRC, т.к. условия окончательной закалки и отпуска не изменяются, соответствуя стандартному режиму (таблица 4), и получаемая при этом твердость не превышает 65,0 (таблица 4).
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа термической обработки изделий из инструментальных заэвтектоидных сталей, позволяющего повысить производительность режущего и штампового инструмента, рабочих валков многовалковых станов холодной прокатки ленты и других деталей и механизмов, работающих на износ и истирание.
Техническим результатом изобретения является повышение твердости до 68,0-69,0 HRC.
Технический результат достигается тем, что в способе обработки изделий из инструментальных заэвтектоидных сталей, включающем предварительную подготовку структуры стальных изделий, окончательную закалку, термоциклирование, согласно изобретению предварительную подготовку структуры ведут путем закалки изделий с температуры Acm+(10÷20°C) с последующем средним отпуском на температуру 400-480°С. Нагрев под окончательную закалку производят ускоренно в соляных ваннах или посредством ТВЧ на температуру Аcm+10°С, после чего следует обработка холодом при -70°С и низкий отпуск при 100-120°С. Операция обработки холодом в сочетании с низким отпуском повторяется многократно - термоциклирование. Промежуток времени от момента закалки (извлечения изделий из масляной ванны) до первой обработки холодом не должен превышать 15 минут. Температура масла в момент погружения в нее изделий не должна превышать 20°С. Охлаждение изделий проводят до температуры 25-35°С. Термоциклирование проводят с количеством циклов «обработка холодом-отпуск» от двух до шести.
Заявляемый способ полностью устраняет карбидную сетку в результате закалки из аустенитного состояния с температур Аcm+(10÷20°С).
Термоциклирование по способу, являющемуся аналогом, осуществляется в интервале температур (Ac1+50°C)-Acm, что составляет ˜ 750-920°С и оказывает влияние исключительно на степень развития карбидной сетки.
Согласно заявляемому способу термоциклирование производится в интервале температур (-70°С) до 100-120°С и имеет своей задачей получение максимальных значений твердости 68,0-69,0 HRC.
По заявляемому способу предварительная подготовка структуры включает закалку с температур Аcm+10°С в воде или в масле и последующий отпуск в температурном интервале 400-480°С, в результате чего в изделиях получается структура, состоящая из отпущенного мартенсита и карбидов высокой степени дисперсности. Это позволяет в результате окончательной закалки с температур Аcm+10°С и ускоренным нагревом в соляных ваннах или ТВЧ получить мартенсит с высокой степенью неоднородности по содержанию углерода, что позволяет дополнительно повысить твердость на 1-3 HRC [И.Н.Кидин. Физические основы электротермической обработки металлов и сплавов. // М.: Металлургия, 1969 - 376 с.].
После закалки следует обработка холодом при (-70°С) и отпуск в интервале температур 100-120°С. Обработка холодом в сочетании с отпуском повторяются многократно (термоциклирование), что позволяет наиболее полно перевести остаточный аустенит в мартенсит и получить твердость 68,0-69,0 HRC (таблица 5 - режимы №2, 4, 5, 6 и 17). Закалка по стандартному режиму без предварительной обработки с медленным печным нагревом и отпуском на 140-200°С, без обработки холодом и без термоциклирования в интервале температур от (-70°С) до (100÷120°С) позволяет получить значения твердости 64,0-64,5 HRC (таблица 5 - режим №18).
| Таблица 1 | |||||||||
| Инструментальные стали России (стали типа «90Х») | |||||||||
| № | Марка ГОСТ 5950-73 | Основные легирующие элементы, % вес | Марка-аналог ФРГ | ||||||
| С | Si | Mn | Cr | V | Мо | W | |||
| 1 | 90ХС | 0,85-0,95 | 1,20-1,60 | 0,30-0,60 | 0,95- 1,25 | - | - | - | 1,2108 |
| 2 | 100ХГС | 0,95-1,05 | 0,40-0,70 | 0,85-1,25 | 1,30-1,65 | - | - | - | - |
| 3 | 90ХВГ | 0,85-0,95 | 0,15-0,35 | 0,90-1,20 | 0,50-0,80 | - | - | 0,50 0,80 | 1,2515 |
| 4 | 100ХВГ | 0,90-1,05 | 0,15-0,35 | 0,80-1,10 | 0,90-1,20 | - | - | 1,20-1,60 | 1,2419 |
| 5 | 100ХВСГ | 0,95-1,05 | 0,65-1,00 | 0,60-0,90 | 0,60-1,10 | 0,05-0,15 | - | 0,50-0,80 | 1,2419 |
