СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ИЗ МАРТЕНСИТНОСТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ
METHOD OF INSTRUMENT PRODUCTION OF MARAGING STEELS

Группа изобретений относится к области машиностроения и может быть использована для изготовления сложных штампов деформирования, работающих с большими ударными нагрузками, тонколезвийного инструмента, сложных по конфигурации форм литья под давлением алюминиевых сплавов, а также для изготовления гибочных, вытяжных, разделительных инструментов, в том числе сложных по геометрии калибров.
Известен способ изготовления инструментов из проката мартенситностареющих сталей (см. Ю.А.Геллер. «Инструментальные стали». М., «Металлургия», 1975 г., стр.309-310, 457-458), принятый за прототип. Способ заключается в следующем: из проката мартенситностареющей стали отрезают заготовку, подвергают ее закалке по режиму марки, изготовляют инструмент. Инструмент обрабатывают в окончательный размер без припуска на шлифовку. Финишной операцией является старение при температуре 480-500°С с выдержкой 3-5 часов. При необходимости изготовления более габаритного инструмента из того же сорта проката, его предварительно подвергают ковке, например осадке в торец. В этом случае заготовку после ковки подвергают закалке, по режиму марки, для исправления структуры стали.
Недостатками прототипа являются:
- используемые мартенситностареющие стали - высоколегированные, а следовательно, дорогостоящие, поэтому их применяют в исключительных случаях;
- для штампового инструмента механические свойства и твердость сталей Н15К8М5Т и Н18К9М5Т после старения недостаточно высокие.
Предлагаемой группой изобретений решается задача: снижение материальных и энергетических затрат, расширение номенклатуры изготовляемого инструмента.
Технический результат, получаемый при осуществлении группы изобретений, заключается в многократном повышении стойкости штампов, пресс-форм литья под давлением алюминиевых сплавов, мерительных инструментов.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления инструмента из мартенситностареющих сталей, заключающемся в получении заготовки инструмента, закалке заготовки, ее механической обработке в окончательный размер и последующем старении, новым является то, что для изготовления инструмента используют мартенситностареющую сталь ЭП-836, заготовку инструмента получают переплавом немерных отходов и забракованных деталей методом ЭКЛ, после охлаждения в кокиле подвергают закалке с 1150°±10°С с охлаждением в воде, второй закалке с 1000±10°С с охлаждением в воде, нагревают заготовку на 950±10°С, подвергают свободной ковке со степенью деформации ≥35% с последующим охлаждением в воде, а старение производят при 490±5°С в течение 3-х часов. Инструмент может быть подвергнут азотированию при 490±5°С в течение до 1,5 часов.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления инструмента из мартенситностареющих сталей, заключающемся в получении заготовки инструмента, закалке заготовки, ее механической обработке в окончательный размер и последующем старении, новым является то, что для изготовления инструмента используют мартенситностареющую сталь ЭП-836, заготовку инструмента получают из немерных отходов проката, нагревают заготовку на 950±10°С, подвергают свободной ковке со степенью деформации ≥35% с последующим охлаждением в воде, а старение производят при 490±5°С в течение 3-х часов. Инструмент может быть подвергнут азотированию при 490±5°С в течение до 1,5 часов.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемые решения от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемые решения являются новыми и обладают изобретательским уровнем.
в
н
2
2
Мартенситностареющая сталь ЭП-836 очень сложная по химическому составу, высоколегированная, особой чистоты, содержит минимальное количество неметаллических включений, в том числе углерода, серы и фосфора. Обладает уникальным комплексом механических свойств. Наряду с очень высокими значениями прочности и твердости она имеет очень высокие значения пластичности и вязкости в состаренном (упрочненном) состоянии. Аналогов стали ЭП-836 по комплексу механических свойств в технической литературе не обнаружено. Согласно технических условий на прокат в состаренном состоянии имеем: предел прочности σ≥240 кгс/мм; относительное сужение ψ≥45%; ударная вязкость α≥3,5 кгс·м/см при твердости больше 55 HRC. Естественно, цена проката стали ЭП-836 крайне высока и составляет 2500 рублей за 1 кг. Поэтому изготовлять инструмент непосредственно из проката, заказывая его для этих целей, не всегда экономически целесообразно.
Особенность проката стали ЭП-836 состоит также в том, что он не имеет строго определенного режима старения (упрочнения), который обеспечивает выше обозначенный комплекс механических свойств. Режим старения указывают в сертификате на партию металлопроката, который может быть по температуре в пределах 470-520°С и по времени обработки в пределах 1-4 часа.
Предлагаемый способ изготовления инструмента предусматривает использование отходов проката стали ЭП-836. Отходы образуются при производстве ряда деталей особого назначения основного производства. Так, например, используют прокат ǿ41, а отходы могут быть длиной до 160 мм, поэтому их называют немерными. Цена таких отходов составляет 20 рублей за 1 кг.
Таким образом, способ изготовления инструмента из отходов проката стали ЭП-836 низкозатратный, в том числе за счет исключения дорогостоящих доводочных операций после старения, так как деформации инструмента в процессе упрочнения не происходит. В то же время предлагаемый способ изготовления инструмента обеспечивает высокую стойкость за счет получения комплекса механических свойств в готовом инструменте не ниже, чем в состаренном прокате.
