СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ШТАМПОВ И ПРЕСС-ФОРМ
METHOD OF HEAT TREATMENT OF DIE BLOCKS AND DIE MOULDS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для термической обработки штампов из полутеплостойких и теплостойких сталей повышенной вязкости, к примеру 5ХНМ и 4Х5МФС, а также пресс-форм из стали 4Х5МФС.
Известен способ термической обработки штампов из полутеплостойких сталей повышенной вязкости, а также способ термической обработки штампов и пресс-форм из теплостойких сталей повышенной вязкости (см. книгу Ю.А. Геллера, «Инструментальные стали», Москва, «Металлургия», 1975 г., стр.322-324, 481-483). Способ взят за прототип. Изготовление штампов и пресс-форм из полутеплостойких и теплостойких сталей повышенной вязкости по способу прототипа заключается в следующем.
Нагревают инструмент до температуры закалки, выдерживают при этой температуре, охлаждают штампы и пресс-формы простой формы, мелкие - в масле, а сложной формы, габаритные - на воздухе. Практикуют охлаждение в горячих средах с температурой 350-250°C, а затем на воздухе.
После закалки выполняют отпуск на требуемую техническими условиями твердость.
Недостатками прототипа являются:
- штампы простой формы из стали, например 5ХНМ, со стороной меньше 250 мм при закалке охлаждают в масле, а сложной формы - на воздухе. При охлаждении штампов на воздухе значения предела текучести получают невысокие, поэтому стойкость инструмента низкая, а с учетом сложности формы штампов технология их изготовления является затратной. При охлаждении штампов при закалке на масло получают удовлетворительный комплекс механических свойств, но данная технология распространяется только на штампы простой формы, что резко ограничивает область их применения;
- штампы или пресс-формы из стали, например 4Х5МФС, мелкие - простой формы при закалке охлаждают в масле, а более крупные, а также сложной формы - на воздухе. Охлаждение при закалке штампов или пресс-форм на воздухе из стали, например 4Х5МФС, обеспечивает получение требуемой прочности и твердости, но значение ударной вязкости будет пониженное по причине выделения карбидной фазы по границам зерен аустенита в перлитном интервале температур (см. рис 307, стр.463 прототипа), поэтому стойкость пресс-форм будет пониженной по причине пониженной разгаростойкости, которая напрямую связана с ударной вязкостью. Штампы с пониженным значением ударной вязкости, закаленные на воздухе, с осторожностью применяют при работе их на удар из-за опасности катастрофического разрушения. Мелкие штампы из стали 4Х5МФС при закалке на масло приобретают требуемый комплекс механических свойств, в том числе повышенное значение ударной вязкости, но область их применения ограничена, поскольку закалку на масло производят для инструмента простой формы;
- охлаждение достаточно массивных штампов при закалке в горячих средах с температурой 330-350°C замедленное, поэтому существует вероятность получения пониженной ударной вязкости по причине изложенной выше для стали, например 4Х5МФС, и преждевременного превращения аустенита для стали, например 5ХНМ, даже при более низких температурах горячей среды, поскольку точка начала мартенситного превращения для этой стали составляет 230°C.
Предлагаемым изобретением решается задача снижения материальных, трудовых и энергетических затрат при производстве штампов и пресс-форм.
Технический результат, получаемый при внедрении изобретения, заключается в повышении стойкости штампов и пресс-форм за счет ускоренного охлаждения при закалке в перлитном интервале температур, умеренного охлаждения в бейнитном интервале температур и очень медленного охлаждения в мартенситном интервале температур, в возможности производить закалку штампов и пресс-форм любой сложности с минимальной деформацией и минимальными внутренними напряжениями, исключении случаев образования трещин.
н
Указанный технический результат достигается тем, что в способе термической обработки штампов и пресс-форм, включающий нагрев до температуры закалки, выдержку при этой температуре и охлаждение с последующим отпуском новым, является то, что охлаждение штампов и пресс-форм производят в расплаве селитры с температурой М - (20-30)°C, в начальный период охлаждения обеспечивают их интенсивное возвратно-поступательное перемещение в вертикальном направлении в течение до трех минут, затем охлаждают в покое с общим временем выдержки в расплаве селитры 10-15 минут, окончательно охлаждают на воздухе,
н
где М - температура начала мартенситного превращения стали-материала инструмента.
В составе расплавленной селитры не допускают наличие воды.
