СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ С ФОРМИРОВАНИЕМ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ СЛОЕВ КАРБИДОВ Российский патент 2003 года по МПК C23C28/00 

Описание патента на изобретение RU2213160C2

Изобретение относится к области металлургии, в частности к химико-термической обработке режущих инструментов, преимущественно шлифовочных с формированием износостойких карбидных слоев на менее тугоплавкой подложке, получаемой гальвано-химическими способами. Предложенный способ может найти применение в инструментальной промышленности, ювелирном деле при обработке минералов, а также в машиностроении и спецтехнике при повышении эрозионной стойкости деталей в ионных плазменных потоках.

Задача изобретения - повышение износостойкости, прочности, однородности получаемых слоев на дисковом и концевом режущем инструменте различного назначения.

Наиболее близкой к заявляемому способу является технология получения износостойких покрытий на деталях и инструменте с наплавлением самоорганизующихся износостойких слоев ("Технология машиностроения", 2000, 3, с. 31-34), включающая механическую обработку инструмента в окончательные размеры, химическое никелирование с осаждением слоя фосфористого никеля, термическую обработку с оплавлением покрытия в засыпке порошка карбида бора и выгрузку после охлаждения от температур оплавления.

В предложенном способе обработки для получения износостойких слоев механически обработанный в окончательные размеры инструмент подвергают химическому никелированию с осаждением слоя фосфористого никеля толщиной 5-35 мкм, а термическую обработку с оплавлением покрытия проводят в засыпке абразивного порошка карбида бора фракции 25-40 мкм при температуре 960-1050oС в течение 10-20 мин с охлаждением со скоростью 0,2-2,5oС/с до 500-600oС, далее произвольно с печью.

При этом предусматривается также формирование буртика высотой 0,2-0,3 мм на обеих поверхностях дисковых инструментов, использование литейных чугунов и хромистых сталей с 3-4% хрома с низкой критической скоростью закалки для изготовления инструмента. Одновременно проводят вакуумный нагрев при оплавлении подслоя в вакууме 10-10-2 Па с укладкой инструмента в приспособления из термостойкой борнитридной керамики и применением названной керамики для защиты посадочных мест от нанесения карбидного слоя, а также использование карбида бора различных фракций для взаимодействия с верхней и нижней поверхностями инструмента при оплавлении фосфористого никеля. Одной из сталей с низкой критической скоростью закалки выбрана теплостойкая сталь с 3% хрома 4Х3ВМФ, а также предусмотрена выгрузка инструмента из вакуумной печи при 150-200oС после завершения мартенситного превращения.

Выбранные соотношения толщины никельфосфористого покрытия, размеров, фракций порошка карбида бора и температурно-временные интервалы вакуумного оплавления позволяют получить износостойкие слои с равномерным распределением частиц карбидов в матричном подслое, с плавным изменением твердости подслоя и переходной диффузионной зоны при максимальной твердости зерен карбида бора в наружной части самоорганизующей многослойной структуры. Выбранные интервалы температур оплавления, а также время выдержки позволяют не только увеличить толщины слоев, но и подготавливают основной металл к протеканию мартенситного превращения при скоростях охлаждения 0,2-2,5oС/с при получении наиболее высоких прочностных свойств корпусов из сталей с низкими критическими скоростями закалки. Одновременно практически исключается тепловая и структурная деформация инструмента, возможность сохранения классных посадочных размеров, что приводит к минимизации процессов притирки и доводки инструмента после высокотемпературного оплавления.

Изобретение иллюстрируется чертежами микро- и макроструктуры самоорганизующихся слоев на нескольких сталях. На фиг.1а, 1б показаны схемы формирования карбидного слоя на дисковом инструменте, прошедшем нанесение покрытия никель-фосфор и последующее оплавление слоя в засыпке из порошка карбида бора, где: 1 корпус инструмента из углеродистой стали, чугуна или теплостойкой стали, 2 - порошок карбида бора заданной фракции, с контактом по верхней и нижней поверхностям инструмента, 3 - оснастка из нейтральной термостойкой керамики борнитридкремниевой.

При осуществлении изготовления и обработки инструмента по заявляемому способу для нанесения никель-фосфорного покрытия применены составы ванн, в растворах которых содержалось гипофосфита натрия 35-40 г/л, никеля сернокислого 25-30 г/л, тиокарбамида 0,2-0,3 г/л и равные добавки уксусно-кислого аммония и уксусной кислоты. Температура раствора была 90-95oС, рН 4,5-4,7 с корректировкой ванны и двухступенчатым осаждением слоев толщиной в пределах заявляемых. Высокотемпературный нагрев с оплавлением покрытия в засылках из порошка карбида бора вели в колпаковых вакуумных электропечах СГВ-2.4/15-И2 и СГВ-2.4/15-И3 при вакууме 10-1...10-2 Па.

