Способ термической обработки инструментальных штамповых сталей

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке заготовок из инструментальных штамповых сталей, используемых при изготовлении прессовой оснастки, работающей при высоких температурах. Стальную заготовку подвергают процессу тройной фазовой перекристаллизации путем нагрева со скоростью 30-70°С/ч выше точки Ас3 на 30-80°С, выдержки при данной температуре, затем заготовку охлаждают со скоростью не более 40°С/ч до температуры ниже точки Ar1 на 20-80°С, выдерживают при данной температуре с последующим охлаждением до 400°С со скоростью не более 40°С/ч, окончательное охлаждение выполняют на воздухе. Технический результат заключается в получении повышенных механических свойств заготовок сталей. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к способам термической обработки заготовок из инструментальных штамповых сталей, и может широко использоваться при изготовлении прессовой оснастки, работающей при высоких температурах.

Известен способ изготовления крупногабаритных поковок, включающий нагрев, ковку и высокотемпературный отжиг, выдержку и окончательное охлаждение с лимитированной скоростью (Авторское свидетельство СССР №1689406, кл. C21D 1/02, 1989).

Недостатком данного способа термической обработки поковок является получение крупного зерна аустенита, так как высокотемпературный нагрев, ведущий к росту зерна, проводится после деформации, а ускоренное охлаждение на воздухе выполняется после завершения не только γ→α превращения, но и перлитного, и не измельчает зерна аустенита.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является способ получения заготовок из инструментальных сталей, состоящий из высокотемпературного нагрева, ковки с этого нагрева, изотермического отжига и охлаждения с заданными скоростями (Патент РФ №2058999, кл. C21D 9/22, 1993).

Однако использование режима термической обработки, предложенного в прототипе, не позволяет измельчить зерно аустенита, следовательно, обеспечить повышенные механические характеристики штамповых сталей, особенно ударную вязкость.

Основной задачей изобретения является измельчение зерна аустенита заготовок инструментальных штамповых сталей.

Другая задача изобретения заключается в получении повышенных механических свойств заготовок сталей.

Для достижения поставленных задач заявляемый способ улучшения свойств инструментальных сталей содержит следующую совокупность существенных признаков: тройную фазовую перекристаллизацию при нагреве со скоростью 30-70°С/ч до температуры выше точки Аc3 на 30-80°С, выдержку при данной температуре, регламентированное охлаждение со скоростью не более 40°С/ч до температуры ниже точки Ar1 на 20-80°С, выдержку при данной температуре и последующее охлаждение до 400°С со скоростью не более 40°С/ч, затем на воздухе.

По отношению к прототипу у предлагаемого способа имеются следующие отличительные признаки: стали подвергают процессу тройной фазовой перекристаллизации путем нагрева со скоростью 30-70°С/ч выше точки Аc3 на 30-80°С, выдержки при данной температуре, затем охлаждают со скоростью не более 40°С/ч до температуры ниже точки Ar1 на 20-80°С, выдерживают при данной температуре с последующим охлаждением до 400°С со скоростью не более 40°С/ч, окончательное охлаждение выполняют на воздухе.

Между отличительными признаками и решаемой задачей существует следующая причинно-следственная связь, которая подтверждается данными, приведенными в таблицах 1 и 2. Выбор граничных значений параметров нагрева выше точки Аc3 на 30-80°С со скоростью 30-70°С/ч обусловлен получением в структуре инструментальных сталей мелкозернистого аустенита с отдельными нерастворившимися карбидными частицами, препятствующими росту зерна, и низким уровнем остаточных напряжений. Последующее охлаждение ниже точки Аr1 на 20-80°С со скоростью не более 40°С/ч приводит к распаду аустенита по перлитному механизму с образованием сфероидизированных избыточных карбидов и зернистого сорбита. Для более полного измельчения зерна аустенита и сфероидизации карбидов этот процесс повторяется трижды.

Нагрев до более низкой температуры, ниже, чем температура (Аc3+30)°С, значительно удлиняет время выдержки для образования структуры аустенита, что экономически нецелесообразно. Высокотемпературный нагрев выше температуры (Аc3+80)°С приводит к увеличению размера отдельных зерен аустенита, рост которых не заторможен избыточными карбидными частицами. Это предопределяет образование разнозернистости и увеличивает разброс свойств на готовом инструменте, особенно ударной вязкости, хотя в структуре будет наблюдаться зернистый сорбит.

Ограничение скорости нагрева интервалом 30-70°С/ч является оптимальным и связано с образованием термических и структурных напряжений, а также с экономическими соображениями. Невысокие скорости нагрева менее 30°С/ч приводят к необоснованно длительному времени нагрева инструментальных сталей. Нагрев со скоростью более 70°С/ч создает значительный градиент температур между центром и поверхностью изделия, что обуславливает высокий уровень термических и структурных напряжений, приводящих к короблению изделий или даже к трещинам.

Охлаждение нагретых заготовок под инструмент ниже температуры точки Аr1 на 20-80°С создает термодинамические условия для распада аустенита по перлитному механизму, а выдержка при этой температуре обеспечивает получение зернистых структур. Малая степень переохлаждения меньше 20°С из-за низкого выигрыша объемной свободной энергии, несмотря на высокую диффузионную подвижность атомов, существенно замедляет перлитный распад. Более высокие степени переохлаждения выше 80°С также приводят к торможению распада аустенита на перлит из-за снижения при низких температурах диффузионных перераспределений, особенно атомов легирующих элементов, образующих твердые растворы замещения в феррите.

