Способ термической обработки изделий с металлическим покрытием

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении режущего и штампового инструмента, быстро изнашиваемых изделий и технологической оснастки из конструкционных и инструментальных сталей, а также из металлокерамических твердых сплавов. Для повышения износостойкости изделий и увеличения эксплуатационной стойкости проводят предварительные закалку, отпуск и нанесение металлического покрытия на изделие методом вакуумного напыления, осуществляют криогенную обработку изделия в среде газообразного азота при температуре от –153 до –196ºС более 24 ч с последующим нагревом в ней до комнатной температуры, затем проводят низкий отпуск при температуре от 150 до 180ºС с последующим охлаждением на воздухе. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении режущего и штампового инструмента, быстро изнашиваемых деталей и технологической оснастки из конструкционных и инструментальных сталей, а также из металлокерамических твердых сплавов.

Известен способ термической обработки быстрорежущей стали (RU2059000), включающий закалку, высокотемпературный однократный отпуск и окончательный отпуск, отличающийся тем, что после высокотемпературного отпуска проводят обработку холодом. Данный способ не обеспечивает максимально высокого уровня износостойкости. Более высокий уровень износостойкости инструмента и пластин из инструментальной стали и металлокерамических твердых сплавов достигается нанесением износостойких покрытий на основе хрома и титана.

Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости деталей и инструмента с покрытием, увеличение эксплуатационной стойкости инструмента, быстроизнашиваемых деталей и оснастки.

Технический результат достигается в способе термической обработки изделий, включающем предварительные закалку и отпуск, нанесение металлического покрытия. Затем проводят криогенную обработку в среде газообразного азота при температуре от –153 до –196ºС более 24 часов, нагревают до комнатной температуры, проводят низкий отпуск при температуре от 150 до 180ºС с последующим охлаждением на воздухе. Металлическое покрытие наносится методом вакуумного напыления.

Термическая обработка позволяет значительно повысить износостойкость. Дополнительно проведенная обработка холодом или криогенная обработка к термической обработке позволяет превзойти повышенный уровень износостойкости, который обеспечивает термическая обработка. В случае нанесения покрытия на термически обработанные поверхности с повышенной износостойкостью позволяет достичь уровня износостойкости, превосходящего уровень износостойкости получаемого от совместного влияния термической обработки и дополнительной криогенной обработки. Максимально высокий уровень износостойкости продукции обеспечивается, если изделия с металлическим покрытием предварительно термически обработанные подвергнуть криогенной обработке. В таком случае криогенная обработка позволяет достичь максимального уровня износостойкости материала покрытия и основного металла. Если при эксплуатации наступит полный износ слоя металлического покрытия, то высокое сопротивление истиранию обеспечит криогенно обработанный основной материал детали и тем самым будет обеспечен наибольший ресурс работы изделия.

Способ осуществляют, например, следущим образом.

Образцы из инструментальных сталей Х12МФ, 9ХС и Р6М5 диаметром 8 мм и длиной 15 мм термически обработанные по обычной технологии (например, Гуляев А.П. и др. Инструментальные стали. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Машиностроение, 1975), включающий закалку, высокотемпературный однократный отпуск и окончательный отпуск (таблица 1), подверглись нанесению металлического покрытия, а именно методом вакуумного напыления (PVD) Balinit-Allnova (на основе AlCrN) в атмосфере азота. Метод PVD характеризуется высокой производительностью процесса нанесения покрытий, малой энергоёмкостью.

Таблица 1 - Режимы термообработки инструментальных сталей

№ п/п	Наименование параметра режима термообработки	Единица измерения	Марка стали
9ХС	Х12МФ	Р6М5
1	Температура первого подогрева под закалку	ºС			500 - 600
2	Температура второго подогрева под закалку	ºС			840 - 860
3	Температура закалки	ºС	860 - 880	1060 - 1080	1215 - 1225
4	Охлаждающая среда		масло	Расплав селитры и щелочи	Расплав селитры и щелочи
5	Температура среды охлаждения	ºС	20 - 40	400 - 550	400 - 500
6	Выдержка в охлаждающей среде		До температуры масла	Равна выдержке при нагреве под закалку	3 – 5 мин
7	Охлаждение до температуры 20ºС	среда	На воздухе
8	Температура отпуска	ºС	160 - 180	150 - 170	555 + 5
9	Среда, применяемая при отпуске		Масло	Масло	Расплав солей щелочи
10	Время отпуска	ч	1	1	1
11	Количество отпусков	шт.	1	1	3

