СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ УПРОЧНЯЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ С АРМИРУЮЩИМ ЭФФЕКТОМ Российский патент 2007 года по МПК C23C28/02 B22D19/08 B23H9/00 

Изобретение относится к методам создания изделий с регламентированными свойствами поверхностного слоя и может быть использовано в машиностроении, в частности, для повышения стойкости прессового инструмента при прессовании профилей из титановых сплавов.

Известно, что одним из основных недостатков процесса прессования является низкая стойкость прессового инструмента, особенно матричного комплекта. В общем случае механизм разрушения достаточно сложен и состоит из процессов интенсивного разупрочнения и вторичной закалки рабочих поверхностей матрицы при температурно-силовом воздействии, на которые могут накладываться разгарные процессы, налипание титана и др.

Негативными причинами, влияющими на стойкость, являются:

- высокая температура прессования (850-1150°С);

- неоднородное температурное поле в очаге деформации вследствие выделения дополнительного тепла, возникающего из-за трения между поверхностью матрицы и прессуемым металлом, которое вызывает температурные напряжения в поверхностных слоях, превосходящие прочностные свойства основного материала инструмента;

- в зоне трения ювенильно-чистые поверхности титана, не защищенные оксидной пленкой TiO₂, контактируют с инструментом, и происходит адгезионное схватывание трущихся материалов;

- налипания титана, окалины и продуктов разложения смазки на матрицу.

Вследствие этих явлений на рабочей поверхности матрицы образуется зона структурных изменений глубиной примерно 600-800 мкм.

Эффективным способом улучшения служебных характеристик инструментальной оснастки из традиционно применяемых сталей является поверхностное упрочнение локальных рабочих участков. Для изготовления прессового инструмента с максимально эффективными поверхностно упрочненными рабочими элементами требуется выполнение общих исходных положений:

- во-первых, выбранный материал и технология упрочнения должны обеспечивать необходимое качество изделия, прежде всего по показателям надежности (в частности, по износостойкости), и успешную его работу в соответствующих условиях эксплуатации;

- во-вторых, необходимо учитывать материалоемкость изделия, стоимость материала и его технологичность, а также дефицитность материала и входящих в него (в частности, в покрытия) компонентов.

Широко известны несколько эффективных методов поверхностного упрочнения высоконагруженных элементов штамповой оснастки, но наибольший интерес представляют способы, с помощью которых имеются реальные возможности образования материалов с наперед заданными свойствами, соответствующими условиям эксплуатации инструмента.

Известен способ упрочнения прессового инструмента, включающий нанесение покрытия и имплантацию положительных ионов азота, или углерода, или бора, в котором перед нанесением покрытия поверхность инструмента подвергают полировке и наклепу, а в качестве покрытия наносят слой окислов родия толщиной, меньшей глубины проникновения ионов (Патент РФ №2070613, МПК С23С 14/48, публ 1996 г. 12.20).

Недостатками данного способа являются малая глубина и неравномерность получаемого упрочненного слоя, неэффективность его применения при длительных и больших нагрузках.

Известен способ электроискрового нанесения покрытий, включающий обработку токопроводящих материалов электрическими разрядами, при котором на рабочий электрод накладывают ультразвуковые колебания и напряжение от генератора эрозирующих импульсов, при этом эрозирующие импульсы накладывают на электрод в периоды генерации ультразвуковых колебаний (Патент РФ №2093323, МПК В23Н 9/00, публ. 1997 г., 10.20).

Предложенный способ нанесения покрытий значительно улучшает эксплуатационные характеристики обработанных деталей, увеличивая срок их службы в 2-3 раза. Производительность нанесения покрытия возрастает в среднем на 20-40% по сравнению с известным способом наложения непрерывных ультразвуковых колебаний.

Недостатками способа являются малая толщина нанесенного слоя и недостаточная сплошность покрытия.

