Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ МАТРИЧНЫХ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ МАТРИЧНЫХ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ МАТРИЧНЫХ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления режущего инструмента. В шихту вводят активаторы в количестве 0,5-3% от веса изделия, размещают шихту в закрытой пресс-форме, прессуют, спекают изделия одновременно с химико-термической обработкой в порошковых насыщающих смесях с последующим высокими отпуском, при этом на внутреннюю поверхность пресс-формы наносят слой пасты, содержащей 30-50% карбамида, остальное - декстрин, а в шихту вводят насыщающие реагенты в виде комплексной присадки, содержащей, мас.%: сажа 8,0-10,0, карбамид 0,5-3,0, молибден 5,0-10,0, ванадий, бор и титан по 3,0-5,0, стеарат цинка 0,2-0,6. Высокий отпуск выполняют в условиях низкочастотного акустического воздействия. Технический результат заключается в улучшении теплостойкости, шлифуемости и режущих свойств материала. 1 з.п. ф-лы, 6 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2185263
Класс(ы) патента: B22F3/24
Номер заявки: 2001118916/02
Дата подачи заявки: 09.07.2001
Дата публикации: 20.07.2002
Заявитель(и): Открытое акционерное общество "Центральный научно- исследовательский технологический институт"
Автор(ы): Ушаков Ю.С.; Кудинов А.А.; Князев И.М.; Третьякова Е.С.; Козлова Г.А.
Патентообладатель(и): Открытое акционерное общество "Центральный научно- исследовательский технологический институт"
Описание изобретения: Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления режущего инструмента, отличающегося повышенными физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.
Известен способ изготовления изделий из порошков быстрорежущих сталей, заключающийся в нагреве и выдержке обработанного изделия контактным способом в смесях порошков в закрытой пресс-форме (А.С. СССР 1537706, М.кл5 С 22 С 33/02, В 22 F 3/10, 1987 г.).
Недостатки известного способа заключаются в том, что легирующие элементы проникают в уже спеченный в виде пластинки материал на меньшую глубину, чем углерод, из-за чего удается получить только узкие участки материала с требуемыми свойствами, после закалки сердцевина материала отличается пониженной твердостью и теплостойкостью при весьма значительной длительности обработки (до нескольких часов).
Известен принятый нами в качестве прототипа способ получения металлокерамических изделий на основе железа, включающий прессование шихты, в которую предварительно вводят активатор (хлористый аммоний) в количестве 0,5-3,0% от веса изделия и подвергают прессованию, а затем проводят одновременно со спеканием изделий химико-термическую обработку в насыщающей смеси, состоящей только из порошка легирующих элементов или их сплавов (А.с. СССР 818749, M.кл.3 B 22 F 3/12, 1976 г.).
Недостатки прототипа заключаются в следующем.
Используемая насыщающая смесь не обладает достаточной диффузионной подвижностью для придания материалу требуемых свойств, так как диффундирует в уже сформированную структуру материала, карбидная фаза практически не участвует в последующей термообработке (соединения типа МС и MzC практически не растворяются при нагреве под закалку), что резко ухудшает такие технологические свойства, как шлифуемость и теплостойкость, традиционные операции закалки и отпуска по прототипу не обеспечивают достаточного распада α-твердых растворов и эффективное выделение упрочняющей фазы.
Задачей настоящего изобретения является улучшение теплостойкости, шлифуемости и режущих свойств материала.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе изготовления металлокерамических изделий на основе матричной быстрорежущей стали посредством прессования шихты и спекания изделий одновременно с химико-термической обработкой в порошковых насыщающих смесях, перед прессованием на внутреннюю поверхность пресс-формы наносят слой пасты, содержащей 30-50% карбамида, остальное - декстрин, насыщающие реагенты вводят в шихту в виде комплексной присадки, содержащей, мас.%: сажа 8,0-10,0; карбамида стеарат цинка 0,2-0,6, а после химико-термической обработки проводят высокий отпуск. Высокий отпуск проводят в условиях низкочастотного акустического воздействия по режиму, приведенному в табл. 1 А.
Указанный состав насыщающих элементов является сбалансированным в части образования твердых и упрочняющих фаз. Значительно большая доля сажи, обеспечивающей образование углеродистых твердых растворов и упрочняющих фаз типа карбидов и карбонитридов по сравнению с аналогами, обусловлена использованием в качестве наполнителя матричной быстрорежущей стали с пониженным содержанием углерода и введением карбидообразующих компонентов - бора и титана.
