Способ обработки изделий из твердосплавных композиционных материалов Советский патент 1992 года по МПК B22F3/24 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для повышения эксплуатационной стойкости изделий из твердосплавных композиционных материалов:

I.Для обработки металлов давлением (ОМД),

1.1.фильеры и пресс-штемпели;

1.2.матрицы и пуансоны штампа для разделительных операций ОМД;

1.3.пуансоны, матрицы, прижимы и их секции для формоизменяющих операций ОМД;

1.4.ролики и оправки для ротационной вытяжки;

1.5 инструмент для ППД; 1,6, пресс-формы.

II.Обработка металлов резанием:

11.1.пластины различной формы для оснащения резцов, фрез, сверл и другого режущего инструмента;

11.2.фасонный инструмент - спиральные сверла, зенкеры, развертки, фрезы, плашки, метчики.

III.Инструмент для обработки неметаллических материалов с особыми свойствами:

111.1.лезвийный инструмент для буровых головок;

111.2.стеклорезы;

111.3.дисковые фрезы для обработки дерева.

IV.Пары трения:

IV.1. штока компрессоров высокого давления,

Известен способ поверхностного упрочнения твердосплавного инструмента путем осаждения покрытия методом КИБ

(С.Н.Полевой Упрочнение металлов. М,, 1986, с. 274-277). Недостатки известного способа следующие: малая толщина слоя - 5-20 мкм, что делает невозможным переточку инструмента; вследствие отсутствия переходной.диффузионной зоны покрытие - сердцевина слой легко скалывается в процессе эксплуатации; способ неприменим для крупномасштабного производства.

Известен способ упрочнения изделий из твердых сплавов путем хромотитаниро- вания 1.

Однако известный способ позволяет получать упрочненные слои толщиной 7-15 мкм, что делает невозможным переточку инструмента. В процессе эксплуатации изменяется угол заточки лезвия, что делает инструмент негодным для дальнейшей эксплуатации. Известный способ сложен при обработке крупных партий инструмента, поскольку изделие для обеспечения равномерной диффузии в поверхность надо размещать таким образом, чтобы оно равномерно омывалось реакционной средой. Вследствие этого при реализации известного способа наблюдается значительный разброс свойств в обрабатываемой партии изделий.

Кроме того, известный способ приводит к повышению стойкости не столько за счет создания специальных карбидов, сколько за счет снижения пористости поверхности, образующейся при компактировании изделий из исходной порошковой композиции. Указанная пористость, если ее значение велико, есть следствие несоблюдения технологии компактирования. Изделия, полученные с соблюдением технологии, характеризуются слабой пористостью, Следствием чего будет незначителен и рост эксплуатационной стойкости после хромо- титанирования по сравнению с необработанным инструментом.

Наиболее близким к предложенному является способ получения диффузионных покрытий на твердых сплавах, включающий титанирование при 1000-1030°С в среде че- тыреххлористого углерода при Па. после чего проводят карбонитрацию в атмосфере азота с-добавлением четырех- хлористого углерода при Р 270-300 Па 2,

Известный способ технологически сложен и не обеспечивает технологическую воспроизводимость результата в условиях крупномасштабного производства (по причинам, объясненным ранее), не позволяет получать слои большой глубины (переточка невозможна) и не приводит к значительному повышению эксплуатационной стойкости изделий из твердых сплавов. Кроме

того, известный способ неэкологичен вследствие использования четыреххлористого углерода.

Целью изобретения является повышение эксплуатационной стойкости и технологичности,

Указанная цель достигается за счет того, что упрочнение осуществляют в атмосфере молекулярного азота, находящегося под

0 давлением 15-400 МПа. Температуру процесса выбирают в интервале 700-1200°С. Время обработки - 0,5-3° ч, В принципе, время можно и не ограничивать сверху при необходимости достижения сквозного на5 сыщения инструмента.

С целью дополнительного повышения стойкости в молекулярный азот добавляют аммиак. Его парциальное давление составляет 0,01-2 МПа в процессе обработки, Предложенный способ предназначен

0 для обработки изделий из композиционных твердых сплавов типа В К, ТК, ТТК, Эльборэ и др. Причиной повышения стойкости является, видимо, организация в азотированном слое изделий комплексных карбонитридов

5 высокой стехиометрии (для изделий на основе карбидов) и обеспечение стехиометрии кубического нитрида бора. Аналогичный результат будет и для эльборо- вых композитов и композитных керамик, со0 держащих карбиды и нитриды.

Вследствие того, что величина азотного потенциала задается параметрами - давлением 15-400 МПа (0,01-2 МПа), температурой 700-1200°С, которые одинаковы во всех

5 точках реакционного пространства в течение всего времени выдержки, обеспечивается стабильная и высокая стойкость изделий, обработанных в одной садке. Таким образом, обеспечивается технологиче0 екая воспроизводимость результата. Способ является экологичным, поскольку насыщающий газ можно использовать многократно, а основу его составляет азот, являющийся основной компонентой земной

5 атмосферы.