Известна наплавка твердым сплавом для защиты подложки от абразивного истирания и износа, характеризующаяся тем, что она включает в себя металлическую матрицу покрытия, которая имеет участок матрицы и множество покрытых алмазных частиц, расположенных на нем, причем каждая из покрытых алмазных частиц имеет слой покрытия твердым материалом, расположенный на внешней части соответствующей алмазной частицы, с множеством первичных металлургических связей, образованных между внешней частью каждой алмазной частицы и соответствующим слоем твердого материала, при этом покрытые алмазные частицы капсулированы в участке матрицы с множеством вторичных металлургических связей, образованных между соответствующим слоем твердого материала на каждой алмазной частице и участком матрицы, и множество прочных металлургических связей, образованных между участком матрицы и подложкой (Патент РФ №2167262, МПК В23К 35/02, публ. 2001 г., 05.20).

Данный процесс дорогостоящий, требует наличия уникального оборудования и не позволяет получить изделия с точными геометрическими размерами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ наплавки на поверхность детали слоя металла требуемого состава, в частности твердыми сплавами на основе карбидов тугоплавких металлов (А.М.Дальский и др. Технология конструкционных материалов, М.: Машиностроение, 1977 г., стр.342-344) - прототип. Наплавку осуществляют нанесением расплавленного металла на подготовленную поверхность изделия, нагретую до оплавления или до температуры надежного смачивания жидким наплавленным металлом. Наплавленный слой образует одно целое с основным металлом (металлическая связь). При этом, как правило, химический состав наплавленного слоя может значительно отличаться от состава основного металла. Толщина наплавленного металла, образованного одним или несколькими слоями, может быть различной: 0,5...10 мм и более. Наплавки из металлокерамических сплавов обладают повышенной твердостью (HRC составляет 70-80 единиц), износостойкостью и теплостойкостью (Т=800-1000°С).

Недостатками известного способа являются низкая прочность на изгиб и повышенная хрупкость наплавленного слоя, по этим характеристикам они значительно уступают сталям. При прессовании профилей, особенно на рабочей поверхности матрицы, возникают значительные изгибающие напряжения, поэтому здесь быстро образуются сколы, отслоения, трещины.

Задачей настоящего изобретения является повышение пластичности наплавленного слоя при сохранении основных характеристик, присущих металлокерамическим материалам, снижение уровня температурных напряжений в основном металле за счет понижения теплопроводности наплавленного слоя.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является повышение стойкости инструмента, снижение уровня температурных напряжений на основном металле.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе нанесения упрочняющего покрытия, включающем наплавку слоя твердого сплава на материал основы, на наплавленный слой твердого сплава наносят путем электроискрового легирования слой твердого сплава с пластичными компонентами с получением покрытия с армирующим эффектом, при этом наплавленный слой твердого сплава образует армирующую структуру.

Возможно на поверхность полученного покрытия дополнительно наносить слой с повышенными леофобными свойствами.

Процесс нанесения покрытия осуществляется следующим образом.

Наплавку осуществляют нанесением расплавленного металла на поверхность изделия, нагретую до оплавления или до температуры надежного смачивания жидким наплавленным металлом. Наплавленный слой образует одно целое с основным металлом (металлическая связь). Химический состав наплавленного слоя может значительно отличаться от состава основного металла. Толщина наплавленного металла, образованного одним или несколькими слоями, может быть различной: 0,5...10 мм и более. В данном изобретении в качестве материалов для наплавки использовались карбиды вольфрама, хром, стеллит, сормайт и др. На поверхности наплавленного слоя неизбежны в процессе наплавки и работы сколы, отслоения, трещины. Кроме того, на поверхности наплавленного слоя наблюдается пористость. Механической обработкой данные явления не устраняются. Поэтому имеющиеся полости в наплавленном слое заполняют (цементируют) методом электроискрового легирования сплавами, имеющими пластичные компоненты, например сормайтом (железо 55-80%, марганец до 1.5% и никель до 3,5%, хром не менее 15%).

Механизм цементирования наплавленного слоя следующий. При сближении электродов (анода - наносимого материала и катода - обрабатываемой поверхности) происходит увеличение напряженности электрического тока. При некотором расстоянии напряженность становится достаточной для возникновения искрового разряда.

