Спосіб термічної обробки сталевого інструмента

Реферат: Винахід належить до металургії, а саме до способу термічної обробки сталевого інструмента і може бути використаний для підвищення його якості. Спосіб термічної обробки сталевого інструмента включає нагрівання інструмента до температури аустенітизації, гартування, охолодження до температури від -110 до -170 °C з подальшим витримуванням в часовому інтервалі від 1 до 48 годин, нагрівання до кімнатної температури на повітрі, після чого інструмент піддається відпуску при температурі 450-550 °C. Винахід забезпечує підвищення зносостійкості сталевого інструмента. UA 103962 C2 (12) UA 103962 C2 UA 103962 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі металургії, а саме до термічної обробки сталевого інструмента і може бути використаний для підвищення його зносостійкості. Відомо, що охолодження стального інструмента до кріогенних температур підвищує його стійкість проти абразивного зношування у порівняні з класичним гартуванням. Найбільш поширеною є кріогенна обробка у рідкому азоті. Відомий, наприклад, спосіб термічної обробки сталевого інструмента, що включає операції нагрівання інструмента до температури аустенітизації, гартування, охолодження до кріогенних температур шляхом ударного (миттєвого) занурення інструменту в рідину з температурою від -150 до -269 °C, витримуванням у вказаному середовищі протягом 5-30 хвилин з подальшим нагріванням до кімнатної температури та відпуском при температурі 200-250 °C (див. авт.св. СРСР № 485161, МПК C21D 9/22, 1972). Для регулювання ступеня термоудару використовують рідини з температурою замерзання нижче -150 °C (наприклад, триетоксисилан з температурою замерзання -170 °C). Недоліком способу є його високі трудомісткість та енергоємність, що пов'язано з охолодженням до температур нижче -170 °C та використанням додаткових рідин. Крім того, нами встановлено, що ізотермічне низькотемпературне мартенситне перетворення, яке відповідальне за підвищення зносостійкості, не проходить при температурах нижче -170 °C, а витримування протягом 5-30 хвилин недостатньо для завершення ізотермічного низькотемпературного мартенситного перетворення при температурах від -150 до -170 °C. Підвищення зносостійкості, при таких умовах термічної обробки, зумовлене низькотемпературним мартенситним перетворенням в процесі охолодження до температур нижче - 170 °C та нагрівання до кімнатної температури сталевого інструмента, оскільки при здійснені цих операцій інструмент піддається термічній обробці в інтервалі температур від -110 до-170 °C. Відомий також, вибраний як найближчий аналог, спосіб термічної обробки стального інструмента, що включає операції нагрівання інструмента до температури аустенітизації, гартування, охолодження до кріогенних температур шляхом занурення інструмента в рідкий азот з витримуванням в цій рідині 10 хвилин і подальшим його нагріванням в струмені теплого повітря до кімнатної температури (див. United States Patent 5,259,200, F25D 13/06, C21D 9/18, 1993, Dennis J. Kamody;). Недоліком способу-аналога є недостатньо високий рівень зносостійкості, зумовлений вибраною температурою охолодження і витримування сталевого інструмента. Експериментально встановлено, що ізотермічне низькотемпературне мартенситне перетворення, яке відповідальне за підвищення зносостійкості, не проходить при температурах нижче -170 °C, а підвищення зносостійкості зумовлене короткочасним низькотемпературним мартенситним перетворенням в температурному інтервалі від -110 до -170 °C в процесі охолодження до температури рідкого азоту та нагріванню до кімнатної температури, яке не проходить до кінця через малий часовий інтервал витримки при температурі від -110 до -170 °C. