Способ получения электродов для электроискрового легирования на основе композиционного материала TiB-CoB Российский патент 2022 года по МПК B22F3/23 C22C29/14 B22F3/20 B23K35/22 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения электродов для электроискрового легирования. Может применяться в широком спектре отраслей промышленности для нанесения твердых и износостойких защитных покрытий на детали машин различного функционального назначения.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей способа, повышение производительности получения электродов, повышение механических свойств электродов.

Известен способ [RU 74844 U1, В23Н 7/00] получения полого электрода для электроискрового легирования из сплава содержащего, мас.%: никель 25-45; бор 10-15; углерод 0,08-0,20; диборид титана - остальное. Диборид титана выступает в качестве основного компонента, повышающего твердость и износостойкость. Способ получения электрода заключается в смешении шихтовой смеси, и дальнейшего ее помещения в неэлектропроводящую пресс - форму. Форма помещается в рабочую камеру машины конденсаторной сварки, где проводится одновременное прессование и спекание шихты при температуре 1100-1350°С, давлении 0,15-0,20 ГПа, в течение 3-5 сек. Недостатком данного способа является ограничение возможности увеличения доли содержания в материале электрода твердого износостойкого компонента, в данном случае TiB₂.

Известен способ [RU 2013186C1, B22F 3/20, С22С 1/04] изготовления длинномерных изделий из экзотермической смеси порошков по меньшей мере одного металла и одного неметалла С, В, Si, позволяющий обеспечить необходимые условия для формирования конечной структуры многофазных композиционных материалов, экструдирование их с наименьшими энергосиловыми параметрами при сохранении высокого качества изделий. Обработка продуктов синтеза внешним давлением 0,01-0,5 МПа позволяет регулировать пористость образца. Выдавливание материала осуществляется в теплоизолированный направляющий калибр, расположенный внутри пуансона. Недостатком является пониженная твердость матрицы электрода в виде моносвязки на основе кобальта (650-900 HV).

Известны традиционные способы получения компактных материалов марки СТИМ (синтетические твердые инструментальные материалы) методом СВС-прессования (RU 2367541 C1, B22F 3/23, С22С 1/04, 20.09.2009 г.; RU 2060866 C1, B22F 3/23, B22F 3/14, 27.05.1996 г.). Эти способы получения изделий из порошковых материалов включают приготовление экзотермической смеси порошка, прессование смеси в брикет, размещение его в теплоизолирующей пористой оболочке и в матрице, инициирование реакции горения и горячее прессование продуктов синтеза. В качестве исходных порошковых реагентов применяется титан, сажа, бор, никель и другие. Недостатками данных технических решений являются сложность используемого оборудования, отсутствие возможности получения длинномерных цилиндрических изделий диаметрами 1-10 мм, которые используются в качестве электродов для ЭИЛ.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения магнитно-абразивного порошка [RU 2678858, B22F 9/16, B22F 3/23, С22С 1/04, 04.02.2019 г.], включающий смешивание компонентов вещества, образующего тугоплавкие соединения с титаном, в исходную шихту дополнительно вводят порошок кобальта в следующем соотношении, мас.%: 13,8-27,6 (Ti) - 55,2-73,6 (Со) - 12,6-17,2 (В). При этом получение порошка проводят в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. К недостаткам такого способа следует отнести необходимость дальнейшего дополнительного нагрева и длительного спекания синтезированного материала под высоким давлением и температуре для получения компактного электрода с заданными значениями плотности (98-99%), что снижает производительность и энергоэффективность процесса.

Техническим результатом предлагаемого способа является улучшение эксплуатационных характеристик электродов, повышение производительности процесса изготовления электродов.

Технический результат достигается тем, что способ получения электрода для электроискрового легирования на основе композиционного материала TiB₂-Co₂B включает приготовление экзотермической смеси порошковых компонентов, прессование полученной смеси в цилиндрические заготовки и инициирование реакции горения в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, при этом готовят экзотермическую смесь, содержащую 13,8-27,6 мас.% титана, 55,2-73,6 мас.% кобальта и 12,6-17,2 мас.% бора, прессуют цилиндрические заготовки с относительной плотностью 0,45-0,8, а полученные в результате реакции горения продукты горения экструдируют через формующую матрицу диаметром 1-5 мм с формированием электрода.

Сущность предложенного способа заключается в применении исходных порошковых компонентов титана, кобальта и бора, которые смешивают, прессуют в заготовки с относительной плотностью 0,45-0,8. При значениях <0,45 шихтовые заготовки не сохраняют форму компакта. Если значение относительной плотности превышает 0,8, то дальнейшее воспламенение заготовки затруднено. Полученную заготовку помещают в пресс-форму, инициируют реакцию в режиме СВС и экструдируют через формующую матрицу диаметром 1-5 мм. При использовании матрицы диаметром менее 1 мм происходит ее быстрая закупорка и процесс экструзии имеет неустойчивый характер, а использование матрицы диаметром более 5 мм нецелесообразно при получении электродов для электроискрового легирования.