Пример 1. Шлифовальные диски диаметром 120 мм и толщиной 3 мм из углеродистой стали 20 вначале подвергали механической обработке по шлифующим поверхностям и посадочным отверстиям, затем покрывали слоем никель-фосфор с формированием слоя толщиной 35 мкм, а затем нагревали в вакууме при 980oС в течение 15 мин в засыпке из порошка карбида бора фракции 25 мкм и охлаждали со скоростью 0,2oС/с до 500oС, далее с печью до 100oС и выгрузкой на воздух.

На фиг.2 приведена фрактограмма от рабочей поверхности и микроструктура износостойкого слоя с износостойким равномерным абразивным слоем повышенной износостойкости. В таблице показана последовательность и режимы обработки, а также сравнительные свойства шлифовальных дисков при обработке янтаря.

Износостойкость дисков при скоростном шлифовании природного янтаря при скоростях обработки 3600-4200 мин-1 повысилась в 1,5-1,8 раза в сравнении с прототипом.

Пример 2. Шлифовальные насадные круги диаметром 140 мм с буртиками до 5 мм при общей толщине 10 мм, радиусной канавочной рабочей частью (фиг.16) после механической обработки в окончательные размеры подвергали нанесению слоя покрытия никель-фосфор толщиной 20 мкм с последующим оплавлением в вакууме в засыпке карбида бора фракции 30-50 мкм и регламентированной скоростью охлаждения от температуры 1000oС до 600oС, составившей 1oС/с, далее с печью произвольно. Обработка позволила сформировать износостойкий слой, сопоставимый по свойствам со слоями из синтетических алмазов.

Пример 3. Шлифовальные насадные головки диаметром 11 мм, длиной 85 мм упрочняли с формированием рабочей части по предложенному способу. После токарной обработки в окончательные размеры проводили химическое никель-фосфатирование (химникелирование) с образованием слоя толщиной 30 мкм. Последующую вакуумную обработку с установкой шлифголовок рабочей частью вниз в засыпке из карбида бора фракцией 50 мкм в ячеистые приспособления из термостойкой керамики БГП. После оплавления покрытия при температуре нагрева 1020oС в течение 12 минут проводили охлаждение со скоростью 2oС/с до 550oС, затем с печью произвольно до 80oС, с выгрузкой из вакуумной камеры на воздух.

Обработка позволила получить самоорганизующиеся слои на рабочей поверхности толщиной 540-550 мкм с изменением твердости послойно карбид H0,5H= 2600-3300, твердости переходных зон Н0,5H=1900-2500, твердости обволакивающих фаз Н0,5H=610-780, твердости подслоя Н0,5H=1100-1130, с плавным переходом к основному металлу, имеющему микротвердость Н0,5H=580-630.

Полученный характер формирования слоя и его свойства позволили получить инструмент с характеристиками шлифования в 1,4-1,5 раза выше известного и по износостойкости, классу чистоты шлифуемых поверхностей экранов из пиронитрида бора ПНБ на порядок выше изготовленного по известной технологии. Шлифголовки были универсальны и позволяли шлифовать отверстия в прецизионных сплавах 29НК, высокопрочных сталях типа 25Х17Н4Б. Одновременно обеспечивалась высокая коррозионная стойкость в различных охлаждающих средах и эмульсиях, а также повышенная твердость и прочность крепежной части шлиф-головок.