| 6 | 90Х | 0,80-0,95 | 0,25-0,45 | 0,15-0,40 | 1,40-1,70 | - | - | - | 1,2056 |
| 7 | 100Х | 0,95-1,10 | 0,15-0,35 | 0,15-0,40 | 1,30-1,65 | - | - | - | 1,2127 |
| 8 | 120Х | 1,15-1,25 | 0,15-0,35 | 0,30-0,60 | 1,30-1,65 | - | - | - | 1,2002 |
| 9 | 80ХФ | 0,70-0,80 | 0,15-0,35 | 0,15-0,40 | 0,40-0,70 | 0,15-0,30 | - | - | 1,2511 |
| 10 | 90ХФ | 0,80-0,90 | 0,15-0,35 | 0,30-0,60 | 0,40-0,70 | 0,15-0,30 | - | - | 1,2235 |
| 11 | 110ХФ | 1,05-1,15 | 0,15-0,35 | 0,40-0,70 | 0,40-0,70 | 0,15-0,30 | - | - | - |
| 12 | 130ХФ | 1,25-1,40 | 0,15-0,35 | 0,30-0,60 | 0,40-0,70 | - | - | - | 1,2210 |
| 13 | 110 В2Ф | 1,05-1,22 | 0,15-0,35 | 0,20-0,50 | 0,20-0,70 | 0,20-0,28 | - | 1,60-2,00 | 1,2442 |
| Таблица 2 | ||||||||||
| Валковые стали России (стали типа «90Х») | ||||||||||
| № | Марка | ГОСТ | Основные легирующие элементы, % вес. | Марка-аналог ФРГ | ||||||
| С | Si | Mb | Cr | V | Mo | W | ||||
| 1 | 90Х | 3547-57 | 0,80-0,95 | 0,25-0,45 | 0,20-0,35 | 1,40-1,70 | - | - | - | 1,2056 |
| 2 | 90X2 | 3547-57 | 0,85-0,95 | 0,25-0,45 | 0,20-0,35 | 1,70-2,10 | - | - | - | 1,2067 |
| 3 | 90ХФ | 3547-57 | 0,85-0,95 | 0,20-0,40 | 0,20-0,45 | 1,40-1,70 | 0,10-0,25 | - | - | 1,2235 |
| 4 | 90Х2В | 3547-57 | 0,85-0,95 | 0,25-0,45 | 0,20-0,35 | 1,70-2,10 | - | - | 0,30-0,60 | - |
| 5 | 90X2МФ | 3547-57 | 0,85-0,95 | 0,25-0,45 | 0,20-0,35 | 1,70-2,10 | 0,10-0,20 | 0,20-0,30 | - | 1,2303 |
| 6 | 90Х2СФ | 3547-57 | 0,85-0,95 | 1,30-1,60 | 0,20-0,35 | 1,70-2,10 | 0,10-0,20 | - | - | - |
| 7 | 90ХШ | 5.1323-72 | 0,80-0,95 | 0,25-0,45 | 0,25-0,35 | 1,40-1,70 | - | - | - | 1,2056 |
| 8 | 90ХСВФШ | 5.1323-72 | 0,85-0,95 | 0,80-1,10 | 0,20-0,30 | 1,40-1,70 | 0,10-0,20 | - | 0,40-0,60 | - |
| Таблица 3 | |||||||||||
| Химический состав инструментальных сталей России 90Х, 90ХС, 100ХГС, 100ХВГ и их зарубежных аналогов ФРГ, Франции, США, Швеции и Испании | |||||||||||
| № | Страна | Национальный стандарт | Марка | Содержание основных легирующих элементов, % вес | Марка-аналог стандарт ФРГ | ||||||
| С | Si | Mn | Cr | V | Мо | W | |||||
| 1 | Россия | ГОСТ 5950-73 | 90ХС | 0,85-0,95 | 1,20-1,60 | 0,30-0,60 | 0,95-1,25 | - | - | - | 1.2108 |
| 2 | ФРГ | По стандарту ФРГ 1.2108 | 90CrSi5 | 0,85-0,95 | 1,05- 1,25 | 0,30-0,80 | 1,10-1,30 | - | - | - | 1.2108 |
| 3 | Россия | ГОСТ 3547-57 | 90Х | 0,80-0,95 | 0,25-0,45 | 0,20-0,35 | 1,40-1,70 | - | - | - | 1.2056 |
| 4 | ФРГ | По стандарту ФРГ 1.2108 | 90СгЗ | 0,85-0,95 | 0,15-0,30 | 0,20-0,40 | 0,70-0,90 | - | - | - | 1.2056 |
| 5 | Франция | Стандарт AF NOR NFA-35-590 (78) | Y100C6 | 0,95-1,10 | 0,15-0,30 | 0,20-0,40 | 1,25-1,60 | - | - | - | 1.2067 |
| 6 | Россия | ГОСТ 5950-73 | 100ХГС | 0,95-1,05 | 0,40-0,70 | 0,85-1,25 | 1,30-1,65 | - | - | - | 1.2108 |
| 7 | Швеция | Стандарт Швеции (SS) | 2140 | 0,85-1,00 | 0,20-0,40 | 1,10-1,30 | 0,40-0,60 | 0,05-0,15 | - | 0,40-0,60 | 1.2419 |
| 8 | США | Стандарт США AISI | 01 | 0,85-0,95 | 0,20-0,40 | 1,00-1,30 | 0,40-0,60 | ≈0,20 | - | 0,40-0,60 | 1.2419 |
| 9 | Россия | ГОСТ 5950-73 | 100ХВГ | 0,90-1,05 | 0,15-0,35 | 0,80-1,10 | 0,90-1,20 | - | - | 1,20-1,60 | 1.2419 |
| 10 | Испания | Испания F-5233 | 105WCr5 | 1,00-1,15 | 0,10-0,40 | 0,70-1,00 | 0,80-1,10 | - | - | 1,00-1,60 | 1.2419 |
| Таблица 4 | |||||||||||
| Режимы термической обработки и твердость сталей 90Х, 90ХС, 100ХВГ и их зарубежных аналогов (по стандартам ФРГ, Франции, Швеции, США, Испании) | |||||||||||
| № | Марка (Россия) | Марка-аналог (ФРГ) | Термическая обработка и твердость по стандарту ФРГ | Термическая обработка и твердость по нормам России | Температуры Ac1/Acm [2] | ||||||
| закалка | отпуск | закалка | отпуск | ||||||||
| т-ра закалки, °С | твердость, HRC | т-ра отпуска, °С | твердость, HRC | т-ра закалки, °С | твердость, HRC | т-ра отпуска, °С | твердость, HRC | ||||
| 1 | 90Х | 1.2056 | 770-800°С масло | 65 [4] | 180 | 63 [4] | 820-850°С масло | 62-64 [1-3] | 180 | 63 [2,3] | 740°/850°С |
| 2 | 90ХС | 1.2108 | 770-800°С масло | 66 [4] | 200 | 64 [4] | 840-860°С масло | 62-64 [1-3] | 140 | 63 [2,3] | 770°/870°С |
