Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам изготовления штампового инструмента, может быть использовано в любых отраслях машиностроения.

Известен способ предварительной термоциклической обработки углеродистых, легированных и инструментальных сталей (см. п. РФ №2072173, кл. МКИ C21D 1/78 от 3.08 94), включающий термоциклическую обработку в среде вакуума без изотермической выдержки. Недостатком способа является высокая скорость нагрева и охлаждения заготовок (V=20…100°С/мин), при которых создаются условия ускоренного режима термообработки, при этом стабилизация фазовых превращений в штамповых сталях не может пройти полностью. Кроме того, отсутствие изотермической выдержки также не позволяет фазовым превращениям пройти полностью.

Известен способ изготовления штампового инструмента, включающий ковку, отжиг заготовок, закалку и отпуск штампов (А.П.Гуляев. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е издание, перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986 г., стр.377).

Недостаток данного способа заключается в том, что отжиг заготовок не обеспечивает образование пластинчатого перлита, который после закалки и отпуска образует структуру с низкой износостойкостью штампового инструмента (500-800 ударов).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ изготовления штампового инструмента, включающий ковку, высокий отпуск, термическую циклическую обработку (ТЦО), закалку заготовок (В.К.Федюкин, М.Е.Смагоринский. «Термоциклическая обработка металлов и деталей машин». - Л.: Машиностроение. Ленинградское от-ие, 1989, стр.114-121).

Недостатком данного способа является ускоренный нагрев заготовок (40-60°С/мин), при котором фазовые превращения не успевают пройти полностью, что ведет к росту зерна, структурной неоднородности и недостаточной стойкости штампового инструмента (1000-1200 ударов).

Технический результат выражается в повышении износостойкости и ресурса штампового инструмента. Циклическая термическая обработка основывается на явлении многократного медленного нагрева и охлаждения, обеспечивающем многократное протекание фазового превращения как при нагреве, так и при охлаждении. Фазовой переход влияет на кристаллизационные процессы, протекающие в материалах, а многократность процесса фазового превращения приводит к постепенной его стабилизации и, как следствие, стабилизации температур начала и конца фазовых превращений. Поэтому оптимальное количество термоциклов определяется по результатам фиксирования температур фазовых превращений при нагреве и охлаждении в каждом термоцикле.

При этом циклическая термическая обработка позволяет:

- получить в заготовках структуру зернистого перлита;

- провести дегазацию металла;

- повысить ударную вязкость металла;

- интенсифицировать диффузионные процессы;

- измельчить зерно.

Указанный технический результат достигается тем, что при способе изготовления штампового инструмента, включающем ковку, высокий отпуск, термоциклическую обработку заготовок штампового инструмента в атмосферной среде, изготовление штампов из этих заготовок с последующей их закалкой, перед термоциклической обработкой проводят предварительную термоциклическую обработку одной из заготовок штампового инструмента, взятой в качестве образца, со скоростью нагрева и охлаждения 5-20°С/мин и с количеством циклов N+1 исходя из условия равенства температур начала фазового превращения материала образца Т*_(н.ф.п), а также равенства температур конца фазового превращения Т*_(к.ф.п) при нагреве материала образца и соответственно равенства Т**_(н.ф.п), Т**_(к.ф.п) при охлаждении до стабилизации структуры образца штампового инструмента в двух последовательных циклах N и N+1, по результатам предварительной термоциклической обработки выбирают количество циклов термоциклической обработки в атмосферной среде заготовок штампового инструмента, равное N, которую ведут со скоростью нагрева и охлаждения 5-20°С/м, причем температура нагрева заготовок штампового инструмента в каждом цикле на 10-15°С выше температуры Т*_(н.ф.п) для материала образца в соответствующем цикле при нагреве на стадии предварительной термоциклической обработки, а температура охлаждения заготовок в каждом цикле на 100-200°С ниже температуры Т**_(н.ф.п) начала фазового превращения материала образца в соответствующем цикле при охлаждении на стадии предварительной термоциклической обработки.

