способ термомагнитной обработки изделий из инструментальной быстрорежущей стали

Формула изобретения

1. Способ термомагнитной обработки изделий из инструментальной быстрорежущей стали, включающий термическую обработку, нагрев до 540-580°С, выдержку и охлаждение в постоянном магнитном поле, отличающийся тем, что после термической обработки на поверхность изделия наносят алмазоподобное покрытие, в качестве магнитного поля используют продольное магнитное поле напряженностью не менее 70 кА/м, а время выдержки при нагреве выбирают в зависимости от габаритных параметров изделия в пределах 0,25-1,25 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическая обработка включает закалку от 1210 до 1290°С с выдержкой 2-3 мин и охлаждением в масле, двухкратный или трехкратный отпуск при 540-580°С с выдержкой 1 ч и охлаждение на воздухе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области термической обработки легированных сталей в присутствии внешнего магнитного поля.

Получение высокопрочных, устойчивых к эксплуатационным воздействиям легированных сталей является одной из главнейших задач современного металловедения. Эту задачу можно решить путем трудоемких исследований по созданию более сложных в легировании и, соответственно, по структуре новых сплавов. Другой путь может быть связан с поверхностным упрочнением за счет напыления других материалов или с применением термической, термомеханической или термомагнитной обработки, которые могут при нахождении эффективных режимов обработки изменить величину зерна, значительно повысить износостойкость, ударную вязкость и другие свойства стали, не изменяя ее химического состава.

Известен способ стандартной термической обработки (ТО) инструментальных быстрорежущих сталей, например, Р6МЗ, Р6М5, Р9К5, Р9К10, Р6М5К5, включающий закалку от 1210 до 1290°С, 2-5 мин выдержку и охлаждение в масле; затем двухкратный или трехкратный отпуск при 540-580°С, выдержку 1 ч и охлаждение на воздухе [Марочник сталей и сплавов. Под. ред. Сорокина В.Г. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.].

Однако номенклатурные изделия, например, относящиеся к металлорежущему инструменту (сверла, метчики, фрезы и т.д.), из этих сталей не обладают высокой эксплуатационной износостойкостью, необходимой для производственной обработки материалов, а варианты данного способа обработки стали не позволяют получить ее с более высокими физико-механическими свойствами.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ термической обработки быстрорежущих сталей, включающий закалку от 1210 до 1290°С с выдержкой 2-5 мин в присутствии постоянного магнитного поля напряженностью 1440 кА/м или 1760 кА/м и охлаждение в масле; однократный отпуск при 540-560°С с выдержкой 1 ч и охлаждение в присутствии магнитного поля. [Пустовойт В.Н., Блиновский В.А. Термическая обработка в магнитном поле стали Р6М5. - Металловедение и термическая обработка металлов, 1983, №11, с.52-54; Бернштейн М.Л., Пустовойт В.Н. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле. - М.: Машиностроение, 1987, с.232.]

В результате данной термомагнитной обработки (ТМО) изделий, например сверл, фрез из стали Р6М5, повышалась их износостойкость относительно стандартной термической обработки в 1,5 раза.

Один из недостатков данного способа обработки связан с тем, что при интенсивной эксплуатации стальных изделий в условиях производства эффект термомагнитной обработки существенно снижается. [Бернштейн М.Л., Пустовойт В.Н. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле. - М.: Машиностроение, 1987. - 256 с.]

Другой недостаток способа связан с тем, что для его реализации необходимо достаточно большое магнитное поле (Н=1440 кА/м или Н=1760 кА/м). Вследствие этого требуется разработать специальный комплекс ТМО, который далеко не просто внедрить в технологическую цепочку стандартной ТО стали без больших технических и эксплуатационных затрат даже в условиях крупного производства.

В основу изобретения положена задача повышения износостойкости изделий из инструментальной быстрорежущей стали путем их упрочнения за счет получения более высоких физико-механических свойств, обеспечивающих им длительную устойчивость к эксплуатационным воздействиям.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе ТМО изделий из инструментальной быстрорежущей стали в постоянном магнитном поле, включающем термообработку путем нагрева при температуре 540-580°С, выдержку и медленное охлаждение до комнатной температуры, согласно изобретению до обработки в магнитном поле изделия предварительно подвергают стандартной термообработке с последующем нанесением на их поверхность алмазоподобного покрытия (АПП), в качестве магнитного поля используют продольное магнитное поле напряженностью не менее 70 кА/м, а время выдержки при нагреве выбирают в зависимости от габаритных параметров изделия в пределах 0,25-1,25 ч.

При этом: предварительную стандартную термообработку проводят путем закалки от температуры 1210 до 1290°С с выдержкой 2-5 мин и охлаждением в масле и двух- трехкратный отпуск при температуре 540-580°С с выдержкой 1 ч и охлаждением на воздухе.

Физическая сущность способа заключается в следующем: при найденном оптимальном режиме ТМО легированных сталей происходит за счет восходящей диффузии перераспределение углерода и вредных (обуславливающих охрупчивание номенклатурных изделий) примесей (например, фосфора, серы и др.), которые концентрируются по приграничным слоям зерен мартенсита, параллельным продольной оси образца, вдоль которой приложено внешнее постоянное магнитное поле. В результате происходит очищение от примесей приграничных слоев зерен в плоскостях, перпендикулярных оси образцов, что приводит к формированию оптимальной в плане механических нагрузок зернограничной структуры, и соответственно к повышению сопротивления материала к поперечным сдвиговым деформациям, создаваемым в условиях эксплуатации.

При использовании не оптимального режима ТМО легированных сталей их физико-механические свойства, по сравнению с приобретенными свойствами при стандартном режиме ТО, могут значительно ухудшится или незначительно измениться в лучшую сторону. Однако повышение износостойкости стали, в этом случае, носит обратимый характер и проявляется уже в условиях не длительной производственной эксплуатации.

