НОВ ПОГЛЕД ВЪРХУ ТЕРМИЧНОТО ОБРАБОТВАНЕ НА ИНСТРУМЕНТАЛНИ СТОМАНИ ПРЕДИ И СЛЕД АЗОТИРАНЕ И ОКСИКАРБОНИТРИРАНЕ

Abstract

Abstract: An optimal way of heat treatment for plastic mould tool steels with higher heat resistance is proposed. The combination of the tempering process and nitriding or oxy-nitrocarburizing process that enhance surface properties contributes to high hardness, wear resistance and tough strength.
Key words: tool steels, heat treatment, nitriding,oxy-nitrocarburizing.

Full text

12

13

14

15
НОВ ПОГЛЕД ВЪРХУ ТЕРМИЧНОТО ОБРАБОТВАНЕ НА ИНСТРУМЕНТАЛНИ
СТОМАНИ ПРЕДИ И СЛЕД АЗОТИРАНЕ И ОКСИКАРБОНИТРИРАНЕ
Дaнаил НИКОЛОВ1, Мария НИКОЛОВА1, Пламен ДАНЕВ1, Иван ДЕРМЕНДЖИЕВ1
dnikolov@uni-ruse.bg mpnikolova@uni-ruse.bg plasida@uni-ruse.bg ivadim@uni-ruse. bg
Катедра Материалознание и технология на материалите
РУ „Ангел Кънчев“ 7017, Русе
Резюме: Предложен е оптимален вариант за термично обработване на стомани за
горещо и студено пластично деформиране, с повишена топлоустойчивост, който
съчетан с уякчаващите операции на азотиране и оксикарбонитриране, осигурява
висока твърдост, износоустойчивост и ударна жилавост.
Ключови думи: инструментални стомани, термично обработване, азотиране,
оксикарбонитриране.
1. ВЪВЕДЕНИЕ
Оптималното съчетаване на твърдост,
износоустойчивост и ударна жилавост при
инструмантални стомани за щамповане и
щанцоване трудно се постига. Обикновено
твърдостта кореспондира с износоустойчивостта
и е обратнопропорционална на ударната
жилавост. За голяма група стомани е възможно
чрез съчетаване на подходящо термично (ТО) и
химико-термично обработване (ХТО) да се
постигнат оптимални резултати при работа.
Докладът разглежда въпроси свързани с
предварително, междинно и окончателно ТО на
изделия от инструмeнтални стомани с повишена
топлоустойчивост, чрез които се оптимизират
свойствата и техния ресурс. Решаващо значение
за оптимален вариант има предложената
маршрутна технология за уякчаващите
термични и химико-термични операции.
Многогодишният ни опит в областта на ТО и
ХТО, анализирайки резултатите от работата на
редица инструменти за горещо и студено
деформиране, рязане и отливане на пластмаси,
дава основание за следния ред на
технологичните операции в маршрутната линия:
1) отгряване за понижаване на остатъчните
напрежения в заготовката; 2) закаляване на
инструмента; 3) отвръщане, съобразно оптимана
жилавост и стабилност на формата и размерите;
4) окончателно механично обработване; 5)
азотиране или оксикарбонитриране (ОКН); 6)
обезводородяване и контрол.
Известно е, че при инструменталните
стомани термичното обработване по класичеки
технологии само за ТО не гарантират оптимално
съчетание на основните потребителски свойства
за износоустойчивост и ударна жиловост. Затова
техният ресурс обикновено не отговаря на
предварителния среден брой щамповани или
щанцовани изделия. Установено е [1], че за
стомани за щанцоване, рязане и дълбоко
изтегляне и др. износоустойчивостта и ударната
жилавост попадат в няколко условно обособени
зони (фиг.1.).
Фиг. 1. Зони на характеристиките
износоустойчивост и ударна жилавост за четири
групи инструментални стомани за студено
пластично дефермиране.
Фигурата недвусмислено показва
противоречието на характеристиките, които чрез
подходящо ХТО е възможно да се преместят в
очертаната горе вдясно нова зона. Цел на
настоящия доклад е да се разгледа една
възможност за коригиране и подобряване на
горните характеристиките на тези и други
инструментални стомани чрез иновативно ТО и
ХТО.
1. Стомани с повишена тополоустойчивост и
ударна жилавост за горещо пластично
деформиране.
Разнообразието от марки е голямо,
затова са избрани само тези, които са познати и
разпространени в металообработващата

