СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ
PRODUCTION OF SMALL-SIZE CUTTING TOOLS FROM HIGH-SPEED STEEL

Область техники
Настоящее изобретение относится к области металлургии и главным образом - к способам термообработки быстрорежущей стали для упрочнения инструментов, предназначенных для резания труднообрабатываемых сплавов; такие инструменты изготовлены преимущественно из нелитой быстрорежущей стали.
Предшествующий уровень техники
Известен способ термообработки заэвтектоидной стали, содержащей менее 10% легирующих элементов (US, А, 3922181), который включает высокотемпературную аустенизацию, изотермическую закалку с выдержкой при температуре 480…720°C до полного превращения аустенита в перлит, повторный нагрев до температуры аустенизации ниже температуры полного растворения карбидов, последующее закалочное охлаждение и отпуск.
Известный способ обеспечивает получение мелкого зерна и оптимальное распределение дисперсных карбидов в структуре, предотвращает образование закалочных микротрещин, что положительно сказывается на свойствах. В результате усталостная прочность повышается в 2,5…3 раза, предел текучести при сжатии на 30…35%, немного увеличивается износостойкость заэвтектоидной стали.
Однако приведенный способ термообработки неприемлем для быстрорежущей стали и характеризуется невысокими значениями таких свойств инструмента, как стойкость, прочность на изгиб, теплостойкость и др. Это обусловлено недостаточно высокой степенью легирования твердого раствора карбидообразующими элементами из-за низкой температуры нагрева под закалку и малого числа циклов: двух.
Известен также способ термической обработки литой быстрорежущей стали (SU, A, 1014938), который включает подогрев выше температуры полиморфного превращения, термоциклирование, закалку и отпуск; а нагрев под закалку совмещают с последним нагревом до верхней температуры при термоциклировании. Причем при термоциклировании нагрев осуществляют до температуры на 20…50°C ниже температуры плавления, соответствующей температуре стандартной закалки, а охлаждение - до температуры, лежащей не ниже 800°C. Производят дополнительное охлаждение с нижней температуры термоциклирования до 700°C, выдерживают 4…8 часов и затем окончательно охлаждают до комнатной температуры.
При осуществлении указанного способа оптимальное число циклов при термоциклировании достигает 5…7 и зависит от степени неоднородности структуры. Причем верхняя и нижняя границы термоциклирования ограничены узким температурным интервалом, лежащим между температурой эвтектоидноидного превращения и температурой стандартной закалки; когда исключается возможность выполнения полиморфного превращения. Термоциклирование на всех стадиях термообработки проводят при постоянных значениях верхней и нижней температуры.
Недостатком данного способа являются длительность процесса (4…8 часов) и низкие значения стойкости инструмента, изготовленного из нелитой быстрорежущей стали. Предложенным способом устраняется сетка карбидной эвтектики только в литой быстрорежущей стали, по причине которой весь литой инструмент очень хрупок и плохо работает при резании труднообрабатываемых сплавов. А для инструмента из нелитой, в частности, прокованной и отожженной или порошковой быстрорежущей стали с уже раздробленной механическим или другими способами карбидной сеткой известный способ мало эффективен.
1
w
Наиболее близким к предлагаемому является способ термической обработки режущего инструмента из быстрорежущей стали (РФ, Пат. 2010870), включающий предварительную обработку путем многократного нагрева до температуры 610°C…А с охлаждением в масле, подогрев и затем термоциклирование в интервале между температурой начала мартенситных превращений стали (160°C) и ее температурой плавления (1305°C) с изотермической выдержкой в защитной среде, после чего проводят окончательную закалку от температуры последнего нагрева при термоциклировании и отпуск. Причем в качестве защитной среды используют расплавы хлористых солей, в которые дополнительно вводят карбонат бария (или калия) и карбид кремния (или кальция). В результате термообработки в структуре стали измельчаются зерна и карбиды, повышается степень легированности мартенсита, реализуется фазовый наклеп, что в целом повышает ударную вязкость, прочность, теплостойкость быстрорежущей стали и в конечном итоге эксплуатационную стойкость (K=1,2…2,0) деревообрабатывающего инструмента.