н
При термической обработке штампов и пресс-форм любой сложности изготовления из полутеплостойких и теплостойких сталей повышенной вязкости необходимо для обеспечения высокого комплекса механических свойств, устранения закалочных трещин, получения минимального коробления и минимальных значений внутренних напряжений осуществлять после нагрева под закалку умеренно быстрое их охлаждение в перлитном и бейнитном интервале температур и очень медленное охлаждение в мартенситном интервале температур. Эти условия надежно реализуются при использовании двух закалочных сред охлаждения, первоначально в расплаве селитры с температурой М - (20-30)°C, а затем на воздухе. Характерной особенностью расплава селитры и воздуха как закалочных сред является тот факт, что эти среды при охлаждении в них штампов и пресс-форм не изменяют своего агрегатного состояния, не кипят в отличие от масла. Поэтому кривые охлаждения их не имеют резких перегибов, свидетельствующих о значительных ускорениях или замедлениях процесса охлаждения.
Как показали проведенные исследования, охлаждающая способность расплава селитры с температурой 270°C в перлитном интервале температур составляет (70-75)°/с, а индустриального масла И-20А при 50°C составляет (60-65)°/с.
Определение скорости охлаждения выполнено с помощью серебряного шара  ⌀20 мм, перемещаемого при охлаждении со скоростью 20-25 см/с.
Более высокая скорость охлаждения в расплаве селитры в перлитном интервале температур естественно предпочтительнее, поскольку она надежнее подавляет выделение карбидной фазы из аустенита, тем самым в штампах и пресс-формах достигаются более высокие значения ударной вязкости.
Скорость охлаждения на воздухе в перлитном интервале температур не превышает 6°/с, поэтому значения ударной вязкости штампов и пресс-форм очень низкие, применительно к стали 4Х5МФС, а также невысокие прочностные характеристики применительно к стали 5ХНМ. В бейнитном интервале температур скорости охлаждения в масле И-20А с температурой 50°C и в расплаве селитры с температурой 200°C практически одинаковы.
Скорости охлаждения в индустриальном масле И-20А с температурой 50°C и на спокойном воздухе в мартенситном интервале температур представлены в таблице 1.
Таблица 1
Среда
Скорость охлаждения при 300°C
Скорость охлаждения при 200° C
Скорость охлаждения при 100°C
Примечание
Масло
100°/с
20°/с
10°/с
В период всего охлаждения в обеих средах теплообмен осуществляется конвекцией, излучением и теплопроводностью
Воздух
1,5°/с
0,5°/с
0,1°/с
н
Скорость охлаждения в масле штампов и пресс-форм из полутеплостойких и теплостойких сталей повышенной вязкости с высокой устойчивостью аустенита в мартенситном интервале температур является весьма значительной, поэтому охлаждают в масле инструмент простой формы. Для сложного инструмента для сохранения формы и размеров, исключения трещин при закалке скорость охлаждения должна быть пониженной. Наиболее приемлемым для штампов и пресс-форм любой сложности является охлаждение в мартенситном интервале температур на воздухе во все время пока идут фазовые превращения  γ-α. Как видно из таблицы 1, скорость охлаждения на воздухе в десятки раз меньше, чем в масле. Конечно, при такой малой скорости охлаждения поводки штампов и пресс-форм будут минимальными, минимальными будут и остаточные напряжения, а закалочные трещины исключены. Комплекс механических свойств штампов и пресс-форм будет высоким, сохранены будут и все другие преимущества, если первоначально охлаждать инструмент в масле до температуры, равной началу мартенситного превращения М, а затем на воздухе, но сделать это практически очень сложно, поэтому и качество термической обработки будет нестабильным.
н
н
Проблема нестабильности процесса закалки исключается надежно, если первой средой охлаждения будет расплав селитры со строго определенной заданной температурой, чуть ниже т. М термообрабатываемой инструментальной стали М - (20-30)°C, а по достижении этой температуры и выравниванию по всему сечению инструмента в процессе непродолжительной выдержки в течение 10-15 минут окончательное охлаждение производить на воздухе до температуры цеха, если сторона штампа или пресс-формы не превышает 140 мм. При большей толщине стенки на воздухе производят неполное охлаждение до температуры ниже 100°C. В этом случае в структуре штампов и пресс-форм может сохраняться много аустенита. Поскольку он превращается в мартенсит во время выдержки и охлаждения, целесообразен двукратный отпуск, температура второго отпуска на 10-25°C ниже температуры первого отпуска.
Теплопроводность расплавленных селитр невысокая, но этот недостаток в полной мере компенсируется их высокой теплоемкостью при обеспечении естественной и искусственной циркуляции. Поэтому необходимо интенсивное возвратно-поступательное перемещение штампов и пресс-форм в вертикальном направлении при охлаждении, в том числе и с целью исключения местного перегрева селитры.