16
индустрия на страната. В зависимост от
химическия си състав те са две групи: средно и
високо легирани. От първата група най-
използваната марка е 5ХНМ (1.2738), а от
втората 3Х2В8Ф (1.2581), 3Х3М3Ф (1.2581) и
4Х5МФС (1.2344). Тези марки, в състояние на
доставка са със структура фин, зърнест перлит и
твърдост около НВ 250. След разкроя на
заготовките, независимо от използвания метод, в
метала остават напрежения, поради което е
задължително провеждането на отгряване на
остатъчните напрежения. След
конвенцоионално закаляване от оптимална
температура, в зависимост от темпратурата на
отвръщане оптималното съчетание на твърдост
(респективно очаквана износоустойчивост) и
жилавост е в зоната 560..620°С (фиг.2).
Фиг. 2. Изменение на HRC и KCU за 5ХНМ, 3Х2В8Ф
3Х3М3Ф и 4Х5МФС различни температури на
отвръщане [Позняк и др., 1977].
Това предполага, че уякчаващи химико-
термични операции азотиране и
оксикарбонитриране следва да се провеждат при
температури при около 570°С, като с цел
максимална жилавост на уякчената зона
препоръчително е извършване на вакуумно
оксикарбонитриране. Продължителността на
операцията следва да се регламентира от
желаната дълбочина на уякчаване. Ако се
предпочете йонно азотиране, то режимът следва
да формира предимно γ‘ фаза на повърхността
на зоната.
2. Стомани с повишена топлоустойчивост и
ударна жилавост за студено пластично
деформиране.
В тази група разнообразието от марки
стомани е още по-голямо (фиг.1.), но особен
интерес за иновативната маршрутна технлогия
са стоманите Х12МФ, 1.2363, К353 на BÖhler
[BÖhler, 2007] и др., които благодарение на
закаляване от температури 1030-1060°С,
охлаждане на въздух или в масло и отвръщане с
вторично твърдеене в интервала 520-550°С
запазват твърдост HRС ~ 60 и висока ударна
жилавост (фиг.3.).
Фиг. 3. Изменение на HRС и KCU заХ12МФ,Х12ВФ1,
Х6ВФ, и 9Х5ВФ при различни температури на
отвръщане [Сорокин и др. 1989]
Анализирайки кривите, е очевидно, че за
групата стомани подходящ температурен
интервал на уякчаване чрез азотиране и ОКН е
520-540 °С. Ясно е, че при тези условия химико-
термичната операция ще е с по-голяма
продължителност, а механичните
характеристики на повърхността – по-високи
отколкото при стомани за горещо обработване.
Характерът на натоварване на повечето
инструменти от стомани в групата, предполага
по-висока плавност и скорост на привеждане на
усилията, поради което е удачно уякчаването да
е с азотиране или вакуумно ОКН.
3. Последователност на термичните
операции в маршрутната технология
Последователността на операциите в
иновативния процес с коректно отразяване на
начина на осъществяване на важни преходи в
тях, са посочени на фиг. 4. От фигурата се
установява, че са възможни 3 начина на
охлаждане при операцията закаляване в
зависимост от състава, масата на инструментите
и възможностите на термичните съоръжения.
Иновативното в процеса е и операцията
обезводоряване, която както при йонното
азотиране, така и при вакуумното ОКН е
наложителна. Тази операция се явява и
възможност отгряване за снемане на
остатъчните напрежения, ако върху работните
зони на инструментите е извършено, например,
механично полиране.

17
Фиг. 4. Последователност на термичните операции в предложения технологичен режим.
2. MEТОДИКА НА ИЗСЛЕДВАНЕТО
Пробните тела от стомани 5ХНМ (90CrSi5,
DIN 1.2738) и 3Х2В8Ф (X30WCrV9-3, DIN
1.2581) с химичният състав, посочен в табл. 1,
са подложени на ОКН при реално провеждани
промишлени режими. Те са с цилиндрична,
форма и приблизителни размери 20х10 mm.
Табл. 1. Химичен състав на изполваните подложки (тегловни %).
Стомана
5ХНМ
С, %
Mo, %
Mn, %
Ni, %
Cr, %
S, %
P, %
Fe, %
0,5-0,6
0,15-0,30
0,5-0,80
1,4-1,8
0,5-0,8
< 0,03
< 0,03
Ост.
Стомана
3Х2В8Ф
С, %
Mo, %
Mn, %
V, %
Cr, %
W, %
P, S, %
Fe, %
0.3-0.4
<0,50
0.15-0.4
0,2-0,5
2.2-2.7
7,5-8,5
< 0,03
Ост.
Закаляването на пробата от стомана 5ХНМ е
извършено в пещ ПЕК 9 при температура
840±10°С и високо температурно отвръщане при
температура 600±10°С. Закаляването на пробата
от стомана 3Х2В8Ф е извършено в
електросъпртивителна пещ със силитови
нагреватели модел KS 600/25 при температура
1140±10°С и високо температурно отвръщане
при температура 620±10°С. Вакуумното ОКН е
извършено в промишлена уредба по режими за
формиране на износоустойчив слой, съвместно с
детайли за уякчаване, като за пробата от 5ХНМ
продължителността на процеса е 7 часа, а за
пробата от 3Х2В8Ф – 4 часа [Danev, 2004].
Използвани са класически и съвременни методи
и средства за изследване на състава, структурата
и свойствата на наситените зони, а именно:
микроструктурата на наситения слой (с
микроскопи ЕPYTIP); определен е
рентгеноструктурно фазовия състав (с ренгенов
дифрактометър URD-6 с Fe-Kα лъчение);
измерена е твърдост на зоните по различни
класически методи (микротвърдосмер ПМТ-3 и
Викерсов твърдосмер Wоlpert Wilson Hardness
Tester 432 SVD.
3. РЕЗУЛТАТИ И АНАЛИЗ
След проявяване с 4% разтвор на NHO3
ясно се откроява бялата свързана и подлежащата
дифузионна зони при двата образеца.
Дебелината на свързаната зона при стомана
марка 5ХНМ е плътна, хомогенна и е с дебелина
около 3 μm [Николова, 2013]. При стомана
3Х2В8Ф присъства свързана зона, но нейната
дебелина е под 1 μm. Това вероятно се дължи на
високото количество легиращи елементи и
съответно затруднената дифузия на азот и
въглерод, както и по-краткото време на
насищане. При 3Х2В8Ф се наблюдава
неравномерен характер на дифузионния фронт,
тъй като в подложката се съдържат силни
карбидо- и нитридообрауватели, в присъствието
на които насищащите елементи участват в
образуването на спрециални нитриди и
карбонитриди.

