СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ТВЕРДОГО СПЛАВА С ЛИТОЙ ОСНОВОЙ ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2004 года по МПК B23K1/00 B22D19/06 

Предлагаемое изобретение относится к области создания неразъемных соединений металлических материалов в машиностроении, в частности к области литья и пайки в инструментальном производстве и может быть использовано при изготовлении инструмента для горнодобывающей и металлообрабатывающей отраслей промышленности.

Известен способ соединения твердого сплава с литой основой инструмента, описанный в а.с. №565775. По данному способу на поверхности твердого сплава наносят слой защитного покрытия и припоя, после чего твердый сплав устанавливают в литейную форму, подогревают вместе с формой до 800...1100°С при одновременной подаче в ее полость защитной газовой среды, поддерживая подачу среды вплоть до заливки формы металлическим расплавом основы инструмента.

Данный способ имеет два недостатка. Один из недостатков заключается в том, что для осуществления способа необходимо применение защитной газовой среды, принудительно подаваемой в полость литейной формы, а также совмещение этого процесса с одновременным подогревом формы перед заливкой. Подобная необходимость снижает технологичность процесса получения соединения с помощью данного способа.

Другим недостатком способа, который следует считать достаточно серьезным, является весьма высокая температура верхнего интервала подогрева литейной формы с твердым сплавом перед заливкой расплавом основы инструмента - 1100°С.

С одной стороны в этом случае достаточно быстро достигается непосредственный физический контакт расплава с поверхностью твердого сплава, характеризующийся весьма активным диффузионным взаимодействием материалов на границе контакта, что обеспечивает получение надежного соединения твердого сплава с затвердевающей основой инструмента. (Следует заметить, что исходя из здравого смысла по выбору материала для основы инструмента, температура расплава последнего должна быть более высокой, чем рассматриваемая граница, в результате чего твердый сплав будет дополнительно нагреваться теплом расплава с превышением данной границы).

С другой стороны в рассматриваемом случае негативное влияние оказывает время пребывания твердого сплава при столь высокой температуре, которая может быть существенно превышена в силу технологических обстоятельств, например, при выборе в качестве материала основы инструмента конструкционной стали, имеющей температуру начала затвердевания ~1500°С (например, по патенту РФ №2096128). В результате этого твердый сплав, будучи нагретым до рассматриваемой температурной границы и претерпевшим при этом некоторые структурные изменения (обратимого характера для медленного нагрева и медленного охлаждения), будет претерпевать их и далее (с наложение структурных изменений необратимого характера). Конкретно, в металлической связующей твердого сплава и на ее границах с карбидной фазой будут происходить процессы растворения ультрамелких карбидов, а также процессы коагуляции и укрупнения мелких и средних карбидов в карбидной фазе, что в итоге приведет к снижению твердости и прочности твердого сплава и, следовательно, к снижению качества полученного соединения, а в итоге - к снижению его эксплуатационной надежности.

Кроме того известен способ соединения твердого сплава с литой основой инструмента, описанный в а.с. №165059 и являющейся прототипом предлагаемого изобретения. По данному способу твердый сплав размещают на внутренней поверхности литейной формы, вместе с которой подогревают до 800...900°С и заливают расплавом чугуна, контактирующим с твердым сплавом и формирующим основу инструмента. При этом в процессе подогрева внутри формы образуется защитная газовая среда от выгорания остатков парафино-стеариновой массы выплавленной модели, что обеспечивает создание благоприятных условий для протекания взаимодиффузионных процессов на границе контакта твердого сплава и расплава чугуна.

При выполнении способа по прототипу заливаемый в форму расплав чугуна выполняет двоякую роль. С одной стороны - роль припоя для твердого сплава благодаря способности смачивать, а также диффузионно взаимодействовать с поверхностью твердого сплава, с другой стороны - роль металлической основы твердосплавного инструмента. В качестве флюса в данном случае, как было отмечено выше, выступают газообразные продукты выгорания остатков парафино-стеариновой массы модели.

Однако данный способ, являясь более технологичным за счет простоты осуществления, имеет и недостатки, а именно: 1. нерегулируемость времени существования защитной газовой среды, образующейся в полости литейной формы на этапе “подогрев формы - заливка”;

2. проявление эффекта “намораживания” чугуна на поверхности твердого сплава после первичного контакта массы расплава чугуна с массой твердого сплава; это исключает достижение непосредственного физического контакта расплава чугуна с поверхностью твердого сплава и проявление свойств чугуна, характеризующих его как припой.

