СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕЛКОРАЗМЕРНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ Российский патент 2003 года по МПК C23F17/00 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к комплексной химико-термической обработке, химическому нанесению никельфосфористого покрытия и последующей термической обработке специального мелкоразмерного и тонколезвийного режущего инструмента для обработки минералов, конструкционных керамик и деталей из прецизионных сплавов при изготовлении ЭРД МТ (космических микродвигателей) и может найти применение также в электронике, приборостроении, ювелирном деле.

Известна технология улучшения режущих свойств инструмента из быстрорежущей стали химическим никелированием со слоем 1/100 от толщины режущей части и последующим отпуском по режимам ГОСТ 9.305-84 при температурах не выше 350^oС (Гоголев А.Я., Бутенко В.И. // Станки и инструмент. 1973, 2, с.28-29). Недостаток аналога в низкой адгезионно-диффузионной прочности связи слоя с основой, как следствие, невысокая износостойкость при обработке упрочненных сталей.

Известна комплексная химико-термическая обработка сверл малого диаметра нитрооксидированием с приложением постоянного магнитного поля (Тарасов А.Н. Вакуумное нитрооксидирование часовых сверл и фрез из быстрорежущих сталей // СТИН. 1998, 3, с. 26-28 - аналог) с размещением сверл на постоянном магните из сплавов алнико. Способ эффективен для часовой промышленности, где обрабатываются преимущественно мягкие, невысокой прочности стали и сплавы, но недостаточно эффективен вследствие малой толщины нитрооксидного слоя при обработке керамических материалов, минералов, композиционных материалов и прецизионных сплавов.

Наиболее близким заявляемому является процесс химического никелирования высоколегированных сталей в растворах, содержащих сернокислый никель, гипофосфат натрия, натрий уксуснокислый, уксусную кислоту и активаторы - тиокарбамид или янтарную кислоту (как в растворе по патенту РФ 2135635), предусматривающий стандартную горячую сушку после химникелирования и заключительный отпуск в воздушных электропечах при температурах от 250 до 300^oС для различных сталей и сплавов (ОСТ 92-4924-84 Покрытия металлические и неметаллические неорганические для приборного производства, с. 115, с.239 - прототип). Несмотря на повышение твердости слоя химникеля Ni₃Р, его толщина и прочность соединения с основой не обеспечивают оптимальное соотношение его прочности, твердости, контактной износостойкости, ударной вязкости, поэтому способ ограниченно применим и недостаточно эффективен при упрочнении высоколегированных теплостойких сталей, например быстрорежущих типа Р6М5, Р6М5К5 и других инструментальных.

Поставленная задача изобретения - повышение износостойкости, прочности, качества обработки мелкоразмерного, тонколезвийного инструмента - решена путем проведения химического никелирования с нанесением заданного по толщине слоя фосфористого никеля на предварительно заточенные по геометрии режущей части инструменты, последующей термической обработкой в заданном интервале температур, с осуществлением всех операций нанесения покрытия и термообработки при воздействии постоянного магнитного поля.

При этом выбранный интервал толщин слоя Ni₃Р назначен из условия обеспечения большей прочности инструмента, при знакопеременных нагрузках и износостойкости в условиях скоростного контактного износа при обработке неметаллов и сплавов металлов он составляет 5-20 мкм, температурный интервал последующей обработки назначен из условия сохранения или незначительного снижения твердости основного металла инструмента для различных классов инструментальных сталей, с учетом получения максимальной твердости химникелего покрытия и высокой прочности связи слоя с основой, это температуры на 20-100^oС ниже и выше температур отпуска при основной упрочняющей термообработке-закалке сталей каждого класса.

Воздействие магнитного поля на всех этапах обработки заключается в следующем: - при нанесении фосфористого никеля в растворе, содержащем ионы ферромагнитного никеля, повышается скорость осаждения, плотность и однородность слоя; - при нагреве, выдержке и охлаждении для термообработки магнитное поле инициирует превращения в основном металле инструмента, ускоряя распад остаточного аустенита от недоотпуска или в зонах шлифовочных прижогов инструмента при шлифовании и заточке, а кроме того, исключается тепловая и структурная деформации по длине мелкоразмерных инструментов, так как магнитное поле фиксирует инструмент вдоль образующей магнитов.

На фиг. 1 показано расположение, размещение инструментов 1 при химникелировании и последующей термообработке на магнитах 2 из ЮНДК-35.

На фиг. 2 показаны инструменты на магнитах, помещаемые в ванны химникелирования 3 (фиг.2,а) или в электропечи 4 для термообработки (фиг.2,б).