Через канал сквозной проводимости пучок электронов фокусированно ударяется о поверхность анода. Энергия остановленных электронов выделяется в поверхностных слоях анода. Поскольку в этот момент система броском освобождает накопленную энергию, плотности тока значительно превосходят критические значения. В результате от анода отделяется капля расплавленного металла и движется к катоду, опережая движущийся вслед с большой скоростью анод. Капля расплавленного металла в процессе отделения от катода нагревается до высокой температуры, закипает и взрывается.

Так как к этому моменту цепь тока прерывается, исчезают сжимающие усилия электромагнитного поля, частицы расплавленного металла летят широким факелом. Факел частиц, достигнув катода, прилипает и внедряется в его поверхность, цементируя наружный слой наплавленного металла. Вслед за частицами движется электрод, включенный в систему, успевшую вновь накопить энергию, так как источник ее питания продолжал действовать. Поэтому через раскаленные частицы, лежащие на катоде, проходит второй импульс тока, сопровождающийся механическим ударом массы электрода-анода. Второй импульс сваривает частицы между собой и прогревает поверхность катода, на котором они лежат. Происходит диффузия частиц в поверхность катода и химическая реакция между этими частицами и материалом катода. Механический удар проковывает покрытие, увеличивая его однородность и плотность. Затем анод движется вверх, а на катоде остается слой металла, прочно соединенный с его поверхностью.

Для увеличения стойкости инструмента возможно нанесение методом электроискрового легирования второго слоя покрытия материалом, обладающим леофобностью (несмачиваемостью) по отношению к прессуемому материалу.

Пример конкретного выполнения.

Были проведены экспериментальные прессования прутка ⊘152 мм из сплава ВТ6. Прессование проводилось при температуре 930...960°С, давлении прессования 120...160 атм, коэффициенте вытяжки μ=3,4. Матрица была изготовлена из стали 5ХНМ (основной материал). Сравнительным испытаниям были подвергнуты 3 типа матриц, имеющие различные покрытия:

1. Матрица, имеющая покрытие рабочей поверхности, выполненное аналогично прототипу - наплавка твердым сплавом ВЗК толщиной 4...5 мм.

2. Покрытие на второй матрице состояло из наплавленного сплава ВЗК толщиной 4 мм, который был цементирован электроискровым легированием сплавом сормайт толщиной 150...200 мкм.

3. На третью матрицу в дополнении к наплавленному слою сплава ВЗК, цементированному слоем сормайта, был дополнительно нанесен слой сплава ВК8 электроискровым легированием толщиной 50...150 мкм, который имеет повышенную леофобность к титановым сплавам.

Стойкость матриц составила:

- изготовленной в соответствии с прототипом - 15 прессовок;

- матрицы с покрытием, имеющим армирующий эффект, - 30 прессовок;

- матрицы с покрытием, имеющим армирующий эффект, + покрытие с леофобной поверхностью - 80 прессовок.

Увеличение стойкости прессового инструмента обусловлено:

- стойкостью карбидов тугоплавких металлов, которые цементируются пластичными металлами (в приведенном примере железо и никель);

- наличие леофобной поверхности, которая смягчает повышенную адгезию титановых сплавов;

- низкая теплопроводность и значительная толщина наплавленного твердого сплава, снижающая температурные напряжения в основном металле.

Изобретение может быть использовано при создании изделий с регламентированными свойствами поверхностного слоя, в частности для повышения стойкости прессового инструмента при прессовании профилей из титановых сплавов. На материал основы наплавляют слой твердого сплава, который образует армирующую структуру. На наплавленный слой твердого сплава наносят путем электроискрового легирования слой твердого сплава с пластичными компонентами с получением покрытия с армирующим эффектом. На поверхность полученного покрытия дополнительно наносят слой с повышенными леофобными свойствами. Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является повышение стойкости детали с покрытием и снижение уровня напряжений основного металла. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ нанесения упрочняющего покрытия, включающий наплавку слоя твердого сплава на материал основы, отличающийся тем, что на наплавленный слой твердого сплава наносят путем электроискрового легирования слой твердого сплава с пластичными компонентами с получением покрытия с армирующим эффектом, при этом наплавленный слой твердого сплава образует армирующую структуру.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхность полученного покрытия дополнительно наносят слой с повышенными леофобными свойствами.