СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ХРОМИСТОЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ
METHOD OF HEAT TREATMENT OF ITEMS FROM CHROMIUM TOOL STEEL

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может быть использовано, в частности, для изготовления матриц штампов. Известен способ термической обработки штампов из хромистой инструментальной стали, описанный в книге С.А.Филинова и И.В.Фиргера «Справочник термиста», Л.: «Машиностроение»,  1969 г., стр.131.
Известный способ заключается в следующем.
При нагреве под закалку штампы, в частности, из стали 8×3, загружают в печь при температуре 600-650°С с выдержкой в течение 2 часов, затем температуру повышают до заданной со скоростью 75-100°С в час, производят закалку при температуре 820-850°С, затем охлаждают в масле, далее отпускают при температуре нагрева 480-520°С и получают твердость 41-45 HRC.
Недостатком известного способа является неоднородная твердость изделия - более высокая по краям и более низкая в середине детали.
Известен способ термической обработки хромистой стали, описанный в книге Йеха Я. «Термическая обработка стали», М.:  «Металлургия», 1979, стр.111-115.
Известный способ заключается в том, что проводят закалку стали при температуре 780-810°С, затем охлаждают в воде и отпускают при температуре 180-250°С в воде до минимальной твердости 64 HRC.
Недостатком известного способа является то, что, поскольку в стали имеется незначительное количество аустенита, который стабилизируется только в поверхностном слое, а во внутренних слоях стабилизации аустенита не происходит, то этот факт приводит к более низкой твердости изделия во внутренних слоях и трещиноватости изделия в целом.
Известен способ термической обработки изделий из хромистой инструментальной стали ШХ15, описанный в справочнике «Марочник сталей и сплавов»./Под ред. Сорокина В.Г. М.: «Машиностроение», 1989, стр.327-329.
Известный способ заключается в том, что закалку производят при 830°С, затем охлаждают в масле и далее производят отпуск при температуре 150°С в течение 1,5 часов.
Недостатком известного способа является неоднородная твердость изделия - более высокая по краям и более низкая в середине.
Известен способ термической обработки изделий из углеродистой инструментальной стали, описанный в одноименном патенте РФ №2133783 по кл. C21D 1/18, 9/22, з. 09.06.98, оп. 27.07.99.
Известный способ включает подогрев при температуре 200-250°С в течение 20-30 мин, окончательный нагрев под закалку при температуре 758-768°С в течение 22-25 мин и охлаждение в водном растворе поваренной соли плотностью 1, 085 г/куб.см при температуре 20-25°С с последующим отпуском при 100°С кипячением в течение 2 часов.
Недостаток известного способа заключается в его сложности.
Известен способ закалки изделий из сталей и сплавов, описанный в п. РФ №2186859 по кл. C21D 1/20, 1/25, 6/00, з. 18.01.2000, оп. 10.08.02.
Известный способ закалки стали ЗОХГСНМА-ВД заключается в том, что подготовленную садку изделий подвергают обезвоживающему прогреву в печи при температуре 270±10°С, выдерживают 3 часа и охлаждают на воздухе, после чего загружают в печь и нагревают до температуры закалки 900±10°С, выдерживают при указанной температуре 20 минут, затем садку изделий с температуры закалки помещают в расплавленную селитру с температурой 370±10°С, соответствующей верхнему бейнитному превращению, выдерживая в селитре 12 минут, после чего производят обработку садки холодом, производя охлаждение в воде до температуры мартенситного превращения аустенита или в псевдоожиженном слое кварцевого песка, охлаждаемого незамерзающей средой, например, жидким азотом до температуры минус 50°С с выдержкой 15 минут и отогревом до комнатной температуры на воздухе, после чего подвергают изделия отпуску при температуре 290±10°С в течение 2 часов.
Недостатком известного способа является его сложность.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ термической обработки деталей из стали ХВГ, описанный в одноименной заявке №2000116771 по кл. C21D 9/22, 1/18, з. 29.06.2000, оп. 27.09.2002 и выбранный в качестве прототипа.
2
3
Известный способ включает нагрев под закалку до 830-850°С, последующее охлаждение в масле до 160-180°С и отпуск, причем после охлаждения до 90-110°С детали охлаждают в 3-5%-ном растворе NaCO в воде с температурой 90-100°С, выдерживают 1-60 мин, а затем нагревают детали для отпуска при температуре 470-500°С.
Недостатком известного способа является его сложность и то, что при такой процедуре закалки не происходит улучшения прокаливаемости стали и получается неоднородная твердость стали в заготовке - более высокая по краям и более низкая в середине. Кроме того, последующий отпуск при нагреве стали до 470-500°С и, видимо, последующее остывание заготовки в той же печи, где производился нагрев, приводит к распределению остаточного аустенита по границам зерен и остаются напряжения в заготовке.