На фиг.3 приведена макроструктура в зоне износа перового сверла с химникелем и последующим отпуском.

На фиг.4 показаны сверла, подвергаемые химическому никелированию с предварительным намагничиванием в поле, размещенные на фторопластовом приспособлении 5 в ванне химникелирования 3.

На фиг. 5 показана микроструктура слоя на быстрорежущей стали Р6М5 при обработке по предложенному способу, а также внешний вид вышлифованных сверл из стали Р6М5 после работы по янтарю и металлу.

На фиг.6 показан внешний вид отверстий в янтарном изделии при скоростном сверлении сверлами, обработанными по предложенной технологии.

Выбор напряженности, типа и последовательности, повторяемости напряженностей поля при назначаемой последовательности магнитного воздействия проведен с учетом технических возможностей, повышения технологичности осуществления способа при обеспечении минимальных затрат на приспособления, оснастку и вспомогательные материалы.

Осуществление изобретения демонстрируется примерами на нескольких видах мелкоразмерного инструмента из различных марок сталей.

Пример 1. Сверла перовые из проволоки пружинной высокопрочной 65Г-Н после формирования рабочей части диаметром 1,8 мм и толщиной пера 0,4 мм устанавливали на постоянном магните из ЮИДК-25 вместе со сверлами других типоразмеров и помещали для химического никелирования в ванночку с раствором, содержащим гипофосфат натрия, сернокислый никель, уксуснокислый натрий, тиокарбамид и янтарную кислоту. Слой фосфористого никеля Ni₃P после выдержки в течение 60 минут составлял 20 мкм, 1/20 толщины пера.

Последующую термообработку проводили при температуре 320^oС или на 50^oС выше принятой 270^oС для данной проволоки, перенося сверла на постоянном магните в электрошкаф.

После отпуска в течение 1 часа слой химникеля имел микротвердость Н_0,5H= 760-770 при твердости основы не ниже НРС_э=50-52. Испытания сверл при сверлении закаленного янтаря марки 157500-511800 на сверлильных машинках "PROXXON" при скоростях до 20000 об/мин показали, что износостойкость составила 400 г янтаря против 200 г для перовых сверл, не упрочненных предложенным способом. При этом после переточки сверла дополнительно работали 15 минут при суммарной стойкости 45 минут или вдвое выше обычных. Практически исключено выкрашивание и стала возможной переточка сверл с сохранением высокой жесткости и прочности.

Пример 2. Сверла вышлифованные Р6М5 диаметром 1 мм после алмазной заточки по конусной части с углом 2ϕ=55^o подвергали химическому никелированию с формированием слоя фосфористого никеля 12 мкм - 1/30 толщины режущей части с предварительным намагничиванием в поле 5000 А/м, размещая их на фторопластовом приспособлении 5 в ванне химникелирования 3 (фиг.4).

Последующую термообработку проводили с нагревом при 620^oС вместо принятой 560^oС для быстрорежущей стали Р6М5, время выдержки 30 минут. Обработка позволила получить основной металл с наилучшими прочностными свойствами - твердостью НРС_э=60-61, прочностью при изгибе 3800-3900 МПа при максимальной микротвердости слоя Н_0,5H=827-840, что позволило обрабатывать одним сверлом при скоростном сверлении на машинках "PROXXON" более 250 г янтаря марки 157500-511800, что в 1,5 раза выше, чем при обработке по прототипу, другие данные приведены в табл. 1.

Пример 3. Сверла мелкоразмерные часовые, вышлифованные из стали 9ХС диаметром 0,8 мм после заточки по рабочим поверхностям химникелировали с установкой на постоянных магнитах при напряженности поля 2000 А/м. Обработку вели в составе, содержащем 25 г/л сернокислого никеля, 25 г/л гипофосфата натрия, 15 г/л уксуснокислого натрия, 7 г/л уксусной кислоты, по 0,03 г/л тиокарбамида и янтарной кислоты, температура раствора 95^oС, рН 4,5, слой фосфористого никеля составлял 1/50 толщины режущей части и был равен 18 мкм.

Для термообработки сверла на магнитах помещали в печь СНОЛ-1,6.2,51/9 и выдерживали в течение 60 минут при температуре 320^oС на 50^oС выше принятой для стали 9ХС при отпуске. Обработка велась на воздухе, после охлаждения сверла имели практически нулевую поводку по длине и высокие эксплуатационные свойства - износостойкость повысилась в 1,6 раза выше уровня обычных, упрочненных нитрооксидированием. В табл. 2 приведены результаты исследований в сравнении с известными. Повысился класс чистоты обработки, исключено выкрашивание отверстий в изделиях.

