Спосіб обробки сталей

Изобретение относится к металлургии, конкретно к способам обработки инструментальных и конструкционных сталей. Известен и широко применяется способ обработки инструментальных сталей, включающий нагрев выше Асі, о хлаждение в воде или масле и низкий отпуск [1]. В результате получают преимущественно структур у отпущенного мартенсита и карбидов. Количество остаточного аустенита не превышает 15-20%. Это позволяет получить высокую твердость HRC > 60. Незначительное количество остаточного аустенита не позволяет получить повышенную износостойкость и долговечность инструмента. Известен способ обработки конструкционных сталей, включающий цементацию, подстуживание до температуры несколько превышающей АС1, о хлаждение в воде или масле и низкий отпуск [1]. В результате в поверхностном слое получают ту же микроструктуру, что и в инструментальных сталях, указанную выше. Незначительное количество остаточного аустенита также, как в предыдущем случае, не позволяет получить высокую износостойкость. Известен способ обработки инструментальных сталей Х12 М и Х12Ф [2], включающий закалку с температур 1150-1200°С и низкий отпуск (принят за прототип). В результате получают стр уктур у преимущественно метастабильного аустенита (~ 90%). Остальное мартенсит и карбиды. Этот способ лишен недостатков перечисленных выше способов. Однако из-за большого количества метастабильного аустенита нельзя получить высокую твердость (HRC > 55), которая обеспечивает сопротивление смятию при высоких контактных нагрузках. В основу изобретения поставлена задача разработать способ обработки сталей, в котором введение дополнительных операций и изменение условий их осуществления позволяют увеличить твердость, обеспечив сопротивление смятию поверхности при высоких контактных нагрузках, сохранить высокий уровень износостойкости и за счет этого увеличить срок службы инструмента. Для решения поставленной задачи в способе обработки сталей, включающем термообработку до увеличения содержания метастабильного аустенита 2: 25% по сравнению с первоначальным, в соответствии с изобретением дополнительно осуществляют де формационное или термическое воздействие до образования в структуре стали мартенсита напряжения или деформации и наклепанного метастабильного аустенита, способного превращаться в мартенсит при последующем нагружении. При этом деформационное воздействие осуществляют пластической деформацией всего объема или отдельных участков при температуре ниже Мд. Кроме того, термическое воздействие осуществляют на весь объем или отдельные участки с использованием источников концентрированной энергии (лазерный, электронный лучи и т.п.). Хорошо известно, что в высокоуглеродистых сталях при обычных способах термообработки на высокую твердость образуется "пластинчатый" мартенсит охлаждения, имеющий высокую склонность к хрупкому разрушению. Получение в структуре большого количества метастабильного аустенита и последующее деформационное или термическое воздействие уменьшают долю "пластинчатого" мартенсита охлаждения и обеспечивают образование "реечного" мартенсита напряжения или деформации. В отличие от мартенсита охлаждения он имеет высокую плотность дислокаций, содержит меньше углерода и, соответственно, менее склонен к хрупкому разрушению. Важным преимуществом является также и то, что он очень дисперсен и равномерно распределен в стр уктуре. Это уже само по себе существенно повышает комплекс свойств стали. Важным фактором также является сохранение в структуре наклепанного метастабильного аустенита. В процессе последующего нагружения при испытаниях свойств или эксплуатации он испытывает γ®a' превращение. На его развитие расходуется значительная часть энергии внешнего воздействия и, соответственно, меньшая доля идет на образование микротрещин и разрушение. В процессе γ®a' превращения происходит релаксация микронапряжений, что повышает работоспособность микрообъемов металла. Кроме того, что весьма существенно, превращение γ®a' реализуется в наклепанном аустените, имеющем повышенную плотность дислокаций, которая наследуется образовавшимся мартенситом. Совокупность указанных выше причин позволяет получить высокий уровень механических и служебных свойств, не достижимых известными свойствами. Для каждой марки стали в зависимости от химического состава и условий эксплуатации деталей, изготовленных из нее, подбирается оптимальный режим термообработки для получения метастабильного аустенита и последующего деформационного и термического воздействия. Повышенное количество метастабильного аустенита достигается увеличением температуры нагрева под закалку, по сравнению с обычно принятыми или проведением изотермической, а в ряде случаев ступенчатой закалки. Мартенсит напряжения или деформации получают пластической деформацией с использованием прокатки, волочения, обкатки роликом, обдувки дробью и других, проводимой при температурах ниже Мд. Термическое воздействие для получения того же эффекта осуществляют источниками концентрированной энергии -лазерным и электронным лучами, плазмой, электроконтактным нагревом и т.