СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ШТАМПОВЫХ СТАЛЕЙ
METHOD OF THERMAL TREATMENT OF TOOL DIE STEEL

Изобретение относится к металлургии, конкретно к способам термической обработки заготовок из инструментальных штамповых сталей, и может широко использоваться при изготовлении прессовой оснастки, работающей при высоких температурах.
Известен способ изготовления крупногабаритных поковок, включающий нагрев, ковку и высокотемпературный отжиг, выдержку и окончательное охлаждение с лимитированной скоростью (Авторское свидетельство СССР №1689406, кл. C21D 1/02, 1989).
Недостатком данного способа термической обработки поковок является получение крупного зерна аустенита, так как высокотемпературный нагрев, ведущий к росту зерна, проводится после деформации, а ускоренное охлаждение на воздухе выполняется после завершения не только γ→α превращения, но и перлитного, и не измельчает зерна аустенита.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является способ получения заготовок из инструментальных сталей, состоящий из высокотемпературного нагрева, ковки с этого нагрева, изотермического отжига и охлаждения с заданными скоростями (Патент РФ №2058999, кл. C21D 9/22, 1993).
Однако использование режима термической обработки, предложенного в прототипе, не позволяет измельчить зерно аустенита, следовательно, обеспечить повышенные механические характеристики штамповых сталей, особенно ударную вязкость.
Основной задачей изобретения является измельчение зерна аустенита заготовок инструментальных штамповых сталей.
Другая задача изобретения заключается в получении повышенных механических свойств заготовок сталей.
c3
r1
Для достижения поставленных задач заявляемый способ улучшения свойств инструментальных сталей содержит следующую совокупность существенных признаков: тройную фазовую перекристаллизацию при нагреве со скоростью 30-70°С/ч до температуры выше точки А на 30-80°С, выдержку при данной температуре, регламентированное охлаждение со скоростью не более 40°С/ч до температуры ниже точки A на 20-80°С, выдержку при данной температуре и последующее охлаждение до 400°С со скоростью не более 40°С/ч, затем на воздухе.
c3
r1
По отношению к прототипу у предлагаемого способа имеются следующие отличительные признаки: стали подвергают процессу тройной фазовой перекристаллизации путем нагрева со скоростью 30-70°С/ч выше точки А на 30-80°С, выдержки при данной температуре, затем охлаждают со скоростью не более 40°С/ч до температуры ниже точки A на 20-80°С, выдерживают при данной температуре с последующим охлаждением до 400°С со скоростью не более 40°С/ч, окончательное охлаждение выполняют на воздухе.
c3
r1
Между отличительными признаками и решаемой задачей существует следующая причинно-следственная связь, которая подтверждается данными, приведенными в таблицах 1 и 2. Выбор граничных значений параметров нагрева выше точки А на 30-80°С со скоростью 30-70°С/ч обусловлен получением в структуре инструментальных сталей мелкозернистого аустенита с отдельными нерастворившимися карбидными частицами, препятствующими росту зерна, и низким уровнем остаточных напряжений. Последующее охлаждение ниже точки А на 20-80°С со скоростью не более 40°С/ч приводит к распаду аустенита по перлитному механизму с образованием сфероидизированных избыточных карбидов и зернистого сорбита. Для более полного измельчения зерна аустенита и сфероидизации карбидов этот процесс повторяется трижды.
c3
c3
Нагрев до более низкой температуры, ниже, чем температура (А+30)°С, значительно удлиняет время выдержки для образования структуры аустенита, что экономически нецелесообразно. Высокотемпературный нагрев выше температуры (А+80)°С приводит к увеличению размера отдельных зерен аустенита, рост которых не заторможен избыточными карбидными частицами. Это предопределяет образование разнозернистости и увеличивает разброс свойств на готовом инструменте, особенно ударной вязкости, хотя в структуре будет наблюдаться зернистый сорбит.
