способ повышения твердости более 68,0 hrc в изделиях из инструментальных сталей
| Классы МПК: | C21D9/22 сверл; фрез; резцов для металлорежущих станков C21D6/04 закалка путем охлаждения ниже 0°C C21D1/78 комбинированные способы термообработки, не предусмотренные в предыдущих рубриках |
| Автор(ы): | Банных Олег Александрович (RU), Блинов Виктор Михайлович (RU), Зверева Тамара Николаевна (RU), Антощенков Андрей Евгеньевич (RU), Доронин Игорь Владимирович (RU), Степанов Андрей Васильевич (RU), Лукина Юлия Александровна (RU), Антипов Валерий Иванович (RU), Виноградов Леонид Викторович (RU), Русаков Андрей Дмитриевич (RU), Юсупов Владимир Сабитович (RU), Князькин Александр Борисович (RU) |
| Патентообладатель(и): | Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) (RU) |
| Приоритеты: |
подача заявки:
2007-06-20 публикация патента:
20.03.2009 |
Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и используется для изготовления режущего инструмента, штампов, рабочих валков листопрокатных станов стали типа «90Х». Технический результат изобретения заключается в повышении твердости более 68 HRC. Для достижения технического результата осуществляют предварительную подготовку структуры стального изделия, закалку, многократную обработку холодом и низкий отпуск, при этом предварительная подготовка структуры заключается в закалке с температуры 890°С A cm+(10÷20°C) и последующем среднем отпуске на температуру 400-480°С в течение 1-6 часов. Закалку осуществляют посредством охлаждения в масле или через воду в масло с температуры Аcm+(10÷20°С) с последующей обработкой холодом при -70°С и низким отпуском при температурах 100-120°С. Нагрев под закалку проводят ускоренно в соляных ваннах или посредством электронагрева, а охлаждение при закалке ведут в масляной ванне с температурой масла не выше 20°С до температуры 25-35°С и сразу передают изделия на обработку холодом. Промежуток времени от момента выгрузки изделий из масляной ванны и помещения их в камеру холодильника не должен превышать 15 минут. Обработка холодом при -70°С в сочетании с низким отпуском повторяется от двух до шести раз. 3 з.п. ф-лы, 5 табл.
Формула изобретения
1. Способ обработки изделий из инструментальных заэвтектоидных сталей, включающий предварительную подготовку структуры стальных изделий, окончательную закалку, термоциклирование, отличающийся тем, что предварительную подготовку структуры ведут путем закалки изделий с температуры Аcm+(10÷20)°С и последующего отпуска при 400-480°С в течение 1-6 ч, с обеспечением твердости более 68,0 HRC, а термоциклирование осуществляют обработкой холодом и последующим нагревом до температуры низкого отпуска.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев под окончательную закалку проводят ускоренно в соляных ваннах или посредством электронагрева до Acm+(10÷20)°C, закалку осуществляют посредством охлаждения в масле, а затем проводят термоциклирование обработкой холодом при -70°С и последующим нагревом до 100-120°С, при этом охлаждение ведут с температурой масла не выше 20°С до температуры 25-35°С.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что промежуток времени от момента извлечения изделий из охлаждающего масла до обработки холодом не превышает 15 мин.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что термоциклирование проводят с количеством циклов от двух до шести.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к металлургии, машиностроительной и другим отраслям промышленности, использующим для изготовления режущего инструмента, штампов, рабочих валков листопрокатных станов и других изделий стали типа «90Х» (90Х, 90ХС, 90ХФ и др. - таблица 1), основным свойством которых является повышенная твердость.
Стали этой группы относятся к низколегированным сталям перлитного класса и содержат от 0,8 до 1,4%С и до 4,0% легирующих элементов: хрома, кремния, марганца, вольфрама, молибдена, ванадия [Ю.А.Геллер. Инструментальные стали. // М.: Металлургия, 1983 - 527 с. (стр.129-230)].
В таблице 2 представлены отечественные стали данной группы (ГОСТ 5950-73), многие из них и их аналоги используются в качестве валковых сталей (ГОСТ 3547-57 и ГОСТ 5.1323-72).
