Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЫХ ШТАМПОВ

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для изготовления литых штампов, полученных переплавом отходов отработанного инструмента из полутеплостойких и теплостойких сталей повышенной вязкости типа 5ХНМ и 4Х5МФС без ограничения области применения, в том числе для работы при повышенных ударных нагрузках.

Известен способ изготовления штампов отливкой с последующей термической обработкой (см. книга «Инструментальные стали», Ю.А. Геллер, Москва, «Металлургия», 1975 год, стр.325-326, 485), взятый за прототип.

Сущность способа заключается в следующем: получают заготовку штампа, например литьем в оболочковую форму, полученную заготовку подвергают предварительной термической обработке для улучшения литой структуры и обрабатываемости резанием, изготовляют штамп или вставку штампа с последующей упрочняющей термической обработкой, при этом температуру закалки выбирают по нижнему пределу, а отпуск выполняют на твердость 48-50 HRC.

Недостатки прототипа:

- изготовление заготовок штампов литьем предопределяет формирование в большей или меньшей степени, в зависимости от способа получения отливок, дендритообразной структуры, поэтому значения пластичности, а в особенности вязкости, пониженные, и, как следствие, штампы имеют низкую разгаростойкость и ограниченную область применения;

- выбор специальных сталей с меньшим содержанием углерода не решает в полной мере проблему расширения области использования штампов, поскольку и в этом случае при литье всегда формируется неоднородная, в том числе дендритообразная структура, характерная для литого состояния. Кроме того, пониженное содержание углерода предопределяет получение после упрочняющей термической обработки пониженных значений твердости и прочности штампов, что отрицательно влияет на их стойкость;

- предварительная термическая обработка, обозначенная в прототипе, в полной мере не исправляет литую структуру, поэтому характеристики пластичности и вязкости материала штампов после упрочняющей термической обработки будут пониженными по отношению к свойствам инструмента, изготовленного из кованых заготовок.

Предлагаемым изобретением решается задача снижения материальных, энергетических и трудовых затрат при изготовлении литых штампов, в том числе за счет повышения их стойкости и расширения области применения.

Технический результат, получаемый при внедрении изобретения, заключается в обеспечении характеристик пластичности, вязкости, прочности материала литых штампов после упрочняющей термической обработки не ниже соответствующих характеристик инструмента, изготовленного из кованых заготовок.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения литых штампов из полутеплостойких и теплостойких сталей повышенной вязкости, включающем переплав отработанного инструмента одной марки стали, заливку расплавленного металла в форму, кристаллизацию и охлаждение отливки, предварительную термическую обработку, механическую обработку и закалку с последующим отпуском, новым является то, что предварительную термическую обработку производят по режиму: нагревают отливку на температуру Ас₃+(30-40)°C, выдерживают при этой температуре 2 часа, охлаждают со скоростью (25-30)°C в час до Ar₁-(20-30)°C, выдерживают при этой температуре до 5 часов, охлаждают с печью до 500-550°C, окончательно охлаждают на воздухе, а температуру закалки не ограничивают нижним пределом.

При изготовлении штампов из отливок сталей типа 5ХНМ, 4Х5 МФС независимо от способа литья при кристаллизации формируется неоднородная, в том числе дендритообразная структура. В случае присутствия литой структуры в готовом инструменте значения ударной вязкости существенно ниже значений ударной вязкости штампов, изготовленных из кованых заготовок. Поэтому применять штампы, изготовленные литьем и испытывающие при работе ударные нагрузки, например при горячей штамповке, не рекомендуется по причине большой вероятности получения катастрофического разрушения.

В этом случае главенствующая роль в обеспечении требуемых значений ударной вязкости отводится предварительной термической обработке. Целью предварительной термической обработки является не только снижение твердости отливок для улучшения механической обработки резанием, а главным образом для исправления литой структуры с тем, чтобы обеспечить после окончательной термической обработки требуемые значения ударной вязкости литых штампов.