п. Пример 1. Инструментальную сталь 9ХС, применяемую для изготовления пуансонов вырубных штампов, подвергают закалке с 930°С в масло. Возможно осуществление изотермической закалки с 900°С в соляную ванну с температурой 250°С и выдержкой в течение часа. Затем проводят отпуск при 180°С. После указанной обработки рентгеновским методом определяют количество метастабильного аустенита. Оно составляет ~30% в первом и 35% - во втором случае. Однако в первом случае аустенит присутствуе т наряду с отп ущенным мартенситом и карбидами, во втором - наряду с бейнитом и карбидами. Твердость определялась на приборе Роквелла. После обычной закалки с повышенной температуры она составляла HRC ~ 57, после изотермической закалки HRC ~ 55. Затем осуществляют пластическую де формацию путем обкатки роликом рабочей поверхности. Определение количества аустенита показало, что оно уменьшилось до 10-15% за счет образования мартенсита деформации. Твердость возросла до HRC ~ 62. В процессе эксплуатации за счет превращения наклепанного аустенита в мартенсит количество первого уменьшилось до 5-7%. При реализации предложенного способа обработки износостойкость стали 9ХС при испытании на машине МИ-1М по схеме колодка - ролик (нагрузка 2 кг, время испытания 1 час) возросла в ~ 1,5 раза по сравнению с таковой после существующего способа обработки. Во столько же увеличилась долговечность пуансонов в процессе эксплуатации. Πример 2. По предлагаемому способу сталь 18ХГТ подвергают газовой цементации при 950°С 6 ч и без подстуживания закаливают в масло и отпускают при 180°С 1 ч. Количество метастабильного аустенита, определенное рентгеновским методом в поверхностном слое, составляет ~ 80%. Остальное - мартенсит отпуска и карбиды. Твердость составляет HRC ~ 45. Заключительной обработкой является наклеп дробью. Количество метастабильного аустенита уменьшилось до 45%. Испытания на износ, проведенные на машине МИ-1М по смехе ролик - ролик (нагрузка 20 кг, время испытания 40 мин), показало, что количество метастабильного аустенита уменьшилось до ~ 18% за счет протекания γ®a' превращения. Относительная износостойкость возросла в 1,7 раза по сравнению с уровнем, достигаемым после существующего способа обработки. Πример 3. По предлагаемому способу сталь 100Г6Ф закаливают с 1100°С в воде. Определенное рентгеновским методом количество метастабильного аустенита составляет ~ 90% (остальное - мартенсит и карбиды). Твердость, определенная на приборе Роквелл, составляет HRC ~ 28. Это весьма низкая твердость. Для ее повышения проводят локальную лазерную или электронно-лучевую обработку. Количество метастабильного аустенита уменьшилось до 20% за счет образования мартенсита деформации. Твердость упрочненных участков составляет HRC ~ 62. Упрочненные и неупрочненные участки чередуются с шагом ~ 2 мм. Испытание на износ на машине МИ 1-М по схеме колодка - ролик (нагрузка 2 кг, время испытания 40 мин) показало, что износостойкость повысилась в 1,7 раза по сравнению с существующим способом упрочнения. В результате превращения метастабильного наклепанного аустенита в мартенсит его количество после испытания на износ уменьшилось до ~ 7%. Пример 4. По предлагаемому способу сталь 03Г7АФ после закалки с 900°С нагревают на 620-650°С (выдержка 1 ч) и охлаждают до комнатной температуры. В структуре наряду с мартенситом отпуска присутствует ~ 35% метастабильного аустенита. Заключительной обработкой является общая холодная пластическая деформация на ~ 15% и низкий отпуск при 200°С. В результате деформации количество метастабильного аустенита уменьшается до 18% за счет образования мартенсита деформации. Ме ханические свойства после предложенной обработки таковы: s0,2 = 1000-1100 МПа, s0,2 = 1170-1220 МПа, s0,2 = 13-15%, s0,2=50-55%, KCU - 0,7-0,9 МДж/м 2. Прочностные свойства на 30%, а относительное удлинение на 20% выше, чем после существующего способа обработки. В результате обработки по предложенному способу одновременно возрастают прочностные свойства и относительное удлинение, что обусловлено весьма постепенным развитием γ®a' превращения в наклепанном аустените. Его количество в зоне разрушения образца составляет ~5%. Приведенные примеры показывают, что предложенный способ во всех случаях повышает свойства сталей по сравнению с теми, которые обеспечивают известные способы. Для каждой стали должны быть подобраны индивидуальные режимы обработки.