Способ получения режущего инструмента химико-термической обработкой с формированием самоорганизующихся износостойких слоев карбидов

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к комплексной химико-термической обработке шлифовального инструмента из сталей. Предложен способ получения режущего инструмента химико-термической обработкой с формированием самоорганизующихся износостойких слоев карбидов, включающий механическую обработку инструмента в окончательные размеры, последующее химическое никелирование путем осаждения слоя фосфористого никеля толщиной 5-35 мкм, термическую обработку с оплавлением покрытия в засыпке порошка карбида бора фракции 25-40 мкм при температуре 960-1050^oС в течение 10-20 мин с охлаждением со скоростью 0,2-2,5^oС/с до 500-600^oС, далее произвольно с печью и последующую выгрузку. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости, прочности, однородности получаемых слоев на шлифовальном и режущем инструменте. 11 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к химико-термической обработке режущих инструментов, преимущественно шлифовочных с формированием износостойких карбидных слоев на менее тугоплавкой подложке, получаемой гальвано-химическими способами. Предложенный способ может найти применение в инструментальной промышленности, ювелирном деле при обработке минералов, а также в машиностроении и спецтехнике при повышении эрозионной стойкости деталей в ионных плазменных потоках.

Задача изобретения - повышение износостойкости, прочности, однородности получаемых слоев на дисковом и концевом режущем инструменте различного назначения.

Наиболее близкой к заявляемому способу является технология получения износостойких покрытий на деталях и инструменте с наплавлением самоорганизующихся износостойких слоев ("Технология машиностроения", 2000, 3, с. 31-34), включающая механическую обработку инструмента в окончательные размеры, химическое никелирование с осаждением слоя фосфористого никеля, термическую обработку с оплавлением покрытия в засыпке порошка карбида бора и выгрузку после охлаждения от температур оплавления.

В предложенном способе обработки для получения износостойких слоев механически обработанный в окончательные размеры инструмент подвергают химическому никелированию с осаждением слоя фосфористого никеля толщиной 5-35 мкм, а термическую обработку с оплавлением покрытия проводят в засыпке абразивного порошка карбида бора фракции 25-40 мкм при температуре 960-1050^oС в течение 10-20 мин с охлаждением со скоростью 0,2-2,5^oС/с до 500-600^oС, далее произвольно с печью.

При этом предусматривается также формирование буртика высотой 0,2-0,3 мм на обеих поверхностях дисковых инструментов, использование литейных чугунов и хромистых сталей с 3-4% хрома с низкой критической скоростью закалки для изготовления инструмента. Одновременно проводят вакуумный нагрев при оплавлении подслоя в вакууме 10-10^-2 Па с укладкой инструмента в приспособления из термостойкой борнитридной керамики и применением названной керамики для защиты посадочных мест от нанесения карбидного слоя, а также использование карбида бора различных фракций для взаимодействия с верхней и нижней поверхностями инструмента при оплавлении фосфористого никеля. Одной из сталей с низкой критической скоростью закалки выбрана теплостойкая сталь с 3% хрома 4Х3ВМФ, а также предусмотрена выгрузка инструмента из вакуумной печи при 150-200^oС после завершения мартенситного превращения.

Выбранные соотношения толщины никельфосфористого покрытия, размеров, фракций порошка карбида бора и температурно-временные интервалы вакуумного оплавления позволяют получить износостойкие слои с равномерным распределением частиц карбидов в матричном подслое, с плавным изменением твердости подслоя и переходной диффузионной зоны при максимальной твердости зерен карбида бора в наружной части самоорганизующей многослойной структуры. Выбранные интервалы температур оплавления, а также время выдержки позволяют не только увеличить толщины слоев, но и подготавливают основной металл к протеканию мартенситного превращения при скоростях охлаждения 0,2-2,5^oС/с при получении наиболее высоких прочностных свойств корпусов из сталей с низкими критическими скоростями закалки. Одновременно практически исключается тепловая и структурная деформация инструмента, возможность сохранения классных посадочных размеров, что приводит к минимизации процессов притирки и доводки инструмента после высокотемпературного оплавления.