Нагрев со скоростью меньше 5°С/мин не целесообразен, так как не обоснованно увеличивает время процесса термоциклирования и ведет к дополнительным энергозатратам. Нагрев со скоростью выше 20°С/мин создает условия ускоренного режима термообработки, при котором температура фазового превращения Т не может быть определена как интервал температур: начала фазового превращения (Т _(н.ф.п)) и конца фазового превращения (Т _(к.ф.п)), так как процесс фазового превращения проходит во времени и при высоких скоростях нагрева, может быть не точно зафиксирован и, кроме того, является нестабильным, проходит не полностью и ведет к росту зерна, что снижает ударную вязкость и не обеспечивает высокой стойкости штампов.

Нагрев заготовок штампового инструмента в каждом цикле меньше (Т*_(н.ф.п)) на 10-15°С приведет к тому, что фазовое превращение при нагреве будет проходить не до конца, и стабилизация процесса от цикла к циклу будет проходить дольше. Нагрев заготовок штампового инструмента в каждом цикле до температуры больше 10-15°С (Т*_(н.ф.п)) приведет к тому, что будет наблюдаться перегрев структуры, выделение по границам зерен карбидов, что приведет к росту зерна, структурной неоднородности, повышению твердости, снижению износостойкости и обрабатываемости материала.

Охлаждение заготовок штампового инструмента в каждом цикле до температуры ниже 100°С не может гарантировать в массивных штамповых заготовках протекание процесса фазового превращения до конца во всем его объеме, а охлаждение ниже 200°С экономически нецелесообразно, так как увеличивает время термоцикла и приводит к дополнительным энергозатратам.

Проведение циклической термообработки с количеством циклов меньше N приведет к появлению нестабильной, неравновесной структуры со структурной неоднородностью. Проведение циклической термообработки с количеством циклов больше N значительно снизит производительность процесса, приведет к дополнительным энергозатратам.

Предлагаемая циклическая термообработка позволяет получить мелкодисперсную, равномерную однородную структуру со стабилизированными фазами.

Микроструктура заготовок штампов из стали ЭИ958 после термоциклирования имела равномерное распределение мелких зерен, твердость составила порядка HRC равно 51-52, износостойкость штампов на выдавливание составила порядка 5000-5200 ударов.

Циклический нагрев заготовок с регламентированной скоростью регламентированным количеством циклов до регламентированной температуры и охлаждение соответствуют каждой конкретной марки стали.

Пример осуществления способа

На заготовках из стали ЭИ958 размером 110×110×65 мм провели 3-кратный уков по трем осям, высокий отпуск по стандартной технологии, затем взяли одну из заготовок штампового инструмента, выполненную из стали ЭИ958, в качестве образца, предварительно термоциклировали в атмосферной среде со скоростью 6°С/мин. Во время предварительного термоциклирования фиксировали показания термопары на пишущем приборе КСП-24.

Анализ термограмм показал, что:

в первом цикле:

скорость нагрева - 6°С/мин;

температура начала фазового превращения (Т*_(н.ф.п)) при нагреве равна 862°С;

температура конца фазового превращения (Т*_(к.ф.п)) при нагреве равна 863°С;

скорость охлаждения - 6°С/мин;

температура начала фазового превращения (Т**_(н.ф.п)) при охлаждении равна 728°С;

температура конца фазового превращения (Т**_(к.ф.п)) при охлаждении равна 695°С;

во втором цикле:

скорость охлаждения - 6°С/мин;

температура начала фазового превращения (Т*_(н.ф.п)) при нагреве равна 843°С;

температура конца фазового превращения (Т*_(к.ф.п)) при нагреве равна 850°С;

температура начала фазового превращения (Т**_(н.ф.п)) при охлаждении равна 718°С;

температура конца фазового превращения (Т**_(к.ф.п)) при охлаждении равна 710°С;