Далее, образцы были термически обработаны в среде газообразного азота при температуре от –153 до –196ºС более 24 часов с последующим нагревом в данной среде до комнатной температуры. Для уменьшения остаточных закалочных напряжений выбирают температуру низкого отпуска такой, чтобы твёрдость и износостойкость практически не снижалась. Низкий отпуск образцов проводился при температуре 150-180ºС с выдержкой, превышающей 1-3 часа. В завершении, охлаждают образцы на воздухе.

Испытания образцов на абразивную износостойкость проводили по закрепленному абразиву по стандартной схеме «палец – диск», но с заменой наиболее часто используемой траектории движения по архимедовой спирали на прямолинейные участки. Триботехнические испытания образцов проводились на трехкоординатном фрезерном станке с ЧПУ модели КХ3А. Исследуемый цилиндрический образец из инструментальной стали закрепляли в шпинделе станка и нагружали осевой силой тарированной пружины, расположенной внутри шпинделя. Листовой абразивный материал закрепляется на столе фрезерного станка. Рабочая поверхность образца для достижения плотного прилегания к абразивной поверхности предварительно прирабатывалась.

Основными параметрами испытаний являются: сила нагружения образца N=4H; скорость перемещения F=500 мм/мин; путь трения L=415 мм. В качестве варьируемого параметра испытаний использовалась зернистость абразива (электрокорунда) Р240 и Р400. Весовой износ определялся с точностью до 0,0001 грамма на аналитических весах ВЛ-120. Результаты испытаний на абразивный износ представлены в Таблице 2. В первых 6 строках таблицы приведены результаты испытаний инструментальных сталей без покрытия. В строках с 7 по 12 представлены результаты по приросту износостойкости за счет нанесения покрытия.

Таблица 2

№ п/п	Марка стали	Зернистость абразива	Износ, г	Повышение износостойкости, %
Без покрытия	PVD покрытие	после КО и отпуска
1	Х12МФ	Р400	0,0042	-	0,0034	19
2	9ХС		0,0062	-	0,0043	31
3	Р6М5	0,0051	-	0,0034	33
4	Х12МФ	Р240	0,0092	-	0,0072	22
5	9ХС		0,0138	-	0,0113	18
6	Р6М5	0,0119	-	0,0089	25
7	Х12МФ	Р400	0,0042	0,0014	-	66
8	9ХС		0,0062	0,0029	-	53
9	Р6М5	0,0051	0,0019	-	63
10	Х12МФ	Р240	0,0092	0,0045	-	51
11	9ХС		0,0138	0,0065	-	53
12	Р6М5	0,0119	0,0052	-	56
13	Х12МФ	Р400	-	0,0014	0,0012	14
14	9ХС		-	0,0029	0,0016	45
15	Р6М5	-	0,0019	0,0013	32
16	Х12МФ	Р240		0,0045	0,0036	20
17	9ХС		-	0,0065	0,0031	52
18	Р6М5		0,0052	0,0027	48
19	Х12МФ	Р400	0,0042	-	0,0012	71
20	9ХС		0,0062	-	0,0016	74
21	Р6М5	0,0051	-	0,0013	74
22	Х12МФ	Р240	0,0092	-	0,0036	61
23	9ХС		0,0138	-	0,0031	77
24	Р6М5	0,0119	-	0,0027	77

Из таблицы 2 видно, что предлагаемый способ позволяет значительно повысить абразивную износостойкость инструментальных сталей с покрытием по сравнению с известными способами термической обработки.

1. Способ термической обработки изделий из инструментальной стали, включающий предварительные закалку и отпуск, нанесение металлического покрытия, отличающийся тем, что после нанесения покрытия проводят криогенную обработку изделия более 24 ч в среде газообразного азота при температуре от –153 до –196ºС с последующим нагревом до комнатной температуры, затем осуществляют низкий отпуск при температуре от 150 до 180ºС с последующим охлаждением на воздухе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлическое покрытие наносят методом вакуумного напыления.