Заготовку штампа из стали 5ХНМ со стороной 100 мм с контрольной термопарой интенсивно перемещали в расплаве селитры с температурой 200°C в течение 1,5 минут и, как оказалось, этого времени достаточно для достижения поверхностью заготовки температуры 230°C - температуры начала мартенситного превращения для стали 5ХНМ.
При увеличении стороны штампа до 150-160 мм время интенсивного перемещения его в расплаве селитры увеличивают до 3 минут. Общее время нахождения штампов в расплаве селитры выбрано 10-15 минут. Этого времени вполне достаточно для выравнивания температуры по сечению инструмента с толщиной стенки до 150-160 мм.
н
н
н
Выбранная температура расплава селитры М - (20-30)°C эффективно охлаждает штампы и пресс-формы в перлитном и бейнитном интервале температур, но очень медленно в мартенситном интервале температур, что очень важно. Низкая скорость охлаждения в мартенситном интервале объясняется незначительным градиентом температур. Так, например, для стали 4Х5МФС т. М=300°C, а минимальная температура расплава селитры, используемая для закалки М - (20-30)°C составляет 300°C-30°C=270°C. Поэтому скорость охлаждения, например, пресс-формы из стали 4Х5МФС от 300°C до 270°C будет мало отличаться от скорости охлаждения инструмента на воздухе.
При наличии в расплаве селитры воды охлаждение штампов и пресс-форм вызывает ее кипение, и в мартенситном интервале температур этот процесс резко увеличивает скорость охлаждения, что приводит к образованию закалочных трещин и большой деформации инструмента при закалке.
Следует отметить, что расплавленные селитры в процессе работы их в качестве закалочных сред не изменяют в отличие от масла охлаждающую способность, но при отсутствии в них воды. Поэтому расплавы селитр, как правило, работают длительное время без замены, но с обязательной периодической добавкой для компенсации естественного выноса.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, неизвестны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Предлагаемый способ термической обработки штампов и пресс-форм реализуется следующим образом.
н
н
Штамп или пресс-форму нагревают до технологической температуры закалки, выдерживают при этой температуре, охлаждают первоначально в расплаве селитры с температурой М - (20-30)°C, где М - температура начала мартенситного превращения стали-материала инструмента. В начальный период охлаждения штампа или пресс-формы в расплаве селитры обеспечивают их возвратно-поступательное интенсивное перемещение в вертикальном направлении в течение до 3-х минут, а затем охлаждают в покое с общим временем выдержки в расплаве селитры 10-15 минут, окончательно охлаждают на воздухе. После охлаждения штампа или пресс-формы их подвергают отпуску под требуемую твердость.
Пример реализации способа термической обработки штампа из стали 5ХНМ со стороной 110 мм.
2
3
н
Нагревают штамп в электропечи в защитной атмосфере, например в отработанном карбюризаторе до закалочной температуры 840±10°C, выдерживают при этой температуре 40 минут, охлаждают в расплаве селитры состава в процентах весовых 45NaNO+55KNO с температурой М - (20-30)°C. Точка начала мартенситного превращения для стали 5ХНМ равна 230°C. Поэтому температура расплава селитры равна 230-25=205±5°C. В начальный период охлаждения обеспечивают возвратно-поступательное интенсивное перемещение штампа в вертикальном направлении в течение 1,5 минут, а затем в покое 10 минут. После выдержки штампа в расплаве селитры и выравнивании температуры штампа по сечению дальнейшее охлаждение производят на спокойном воздухе до температуры цеха. По завершении охлаждения штамп отпускают при температуре на заданную техническими условиями твердость.
Пример реализации способа термической обработки пресс-формы из стали 4Х5МФС со стороной 140 мм.
2
3
н
н
Нагрев пресс-формы производят в специальном контейнере в среде аргона. Нагрев производят со скоростью включенной печи ступенчато: сначала на температуру 500-550°C, выдерживают при этой температуре 3 часа. Затем нагревают со скоростью включенной печи до 800-850°C, выдерживают при этой температуре 2 часа и окончательно нагревают до 1030±10°C, выдерживают при этой температуре 40 минут. Охлаждают в расплаве селитры состава в процентах весовых 45NaNO+55KNO с температурой М - (20-30)°C. Точка М начала мартенситного превращения для стали 4Х5МФС равна 300°C. Поэтому температура расплава селитры 300°C-25°C=275±5°C. В начальный период охлаждения обеспечивают интенсивное возвратно-поступательное перемещение пресс-формы в вертикальном направлении в течение 2,5 минут, а затем в покое в течение 11 минут. После выдержки пресс-формы в расплаве селитры и выравнивании температуры пресс-формы по сечению дальнейшее охлаждение производят на воздухе до температуры цеха. Отпускают пресс-форму при температуре на заданную техническими условиями твердость.