За счет сдвиговых напряжений при экструдировании образуют компактный электрод (с пористостью менее 2%), который состоит из композиционного материала на основе диборида титана (20-40 мас.%) и матрицы из борида кобальта (60-80 мас.%). Титан вступает в реакцию с бором и образует упрочняющие частицы диборида титана (твердость 3000 HV). При этом кобальт также вступает в химическое взаимодействие с бором и является матрицей в композиционном материале, которая обеспечивает пластичные свойства при высоких температурах экструдирования, а также имеет повышенную твердость (1145 HV) по сравнению с ранее известными электродными материалами, содержащими кобальт в виде моносвязки (650-900 HV). Повышенная твердость разрабатываемого электрода по данному изобретению способствует повышению износостойкости покрытий, полученных методом электроискрового легирования. Согласно прототипу возможно получение порошкового материала, который в дальнейшем необходимо подвергнуть высокотемпературному нагреву и дополнительным технологическим операциям: длительному спеканию под давлением (2-3 ч) и температурой для получения компактного материала с остаточной пористостью 4-5%, а также эрозионной или механической разрезке на электроды (0,5-1 ч). За счет повышенной пористости материала, полученного согласно прототипу, его твердость ниже, чем у материала, который получают по данному способу (табл. 1).

Таким образом, настоящее изобретение позволяет получать компактные электроды с повышенной твердостью за счет подбора исходного состава, сочетания метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и сдвигового высокотемпературного деформирования продуктов горения при экструзии за десятки секунд в одну технологическую стадию, без необходимости применения дополнительных высоких энергозатрат, а производительность процесса синтеза повышается за счет снижения времени синтеза материала до 5,7 раз по сравнению с прототипом.

Сущность предлагаемого изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Приготавливают экзотермическую смесь, состоящую из 13,8 мас.% титана, 73,6 мас.% кобальта, 12,6 мас.% бора. Шихтовую смесь прессуют в цилиндрические заготовки диаметром 30 мм с относительной плотностью 0,45. Далее инициируют реакцию горения в режиме СВС и экструдируют продукты горения через формующую матрицу диаметром 1 мм. В результате получают электрод длиной 210 мм из композиционного материала 20 мас.% TiB₂ - 80 мас.% Со₂В, твердостью 1590 HV (табл. 1), которая выше чем для образцов, полученных по прототипу в совмещении с горячим прессовании в 1,1 раз.

Пример 2. В условиях примера 1, отличающийся тем, что приготавливают экзотермическую смесь в соотношении мас.%: 20,7 титана - 64,4 кобальта - 14,9 бора. Шихтовую смесь прессуют в цилиндрические заготовки с относительной плотностью 0,63. Инициируют реакцию горения в режиме СВС и экструдируют продукты горения через формующую матрицу диаметром 3 мм. В результате получают электрод длиной 140 мм на основе композиционного материала мас.%: 30 (TiB₂) - 70 (Co₂B) с твердостью 1645 HV (табл. 1), которая выше чем для образцов, полученных по прототипу в совмещении с горячим прессовании в 1,2-1,3 раза.

Пример 3. В условиях примера 1, отличающийся тем, что приготавливают экзотермическую смесь в соотношении мас.%: 27,6 титана - 55,2 кобальта - 17,2 бора. Шихтовую смесь прессуют в цилиндрические заготовки с относительной плотностью 0,8. Инициируют реакцию горения в режиме СВС и экструдируют продукты горения через формующую матрицу диаметром 5 мм. В результате получают электрод длиной 90 мм на основе композиционного материала мас.%: 40 (TiB₂) - 60 (Со₂В) с твердостью 1740 HV (табл. 1), которая выше чем для образцов, полученных по прототипу в совмещении с горячим прессовании в 1,2-1,4 раза.

Характеристики технологических процессов, получаемых материалов и изделий представлены в таблице

Таким образом, предлагаемая совокупность признаков изобретения позволяет получать электроды для электроискрового легирования в одну технологическую стадию за десятки секунд. Полученные электроды могут быть использованы в широком спектре отраслей промышленности для нанесения твердых защитных деталей машин различного функционального назначения.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения электродов для электроискрового легирования. Может применяться в различных отраслях промышленности для нанесения твердых и износостойких защитных покрытий на детали машин различного функционального назначения. Для изготовления электрода на основе композиционного материала TiB₂-Co₂B готовят экзотермическую смесь, содержащую 13,8-27,6 мас.% титана, 55,2-73,6 мас.% кобальта и 12,6-17,2 мас.% бора, и прессуют цилиндрические заготовки с относительной плотностью 0,45-0,8. Полученные в результате реакции горения продукты горения экструдируют через формующую матрицу диаметром 1-5 мм с формированием электрода. Обеспечивается получение электродов с высокими эксплуатационными характеристиками. 1 табл., 3 пр.

Способ получения электрода для электроискрового легирования на основе композиционного материала TiB₂-Co₂B, включающий приготовление экзотермической смеси порошковых компонентов, прессование полученной смеси в цилиндрические заготовки и инициирование реакции горения в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, отличающийся тем, что готовят экзотермическую смесь, содержащую 13,8-27,6 мас.% титана, 55,2-73,6 мас.% кобальта и 12,6-17,2 мас.% бора, прессуют цилиндрические заготовки с относительной плотностью 0,45-0,8, а полученные в результате реакции горения продукты горения экструдируют через формующую матрицу диаметром 1-5 мм с формированием электрода.