способ подготовки структуры стали к дальнейшей термической обработке

Формула изобретения

1. Способ термической обработки стального изделия, включающий предварительную обработку изделия и последующую закалку, отличающийся тем, что предварительную обработку перед закалкой осуществляют путем нагрева изделия выше критической точки стали Ас₁ или Ас₃, выдержки и охлаждения на воздухе, при этом в процессе охлаждения к изделию прикладывают ударно-импульсные колебания с частотой нанесения ударов от 30 до 10000 герц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что к изделию прикладывают ударно-импульсные колебания в течение времени, обеспечивающего завершение фазовых превращений и основных диффузионных процессов в стали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машино-строительной и другим отраслям промышленности, где применяется упрочняющая термическая обработка стали, и может быть использовано при закалке изделий из конструкционных и инструментальных сталей.

Известен способ «Термической обработки металлических изделий» (патент РФ № 2384628 от 20.03.2010 г.), включающий нагрев, выдержку и охлаждение изделий, в качестве охлаждающей среды применяют воду, структурированную с приложением к воде и закаливаемому изделию ультразвуковых колебаний с частотой 18-21 кГц.

Недостатком данного способа является сложность приложения ультразвуковых колебаний к воде и изделию во время его охлаждения. Также при прохождении ультразвуковых колебаний через воду снижается их эффективность воздействия на обрабатываемое изделие.

Известен способ «Изготовления штампового инструмента» (патент РФ № 2355787 от 20.05.2009 г.), включающий ковку, высокий отпуск, термоциклическую обработку заготовок штампового инструмента в атмосферной среде, изготовление штампов из этих заготовок с последующей их закалкой, перед термоциклической обработкой проводят предварительную термоциклическую обработку одной из заготовок штампового инструмента, взятой в качестве образца, со скоростью нагрева и охлаждения 5-20°С/мин и с количеством циклов N+1 исходя из условия равенства температур начала фазового превращения материала образца Т_(н.ф.п), а также равенства температур конца фазового превращения Т_(н.ф.п) при нагреве материала образца и соответственно равенства Т_(н.ф.п), Т_(к.ф.п) при охлаждении до стабилизации структуры образца штампового инструмента в двух последовательных циклах N и N+1, по результатам предварительной термоциклической обработки выбирают количество циклов термоциклической обработки в атмосферной среде заготовок штампового инструмента, равное N, которую ведут со скоростью нагрева и охлаждения 5-20°С/м, причем температура нагрева заготовок штампового инструмента в каждом цикле на 10-15°С выше температуры Т^* _(н.ф.п) для материала образца в соответствующем цикле при нагреве на стадии предварительной термоциклической обработки, а температура охлаждения заготовок в каждом цикле на 100-200°С ниже температуры Т_(н.ф.п) начала фазового превращения материала образца в соответствующем цикле при охлаждении на стадии предварительной термоциклической обработки.

Недостатком данного способа является сложность технологического процесса при осуществлении термической обработки, заключающаяся в термоциклировании с контролем скорости нагрева, контроле температуры охлаждения в каждом цикле и в подборе необходимого числа циклов предварительной термоциклической обработки.

Наиболее близким к заявленному способу, принятым за прототип, является «Способ повышения твердости более 68.0 HRC в изделиях из инструментальных сталей (патент РФ № 2349651 от 20.03.2009 г.), включающий предварительную подготовку структуры стальных изделий, окончательную закалку, термоциклирование, согласно изобретению предварительную подготовку структуры ведут путем закалки изделий с температуры А_сm+(10-20°С) с последующем средним отпуском на температуру 400-480°С. Нагрев под окончательную закалку производят ускоренно в соляных ваннах или посредством ТВЧ на температуру А_ст++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.

Недостатком данного способа является сложность технологической операции в получении предварительной подготовки структуры стальных изделий, заключающаяся в проведении дополнительной закалки и отпуске, на что дополнительно расходуется время и электроэнергия.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа подготовки микроструктуры стали к дальнейшей термической обработке - закалке. При этом изделия прокаливаются на большую глубину и твердость их значительно выше, чем у изделий, не подвергавшихся предлагаемой предварительной обработке.

Для достижения указанного технического результата в способе предварительной подготовки структуры стали к дальнейшей термической обработке - закалке, включающей нагрев стали до температуры выше критической точки А_с3 (А_с1), выдержке и охлаждении на воздухе, при этом предлагается изделие подвергнуть ударно-импульсной обработке с частотой нанесения ударов от 30 до 10000 герц.

Кроме того, предлагается ударно-импульсную обработку производить в течение времени, необходимого для завершения фазовых превращений и основных диффузионных процессов.

Кроме того, предлагается при ударно-импульсной обработке накладывать весь спектр частот.

В данном способе подготовки микроструктуры стального изделии к дальнейшей термической обработке, включающем нагрев изделия до температуры выше критической точки Ас₃ (A_c1), выдержке и охлаждении на воздухе, при этом предлагается изделие подвергнуть ударно-импульсной обработке с частотой нанесения ударов от 30 до 10000 герц.

При охлаждении стали в момент фазового - перехода ударно-импульсная обработка формирует в материале однородную структуру с равномерно распределенными элементами, а также со стабильными фазами. Такая обработка позволяет подготовить структуру стали таким образом, что приводит к увеличению устойчивости аустенита и позволяет снизить критическую скорость охлаждения при закалке. Снижение критической скорости закалки стали делает возможным получить мартенситную структуру на большую глубину, а также применять более мягкий охладитель. Использование более мягкого охладителя снижает уровень внутренних напряжений, уменьшает вероятность возникновения закалочных трещин и коробления деталей.

Пример № 1

Образец из стали 40Х, имеющий размеры - диаметр 116 мм, высота 75 мм, нагревают до температуры 850-870°С, делают выдержку при этой температуре в течение 2 часов для прогрева детали и завершения фазовых превращений. Далее образец извлекают из печи и охлаждают на воздухе, при этом к образцу прикладываются ударно-импульсные колебания с частотой нанесения ударов от 30 до 10000 герц. Ударно-импульсную обработку производят до полного завершения фазовых превращений и завершения диффузионных процессов. После данной обработки образец подвергается стандартной закалке. Твердость по всей поверхности образца составляет 58-60 HRC.

Пример № 2

Образец из стали 9ХС диаметром 120 мм и высотой 95 мм нагревают до температуры 750-770°С, делают выдержку при этой температуре в течение 2,5 часов для прогрева детали. Далее образец извлекают из печи и охлаждают на воздухе, при этом к образцу прикладываются ударно-импульсные колебания с частотой нанесения ударов от 30 до 10000 герц. Ударно-импульсную обработку производят до температуры 200 -250°С. После данной обработки образец подвергается стандартной закалке. Твердость по всей поверхности образца составляет 62-64 HRC.