Предлагаемый способ изготовления инструмента включает в себя два варианта.
Первый вариант состоит в том, что немерные отходы и бракованные детали переплавляют методом электрошлакового кокильного литья (ЭКЛ). Метод ЭКЛ выбран потому, что в процессе переплава немерных отходов и бракованных деталей не изменяется химический состав стали, обеспечивается достаточно высокая скорость охлаждения заготовок инструмента в кокиле, а заливка металла в кокиль осуществляется вместе со шлаком. Шлак в процессе разливки расплава покрывает струю металла, предохраняя его от окисления. Кроме того, всплывая в верхнюю часть кокиля, шлак предотвращает развитие усадочных и ликвационных дефектов. Таким образом, применение ЭКЛ для переплава немерных отходов и бракованных деталей позволяет не только сохранить химический состав стали ЭП-836 в установленных пределах, но и сформировать такую литейную структуру в заготовке инструмента, которая в полной мере исправляется подобранными режимами термической и термомеханической обработки. Тем самым, после старения (упрочнения) заготовки инструмента достигается комплекс механических свойств не ниже комплекса механических свойств состаренного проката. Предлагаемые режимы обработки литой заготовки инструмента.
Первая закалка: нагрев 1150±10°С, выдержка 1 час, охлаждение в воде;
Вторая закалка: нагрев 1000±10°С, выдержка 1 час, охлаждение в воде.
Термомеханическая обработка: (свободная ковка, совмещенная с закалкой). Нагрев 950±10°С, пластическое деформирование заготовки со степенью деформации ≥35%, окончание деформации не ниже 850°С, затем охлаждение в воде.
Микроструктура заготовки инструмента непосредственно после литья крупнозернистая, так как температура заливки жидкого металла в кокиль очень высокая и составляет примерно 2000°С. Кроме того, несмотря на то, что масса отливки ограничена, значит обеспечивается достаточно высокая скорость охлаждения, содержание углерода в стали не превышает 0,03%, тем не менее возможно выделение мелкодисперсных частиц второй фазы по границам зерен в заготовке инструмента. При такой структуре механические свойства заготовки инструмента невысокие и после старения кардинально уступают механическим свойствам упрочненного проката. Поэтому первая закалка литой заготовки инструмента с часовой выдержкой при 1150±10°С предназначается для растворения частиц второй фазы, а охлаждение с большой скоростью в воде фиксирует однородное состояние структуры стали. Вторая закалка с более низкой температуры 1000±10°С уменьшает величину зерна аустенита, а значит и мартенсита закалки. Очередной нагрев на 950±10°С также способствует уменьшению зерен аустенита, а пластическое деформирование нагретой заготовки инструмента со степенью деформации более 35% с окончанием ковки не ниже 850°С с последующей закалкой с одного нагрева приводит к рекристаллизации и образованию нового сверхмелкого зерна, а ускоренное охлаждение в воде фиксирует мелкодисперсное состояние закаленного мартенсита. В итоге после представленной комбинированной обработки формируется структура в заготовке инструмента, подобная структуре проката, а после старения инструмента, изготовленного из такой заготовки, он приобретает комплекс механических свойств не ниже свойств состаренного проката.
Следует особо подчеркнуть, что все заготовки инструмента, подвергнутые представленным режимам термической и термомеханической обработки, приобретают строго определенный режим старения, обеспечивающий максимальный комплекс механических свойств не ниже свойств состаренного проката, а именно нагрев на 490±5°С, выдержка при этой температуре 3 часа и охлаждение на воздухе. Кроме того, проведенными исследованиями установлено, что дополнительный нагрев на 490±5°С с выдержкой до 1,5 часов ранее состаренной заготовки инструмента по вышеуказанному режиму не снижает комплекс механических свойств.
Таким образом, при необходимости есть возможность готовый, упрочненный старением инструмент, изготовленный из переработанной заготовки, подвергнуть поверхностному упрочнению, например азотированию, без снижения комплекса механических свойств, приобретенных в процессе старения.
Второй вариант способа включает отбор немерных отходов проката достаточной высоты, нагрев под свободную ковку на температуру 950±10°С, свободную ковку со степенью деформации ≥35% с последующим охлаждением в воде, механическую обработку в окончательный размер, старение инструмента при 490±5°С, азотирование при 490±5°С в течение 1,5 часов.
Окончание ковки не ниже 850°С с последующим охлаждением в воде.
Изложенным способом изготовляют негабаритные заготовки инструмента. Температура нагрева под свободную ковку невысокая, выбор обозначен особенностью стали пластически деформироваться, исключая рост зерна при нагреве. В процессе свободной ковки со степенью деформации ≥35% происходит процесс рекристаллизации и образуется сверхмелкое зерно аустенита, а после закалки с ускоренным охлаждением в воде фиксируется структура дисперсного мартенсита закалки. Высокотемпературная закалка при этом варианте изготовления заготовки инструмента не требуется, поскольку границы зерен используемых отходов проката свободны от частиц второй фазы.