18
а) б)
Фиг. 5. Микроструктурни особености на: а) стомана 5ХНМ,след ОКН (7часа); б) стомана 3Х2В8Ф, ОКН (4 часа), след
проявяване с нитал;
Фиг. 6. Рентгенографски профил от повърхността на стомана 5ХНМ и 3Х2В8Ф
Според рентгенографския анализ (фиг.
6.) на пробата от стомана 5ХНМ, в наситената
зона присъстват (Fe,Cr)2N и Cr2N хексагонални
фази и карбиди от цементитен тип (θ). Може да
се отбележи, че в тази проба количеството на ε–
Fe3(C,N) и α-фазата са повече от тези при
стомана 3Х2В8Ф. При последната присъстват
повече специални нитриди като CrN, както и
неразтворени Fe6W6C от ТО. Присъствието им в
наситената зона вероятно осезаемо повлиява
твърдостта, износоустойчивостта и
топлоустойчивостта на зоните.
Табл.2 Измерени стойности на твърдост и микротвърдост.
Материал
5ХНМ
3Х2В8Ф
Твърдост след подобряване (HV1), (Wilson)
350
512
Твърдост след ОКН и полиране (HV1), (Wilson)
468
1010
Mикротвърдост на свързаната зона, HV0,02, (ПМТ-3)
851
935
Измерената микротвърдост на бялата зона на
стомана 3Х2В8Ф е 935 HV. Поради малката
дебелина на свързаната зона коректното
измерване на твърдостта с посочената апаратура
е трудно постижимо и вероятно реалната
микротвърдост има по-висока стойност. В тази
насока реперна точка е и измерената
макротвърдост на повърността на пробата - HV1
= 1010 kgf/mm2. Въпреки по-голямата дебелина
на свързаната зона при стомана 5ХНМ,
микротвърдостта, дори и с 20 г. натоварване, е
по-ниска (HV0,02 = 851 kgf/mm2), при по-голяма
приложена сила твърдостта е още по-ниска.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
За инструментални стомани, комбинацията
от отвръщане и ОКН представлява ефективно
съчетаване на технологични операции, чрез
които се получава комплекс от желани
структурни промени и потребителски свойства
Въпреки по-дългото време на насищане при
стомана 5ХНМ, четири часовият режим на ОКН
значително по-силно уякчава повърхността на
високолегираната стомана 3Х2В8Ф, поради
активното формиране на специални нитриди и
карбонитриди, които освен висока твърдост,
притежават и добра топлоустойчивост.
Дъготрайността на работа при такъв тип
инструменти се осигурява основно от
дифузионната зона, така че малката дебелина на
свързаната зона не е притеснителна, а
желателна, за да не се влошат трибологичните
характеристики на повърхността.
ЛИТЕРАТРУРА
Позняк Л.А., Тишаев С.И. и др, Инструментальные
стали, „Металлургия”, Москва, 1977;
Николова М., Дисертация, 2013, Русе
CrN
CrN
Fe3N
Fe3N
(Fe,Cr)2N
Fe3N
Fe3C
Fe3N
Fe3N
α
α
Fe3N
Fe3N
α
Fe6W6C
α
γ`

19
Радав Р., Избор на материал, Русе, 2008, ISBN: 978-
954-712-415-8;
Сорокин В.Г., Волосникова А.В., Вяткин С.А,
Москва, Машиностроене, 1989;
BÖhler, Plastic Mould Steel, Brochure, 2007;
Danev Pl, in: Proceedings of Scientific Session,
RU'2004, Eng. Sci, 2004, 41, series 2, p. 73-77.;
A NEW VISION ABOUT HEAT TREATMENT OF TOOL STEELS BEFORE AND AFTER
NITRIDING AND OXY-NITROCARBURIZING
Danail NIKOLOV1, Мaria NIKOLOVA 1, Plamen DANEV 1, Ivan DERMENDZHIEV1
Abstract: An optimal way of heat treatment for plastic mould tool steels with higher heat resistance is
proposed. The combination of the tempering process and nitriding or oxy-nitrocarburizing process that
enhance surface properties contributes to high hardness, wear resistance and tough strength.
Key words: tool steels, heat treatment, nitriding,oxy-nitrocarburizing.