Указанные недостатки затрудняют получение надежного соединения твердого сплава с основой инструмента.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа соединения твердого сплава с литой основой инструмента, обеспечивающего повышение надежности соединения твердого сплава с основой инструмента без снижения твердости и прочности твердого сплава при сохранении технологичности процесса получения соединения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе соединения твердого сплава с литой основой инструмента твердый сплав размещают на внутренней поверхности литейной формы, подогревают вместе с формой при образовании защитной газовой среды и заливают форму расплавом чугуна, контактирующим с твердым сплавом и формирующим после затвердевания основу инструмента. При этом перед размещением твердого сплава в литейной форме на его поверхность, обращенную в полость формы, предварительно наносят слой экзотермического флюса, а подогрев формы с твердым сплавом проводят до 650...750°С. При заливке формы расплав чугуна контактирует с твердым сплавом через слой флюса, который обеспечивает активное диффузионное взаимодействие твердого сплава с чугуном в зоне контакта.

Предложенный способ осуществляется следующим образом (на примере использования твердого сплава, имеющего форму пластинки).

На одну из поверхностей твердосплавной пластинки наносят слой экзотермического флюса, после чего пластинку размещают в пресс-форме для изготовления модели основы инструмента из парафино-стеариновой смеси. На внутренней поверхности пресс-формы для этой цели предусматривают наличие специальной ниши, в которую пластинку вставляют таким образом, чтобы нанесенный слой флюса был обращен в полость пресс-формы. После этого пресс-форму заполняют парафино-стеариновой смесью, формирующей модель основы инструмента, составной частью которой впоследствии становится твердосплавная пластинка.

В дальнейшем на поверхности изготовленной модели получают керамическую оболочку литейной формы, из которой модель выплавляют, а твердосплавная пластинка остается внутри формы вместе с остатками парафино-стеариновой массы и становится частью литейной формы. Изготовленную подобным образом литейную форму подогревают перед заливкой до 650...750°С, совмещая данный процесс с ее прокаливанием, в результате чего в полости формы образуется защитная газовая среда от выгорания остатков парафино-стеариновой массы. После этого форму заливают расплавом чугуна, выполняющим с одной стороны - роль припоя в зоне контакта с твердым сплавом, с другой стороны - роль основы инструмента после затвердевания его общей массы.

Учитывая вышеизложенное, при осуществление предлагаемого способа необходимо: 1. подогревать форму с твердым сплавом до 650...750°С; 2. перед размещением твердого сплава в форме наносить на его поверхность, обращенную в полость формы, слой экзотермического флюса.

Указанный выше температурный интервал подогрева формы выбран из необходимости учета следующих обстоятельств: а) при температурах данного интервала выгорание остатков парафино-стеариновой массы внутри формы будет происходить медленнее, чем по прототипу, но без существенных образований сажистых налетов (сажистого углерода) на ее внутренней поверхности, что позволяет увеличить время действия защитной газовой среды; б) время пребывания твердого сплава при температурах данного интервала (при условии поверхностной защиты) не оказывает влияния на конечные свойства твердого сплава, главными из которых являются твердость и прочность; повышение же температуры приводит ко все более заметному проявлению негативного влияния в этом отношении фактора времени, которое при температурах, близких к температуре плавления чугуна, становится превалирующим (по данным ВНИИТСа, ВНИИ Инструмента и других авторитетных источников); особо следует отметить тот факт, что выбранный температурный интервал не должен соприкасаться с интервалом “провала” прочности нагретого твердого сплава, который следует проходить медленно как при нагреве, так и при охлаждении; по всей вероятности, проявление “провала” связано с полиморфным превращением в легированной кобальтовой фазе твердого сплава и отмечается в зависимости от марки твердого сплава (для распространенных групп ВК и ТК) в интервале 400...600°С; в) после заливки литейной формы, подогретой вместе с твердым сплавом до температур данного интервала, расплав чугуна, контактируя с внутренней поверхностью формы, затвердевает значительно раньше в зоне расположения твердого сплава и образует устойчивую корку (“намороженный” слой), что следует допустить из следующих соображений; с одной стороны - затвердевший слой чугуна являясь своеобразной тепловой защитой для твердого сплава, способствует более плавному дополнительному подогреву последнего за счет тепла сохраняющегося расплава чугуна, с другой стороны - при некоторой температуре подогрева на поверхности твердого сплава активизируется слой экзотермического флюса с выделением дополнительного тепла за счет экзотермических реакций, в результате чего приграничный слой затвердевшего чугуна (корки) подплавляется и достигается временный физический контакт полученного расплава с поверхностью твердого сплава (здесь следует заметить, что при отработке технологии изготовления паяного твердосплавного инструмента с использованием в качестве припоя чугуна по патенту РФ №2076795, время существования припоя в расплавленном состоянии составляло 5...7 с); достигаемая температура и время ее действия для экзотермических флюсов могут быть регулируемыми их составом и количеством составляющих, что общеизвестно; г) в виду совмещения процесса подогрева твердого сплава с прокалкой литейной формы при выбранном температурном интервале, следует рассмотреть данный вопрос обстоятельнее; главными качествами литейной формы, обеспечивающими ее служебные свойства, являются огнеупорность, сочетающаяся с определенной газопроницаемостью, и прочность для удержания массы металлического расплава в пространстве; огнеупорность и газопроницаемость формы достигаются практически полностью уже при подогреве ее до 500...600°С, когда выгорает (или необратимо разлагается) органическая составляющая гидролизованного этилсиликата (C₂H₅O)Si·nH₂O, склеивавшая ранее частицы кварц-маршалита, а гидратная и химически связанная вода удаляются еще ранее (до 500°С); прочность же формы обеспечивается условиями подготовки ее к заливке - установкой в ящик-опоку с засыпкой смесью кварцевого песка и шамотной крошки (к этому следует добавить, что рекомендуемые в технической литературе температуры прокаливания литейных форм перед заливкой металлическим расплавом основы инструмента, укладывающиеся в интервал 800...1100°С, продиктованы, видимо, необходимостью учета тех или иных технологических обстоятельств).