За счет использования смеси газов, находящихся под высоким давлением, невозможна диссоциация молекул аммиака иначе, чем на поверхности изделия, после

0 чего происходит восстановление (синтез) молекул аммиака благодаря высокому давлению молекулярного азота. Этим обеспечивается высокая насыщающая способность реакционного газа в течение

5 всего времени выдержки, следствием чего будет дополнительное повышение стойкости,

В предложенном способе выдержка при температуре ниже 700°С недостаточна для

активной диффузии азота в глубь изделия, вследствие чего эксплуатационная стойкость была бы ниже требуемой. Выдержка выше 1200°С приводит тоже к падению стойкости.

Упрочнение при давлении молекулярного азота ниже 15 МПа (если смесь, то ниже ,01 МПа) не позволяет достичь необходимой стойкости, и, кроме того, синтез молекул аммиака происходить не будет. Использование Р№ выше 400 МПа не представляется возможным из-за отсутствия промышленного оборудования. При использовании смеси газов с МПа наблюдается снижение стойкости за счет охрупчивания.

Предложенным способом обработаны партии изделий по 100 штук в каждой.

Пример: обработке подвергают следующие изделия из композиционных материалов: стеклорезы (ВКЗ): резцы (ВКЗ-М, Т15К6, ТТК17К12); режущие пластины для сверл, фрез и другого инструмента (ВКб); цельнотвердосплавные мелкоразмерные сверла (ВК10-М); метчики (ВКЗ); фрезы (Т14К8), резцы (ТТ7К12); лезвийный инструмент для буровых головок (ВК8КС), многогранные неперетачиваемые пластины (ВК6-ОМ); фрезы, резцы (Т5К10); дисковые фрезы для обработки дерева (ВК15); фильеры (ВК6-ОМ, ВКЗ-М); резцы (Эльбор).

Изделия помещают в рабочую зону га- зостата, герметизируют камеру и взкууми- руют ее (или продувают азотом). После чего камеру заполняют из баллона молекулярным азотом и повышают его давление посредством компрессора до 15-400 МПа. При работе со смесью газов сначала в камеру через редуктор подают аммиак до получения давления 0,01-2 МПа, после чего камеру подключают к азотной магистрали и повышают компрессором давление газа до требуемого. По достижении давления включают нагревательное устройство и повышают температуру до 700-1200°С, выдерживают при этой температуре и давлении 0.5-3 ч., после чего нагревательное устройство выключают, охлаждают камеру с садкой и разгерметизируют ее.

Упрочненные согласно заявленному способу изделия подвергают натурным стойкостным испытаниям. За оценочный параметр стойкости принимают ее повышение относительно максимальной стойкости изделий, обработанных известным способом. За оценочный параметр технологичности способа (технологической воспроизводимости) берут количество изделий из одной садки (Б %). стойкость которых ниже максимальной.

Проведенные натурные испытания показали, что стойкость изделий, обработанных газотермобзрическим способом в 2,3-8,5 раз выше, чем в случае известного. Кроме того, установлено, что для изделий

сложной формы, как, например, фильер из сплава ВКЗ-М, ВК6-ОМ, с внутренним отверст нем ;/0,1 мм известный способ неприемлем, в то время как предложенный способ позволяет упрочнить поверхность отверстия по всей его глубине без изменения геометрических параметров. Изделия, обработанные газотермобарическим способом, имеют одинаковую стойкость, в то время как в случае известного разброс эксплуатационной стойкости достигает 15-40%. Это свидетельствует о высокой технологичности способа, позволяющей четко воспроизводить требуемый результат.

Предложенный способ не требует тщательной установки изделий при химико-термической обработке - их можно устанавливать с максимальной плотностью упаковки в контейнере или россыпью, что в случае известного способа недопустимо.

Изделия (инструмент), подвергнутые газотермобарической обработке, можно подвергать многократной переточке вследствие большой толщины диффузионного слоя.

Таким образом, предложенный способ газотермобарического легирования весьма перспективен для обработки изделий из твердосплавных композиционных материалов.

Форму л а изобретения

1.Способ обработки изделий из твердосплавных композиционных материалов, включающий химико-термическую обработку в азотсодержащей среде, о т л и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения эксплуатационной стойкости и технологичности процесса, химико-термическую обработку проводят газотермобарическим методом при давлении 15-400 МПа при 700-1200°С,

в течение 0,5-3 ч, а в качестве азотсодержащей среды используют молекулярный азот.

2.Способ поп. 1, отличающийся тем, что в качестве азотсодержащей среды используют смесь молекулярного азота и

аммиака, причем аммиак подают под давлением 0,01-2 МПа.

Область применения: повышение эксплуатационной стойкости изделии из твердосплавных композиционных материалов. Сущность способа: изделия из твердосплавных композиционных материалов, например сверла, резцы, фильеры, подвергают газотермической обработке в атмосфере молекулярного азота, находящегося под давлением 15-400 МПа при температуре 700-1200°С, в течение 0,5-4 ч. Возможна обработка в смеси молекулярного азота и аммиака, который подают под давлением 0,1-2 МПс, 1 з.п. ф-лы,