Последующие этапы обработки заготовок инструмента по первому и второму вариантам одинаковы. Одинаковый и результат обработки - комплекс механических свойств в готовом инструменте, подвергнутом старению, не ниже свойств состаренного проката. Этот факт в том числе означает, что предложенная переработка немерных отходов проката по второму варианту изготовления заготовок инструмента обеспечивает строго определенный режим старения, а именно нагрев на 490±5°С, выдержка при этой температуре 3 часа с охлаждением на воздухе. Таким образом, разницы в режиме старения инструмента, изготовленного из заготовок, полученных по первому и второму вариантам не существует.
Мартенситностареющие стали эффективно упрочняются в процессе азотирования по причине наличия в их составе сильных нитридообразующих элементов, таких как алюминий, титан, молибден и т.д. При этом повышается микротвердость поверхности инструмента, что в ряде случаев приводит к повышению его стойкости. Однако реализовать процесс упрочнения поверхности состаренного инструмента, изготовленного из проката стали ЭП-836 азотированием с четко определенными параметрами по глубине упрочненного слоя и микротвердости, не представляется возможным из-за отсутствия постоянного режима старения, а отступление от установленного режима старения приведет к снижению комплекса механических свойств. В предложенном способе изготовления инструмента, как было отражено выше, независимо от варианта получения заготовки инструмента, режим старения строго определен, а именно нагрев на 490±5°С, выдержка при этой температуре 3 часа и охлаждение на воздухе. Также показано, что дополнительный нагрев состаренного инструмента на 490±5°С в течение до 1,5 часов не ухудшает комплекс механических свойств. Поэтому, в ряде случаев, для повышения стойкости инструмента, изготовленного по предложенному способу, первоначально проводят старение инструмента при 490±5°С в течение 3 часов с охлаждением на воздухе, затем его подвергают азотированию при 490±5°С в течение до 1,5 часов. Глубина слоя азотирования составляет до 25 мкм при микротвердости упрочненного слоя до 950 HV.
Пример изготовления крупногабаритного штампа, испытывающего при работе ударные нагрузки из стали ЭП-836.
2
2
н
Электрошлаковым кокильным литьем немерных отходов проката и бракованных деталей получают требуемую заготовку. Литую заготовку подвергают термической и термомеханической обработке по режимам, изложенным выше. После обработки литая структура заготовки полностью исправляется, а механические свойства переработанной литой заготовки получают не ниже, чем проката, причем как после закалки, так и после старения. После окончательной закалки твердость заготовки не превышает 36 HRC, поэтому она легко обрабатывается резанием. После механической обработки штамп подвергают старению при температуре 490±5°С в течение трех часов, а затем азотированию при этой же температуре в течение 1,5 часов. После такой термической обработки прочность основы составляет не менее 240 кгс/мм, ударная вязкость на образцах с надрезом α≥3,5 кгс·м/см, микротвердость азотированного слоя не менее 900-950 HV.
Пример изготовления резьбового калибра из немерных отходов проката мартенситностареющей стали ЭП-836.
в
2
Согласно технических условий наружный диаметр калибра 60 мм, высота 22 мм, резьба М 30×1,5. Размеры заготовки калибра с учетом припуска на обработку: наружный диаметр 70 мм, высота 27 мм. Для изготовления калибра имеем немерные отходы проката стали ЭП-836 ⌀41, высотой до 160 мм. Исходя из равенства объема металла до свободной ковки и после свободной ковки высота немерной заготовки перед осадкой в торец должна быть не менее 79 мм. При такой высоте исходной заготовки надежно выполняется ключевое условие по величине деформации, которая при свободной ковке должна быть не менее 35%. Выбирают немерные отходы проката стали ЭП-836 высотой 79-85 мм, нагревают на 950±10°С и подвергают осадке в торец до высоты 27 мм. Не допуская подстуживания ниже температуры 850±10°С производят закалку заготовки инструмента на воду, обрабатывают ее в окончательный размер, подвергают калибр старению при температуре 490±5°С в течение 3 часов, а затем азотированию при 490±5°С в течение 1,5 часов. Особо следует отметить, что деформации калибра в процессе старения (упрочнения) и азотирования не происходит. Старение стали ЭП-836 производят при низкой температуре, а само упрочнение вызвано выделением мельчайших интерметаллидов, упрочняющих матрицу. При азотировании общая глубина не превышает 25 мкм, из них эффективная, то есть с микротвердостью выше, чем микротвердость основы, не более 10 мкм; основа калибра, упрочненная старением имеет прочность σ>240 кгс/мм. Поэтому очевидно, что при таком запасе прочности минимальные по величине внутренние напряжения от азотирования не могут привести к пластической деформации.
Таким образом, использование немерных отходов проката стали ЭП-836, отсутствие трудоемких доводочных операций в сочетании с упрочненным слоем, который имеет низкий коэффициент трения, обеспечивают высокую стойкость резьбового калибра и низкую себестоимость изготовления инструмента.
Использование предлагаемого способа изготовления инструмента из мартенситностареющих сталей позволяет снизить материальные и энергетические затраты и расширить номенклатуру изготовляемого инструмента.