Скорость охлаждения не более 40°С/ч в интервале температур от точки Аc3 до точки Аr1 способствует дополнительной сфероидизации карбидных частиц, выделению их в дисперсной форме, а также снижению термических и структурных напряжений. Охлаждение после изотермической выдержки ниже температуры Аr1 минус 20-80°С выполняют со скоростью не более 40°С/ч до 400°С. Регламентирование скорости охлаждения связано с условиями получения структуры зернистого перлита и снижением уровня остаточных напряжений в заготовках при их охлаждении. Скорость охлаждения ниже температуры 400°С не регламентируется, так как структура сталей в интервале 400-20°С (комнатная) не претерпевает существенных изменений, поэтому заготовки охлаждаются на воздухе.

Как показали результаты опытной проверки, при использовании заявляемого способа обеспечивается достижение следующих показателей:

- измельчение зерна аустенита при фазовой перекристаллизации не ниже 8 балла ГОСТ 5639;

- повышение механических свойств заготовок, в том числе ударной вязкости, до KCU=40-45 Дж/см2.

Выполнение заданных режимов и испытание механических свойств были проведены на стали 3Х3М3ФШ (ГОСТ 5950). Скорости нагрева, равные 30-70°С/ч, до температуры выше точки Аc3 на 30-80°С достигались путем посада заготовок в предварительно нагретую печь, температура которой зависела от объема садки и регулировалась включением и выключением нагрева. Охлаждение заготовок штамповых сталей с температур Аc3+ (30 -80)°С и Аr1 минус 20-80°С со скоростью не более 40°С/ч было выполнено с печью с выключенным обогревом.

Таблица 1
Параметры получения заготовок стали 3Х3М3ФШ и размер зерна аустенита
Пример Способ обработки Параметры обработки
Перегрев выше Аc3, °С Vнагр выше Аc3, °С/ч Переохлаждение ниже Аr1, °С Vохл до 400°С, °С/ч Балл зерна аустенита ГОСТ 5939
1 Известный 350 - 40 - 7
2 Предлагаемый 30 30 20 40 9
3 Предлагаемый 50 50 50 40 11
4 Предлагаемый 80 70 80 40 10
5 За пределами предлагаем. 10 20 10 20 4
6 100 90 100 100 6
* Балл зерна аустенита замерялся на трех образцах по пяти полям зрения микроскопа с выполнением пятнадцати замеров

Таблица 2
Механические свойства заготовок
Пример* Механические свойства
σв, МПа σ0,2, МПа δ, % KCU, Дж/см2
1 1740 1550 9,6 30,5
2 1820 1630 10,6 41,3
3 1850 1780 12,4 50,7
4 1760 1680 10,8 45,6
5 1660 1540 8,2 14,8
6 1720 1600 9,5 23,7
*Номер примера и режимы термической обработки соответствуют таблице 1

Способ термической обработки заготовок из инструментальных штамповых сталей, включающий нагрев заготовок, выдержку при температуре нагрева, охлаждение и окончательное охлаждение, отличающийся тем, что сталь подвергают тройной фазовой перекристаллизации, при этом нагрев заготовок ведут со скоростью 30-70°С/ч до температуры Ас3+(30-80)°С, охлаждение после выдержки осуществляют со скоростью не более 40°С/ч до температуры Ar1-(20-80)°С, выдерживают при данной температуре с последующим охлаждением до 400°С со скоростью не более 40°С/ч, а окончательное охлаждение выполняют на воздухе.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области термической обработки деталей машин и механизмов. .
Изобретение относится к области металлургии и машиностроения. .
Изобретение относится к химико-термической обработке металлорежущего инструмента из быстрорежущей стали, в частности к упрочняющей обработке. .
Изобретение относится к области машиностроения и к термической обработке при изготовлении слесарно-монтажного ручного инструмента. .
Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и используется для изготовления режущего инструмента, штампов, рабочих валков листопрокатных станов стали типа «90Х».

Изобретение относится к области термической обработки и может быть использовано на машиностроительных предприятиях в инструментальном производстве при изготовлении разделительных штампов.

Изобретение относится к области термической обработки инструмента и может быть использовано при изготовлении разделительных штампов для пробивки отверстий. .

Изобретение относится к области упрочнения твердых сплавов инструментального назначения, преимущественно на основе карбида титана и никельхромовой связки (TiC-NiCr), и может быть использовано для повышения ресурса работы инструментов, деталей машин и механизмов, работающих в условиях резания, трения и абразивного износа.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке режущего инструмента из инструментальных быстрорежущих сталей при воздействии на изделие магнитным полем и может быть использовано в машиностроении

Изобретение относится к металлургии, в частности к термической обработке сталей и сплавов, и может быть использовано в машиностроении для повышения надежности штампов из сложнолегированных сталей при термической обработке в присутствии внешнего магнитного поля
Изобретение относится к области машиностроения и термической обработке при изготовлении монтажного ручного инструмента из двухфазных титановых сплавов с твердостью 40 50 HRC
Изобретение относится к области машиностроения и термической обработке при изготовлении слесарно-монтажного ручного инструмента
Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может быть использовано, в частности, для изготовления матриц штампов

Изобретение относится к плазменной химико-термической обработке поверхности изделий и может быть использовано в машиностроении

Изобретение относится к области термической обработки металлов и может быть использовано на машиностроительных предприятиях в инструментальном производстве при изготовлении разделительных штампов

Изобретение относится к области упрочняющей обработки твердых сплавов инструментального назначения

Изобретение относится к области термической обработки режущего инструмента

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке заготовок из инструментальных штамповых сталей, используемых при изготовлении прессовой оснастки, работающей при высоких температурах

Наверх