Аналогичные стали имеются в стандартах ведущих промышленно-развитых стран: ФРГ, Франции, США, Швеции, Испании (таблица 3). Составы ряда таких сталей, режимы термической обработки и твердость - в таблице 4 [марочник ФРГ - Wegst C.W. Stahlschussel, Verlag Stahl schussel Wegst GMBH, D-7142 Marbach, 1986 - 561 s.].
Стали типа «90Х» являются заэвтектоидными. Изделия из этих сталей закаливают в масле с температур 770-860°С (таблица 4) из области «аустенит+цементит вторичный», т.е. на 10÷100°С ниже температуры Аcm [И.В.Паисов. Термическая обработка стали и чугуна. // М.: Металлургия, 1970 - 264 с.], [А.П.Гуляев. Термическая обработка стали. // М.: Машгиз, 1960 - 496 с.] После такой термической обработки структура состоит из мартенсита закалки (88-94%), остаточного аустенита (3-5%) и карбидов (Fe, Me)3C 3-7%. В справочнике ФРГ указано, что после закалки и низкого отпуска твердость сталей типа "90Х" не превышает 64HRC (см. таблицы 3 и 4).
В отечественной литературе [Ю.А.Геллер. Инструментальные стали. // М.: Металлургия, 1983 - 527 с. (стр.129-230] и [В.М.Доронин. Термическая обработка углеродистой и легированной стали. // М.: Металлургиздат, 1955 - 396 с.] отмечено, что максимальная твердость, получаемая в результате закалки изделий из сталей 90Х, 90ХС, 90ХФ и других сталей этой группы, составляет 65,0 HRC. Это полностью согласуется с данными, приведенными в справочнике ФРГ (таблица 4).
Известен способ закалки сталей, содержащих от 0,8 до 1,4% углерода и до 3% в сумме хрома, кремния, марганца, вольфрама, молибдена, ванадия, в масле с температурой 770-860°С, что составляет Аcm-(10÷100°С). Твердость после такой термической обработки 63,0-65,0 HRC [Ю.А.Геллер. Инструментальные стали. // М.: Металлургия, 1983 - 527 с. (стр.129-230)], [В.М.Доронин. Термическая обработка углеродистой и легированной стали. // М.: Металлургиздат, 1955 - 396 с.].
Наиболее близким к заявленному способу аналогом является «Способ термической обработки легированных заэвтектоидных сталей» (SU 1719440 A1, C21D 1/78, 15.03.1992 - бюл. №10).
Изобретение относится к металлургии, а именно к термообработке сталей при изготовлении инструмента - уменьшение карбидной сетки. Способ включает нагрев до Аcm+(100÷200°С), охлаждение до температуры ниже Аr1, термоциклирование путем нагрева до (Ac1+50°C)-A cm и охлаждение до температуры ниже Аr1 , причем скорость нагрева составляет (10÷50)°С/с.
Указанный способ (SU 1719440 А1, С21D 1/78) позволяет снизить степень развития карбидной сетки и повысить однородность распределения вторичных карбидов. Однако данный способ не позволяет увеличить значения твердости до 68,0-69,0 HRC, т.к. условия окончательной закалки и отпуска не изменяются, соответствуя стандартному режиму (таблица 4), и получаемая при этом твердость не превышает 65,0 (таблица 4).
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа термической обработки изделий из инструментальных заэвтектоидных сталей, позволяющего повысить производительность режущего и штампового инструмента, рабочих валков многовалковых станов холодной прокатки ленты и других деталей и механизмов, работающих на износ и истирание.
Техническим результатом изобретения является повышение твердости до 68,0-69,0 HRC.
Технический результат достигается тем, что в способе обработки изделий из инструментальных заэвтектоидных сталей, включающем предварительную подготовку структуры стальных изделий, окончательную закалку, термоциклирование, согласно изобретению предварительную подготовку структуры ведут путем закалки изделий с температуры Acm+(10÷20°C) с последующем средним отпуском на температуру 400-480°С. Нагрев под окончательную закалку производят ускоренно в соляных ваннах или посредством ТВЧ на температуру Аcm+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.
Заявляемый способ полностью устраняет карбидную сетку в результате закалки из аустенитного состояния с температур Аcm +(10÷20°С).
Термоциклирование по способу, являющемуся аналогом, осуществляется в интервале температур (A c1+50°C)-Acm, что составляет ˜ 750-920°С и оказывает влияние исключительно на степень развития карбидной сетки.