Алмазоподобное покрытие представляет собой сложное образование с поверхностным слоем из углерода толщиной 1000-2000 Å, имеющего кристаллическую структуру алмаза [Арбузов В.Л., Трахтенберг И.Ш., Выходец В.Б., Давлетшин А.Э., Плотников С.А. и Назаров В.А. Патент РФ №2071125, Бюл. №36, 1996]. При нанесении АПП на поверхность номенклатурных изделий происходит только поверхностное их упрочнение за счет образования поверхностного износостойкого углеродного слоя с повышенной микротвердостью. Полученные таким образом номенклатурные изделия не выдерживают длительной эксплуатации поскольку, например, при их переточке эффект от АПП исчезает.

В условиях найденного режима ТМО при обработке изделий с АПП покрытием происходит уже их объемное упрочнение, в частности, благодаря диффузионному процессу перехода части углерода из поверхностного слоя АПП в объем материала с распределением по приграничному слою зерен стали. Такая модифицированная структура обеспечивает формирование материала с повышенными физико-механическими свойствами, сохраняющимися и в условиях эксплуатации изделий при повышенных температурах.

Применение комбинированной обработки номенклатурных изделий в последовательности: вначале АПП, а затем ТМО - существенно повышает их износостойкость и значительно превышает суммарный результат, достигаемый при отдельном использовании АПП или ТМО.

Таким образом, заявляемый способ термомагнитной обработки изделий из инструментальной быстрорежущей стали позволяет, без изменения химического состава стали, получить номенклатурные изделия с улучшенными физико-механических свойствами, более устойчивыми к эксплуатационным воздействиям. Данный эффект достигается за счет алмазоподобного покрытия и оптимизации режима термомагнитной обработки и не требует больших технических затрат, при этом за счет снижения напряженности магнитного поля, применяемого при ТМО, также существенно уменьшаются и энергозатраты.

Пример осуществления способа.

Изделия из быстрорежущей стали первоначально подвергают термической обработке, которое включает закалку от 1210 до 1290°С с выдержкой 2-5 мин и охлаждением в масле, двухкратный или трехкратный отпуск при 540-580°С с выдержкой 1 ч и охлаждение на воздухе. Затем изделия помещают в вакуум, и их поверхность подвергается очистке ионами аргона, на которые напыляют при температуре 30-40°С промежуточный адгезионный слой Zr или Al толщиной 100-200 Å и на заключительном этапе слой алмазоподобного покрытия (т.е. аморфного твердого углерода) толщиной 1000-2000 Å. После чего изделия подвергают термомагнитной обработке при 540-580°С в продольном магнитном поле напряженностью не менее 70 кА/м, а время выдержки при нагреве выбирают в зависимости от габаритных параметров изделий в пределах 0,25-1,25 ч.

Способ опробован на номенклатурных изделиях - метчиках M8 (L/D˜10) и концевых фрезах диаметром 36 мм (L/D˜5) из быстрорежущей стали Р6М5К5.

В качестве примера в таблице представлены результаты термомагнитной обработки метчиков, подвергнутых различным видам упрочнения, и их количественное повышение износостойкости при обработке деталей относительно изготовленных по стандартному режиму термической обработки [см. Марочник сталей и сплавов. Под ред. Сорокина В.Г. - М.: Машиностроение, 1989. 640 с.].

Таблица. Зависимость изменения износостойкости (в условных единицах) метчиков М8 из стали Р6М5К5 от режимов их обработки.
Температура выдержки, °С	Вид обработки	Время выдержки в, ч
		0,25	0,5	1	2	4
500	ТМО	1,5	1,9	1,8	1,6	1,3
560*	ТМО	2,1	2,8*	2,5	2,3	1,5
700	ТМО	1,3	1,2	0,8
560**	ТО	-	1,1**	-	-	-
30-40	АПП	1,8
560*	АПП+ТМО	-	8,0	-	-	-
* - оптимальный режим в присутствии постоянного магнитного поля Н˜70 кА/м; ** - контрольный эксперимент в отсутствие воздействующего магнитного поля.

Результаты обработки стальных деталей метчиками М8 из стали Р6М5К5 (см. таблицу) подтверждены актами производственных испытаний ПО "Уралтрансмаш". Выборка при испытаниях составляла для метчиков ˜1000 штук. Эксплуатационная износостойкость контрольных образцов-метчиков условно принималась за единицу. Метчики, подвергнутые стандартной ТО, позволяют обрабатывать 3 тысячи деталей. При напылении на метчики АПП - около 6 тысяч, после ТМО метчиков - более 8 тысяч, а при предлагаемом способе комбинированной их обработки: напыление АПП с последующей ТМО - 25 тысяч, то есть при последнем виде обработки условная износостойкость метчиков возросла более чем в 8 раз (см. таблицу).

Эффективность ТМО изделий из инструментальных быстрорежущих сталей, с одной стороны, зависит от оптимального температурного режима, который, как показывает эксперимент, определяется температурой обработки, лежащей в области температур заключительного отпуска для конкретной марки стали. С другой стороны - от габаритных параметров изделий, что обуславливает выбор времени выдержки _в, например для М3 _в=0,25 ч; для М8 _в=0,5 ч; для М36 _в=1,25 ч.

Таким образом, заявляемый способ термомагнитной обработки изделий из инструментальной быстрорежущей стали позволяет, без изменения химического состава стали, получить изделия с улучшенными физико-механических свойствами, тем самым эффективно реализовать резервы для долговечной эксплуатации изделии. Существенное увеличение показателей износостойкости таких изделий при относительно малых технических и энергетических затратах на их обработку характеризует данный способ как перспективный для широкого внедрения на производстве.