Однако данный способ термообработки быстрорежущей стали недостаточно высоко повышает стойкость инструмента для резания труднообрабатываемых сплавов, который испытывает большие механические и тепловые нагрузки.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения положена задача создания нового способа упрочнения, который с помощью термоциклической термообработки быстрорежущей стали и отпуска, более полно измельчил бы зерна и карбиды, увеличил бы количество износостойких карбидов МеС и степень легированности мартенсита карбидообразующими элементами, уменьшил бы содержание остаточного аустенита, создал бы мозаично-дискретную и функционально-градиентную структуры, в результате чего повысились бы вязкость, прочность, твердость, теплостойкость и в итоге возросла эксплуатационная стойкость металлорежущего инструмента.
Существо изобретения заключается в том, что в новом способе термической обработки быстрорежущей стали, включающем термоциклирование в интервале между температурой начала мартенситных превращений и температурой плавления стали, закалку, нагрев под которую совмещают с последним нагревом при термоциклировании до температур, превышающих температуру полиморфного превращения, и многократный отпуск, согласно данному изобретению время термоциклического нагрева во всех циклах, кроме последнего нагрева под закалку, варьируют в пределах 10-110% от общего времени при стандартной закалке, а при закалке нагретую сталь сначала помещают в печь-ванну, имеющую температуру 630…650°C, выдерживают там 0,5…1,5 мин и затем охлаждают в масле. Предлагаемый способ распространяется на все марки быстрорежущих сталей.
Выбор температурного интервала при термоциклировании обусловлен тем, что в указанном интервале температур легко проходят фазовые превращения и другие изменения структуры, улучшающие свойства быстрорежущей стали. Верхний температурный предел термоциклического нагрева ограничен температурой плавления, поскольку выше этой температуры наблюдается оплавление и значительный рост зерна, что ведет к резкому снижению механических свойств быстрорежущей стали независимо от числа термоциклов. Нижний температурный предел термоциклического охлаждения ограничен температурой начала мартенситных превращений, поскольку при многократном охлаждении ниже этой температуры начинаются мартенситные превращения или другие изменения в структуре, ведущие к падению прочности и вязкости, в частности к образованию трудноисправимого брака под названием "нафталинистый излом", к появлению высоких напряжений и закалочных микротрещин. Температура начала мартенситных превращений в свою очередь зависит от температуры нагрева под закалку, марки быстрорежущей стали, скорости ее охлаждения и других факторов.
3
Выбор времени термоциклического нагрева во всех циклах, кроме последнего, обусловлен тем, что это время варьируют в пределах 0,1-1,1 τ от времени нагрева при традиционной закалке, что приводит к неполной аустенизации стали, созданию в ней неоднородной структуры и фазовому наклепу. При многократном повторении неполного нагрева формируется мозаично-дискретная и функционально-градиентная структуры с дисперсными карбидами, а окончательная закалка на последнем цикле фиксирует это состояние. Время неполного термоциклического нагрева тем меньше, чем больше циклов и выше температура нагрева. Время термоциклического охлаждения выбирается для выравнивания температуры по сечению.
При термоциклировании можно использовать любые нагревательные устройства: вакуумные печи, печи с защитной атмосферой, соляные печи-ванны. В последнем случае при нагреве выше температуры полиморфного (эвтектоидного) превращения рекомендуется использовать соляные ванны, хорошо раскисленные восстановителями: бурой, углем, карбидами бора, кальция, кремния и др.