Согласно заявляемому способу термоциклирование производится в интервале температур (-70°С) до 100-120°С и имеет своей задачей получение максимальных значений твердости 68,0-69,0 HRC.
По заявляемому способу предварительная подготовка структуры включает закалку с температур Аcm+10°С в воде или в масле и последующий отпуск в температурном интервале 400-480°С, в результате чего в изделиях получается структура, состоящая из отпущенного мартенсита и карбидов высокой степени дисперсности. Это позволяет в результате окончательной закалки с температур А cm+10°С и ускоренным нагревом в соляных ваннах или ТВЧ получить мартенсит с высокой степенью неоднородности по содержанию углерода, что позволяет дополнительно повысить твердость на 1-3 HRC [И.Н.Кидин. Физические основы электротермической обработки металлов и сплавов. // М.: Металлургия, 1969 - 376 с.].
После закалки следует обработка холодом при (-70°С) и отпуск в интервале температур 100-120°С. Обработка холодом в сочетании с отпуском повторяются многократно (термоциклирование), что позволяет наиболее полно перевести остаточный аустенит в мартенсит и получить твердость 68,0-69,0 HRC (таблица 5 - режимы №2, 4, 5, 6 и 17). Закалка по стандартному режиму без предварительной обработки с медленным печным нагревом и отпуском на 140-200°С, без обработки холодом и без термоциклирования в интервале температур от (-70°С) до (100÷120°С) позволяет получить значения твердости 64,0-64,5 HRC (таблица 5 - режим №18).
| Таблица 1 | |||||||||
| Инструментальные стали России (стали типа «90Х») | |||||||||
| № | Марка ГОСТ 5950-73 | Основные легирующие элементы, % вес | Марка-аналог ФРГ | ||||||
| С | Si | Mn | Cr | V | Мо | W | |||
| 1 | 90ХС | 0,85-0,95 | 1,20-1,60 | 0,30-0,60 | 0,95- 1,25 | - | - | - | 1,2108 |
| 2 | 100ХГС | 0,95-1,05 | 0,40-0,70 | 0,85-1,25 | 1,30-1,65 | - | - | - | - |
| 3 | 90ХВГ | 0,85-0,95 | 0,15-0,35 | 0,90-1,20 | 0,50-0,80 | - | - | 0,50 0,80 | 1,2515 |
| 4 | 100ХВГ | 0,90-1,05 | 0,15-0,35 | 0,80-1,10 | 0,90-1,20 | - | - | 1,20-1,60 | 1,2419 |
| 5 | 100ХВСГ | 0,95-1,05 | 0,65-1,00 | 0,60-0,90 | 0,60-1,10 | 0,05-0,15 | - | 0,50-0,80 | 1,2419 |
| 6 | 90Х | 0,80-0,95 | 0,25-0,45 | 0,15-0,40 | 1,40-1,70 | - | - | - | 1,2056 |
| 7 | 100Х | 0,95-1,10 | 0,15-0,35 | 0,15-0,40 | 1,30-1,65 | - | - | - | 1,2127 |
| 8 | 120Х | 1,15-1,25 | 0,15-0,35 | 0,30-0,60 | 1,30-1,65 | - | - | - | 1,2002 |
| 9 | 80ХФ | 0,70-0,80 | 0,15-0,35 | 0,15-0,40 | 0,40-0,70 | 0,15-0,30 | - | - | 1,2511 |
| 10 | 90ХФ | 0,80-0,90 | 0,15-0,35 | 0,30-0,60 | 0,40-0,70 | 0,15-0,30 | - | - | 1,2235 |
| 11 | 110ХФ | 1,05-1,15 | 0,15-0,35 | 0,40-0,70 | 0,40-0,70 | 0,15-0,30 | - | - | - |
| 12 | 130ХФ | 1,25-1,40 | 0,15-0,35 | 0,30-0,60 | 0,40-0,70 | - | - | - | 1,2210 |
| 13 | 110 В2Ф | 1,05-1,22 | 0,15-0,35 | 0,20-0,50 | 0,20-0,70 | 0,20-0,28 | - | 1,60-2,00 | 1,2442 |
| Таблица 2 | ||||||||||
| Валковые стали России (стали типа «90Х») | ||||||||||
| № | Марка | ГОСТ | Основные легирующие элементы, % вес. | Марка-аналог ФРГ | ||||||
| С | Si | Mb | Cr | V | Mo | W | ||||
| 1 | 90Х | 3547-57 | 0,80-0,95 | 0,25-0,45 | 0,20-0,35 | 1,40-1,70 | - | - | - | 1,2056 |