Задачей заявляемого способа является повышение качества стали за счет обеспечения более однородной твердости по заготовке.
Поставленная задача решается тем, что в способе термической обработки изделий из хромистой стали, включающем нагрев под закалку до температуры не ниже 830°С, последующее охлаждение в натриевом растворе и отпуск с нагревом изделия, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ нагрев проводят при температуре 850-890°С, охлаждение изделия производят вначале в насыщенном растворе поваренной соли до температуры металла 250-450°С, а затем в масле до комнатной температуры, отпуск производят, нагревая изделие в масле до температуры 190-210°С в течение 2-3 часов в зависимости от его размеров, и затем снова переносят изделие в масло комнатной температуры, периодически перемешивая которое, остужают его до комнатной температуры.
Технический результат - повышение качества стали за счет обеспечения однородной твердости по заготовке.
Повышение качества стали при использовании заявляемого способа происходит за счет следующего.
Охлаждение изделия до 250-450°С после нагрева в растворе поваренной соли происходит быстрее, чем в масле, аустенит переходит в мартенсит, но еще остается остаточный водород, который при дальнейшем быстром охлаждении может разорвать заготовку. Поэтому дальнейшее охлаждение изделия в масле от температуры 250°С до комнатной температуры (20-25°С), происходящее медленно, позволяет водороду выйти из металла. Производимый далее отпуск с нагревом изделия в масле до температуры 190-210°С и последующим охлаждением его в масле комнатной температуры также способствует повышению качества стали, поскольку не происходит распределения остаточного аустенита по границам зерен металла, что снимает остаточные напряжения в изделии.
Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как проведение нагрева при температуре 850-890°С, охлаждение вначале в насыщенном растворе поваренной соли до температуры металла 250-450°С, а затем в масле до комнатной температуры, осуществление отпуска путем нагрева изделия в масле до температуры 190-210°С в течение 2-3 часов в зависимости от ее размеров и последующего охлаждения погружением его в масло до комнатной температуры, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие совокупностью указанных отличительных признаков, обеспечивающих в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый способ может найти широкое применение в технологии обработки инструментальных сталей, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Заявляемый способ заключается в следующем.
Изделие из хромистой инструментальной стали при закалке нагревают до температуры 850-890°С, затем его охлаждают в насыщенном солевом растворе NaCl, где выдерживают до температуры металла 250-450°С, а затем в масле до комнатной температуры. Отпуск производят, нагревая изделие в масле до температуры 190-210°С в течение 2-3 часов в зависимости от его размеров, затем переносят изделие в масло комнатной температуры, периодически перемешивая которое, остужают его до комнатной температуры.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
Изделие из хромистой инструментальной стали (например, марок 7Х3, 8Х3, ШХ15) при закалке нагревают до температуры 850-890°С, затем его охлаждают в насыщенном солевом растворе NaCl, где выдерживают до температуры металла 250-450°С, а затем в масле до комнатной температуры. Далее для снятия остаточных напряжений изделие помещают в ванну с маслом и ставят в муфельную печь для нагрева до температуры 190-210°С в течение 2-3 часов в зависимости от его размеров. Затем вынимают изделие из ванны с горячим маслом и переносят его в масло комнатной температуры, периодически перемешивая которое, остужают его до комнатной температуры.
Результаты: твердость HRC изделия высотой 80 мм и диаметром 80 мм из стали ШХ15 по краям = 61-63, в центре = 53-55; твердость HRC изделия высотой 80 мм и диаметром 80 мм из стали 8×3 по краям = 63-65, в центре = 60.
Определение характеристик производилось на кафедре «Физическое металловедение» Южно-Уральского государственного университета. Ниже в таблице приведены результаты испытаний изделия одинаковых размеров из одинаковой стали (ШХ15), обработанного по известному способу (см. справочник «Марочник сталей и сплавов»./Под ред. Сорокина В.Г. М.: «Машиностроение», 1989, стр.327-329) п.1 в таблице и обработанного по заявляемому способу (п.2. в таблице), а также для изделия из стали 8×3.
В сравнении с прототипом заявляемый способ обеспечивает более высокое качество изделий из хромистой стали.
Таблица физических характеристик изделий из стали, термообработанных по известному (типовому) и заявленному способам
Сталь
Среда охлажд.
Твердость поверхн., HRC
Твердость в геом. центре, HRC
1.ШХ15
масло
58-60
43-45
2.ШХ15
вода
61-63
53-55
3.8Х3
вода
63-65
59-60