Разработанный способ оказался эффективным также при упрочнении мелкоразмерного инструмента обработки мягких конструкционных электроизоляционных керамик типа боросил БГП, БГП-10, а также прессованных композиционных материалов и прецизионных сплавов ковар, инвар.

Пример 4. Сверла перовые диаметром 1,8 мм изготовляли из стали 12Х18Н10Т-ВО, высокопрочной пружинной проволоки путем деформации перовой части, последующей заточки и доводки геометрии режущих граней. Затем проводили химическое никелирование слоем химникеля 30 мкм, слой составлял 1/25 толщины пера, и термообработку при 490^oС на 40^oС выше, чем принятая температура отпуска пружин. При нагреве в вакуумной печи СШОЛ-ВНЦ в течение 45 минут достигалась микротвердость поверхности H_0,5H=766-784 при твердости основного металла H_0,5H=540-550. В результате получены износостойкие инструменты для обработки керамики БГП с износостойкостью в 2,1 раза выше идентичных, обработанных по известным режимам. Основная мартенситная матрица прочно связана со слоем, повышенная коррозионная стойкость слоя и основы обеспечили высокие эксплуатационные свойства при работе в условиях использования различных активных смазочно-охлаждающих жидкостей.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к комплексной химико-термической обработке, химическому нанесению никельфосфористого покрытия и последующей термической обработке специального мелкоразмерного и тонколезвийного режущего инструмента для обработки минералов, конструкционных керамик и деталей из прецизионных сплавов при изготовлении ЭРД МТ (космических микродвигателей) и может найти применение также в электронике, приборостроении, ювелирном деле. Способ предусматривает проведение химического никелирования с нанесением заданного по толщине слоя фосфористого никеля на предварительно заточенные по геометрии режущей части инструменты и последующую термическую обработку в заданном интервале температур, с осуществлением всех операций нанесения покрытия и термообработки при воздействии постоянного магнитного поля. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости, прочности, качества обработки мелкоразмерного, тонколезвийного инструмента. 15 з.п. ф-лы, 2 табл., 6 ил.

1. Способ химико-термической обработки мелкоразмерного режущего инструмента из легированных сталей, преимущественно часовых вышлифованных и перовых сверл, включающий химическое никелирование с последующим отпуском для повышения твердости слоя и связи с основой, отличающийся тем, что вначале проводят заточку и доводку конусной и режущей части с заданной геометрией и чистотой обработки Ra= 0,25-0,40 мкм, затем проводят химическое никелирование путем нанесения слоя фосфористого никеля на толщину слоя 1/20-1/50 толщины режущей части, а отпуск проводят при температурах на 20-100^oС выше стандартных для каждой из выбранных сталей, при этом химическое никелирование и последующий нагрев, выдержку, охлаждение при отпуске проводят при воздействии постоянного магнитного поля. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют воздействие магнитного поля одинаковой напряженности на всех операциях нанесения покрытия и термической обработки. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют воздействие магнитного поля напряженностью 2000-10000 А/м. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют воздействие в полях остаточной намагниченности инструмента. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие магнитного поля при проведении химического никелирования осуществляют в поле постоянного намагничивания, а отпуск и охлаждение - в поле остаточной намагниченности. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инструмент после проведения всех операций обработки не размагничивают перед эксплуатацией. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отпуск инструмента из сталей низкой теплостойкости проводят при 200-300^oС. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отпуск инструмента из теплостойких и быстрорежущих сталей проводят при температурах их красностойкости. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инструмент перед химическим никелированием подвергают нитроцементации. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что химическое никелирование и последующий отпуск проводят на постоянных шлифованных магнитах при напряженностях поля 2000-5000 А/м. 11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев при отпуске после химического никелирования проводят в воздушной атмосфере. 12. Способ, по п. 1, отличающийся тем, что отпуск после химического никелирования проводят в вакууме 10-10^-1 Па. 13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для нагрева при отпуске после химического никелирования используют расплавы азотоуглеродсодержащих солей. 14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение при отпуске с приложением магнитного поля проводят на воздухе, в масле или жидком азоте. 15. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно проводят переточку инструмента, после которой проводят повторное химическое никелирование только режущей части. 16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для никелирования и последующего отпуска используют литые шлифованные постоянные магниты из сплавов.