Ванадий обеспечивает образование карбидов VC и, что особенно важно, входит в состав твердых растворов и легирует сложные карбиды типа MgC.
Бор и титан обеспечивают формирование боридов и диборидов титана, специальных карбидов и лигированных нитридов и карбонитридов.
Карбамид способствует образованию карбонитридной фазы и азотистых (углеродистых) твердых растворов: в процессе разложения создает защитную среду, через которую протекают все реакции (диффузионные процессы) образования твердых растворов и упрочняющих фаз.
Наполнитель (основа) шихты - матричная быстрорежущая сталь (с содержанием углерода 0,1-0,2 вес.%) - обеспечивает формирование в металлокерамическом изделии мелкозернистой структуры с равномерным распределением высокодисперсной упрочняющей фазы (карбидов, карбонитридов, нитридов, боридов).
Состав предлагаемого материала способен упрочняться в результате высокотемпературной закалки и последующего высокого отпуска за счет перераспределения углерода и легирующих элементов между твердым раствором и карбидной фазой (объемное, комбинированное, диффузионно-деформационно-дисперсное упрочнение). При этом технологические и механические свойства получаемого материала соответствуют быстрорежущим сталям, а режущая стойкость находится на уровне металлокерамических твердых сплавов типа ВК и ТК.
Рекомендуется высокий отпуск проводить в условиях низкочастотного акустического воздействия со следующими параметрами:
Акустический излучатель, тип - ИС-3,5
Мощность, кВт - 2-2,5
Частота, Гц - 3500
Звуковое давление, дБ - 140-160
Давление в сети сжатого воздуха, атм - 4-6
Расход сжатого воздуха, м3/ч - 1000-1500
Направленность излучения, тип - Эпюра с главным лепестком
Низкочастотное акустическое воздействие усиливает протекание диффузионных процессов и фазовых превращений, интенсифицирует перераспределение углерода и легирующих элементов между твердым раствором, карбидами, нитридами и боридами, повышает эффект дисперсионного твердения, увеличивает плотность материала, измельчает структуру и крупные карбидные частицы, что приводит к улучшению механических и эксплуатационных характеристик изделий.
Математическая трактовка соответствующих физических механизмов может быть представлена следующим образом.
Вариант механического воздействия
При длине волны λ>>r0, где r0 - радиус цилиндра (изделия), звуковое давление на уровне 140-160 дБ и модуле всестороннего сжатия 1012 дин/см2 приводит к деформациям порядка 10-9. Такой уровень деформации не может привести к сколько-нибудь заметным фазовым или структурным изменениям.
Термоакустический механизм воздействия наиболее эффективен при больших разностях температур отпускаемого изделия и обтекающего воздуха. В пульсирующем потоке коэффициент теплоотдачи модулируется с частотой звука, что приводит к генерации в изделии тепловой волны с отрицательной амплитудой на поверхности. Глубина проникновения такой волны где х - коэф. теплопроводности; ρ - плотность; С - теплоемкость.
Для металлокерамики глубина проникновения тепловой волны на частоте 1 кГц примерно равна 0,3 мм. Эта волна не успевает компенсироваться притоком тепла из центральной части материала, так как характерное время выравнивания температуры τ = r20/f, где f - коэф. температуропроводности f = x/ρCp; и при г0=1 см г=2,81 с>>1/f. Понижение температуры в приповерхностном слое с амплитудой δT приводит к радиальным тепловым деформациям сжатия (если изделие цилиндрической формы) εт = βδT. Следует заметить, что β слабо зависит от температуры и на малых интервалах его можно считать постоянным.
Оценку δT можно провести следующим образом.
Пульсирующий поток вызывает модуляцию коэф. теплопередачи α = α0(1+γCosωt). При этом уравнение для изменения средней температуры ξ на глубине тепловой волны при условии отсутствия притока тепла из центральной части изделия может быть записано следующим образом:

где τ0 = εCρV/αs - время тепловой релаксации приповерхностного слоя в отсутствии звука в постоянном потоке V=YS. Решение dξ/dt при t=0 обращается в ξ0 - начальную разность средней температуры теплового слоя и обтекающего воздуха:

Поскольку δT - изменение ξ за половину периода звука, то

Считая показатель экспоненты в последнем уравнении малым, формулируем:

Известно, что коэф. теплоотдачи α, обусловленный теплопроводностью стационарно движущегося потока газа, определяется числом Нуссельта Nu = αD/x1, где D=2r0, х1 - теплопроводность воздуха.