Представленный в прототипе режим предварительной термической обработки не в полной мере исправляет литую структуру применительно к отливкам из сталей 5ХНМ, 4Х5МФС по следующим причинам: первичный длительный нагрев в течение 8-10 часов на 650-700°C при наличии дендритообразной структуры неэффективен, так как выбранный температурный диапазон ниже первой критической точки Ac₁, поэтому активной диффузии легирующих элементов в отливках нет. Двукратный нагрев на 950°C с ускоренным охлаждением до 700°C также малоэффективен, поскольку процесс диффузии легирующих элементов напрямую зависит не только от температуры, но и от времени выдержки. Замедленное охлаждение с температуры 700°C до 200-250°C дает положительный эффект только в части предотвращения термических напряжений, но нерационален по причине увеличения времени процесса. Вполне достаточным в этом плане является замедленное охлаждение до 500-550°C, а затем на воздухе.

Предлагаемый режим предварительной термической обработки в полной мере исправляет структуру отливок штампов из сталей типа 5ХНМ и 4Х5МФС, и после упрочняющей термической обработки инструмент приобретает комплекс прочностных, пластических свойств и ударной вязкости не ниже, чем комплекс механических свойств штампов, изготовленных из кованых заготовок. Температура нагрева Ас₃+(30-40)°C и выдержка при этой температуре два часа обеспечивает активную диффузию легирующих элементов в отливках инструмента. Увеличение времени выдержки сверх установленного приводит к укрупнению зерна в стали, а уменьшение времени выдержки снижает эффективность устранения литой структуры. Поскольку процесс диффузии не прекращается при охлаждении до т. Ar₁, скорость охлаждения отливок установлена невысокая 25-30°C в час. Выдержка отливок штампов в течение до 5 часов при температуре Ar₁-(20-30)°C завершает процесс γ-α превращения и коагуляцию карбидных фаз. Последующее охлаждение с печью до 500-550°C, а затем на воздухе не вызывает значительных термических напряжений.

Кроме того, нет никакой необходимости ограничивать интервал закалочных температур, поскольку структура стали подготовлена предложенной предварительной термической обработкой отливки штампа, не отличается от структуры кованых заготовок сталей 5ХНМ, 4Х5МФС.

Естественно, при этом расширяется область применения литых штампов и увеличивается стойкость инструмента из-за отсутствия направленного волокна в литых заготовках в сравнении с коваными.

Технические решения с признаками, отличающими заявленное 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 изготовления литых штампов реализуется следующим образом.

Получают заготовку штампа заливкой расплавленных отходов инструмента одной марки в форму. После кристаллизации отливки и ее охлаждения литую заготовку штампа подвергают предварительной термической обработке по режиму: нагревают на температуру Ас₃+(30-40)°C, выдерживают при этой температуре два часа, охлаждают со скоростью 25-30°C в час до Ar₁-(20-30)°C, выдерживают при этой температуре до 5 часов, охлаждают с печью до 500-550°C, окончательно охлаждают на воздухе. Производят механическую обработку литой заготовки штампа с последующей упрочняющей термической обработкой на требуемый комплекс свойств без ограничения температуры закалки.

Пример реализации способа.

В оболочковую форму или чугунный кокиль заливают расплав отработанного инструмента из стали 4Х5МФС. После кристаллизации и охлаждения литой заготовки штампа ее подвергают предварительной термической обработке по режиму: нагревают на температуру 900-910°C, потому как точка Ас₃ для стали 4Х5МФС равна 870°C, выдерживают при этой температуре 2 часа, охлаждают со скоростью 25-30°C в час до 705-715°C, потому как точка Ar₁ для стали 4Х5МФС равна 735°C, выдерживают при этой температуре до 5 часов, охлаждают с печью до 500-550°C, а окончательно охлаждают на воздухе.

После отжига литую заготовку механически обрабатывают. Затем штамп подвергают закалке с последующим отпуском на требуемый комплекс механических свойств и заданную твердость, при этом режим закалки не ограничивают нижним пределом.

Таким образом, внедрение предложенного способа изготовления литых штампов позволяет не только повысить стойкость, но и без ограничения расширяет их практическое применение, равно как инструмента, произведенного из кованых заготовок.