| 2 | 90X2 | 3547-57 | 0,85-0,95 | 0,25-0,45 | 0,20-0,35 | 1,70-2,10 | - | - | - | 1,2067 |
| 3 | 90ХФ | 3547-57 | 0,85-0,95 | 0,20-0,40 | 0,20-0,45 | 1,40-1,70 | 0,10-0,25 | - | - | 1,2235 |
| 4 | 90Х2В | 3547-57 | 0,85-0,95 | 0,25-0,45 | 0,20-0,35 | 1,70-2,10 | - | - | 0,30-0,60 | - |
| 5 | 90X2МФ | 3547-57 | 0,85-0,95 | 0,25-0,45 | 0,20-0,35 | 1,70-2,10 | 0,10-0,20 | 0,20-0,30 | - | 1,2303 |
| 6 | 90Х2СФ | 3547-57 | 0,85-0,95 | 1,30-1,60 | 0,20-0,35 | 1,70-2,10 | 0,10-0,20 | - | - | - |
| 7 | 90ХШ | 5.1323-72 | 0,80-0,95 | 0,25-0,45 | 0,25-0,35 | 1,40-1,70 | - | - | - | 1,2056 |
| 8 | 90ХСВФШ | 5.1323-72 | 0,85-0,95 | 0,80-1,10 | 0,20-0,30 | 1,40-1,70 | 0,10-0,20 | - | 0,40-0,60 | - |
| Таблица 3 | |||||||||||
| Химический состав инструментальных сталей России 90Х, 90ХС, 100ХГС, 100ХВГ и их зарубежных аналогов ФРГ, Франции, США, Швеции и Испании | |||||||||||
| № | Страна | Национальный стандарт | Марка | Содержание основных легирующих элементов, % вес | Марка-аналог стандарт ФРГ | ||||||
| С | Si | Mn | Cr | V | Мо | W | |||||
| 1 | Россия | ГОСТ 5950-73 | 90ХС | 0,85-0,95 | 1,20-1,60 | 0,30-0,60 | 0,95-1,25 | - | - | - | 1.2108 |
| 2 | ФРГ | По стандарту ФРГ 1.2108 | 90CrSi5 | 0,85-0,95 | 1,05- 1,25 | 0,30-0,80 | 1,10-1,30 | - | - | - | 1.2108 |
| 3 | Россия | ГОСТ 3547-57 | 90Х | 0,80-0,95 | 0,25-0,45 | 0,20-0,35 | 1,40-1,70 | - | - | - | 1.2056 |
| 4 | ФРГ | По стандарту ФРГ 1.2108 | 90СгЗ | 0,85-0,95 | 0,15-0,30 | 0,20-0,40 | 0,70-0,90 | - | - | - | 1.2056 |
| 5 | Франция | Стандарт AF NOR NFA-35-590 (78) | Y100C6 | 0,95-1,10 | 0,15-0,30 | 0,20-0,40 | 1,25-1,60 | - | - | - | 1.2067 |
| 6 | Россия | ГОСТ 5950-73 | 100ХГС | 0,95-1,05 | 0,40-0,70 | 0,85-1,25 | 1,30-1,65 | - | - | - | 1.2108 |
| 7 | Швеция | Стандарт Швеции (SS) | 2140 | 0,85-1,00 | 0,20-0,40 | 1,10-1,30 | 0,40-0,60 | 0,05-0,15 | - | 0,40-0,60 | 1.2419 |
| 8 | США | Стандарт США AISI | 01 | 0,85-0,95 | 0,20-0,40 | 1,00-1,30 | 0,40-0,60 | - | 0,40-0,60 | 1.2419 | |
| 9 | Россия | ГОСТ 5950-73 | 100ХВГ | 0,90-1,05 | 0,15-0,35 | 0,80-1,10 | 0,90-1,20 | - | - | 1,20-1,60 | 1.2419 |
| 10 | Испания | Испания F-5233 | 105WCr5 | 1,00-1,15 | 0,10-0,40 | 0,70-1,00 | 0,80-1,10 | - | - | 1,00-1,60 | 1.2419 |
| Таблица 4 | |||||||||||
| Режимы термической обработки и твердость сталей 90Х, 90ХС, 100ХВГ и их зарубежных аналогов (по стандартам ФРГ, Франции, Швеции, США, Испании) | |||||||||||
| № | Марка (Россия) | Марка-аналог (ФРГ) | Термическая обработка и твердость по стандарту ФРГ | Термическая обработка и твердость по нормам России | Температуры Ac1/Acm [2] | ||||||
| закалка | отпуск | закалка | отпуск | ||||||||
| т-ра закалки, °С | твердость, HRC | т-ра отпуска, °С | твердость, HRC | т-ра закалки, °С | твердость, HRC | т-ра отпуска, °С | твердость, HRC | ||||
| 1 | 90Х | 1.2056 | 770-800°С масло | 65 [4] | 180 | 63 [4] | 820-850°С масло | 62-64 [1-3] | 180 | 63 [2,3] | 740°/850°С |
| 2 | 90ХС | 1.2108 | 770-800°С масло | 66 [4] | 200 | 64 [4] | 840-860°С масло | 62-64 [1-3] | 140 | 63 [2,3] | 770°/870°С |