Число Нуссельта зависит от чисел Рейнольдса и Прандля: Nu=F (Re, Рn). При обтекании цилиндра воздухом средний по поверхности коэффициент теплопередачи
Оценка коэф. модуляции где Remax и Remin определяются естественной конвекцией в отсутствии потока.
Оценим модуляцию температуры δT для характерной скорости 2 м/с и начальной разности температур около 550oС. При таких значениях и оценочном коэф. модуляции теплоотдачи
;
δT = 2°C.
При отмеченной модуляции температуры приповерхностного слоя тепловые радиальные деформации будут:
εт = βδT = 4•10-5
Данные деформации на четыре порядка выше механических деформаций, создаваемых звуком. При подобных деформациях согласно литературным данным могут быть развиты механизмы амплитудно-зависимого трения, обусловленного движением дислокаций.
На основании вышеизложенного можно заключить: 1) при высоком отпуске металлокерамических изделий в условиях низкочастотного акустического воздействия постоянный поток имеет пульсирующий характер с крупномасштабными вихрями; 2) при выполнении отпуска на фоне значительных разностей температур нагретого изделия и обтекающего его воздуха возможна нелинейность закона теплоотдачи, способствующая увеличению амплитуды термовозбужденной упругой волны и соответствующей пластической деформации; 3) при перепаде температур на поверхности отпускаемого изделия в 5-10oС (что реально для производственных условий) возникшие пластические деформации должны приводить к уплотнению структуры, измельчению зерна, дроблению крупных карбидных частиц, инициированию диффузионных процессов и усилению эффекта дисперсионного твердения.
Концентрация заданных компонентов определена следующими соображениями.
Сажа. При содержании выше 10,0 понижает вторичную твердость, прочность и ударную вязкость; меньше 8,0 понижает вторичную твердость и теплостойкость.
Карбамид. При уменьшении его содержания ниже 0,5 не обеспечивается образование достаточного количества карбонитридной фазы, ухудшается износостойкость. При превышении на 3,0 мас.% материал охрупчивается и его механические свойства резко ухудшаются.
Молибден, ванадий, титан и бор. При понижении их содержания ниже 3,0% не обеспечивается необходимая легированность твердого раствора, что приводит к понижению вторичной твердости и теплостойкости. При повышении их содержания выше 5,0% резко увеличивается количество карбидной фазы, что ухудшает прочность, удельную вязкость и износостойкость. Одновременно резко ухудшается шлифуемость материала (из-за образования повышенного количества карбидов типа МС и MzC).
Понижение содержания стеарата цинка ниже 0,2% заметно ухудшает прессуемость материала. При превышении его содержания сверх 0,6% увеличивается пористость изделий.
Изменение содержания в шихте наполнителя - быстрорежущей стали ниже нижнего или выше верхнего пределов нарушает баланс химсостава, что требует корректировки режимов термообработки (температура нагрева под закалку, температура отпуска, время выдержки при указанных операциях). В противном случае неизбежно существенное ухудшение технологических свойств и эксплуатационных характеристик.
Соотношение легирующих элементов с сажей и карбамидом также существенно влияет на свойства изделий.
Пример реализации
Берут в качестве пресс-формы трубчатую электропроводящую алюминиевую оболочку диаметром 20 мм и длиной 250 мм с толщиной стенки 0,5 мм. На внутреннюю поверхность оболочки наносят слой пасты толщиной около 0,5 мм, содержащей карбамид и декстрин при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: карбамид - 30-50, декстрин - остальное.
Оболочку с нанесенным слоем пасты подсушивают при 100-120oС в течение 10-15 мин. По оси оболочки устанавливают медленный стержень (с толщиной покрытия медью 40 мкм) из отожженной стали 30ХГСА диаметром 15 мм и длиной 250 мм. На один конец оболочки устанавливается стальная заглушка. Порошок на основе матричной быстрорежущей стали (с содержанием углерода 0,15-0,20%) Р6М5, измельченный до фракции 10 мкм, смешивают с сажей, все мас.% - 8,0-10,0, карбамидом - 0,5-3,0, молибденом 5,0-10,0, ванадием, бором и титаном - все по 3,0-5,0 и стеаратом цинка - 0,2-0,6, засыпают в трубчатую оболочку. Устанавливают на свободный конец оболочки стальную заглушку. Собранная оболочка с порошком уплотняется на вибростоле с использованием ручного пресса (давление примерно 0,9 г/см2) путем сближения заглушек. Затем оболочка помещается в индуктор, на который подается импульсный разряд конденсаторной батареи, соответствующий напряженности магнитного поля 500 кЭ. В результате оболочка равномерно обжимается со скоростью 150 м/с.