Ограничение скорости нагрева интервалом 30-70°С/ч является оптимальным и связано с образованием термических и структурных напряжений, а также с экономическими соображениями. Невысокие скорости нагрева менее 30°С/ч приводят к необоснованно длительному времени нагрева инструментальных сталей. Нагрев со скоростью более 70°С/ч создает значительный градиент температур между центром и поверхностью изделия, что обуславливает высокий уровень термических и структурных напряжений, приводящих к короблению изделий или даже к трещинам.
r1
Охлаждение нагретых заготовок под инструмент ниже температуры точки А на 20-80°С создает термодинамические условия для распада аустенита по перлитному механизму, а выдержка при этой температуре обеспечивает получение зернистых структур. Малая степень переохлаждения меньше 20°С из-за низкого выигрыша объемной свободной энергии, несмотря на высокую диффузионную подвижность атомов, существенно замедляет перлитный распад. Более высокие степени переохлаждения выше 80°С также приводят к торможению распада аустенита на перлит из-за снижения при низких температурах диффузионных перераспределений, особенно атомов легирующих элементов, образующих твердые растворы замещения в феррите.
c3
r1
r1
Скорость охлаждения не более 40°С/ч в интервале температур от точки А до точки А способствует дополнительной сфероидизации карбидных частиц, выделению их в дисперсной форме, а также снижению термических и структурных напряжений. Охлаждение после изотермической выдержки ниже температуры А минус 20-80°С выполняют со скоростью не более 40°С/ч до 400°С. Регламентирование скорости охлаждения связано с условиями получения структуры зернистого перлита и снижением уровня остаточных напряжений в заготовках при их охлаждении. Скорость охлаждения ниже температуры 400°С не регламентируется, так как структура сталей в интервале 400-20°С (комнатная) не претерпевает существенных изменений, поэтому заготовки охлаждаются на воздухе.
Как показали результаты опытной проверки, при использовании заявляемого способа обеспечивается достижение следующих показателей:
- измельчение зерна аустенита при фазовой перекристаллизации не ниже 8 балла ГОСТ 5639;
2
- повышение механических свойств заготовок, в том числе ударной вязкости, до KCU=40-45 Дж/см.
c3
c3
r1
Выполнение заданных режимов и испытание механических свойств были проведены на стали 3Х3М3ФШ (ГОСТ 5950). Скорости нагрева, равные 30-70°С/ч, до температуры выше точки А на 30-80°С достигались путем посада заготовок в предварительно нагретую печь, температура которой зависела от объема садки и регулировалась включением и выключением нагрева. Охлаждение заготовок штамповых сталей с температур А+ (30 -80)°С и А минус 20-80°С со скоростью не более 40°С/ч было выполнено с печью с выключенным обогревом.
Таблица 1
Параметры получения заготовок стали 3Х3М3ФШ и размер зерна аустенита
Пример
Способ обработки
Параметры обработки
Перегрев выше А<sub>c3</sub>, °С
V<sub>нагр</sub> выше А<sub>c3</sub>, °С/ч
Переохлаждение ниже А<sub>r1</sub>, °С
V<sub>охл</sub> до 400°С, °С/ч
Балл зерна аустенита ГОСТ 5939
1
Известный
350
-
40
-
7
2
Предлагаемый
30
30
20
40
9
3
Предлагаемый
50
50
50
40
11
4
Предлагаемый
80
70
80
40
10
5
За пределами предлагаем.
10
20
10
20
4
6
100
90
100
100
6
* Балл зерна аустенита замерялся на трех образцах по пяти полям зрения микроскопа с выполнением пятнадцати замеров
Таблица 2
Механические свойства заготовок
Пример*
Механические свойства
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
KCU, Дж/см<sup>2</sup>
1
1740
1550
9,6
30,5
2
1820
1630
10,6
41,3
3
1850
1780
12,4
50,7
4
1760
1680
10,8
45,6
5
1660
1540
8,2
14,8
6
1720
1600
9,5
23,7
<sup>*</sup>Номер примера и режимы термической обработки соответствуют таблице 1