Способ термической обработки изделий с металлическим покрытием
METHOD OF THERMAL PROCESSING OF PRODUCTS WITH METALLIC COATING

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении режущего и штампового инструмента, быстро изнашиваемых деталей и технологической оснастки из конструкционных и инструментальных сталей, а также из металлокерамических твердых сплавов.
Известен способ термической обработки быстрорежущей стали (RU2059000), включающий закалку, высокотемпературный однократный отпуск и окончательный отпуск, отличающийся тем, что после высокотемпературного отпуска проводят обработку холодом. Данный способ не обеспечивает максимально высокого уровня износостойкости. Более высокий уровень износостойкости инструмента и пластин из инструментальной стали и металлокерамических твердых сплавов достигается нанесением износостойких покрытий на основе хрома и титана.
Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости деталей и инструмента с покрытием, увеличение эксплуатационной стойкости инструмента, быстроизнашиваемых деталей и оснастки.
Технический результат достигается в способе термической обработки изделий, включающем предварительные закалку и отпуск, нанесение металлического покрытия. Затем проводят криогенную обработку в среде газообразного азота при температуре от –153 до –196ºС более 24 часов, нагревают до комнатной температуры, проводят низкий отпуск при температуре от 150 до 180ºС с последующим охлаждением на воздухе. Металлическое покрытие наносится методом вакуумного напыления.
Термическая обработка позволяет значительно повысить износостойкость. Дополнительно проведенная обработка холодом или криогенная обработка к термической обработке позволяет превзойти повышенный уровень износостойкости, который обеспечивает термическая обработка. В случае нанесения покрытия на термически обработанные поверхности с повышенной износостойкостью позволяет достичь уровня износостойкости, превосходящего уровень износостойкости получаемого от совместного влияния термической обработки и дополнительной криогенной обработки. Максимально высокий уровень износостойкости продукции обеспечивается, если изделия с металлическим покрытием предварительно термически обработанные подвергнуть криогенной обработке. В таком случае криогенная обработка позволяет достичь максимального уровня износостойкости материала покрытия и основного металла. Если при эксплуатации наступит полный износ слоя металлического покрытия, то высокое сопротивление истиранию обеспечит криогенно обработанный основной материал детали и тем самым будет обеспечен наибольший ресурс работы изделия.
Способ осуществляют, например, следущим образом.
Образцы из инструментальных сталей Х12МФ, 9ХС и Р6М5 диаметром 8 мм и длиной 15 мм термически обработанные по обычной технологии (например, Гуляев А.П. и др. Инструментальные стали. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., Машиностроение, 1975), включающий закалку, высокотемпературный однократный отпуск и окончательный отпуск (таблица 1), подверглись нанесению металлического покрытия, а именно методом вакуумного напыления (PVD) Balinit-Allnova (на основе AlCrN) в атмосфере азота. Метод PVD характеризуется высокой производительностью процесса  нанесения  покрытий, малой энергоёмкостью.
Таблица 1 - Режимы термообработки инструментальных сталей
№ п/п
Наименование параметра режима термообработки
Единица измерения
Марка стали
9ХС
Х12МФ
Р6М5
1
Температура первого подогрева под закалку
ºС
500 - 600
2
Температура второго подогрева под закалку
ºС
840 - 860
3
Температура закалки
ºС
860 - 880
1060 - 1080
1215 - 1225
4
Охлаждающая среда
масло
Расплав селитры и щелочи
Расплав селитры и щелочи
5
Температура среды охлаждения
ºС
20 - 40
400 - 550
400 - 500
6
Выдержка в охлаждающей среде
До температуры масла
Равна выдержке при нагреве под закалку
3 – 5 мин
7
Охлаждение до температуры 20ºС
среда
На воздухе
8
Температура отпуска
ºС
160 - 180
150 - 170
555 + 5
9
Среда, применяемая при отпуске
Масло
Масло
Расплав солей щелочи
10
Время отпуска
ч
1
1
1
11
Количество отпусков
шт.
1
1
3
Далее, образцы были термически обработаны в среде газообразного азота при температуре от –153 до –196ºС более 24 часов с последующим нагревом в данной среде до комнатной температуры. Для уменьшения остаточных закалочных напряжений выбирают температуру низкого отпуска такой, чтобы твёрдость и износостойкость практически не снижалась. Низкий отпуск образцов проводился при температуре 150-180ºС с выдержкой, превышающей 1-3 часа. В завершении, охлаждают образцы на воздухе.
Испытания образцов на абразивную износостойкость проводили по закрепленному абразиву по стандартной схеме «палец – диск», но с заменой наиболее часто используемой траектории движения по архимедовой спирали на прямолинейные участки. Триботехнические испытания образцов проводились на трехкоординатном фрезерном станке с ЧПУ модели КХ3А. Исследуемый цилиндрический образец из инструментальной стали закрепляли в шпинделе станка и нагружали осевой силой тарированной пружины, расположенной внутри шпинделя. Листовой абразивный материал закрепляется на столе фрезерного станка. Рабочая поверхность образца для достижения плотного прилегания к абразивной поверхности предварительно прирабатывалась.
Основными параметрами испытаний являются: сила нагружения образца N=4H; скорость перемещения F=500 мм/мин; путь трения L=415 мм. В качестве варьируемого параметра испытаний использовалась зернистость абразива (электрокорунда) Р240 и Р400. Весовой износ определялся с точностью до 0,0001 грамма на аналитических весах ВЛ-120. Результаты испытаний на абразивный износ представлены в Таблице 2. В первых 6 строках таблицы приведены результаты испытаний инструментальных сталей без покрытия. В строках с 7 по 12 представлены результаты по приросту износостойкости за счет нанесения покрытия.
Таблица 2
№ п/п
Марка стали
Зернистость абразива
Износ, г
Повышение износостойкости, %
Без покрытия
PVD покрытие
после КО и отпуска
1
Х12МФ
Р400
0,0042
-
0,0034
19
2
9ХС
0,0062
-
0,0043
31
3
Р6М5
0,0051
-
0,0034
33
4
Х12МФ
Р240
0,0092
-
0,0072
22
5
9ХС
0,0138
-
0,0113
18
6
Р6М5
0,0119
-
0,0089
25
7
Х12МФ
Р400
0,0042
0,0014
-
66
8
9ХС
0,0062
0,0029
-
53
9
Р6М5
0,0051
0,0019
-
63
10
Х12МФ
Р240
0,0092
0,0045
-
51
11
9ХС
0,0138
0,0065
-
53
12
Р6М5
0,0119
0,0052
-
56
13
Х12МФ
Р400
-
0,0014
0,0012
14
14
9ХС
-
0,0029
0,0016
45
15
Р6М5
-
0,0019
0,0013
32
16
Х12МФ
Р240
0,0045
0,0036
20
17
9ХС
-
0,0065
0,0031
52
18
Р6М5
0,0052
0,0027
48
19
Х12МФ
Р400
0,0042
-
0,0012
71
20
9ХС
0,0062
-
0,0016
74
21
Р6М5
0,0051
-
0,0013
74
22
Х12МФ
Р240
0,0092
-
0,0036
61
23
9ХС
0,0138
-
0,0031
77
24
Р6М5
0,0119
-
0,0027
77
Из таблицы 2 видно, что предлагаемый способ позволяет значительно повысить абразивную износостойкость инструментальных сталей с покрытием по сравнению с известными способами термической обработки.