Похожие патенты RU2213160C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕЛКОРАЗМЕРНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 2001
  • Тарасов А.Н.
  • Тилипалов В.Н.
  • Перетятко С.Б.
  • Шалагинов С.Л.
RU2203982C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ФАСОННОГО ИНСТРУМЕНТА, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ ЯНТАРЯ 1998
  • Тилипалов В.Н.
  • Тарасов А.Н.
  • Макарский В.А.
  • Буторин С.Я.
RU2162780C2
СПОСОБ КАРБОБОРИРОВАНИЯ ПОЛЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ И ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 2004
  • Тарасов Анатолий Николаевич
  • Тилипалов Владимир Николаевич
  • Макарский Валерий Алексеевич
RU2276202C1
СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ РЕЖУЩЕГО И ФОРМООБРАЗУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ ТЕПЛОСТОЙКИХ ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ 2001
  • Тарасов А.Н.
  • Колина Т.П.
  • Евсина Е.Н.
RU2205892C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ВАКУУМНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПАЯНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ МАГНИТОМЯГКИХ ЖЕЛЕЗОКОБАЛЬТОВЫХ СПЛАВОВ 2006
  • Тарасов Анатолий Николаевич
  • Тилипалов Владимир Николаевич
  • Макарский Валерий Алексеевич
RU2314353C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ 2004
  • Тарасов А.Н.
  • Тилипалов В.Н.
  • Панфилов В.А.
RU2256706C1
СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КЛАПАНОВ ИЗ МАГНИТОМЯГКОЙ СТАЛИ 2004
  • Тарасов А.Н.
  • Тилипалов В.Н.
  • Шевченко П.Р.
RU2253692C1
СПОСОБ КАРБОНИТРИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ 2011
  • Колина Тамара Петровна
  • Брюханов Валерий Вениаминович
  • Тарасов Анатолий Николаевич
RU2463381C1
Способ химического никелирования заготовок стоматологических боров 2022
  • Могучева Анна Алексеевна
  • Тагиров Дамир Вагизович
  • Половнева Лилия Васильевна
  • Лудан Марина Юрьевна
  • Чуев Владимир Петрович
  • Казакова Валентина Сергеевна
  • Мишина Наталья Сергеевна
  • Бузов Андрей Анатольевич
RU2805729C1
СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДИФФУЗИОННЫМ НАСЫЩЕНИЕМ 2013
  • Колина Тамара Петровна
  • Тарасов Анатолий Николаевич
  • Колин Антон Дмитриевич
RU2550066C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 213 160 C2

Реферат патента 2003 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ С ФОРМИРОВАНИЕМ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ СЛОЕВ КАРБИДОВ

Изобретение относится к области металлургии, в частности к комплексной химико-термической обработке шлифовального инструмента из сталей. Предложен способ получения режущего инструмента химико-термической обработкой с формированием самоорганизующихся износостойких слоев карбидов, включающий механическую обработку инструмента в окончательные размеры, последующее химическое никелирование путем осаждения слоя фосфористого никеля толщиной 5-35 мкм, термическую обработку с оплавлением покрытия в засыпке порошка карбида бора фракции 25-40 мкм при температуре 960-1050oС в течение 10-20 мин с охлаждением со скоростью 0,2-2,5oС/с до 500-600oС, далее произвольно с печью и последующую выгрузку. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости, прочности, однородности получаемых слоев на шлифовальном и режущем инструменте. 11 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 213 160 C2

1. Способ получения режущего инструмента химико-термической обработкой с формированием самоорганизующихся износостойких слоев карбидов, включающий механическую обработку инструмента в окончательные размеры, последующее химическое никелирование путем осаждения слоя фосфористого никеля, термическую обработку с оплавлением покрытия в присутствии порошка карбида бора и выгрузку, отличающийся тем, что в процессе химического никелирования осаждают слой фосфористого никеля толщиной 5-35 мкм, а термическую обработку с оплавлением покрытия проводят в засыпке абразивного порошка карбида бора фракции 25-40 мкм при температуре 960-1050oС в течение 10-20 мин с охлаждением со скоростью 0,2-2,5oС/с до 500-600oС, далее произвольно с печью. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инструмент по контуру своей верхней и нижней части содержит буртик высотой 0,2-0,3 мм. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для изготовления инструмента используют литейные серые чугуны. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инструмент изготавливают из хромистых сталей с 3-4% хрома с низкой критической скоростью закалки. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термическую обработку осуществляют в вакууме 10-10-2 Па. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термическую обработку проводят на приспособлениях из термостойкой борнитридной керамики. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при термообработке посадочные поверхности инструмента защищают установкой пробок из борнитридной керамики. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инструмент нижней частью соприкасается с крупнозернистым несмачиваемым абразивом. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инструмент верхней и нижней частью соприкасается с одинаковым абразивом разной фракции. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для инструмента используют полосовую сталь 4ХЗМВФ. 11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выгрузку вакуумной печи осуществляют при 150-200oС. 12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время термической обработки используют керамическую оснастку из мягкой, термостойкой керамики БГП, БГП-10.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2003 года RU2213160C2

ТАРАСОВ А.Н
и др
Технология получения износостойких заготовок и деталей с наплавленными самоорганизующимися структурами поверхностных слоев
Технология машиностроения, 2000, №3, с.31-34
Способ поверхностного упрочнения пресс-форм 1976
  • Довнар Станислав Альбертович
  • Григорьев Александр Михайлович
  • Сидор Елена Ивановна
  • Трусов Иван Иванович
SU779442A1
Система водяного отопления для высотных зданий 1975
  • Сканави Александр Николаевич
SU541071A1

RU 2 213 160 C2

Авторы

Тарасов А.Н.

Тилипалов В.Н.

Акимов С.С.

Шалагинов С.Л.

Даты

2003-09-27Публикация

2001-05-04Подача