Указанное ранее технологическое действие по осуществлению предлагаемого способа соединения твердого сплава с литой основой инструмента, заключающееся в предварительном нанесении на поверхность твердого сплава слоя экзотермического флюса, не требует никакой предварительной подготовки поверхности твердого сплава. Это объясняется достаточной технологичностью чугуна как припоя, способного, как отмечалось выше, смачивать и диффузионно взаимодействовать с поверхностью твердого сплава (а также со стальной поверхностью, если иметь ввиду технологию изготовления паяного твердосплавного инструмента). К отмеченному ранее по поводу отработки технологии изготовления паяного твердосплавного инструмента следует добавить, что наличие на стальной поверхности жировых пленок, следов коррозии или окисных пленок после наждачной зачистки (прижогов) не оказывает влияния на качество соединения стали с твердым сплавом с помощью слоя чугуна. Многолетние исследования чугуна как материала для использования в качестве припоя приводят к выводу, что расплав чугуна в некоторой степени обладает и свойствами флюса, так как способен не только смачивать и диффузионно взаимодействовать с поверхностями сталей и твердых сплавов, содержащих металлическую составляющую, но и реагировать с различными веществами на их поверхности, избирательно поглощая продукты реакций.

Подобного поведения расплава чугуна следует ожидать и при протекании реакций разложения нанесенного на твердый сплав слоя экзотермического флюса, который до разложения выполняет роль защитного покрытия для твердого сплава ввиду сохраняющейся ограниченности времени действия защитной газовой среды, образующейся при подогреве формы в результате выгорания остатков парафино-стеариновой массы выплавленной модели.

Таким образом, при осуществлении предлагаемого способа после заливки формы расплавом чугуна в зоне контакта чугуна с твердым сплавом создаются условия, характерные для пайки - наличие устойчивой корки затвердевшего чугуна в зоне расположения твердого сплава, подогрев зоны теплом основной массы расплава чугуна до температуры активизации флюса с дальнейшим подогревом теплом экзотермических реакций, в результате чего происходит подплавление корки чугуна и достигается кратковременный физический контакт чугуна с твердым сплавом. Это обеспечивает активное диффузионное взаимодействие твердого сплава с чугуном в зоне их контакта, что способствует с одной стороны - повышению качества формирующегося соединения, с другой стороны - исключению негативного влияния температурно-временного фактора на твердость и прочность твердого сплава, а в целом - повышению надежности соединения без существенных технологических изменений процесса получения последнего.

Учитывая вышеизложенное, следует сделать вывод, что предлагаемый способ позволяет повысить надежность соединения твердого сплава с литой основой инструмента без снижения твердости и прочности твердого сплава при сохранении технологичности процесса получения соединения.

Изобретение может быть использовано при изготовлении инструмента для горнодобывающей и металлообрабатывающей отраслей промышленности. Твердый сплав размещают на внутренней поверхности литейной формы и подогревают вместе с формой до 650...750°С при образовании защитной газовой среды. Затем заливают форму расплавом чугуна, контактирующим с твердым сплавом и формирующим после затвердевания основу инструмента. На поверхность твердого сплава, обращенную в полость формы, предварительно наносят слой экзотермического флюса для обеспечения активного диффузионного взаимодействия твердого сплава с чугуном в зоне контакта. Способ позволяет повысить надежность соединения без снижения твердости и прочности твердого сплава.

Способ соединения твердого сплава с литой основой инструмента, заключающийся в том, что твердый сплав размещают на внутренней поверхности литейной формы, подогревают вместе с формой при образовании защитной газовой среды и заливают форму расплавом чугуна, контактирующим с твердым сплавом и формирующим после затвердевания основу инструмента, отличающийся тем, что подогрев осуществляют до 650...750°С, а на поверхность твердого сплава, обращенную в полость формы, предварительно наносят слой экзотермического флюса для обеспечения активного диффузионного взаимодействия твердого сплава с чугуном в зоне контакта.