Затем выполняют спекание: предварительное - температура 650oС, выдержка 2 ч, охлаждение со скоростью 30oС/ч до температуры 20oС. Спекание проводится в контейнере с засыпкой чугунной стружкой и нагревом в электропечи с окислительной атмосферой.
После первого спекания на токарном станке срезается часть алюминиевой оболочки и проводится окончательное спекание с нагревом в вакуумной печи типа СНВЭ-1.3.1/1,6 по нижеприведенной технологии.
Изделие монтируется в графитовую лодочку с корексом. Лодочка закрывается графитовой дощечкой и загружается в вакуумную печь. Создается вакуум 10-2.
Далее реализуются маршрут и технологические режимы, приведенные в табл. 1.
В процессе окончательного спекания оставшийся алюминиевый слой оболочки плавится, испаряется и диффундирует частично вглубь порошкового материала, при этом алюминий соединяется с легирующими элементами и образует с ними высокотвердые нитриды. В начальный момент окончательного спекания жидкий алюминий, являясь шликером, позволяет получить изделие со 100%-ной плотностью.
3-я ступень окончательного спекания одновременно выполняет роль закалки на вторичную твердость.
После окончательного спекания и закалки выполняется высокий отпуск в условиях низкочастотного акустического поля, генерируемого стержневым излучателем типа ИС-3,5.
Маршрут и технологические режимы oтпуска даны в табл. 2.
Предлагаемый отпуск является кратковременным, в 5-6 раз меньшей длительности, чем стандартный.
После отпуска из биметаллической заготовки методом вышлифовки алмазным кругом изготавливается концевая фреза диаметром 18 мм с числом зубьев 6 общей длиной 250 мм и рабочей длиной 100 мм. Шлифование, заточка выполняются алмазным кругом при обильном охлаждении эмульсией.
В табл. 3-5 приведены результаты испытании по оценке технологических, механических и эксплуатационных характеристик металлокерамических материалов, изготовленных по предлагаемому способу в сравнении с прототипом.
В табл. 6 показана зависимость основных свойств металлокерамических изделий на основе матричных быстрорежущих сталей от технологии термической обработки.
Проведенные патентные исследования позволяют сделать вывод, что в настоящее время отсутствуют известные технические решения с предлагаемыми признаками. Следовательно, предложенное техническое решение соответствует критерию "новизна".
Предлагаемый способ обладает нижеследующими преимуществами.
Позволяет повысить износостойкость инструмента в 1,4-1,5 раза; режущие свойства в 1,5 раза; механические свойства на 25-30%; теплостойкость на 20-35oС.
Позволяет снизить общую трудоемкость изготовления изделий на 30-40%; длительность термической обработки в 5 раз.
Экономит расход электроэнергии до 800-1000 кВт на 1 процесс; дефицитные дорогие материалы W, Со.
Годовой экономический эффект от перевода на предлагаемый способ изготовления металлокерамических изделий в количестве лишь 1% от выпускаемого в стране годового объема твердосплавного инструмента ориентировочно составит 50 млн. руб.
Формула изобретения: 1. Способ изготовления металлокерамических изделий на основе матричных быстрорежущих сталей, включающий прессование шихты и спекание изделий одновременно с химико-термической обработкой в порошковых насыщающих смесях, отличающийся тем, что перед прессованием на внутреннюю поверхность пресс-формы наносят слой пасты, содержащей 30-50% карбамида, остальное - декстрин, насыщающие реагенты вводят в шихту в виде комплексной присадки, содержащей, мас. %:
Сажа - 8,0-10,0
Карбамид - 0,5-3,0
Молибден - 5,0-10,0
Ванадий - 3,0-5,0
Бор - 3,0-5,0
Титан - 3,0-5,0
Стеарат цинка - 0,2-0,6
а после химико-термической обработки проводят высокий отпуск.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высокий отпуск проводят в условиях низкочастотного акустического воздействия по следующему режиму:
Температура, oC - 590
Выдержка, мин - 30
Частота, Гц - 3500
Звуковое давление, Дб - 140-160
Давление сжатого воздуха, атм - 4,6
Мощность акустическая, кВт - 2-2,5
Среда охлаждения - Воздух