Для улучшения режущих свойств быстрорежущей стали на стадии закалки сначала нагретую сталь помещают в печь-ванну, имеющую температуру 630…650°C, выдерживают там 0,5…1,5 мин и затем охлаждают в масле. При температуре 630…650°C образуются износостойкие карбиды типа МеС, повышается вязкость и теплостойкость стали, но превышение времени выдержки более 1,5 мин ведет к потере этих свойств. Чтобы сохранить положительные изменения структуры, сталь быстро охлаждают в масле. При охлаждении в воде могут образоваться трещины.
Лучший вариант осуществления изобретения
Предлагаемый способ термообработки быстрорежущей стали, преимущественно для металлорежущих инструментов, осуществляют следующим образом.
Инструмент из быстрорежущей стали, предварительно просушенный в электропечи или возле печи-ванны, подвергают термоциклированию путем последовательного переноса его из соляных ванн для нагрева в соляные ванны для охлаждения. После охлаждения инструмент возвращают в те же ванны для нагрева и вновь повторяют процесс. Температуру ванн для термоциклического нагрева и охлаждения варьируют в интервале температур между температурой плавления и температурой начала мартенситных превращений. Время термоциклического нагрева, кроме последнего цикла, составляет 0,1…1,1 от времени нагрева при традиционной закалке. Последний нагрев при термоциклировании совмещают с нагревом под закалку путем переноса из ванны для термоциклического охлаждения в ванну для нагрева под закалку. Причем температуру последнего термоциклического нагрева назначают в соответствии с общепринятыми нормами: 1270°C для стали Р18 (18%W), 1215…1225°C - для сталей Р6М5 (6%W, 5%Мо) и Р9М4К8 (9%W, 4%Мо, 8%Со), др. Нагретую до температуры закалки сталь закаливают путем ее переноса сначала в соляную ванну с температурой 630…650°C, где выдерживают 0,5…1,5 мин и охлаждают в масле. Закаленный таким способом инструмент подвергают 2- или 3-кратному отпуску при 550…570°C в течение 1…2 часов в зависимости от его размеров и марки стали.
2
2
2
Для осуществления термоциклирования стали путем многократного нагрева и охлаждения используют расплавы хлористых солей стандартного состава: при температурах выше 950°C - ванну на основе BaCl, в интервале 800…950°C - ванну на основе NaCl, при температурах в интервале 515…800°C - ванну на основе 30% BaCl+20% NaCl+50% CaCl. Выше температуры 950°C соляные ванны хорошо раскисляют бурой, углем, карбидами бора, кальция, кремния и др. Для термоциклического охлаждения в интервале 250…...540°C используют ванну, состоящую из 50% KOH+50% NaOH, в интервале 160…280°C - ванну, состоящую из 80% KOH+20% NaOH, ниже 160°C - подогретое машинное масло. Количество соляных ванн зависит от температур термоциклического нагрева и охлаждения, а также от уровня автоматизации процесса термообработки.
Примеры
Эксплуатационную стойкость инструмента оценивали по результатам испытаний метчиков М6×1, изготовленных из стали Р9М4К8МП, путем нарезания резьбы 5Н6Н в гайках из жаропрочного никелевого сплава ЭИ437Б с твердостью НВ 300…350. Нарезание резьбы осуществляли на резьбонарезном станке Г813-5026 при следующих режимах обработки: V=5 м/мин, S - ручная с самозатягиванием, СОЖ - масло МР-7. Показатель стойкости определяли, как усредненное значение после испытаний 3…5 метчиков, термически обработанных по одному режиму. Результаты сравнительных испытаний инструмента приведены в табл.1.
Из приведенных данных следует, что использование предлагаемого способа термической обработки режущего инструмента из быстрорежущей стали позволяет, по сравнению с прототипом, повысить стойкость метчика при резании труднообрабатываемого жаропрочного сплава в 1,1…2,7 раза.
Промышленная применимость
Предлагаемый способ можно применить в условиях любого инструментального, машиностроительного и другого производства, оснащенного оборудованием для термической обработки быстрорежущих сталей.