| 3 | 100ХВГ | 1.2419 | 800-830°С масло | 65 [4] | 200 | 63 [4] | 830-850°С масло | 62-64 [1-3] | 200 | 62 [2,3] | 750°/940°С |
| Таблица 5 | ||||
| Влияние параметров режима термической обработки на твердость образцов стали 90ХС промышленной плавки (0,94% С, 1,52% Si, 0,43% Mn, 1,21% Cr) | ||||
| № режима термической обработки | Предварительная термическая обработка (подготовка структуры стали к окончательной термической обработке) | Окончательная термическая обработка | Твердость*) HRC | |
| закалка с ускоренным нагревом | обработка холодом и отпуск | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 1 | 860°С масло+450°С - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 67,5-68,0 |
| 2 | 890°С масло+450°С - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,5-69,0 |
| 3 | 920°С масло+450иС - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 67,0-68,0 |
| 4 | 880°С масло+400°С - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,0-68,5 |
| 5 | 880°С масло+420иС - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,0-68,5 |
| 6 | 880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,5-69,0 |
| 7 | 880°С масло + 480°С - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 67,5-68,5 |
| 8 | 880°С масло + 450°С - 1 час; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 67,0-68,0 |
| 9 | 880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,5-69,0 |
| 10 | 880°С масло + 450°С - 6 часов; воздух | 920°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,0-68,5 |
| 11 | 880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух | 880°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,5-69,0 |
| 12 | 880°С масло + 450°С - 5 часов; воздух | 880°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 120°С - 2 часа) - 3 раза | 68,0-69,0 |
| 13 | 880°С масло + 450°С - 7 часов; воздух | 880°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 140°С - 2 часа) - 3 раза | 67,0-68,5 |
| 14 | 880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух | 880°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 2 раза | 68,0-69,0 |
| 15 | 880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух | 880°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 6 раз | 68,0-68,5 |
| 16 | 880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух | 880°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 8 раз | 67,5-68,5 |
| 17 | 880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух | 880°С через воду в масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,5-69,5 |
| 18 известный способ (аналог) | 865°С масло + 680°С - 2 часа; воздух | ТВЧ - 900°С вода | (-40°С) - 2 часа; воздух + 120°С - 2 часа); воздух + (-50°С) - 2 часа; воздух + 125°С -2 часа; воздух | 66,0 |
| *) При измерении твердости полученные значения округляли до 0,5 HRC. На каждый режим термической обработки отбирали по 3-5 образцов толщиной 3 мм |
1. Способ обработки изделий из инструментальных заэвтектоидных сталей, включающий предварительную подготовку структуры стальных изделий, окончательную закалку, термоциклирование, отличающийся тем, что предварительную подготовку структуры ведут путем закалки изделий с температуры Аcm+(10÷20)°С и последующего отпуска при 400-480°С в течение 1-6 ч, с обеспечением твердости более 68,0 HRC, а термоциклирование осуществляют обработкой холодом и последующим нагревом до температуры низкого отпуска.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев под окончательную закалку проводят ускоренно в соляных ваннах или посредством электронагрева до Acm+(10÷20)°C, закалку осуществляют посредством охлаждения в масле, а затем проводят термоциклирование обработкой холодом при -70°С и последующим нагревом до 100-120°С, при этом охлаждение ведут с температурой масла не выше 20°С до температуры 25-35°С.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что промежуток времени от момента извлечения изделий из охлаждающего масла до обработки холодом не превышает 15 мин.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что термоциклирование проводят с количеством циклов от двух до шести.