| 3 | 100ХВГ | 1.2419 | 800-830°С масло | 65 [4] | 200 | 63 [4] | 830-850°С масло | 62-64 [1-3] | 200 | 62 [2,3] | 750°/940°С |
| Таблица 5 | ||||
| Влияние параметров режима термической обработки на твердость образцов стали 90ХС промышленной плавки (0,94% С, 1,52% Si, 0,43% Mn, 1,21% Cr) | ||||
| № режима термической обработки | Предварительная термическая обработка (подготовка структуры стали к окончательной термической обработке) | Окончательная термическая обработка | Твердость*) HRC | |
| закалка с ускоренным нагревом | обработка холодом и отпуск | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 1 | 860°С масло+450°С - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 67,5-68,0 |
| 2 | 890°С масло+450°С - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,5-69,0 |
| 3 | 920°С масло+450 иС - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 67,0-68,0 |
| 4 | 880°С масло+400°С - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,0-68,5 |
| 5 | 880°С масло+420иС - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,0-68,5 |
| 6 | 880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,5-69,0 |
| 7 | 880°С масло + 480°С - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 67,5-68,5 |
| 8 | 880°С масло + 450°С - 1 час; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 67,0-68,0 |
| 9 | 880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух | 890°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,5-69,0 |
| 10 | 880°С масло + 450°С - 6 часов; воздух | 920°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,0-68,5 |
| 11 | 880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух | 880°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,5-69,0 |
| 12 | 880°С масло + 450°С - 5 часов; воздух | 880°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 120°С - 2 часа) - 3 раза | 68,0-69,0 |
| 13 | 880°С масло + 450°С - 7 часов; воздух | 880°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 140°С - 2 часа) - 3 раза | 67,0-68,5 |
| 14 | 880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух | 880°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 2 раза | 68,0-69,0 |
| 15 | 880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух | 880°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 6 раз | 68,0-68,5 |
| 16 | 880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух | 880°С масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 8 раз | 67,5-68,5 |
| 17 | 880°С масло + 450°С - 3 часа; воздух | 880°С через воду в масло | (-70°С - 2 часа; воздух + 100°С - 2 часа) - 3 раза | 68,5-69,5 |
| 18 известный способ (аналог) | 865°С масло + 680°С - 2 часа; воздух | ТВЧ - 900°С вода | (-40°С) - 2 часа; воздух + 120°С - 2 часа); воздух + (-50°С) - 2 часа; воздух + 125°С -2 часа; воздух | 66,0 |
| *) При измерении твердости полученные значения округляли до 0,5 HRC. На каждый режим термической обработки отбирали по 3-5 образцов толщиной 3 мм | ||||
Класс C21D9/22 сверл; фрез; резцов для металлорежущих станков
Класс C21D6/04 закалка путем охлаждения ниже 0°C
Класс C21D1/78 комбинированные способы термообработки, не предусмотренные в предыдущих рубриках