в третьем цикле:

скорость охлаждения - 6°С/мин;

температура начала фазового превращения (Т*_(н.ф.п)) при нагреве равна 840°С;

температура конца фазового превращения (Т*_(к.ф.п)) при нагреве равна 850°С;

температура начала фазового превращения (Т**_(н.ф.п)) при охлаждении равна 705°С;

температура конца фазового превращения (Т**_(к.ф.п)) при охлаждении равна 696°С;

в четвертом цикле:

скорость охлаждения - 6°С/мин;

температура начала фазового превращения (Т*_(н.ф.п)) при нагреве равна 840°С;

температура конца фазового превращения (Т*_(к.ф.п)) при нагреве равна 850°С;

температура начала фазового превращения (Т**_(н.ф.п)) при охлаждении равна 705°С;

температура конца фазового превращения (Т**_(к.ф.п)) при охлаждении равна 696°С.

По результатам предварительного термоциклирования образца было определено количество термоциклов равным 3, так как температуры начала и конца фазового превращения третьего цикла равны температурам начала и конца фазового превращения четвертого цикла. После чего провели термоциклирование заготовок штампового инструмента по трем циклам.

Исходя из технологических возможностей оборудования, находящегося в серийном производстве, скорость нагрева и охлаждения была выбрана 6°С/мин и температурный интервал с точностью 5°С.

Температура нагрева заготовок штампового инструмента в каждом цикле на 10-15°С выше температуры Т*_(н.ф.п) для материала образца в соответствующем цикле при нагреве на стадии предварительной термоциклической обработки, а охлаждение в пределах 100-200 С° ниже Т**_(н.ф.п) начала фазового превращения материала образца в соответствующем цикле при охлаждении на стадии предварительной термоциклической обработки:

1 цикл - Т нагрева - 875°С, для стабилизации процесса температуру нагрева заготовки увеличили на 13°С, по сравнению с Т*_(н.ф.п) образца (862+13)

время выдержки - 12 мин,

Т охлаждения - 550°С, для стабилизации процесса температуру охлаждения заготовки уменьшили на 178°С, по сравнению с Т**_(н.ф.п) образца (728-178),

2 цикл - Т нагрева - 855°С, для стабилизации процесса температуру нагрева заготовки увеличили на 12°С, по сравнению с Т*_(н.ф.п) образца (843+12)

время выдержки - 12 мин,

Т охлаждения - 550°С, для стабилизации процесса температуру охлаждения заготовки уменьшили на 168°С, по сравнению с Т**_(н.ф.п) образца (718-168),

3 цикл - Т нагрева - 850°С, для стабилизации процесса температуру нагрева заготовки увеличили на 10°С, по сравнению с Т*_(н.ф.п) образца (840+10)

время выдержки - 12 мин,

Т охлаждения - 550°С, для стабилизации процесса температуру охлаждения заготовки уменьшили на 155°С, по сравнению с Т**_(н.ф.п) образца (705-155).

После термоциклирования провели металлографический анализ заготовок, который показал, что микроструктура материала представляет собой зернистый перлит.

Затем из заготовок были изготовлены разъемные штампы на выдавливание, используемые при производстве лопаток компрессора высокого давления (КВД). Затем была проведена закалка штампов по серийной технологии и после этого проведена окончательная механическая обработка штампов до чертежных размеров. Микроструктура штампов после закалки представляет собой среднеигольчатый мартенсит с незначительными участками мелкоигольчатого мартенсита.

Гравюры кузнечных штампов на выдавливание в процесс эксплуатации подвергаются ударному воздействию. Износостойкость штампа с твердостью HRC=51-52 составила 5200 ударов (т.е. изготовлено 5200 лопаток) до начала зарождения усталостной трещины, по сравнению с 500-800 ударами прототипа.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления штампового инструмента повышает износостойкость штампового инструмента и ресурс его работы.