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу термічної обробки сталевого інструмента шляхом визначення оптимальних умов кріогенної обробки інструмента з метою максимального підвищення його зносостійкості. Поставлена задача вирішується тим, що в способі термічної обробки сталевого інструмента, що включає нагрівання інструменту до температури аустенітизації, гартування, охолодження до кріогенних температур, витримку його при цих температурах, нагрів до кімнатної температури, згідно з винаходом, охолодження інструмента здійснюють до температури від -110 до -170 °C з подальшим витримуванням в часовому інтервалі від 1 до 48 годин, нагрівання до кімнатної температури проводять на повітрі, після чого інструмент додатково піддають відпуску при температурі 450-550 °C. Експериментально встановлено, що низькотемпературне мартенситне перетворення має місце в температурному інтервалі від -110 до -170 °C і не відбувається при температурі нижче 170 °C. Внаслідок нерухомості атомів вуглецю при температурах ізотермічного низькотемпературного мартенситного перетворення мартенсит не піддається старінню, тобто утворенню вуглецевих атмосфер навколо дислокацій. З цієї причини дислокації є достатньо рухомі, і під час перетворення має місце пластична деформація. В процесі деформації дислокації захоплюють атоми вуглецю і транспортують їх, утворюючи вуглецеві атмосфери на дислокаціях. Ці атоми, за рахунок високої ентальпії зв'язку атома вуглецю з дислокацією, не приймають участі в утворенні низькотемпературного карбіду під час відпускання. Кріогенна обробка в інтервалі від -110 до -170 °C також підвищує температуру утворення цементиту та спеціальних карбідів, що забезпечує дрібнодисперсну структуру спеціальних карбідів після відпускання при температурах вторинного гартування (450-550 °C). Часовий інтервал витримки від 1 до 48 годин (в залежності від складу інструментальних сталей) достатній для повного 1 UA 103962 C2 5 10 15 20 25 завершення низькотемпературного мартенситного перетворення. Нагрівання інструмента після кріогенної обробки до кімнатної температури на повітрі більш економічний порівняно з примусовим нагрівом. Суть винаходу пояснюється кресленням, де зображені: на фіг. 1 - температурна залежність внутрішнього тертя сталі X155CrVMo 12; на фіг. 2 - пік Снука-Кьостера для сталі X155CrVMo 12, що пройшла різну обробку; на фіг. 3 - структура сталі X155CrVMo 12 після витримування при -150 °C протягом 24 годин і відпуску при 100 °C протягом 2 годин; на фіг. 4 - структура сталі X155CrVMo 12 після витримування при -150 °C протягом 24 годин і відпуску при 500 °C протягом 2 годин. Авторами досліджені температурні залежності внутрішнього тертя сталі X155CrVMo 12 та її структура після витримування при кріогенних температурах і наступного відпуску за допомогою установки внутрішнього тертя та просвічуючого електронного мікроскопа. На фіг. 1 показано оптимальну температуру для ізотермічного низькотемпературного мартенситного перетворення. Видно, що вона становить -150 °C. На фіг. 2 показано, що найбільша густина дислокацій, а, відповідно, і найбільша пластична деформація, спостерігається в сталі, що пройшла витримку при -150 °C. На фіг. 3 видно, що структура сталі після витримування при 150 °C протягом 24 годин і відпускання при 100 °C не містить ƞ(ε')-карбіду. На фіг. 4 показано, що структура сталі після витримування при -150 °C протягом 24 годин і відпускання при 500 °C містить крупні частинки цементиту, а спеціальні карбіди - дуже дрібні. Саме дрібнодисперсні частинки спеціальних карбідів та виділення цементиту великого розміру відповідають за зносостійкість. Заявлений спосіб кріогенної обробки на прикладі сталі X155CrVMo 12 здійснюється наступним чином. Після аустенітизації в атмосфері аргону при температурі 1080 °C інструмент гартують за допомогою продування в струмені аргону і охолоджують в парах рідкого азоту до температури в інтервалі від -110 до -170 °C, витримують від 1 до 48 годин при цій температурі, після чого інструмент нагрівається до кімнатної температури на повітрі і на наступному етапі обробки піддається відпусканню при температурі 450-550 °C. 30 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 Спосіб термічної обробки сталевого інструмента, що включає нагрівання інструмента до температури аустенітизації, гартування, охолодження до кріогенних температур, витримування його при цих температурах, нагрівання до кімнатної температури, який відрізняється тим, що охолодження інструмента здійснюють до температури від -110 до -170 °C з подальшим витримуванням в часовому інтервалі від 1 до 48 годин, нагрівання до кімнатної температури проводять на повітрі, після чого інструмент додатково піддають відпуску при температурі 450550 °C. 2 UA 103962 C2 3 UA 103962 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4