Изобретение иллюстрируется чертежами микро- и макроструктуры самоорганизующихся слоев на нескольких сталях. На фиг.1а, 1б показаны схемы формирования карбидного слоя на дисковом инструменте, прошедшем нанесение покрытия никель-фосфор и последующее оплавление слоя в засыпке из порошка карбида бора, где: 1 корпус инструмента из углеродистой стали, чугуна или теплостойкой стали, 2 - порошок карбида бора заданной фракции, с контактом по верхней и нижней поверхностям инструмента, 3 - оснастка из нейтральной термостойкой керамики борнитридкремниевой.

При осуществлении изготовления и обработки инструмента по заявляемому способу для нанесения никель-фосфорного покрытия применены составы ванн, в растворах которых содержалось гипофосфита натрия 35-40 г/л, никеля сернокислого 25-30 г/л, тиокарбамида 0,2-0,3 г/л и равные добавки уксусно-кислого аммония и уксусной кислоты. Температура раствора была 90-95^oС, рН 4,5-4,7 с корректировкой ванны и двухступенчатым осаждением слоев толщиной в пределах заявляемых. Высокотемпературный нагрев с оплавлением покрытия в засылках из порошка карбида бора вели в колпаковых вакуумных электропечах СГВ-2.4/15-И2 и СГВ-2.4/15-И3 при вакууме 10^-1...10^-2 Па.

Пример 1. Шлифовальные диски диаметром 120 мм и толщиной 3 мм из углеродистой стали 20 вначале подвергали механической обработке по шлифующим поверхностям и посадочным отверстиям, затем покрывали слоем никель-фосфор с формированием слоя толщиной 35 мкм, а затем нагревали в вакууме при 980^oС в течение 15 мин в засыпке из порошка карбида бора фракции 25 мкм и охлаждали со скоростью 0,2^oС/с до 500^oС, далее с печью до 100^oС и выгрузкой на воздух.

На фиг.2 приведена фрактограмма от рабочей поверхности и микроструктура износостойкого слоя с износостойким равномерным абразивным слоем повышенной износостойкости. В таблице показана последовательность и режимы обработки, а также сравнительные свойства шлифовальных дисков при обработке янтаря.

Износостойкость дисков при скоростном шлифовании природного янтаря при скоростях обработки 3600-4200 мин^-1 повысилась в 1,5-1,8 раза в сравнении с прототипом.

Пример 2. Шлифовальные насадные круги диаметром 140 мм с буртиками до 5 мм при общей толщине 10 мм, радиусной канавочной рабочей частью (фиг.16) после механической обработки в окончательные размеры подвергали нанесению слоя покрытия никель-фосфор толщиной 20 мкм с последующим оплавлением в вакууме в засыпке карбида бора фракции 30-50 мкм и регламентированной скоростью охлаждения от температуры 1000^oС до 600^oС, составившей 1^oС/с, далее с печью произвольно. Обработка позволила сформировать износостойкий слой, сопоставимый по свойствам со слоями из синтетических алмазов.

Пример 3. Шлифовальные насадные головки диаметром 11 мм, длиной 85 мм упрочняли с формированием рабочей части по предложенному способу. После токарной обработки в окончательные размеры проводили химическое никель-фосфатирование (химникелирование) с образованием слоя толщиной 30 мкм. Последующую вакуумную обработку с установкой шлифголовок рабочей частью вниз в засыпке из карбида бора фракцией 50 мкм в ячеистые приспособления из термостойкой керамики БГП. После оплавления покрытия при температуре нагрева 1020^oС в течение 12 минут проводили охлаждение со скоростью 2^oС/с до 550^oС, затем с печью произвольно до 80^oС, с выгрузкой из вакуумной камеры на воздух.

Обработка позволила получить самоорганизующиеся слои на рабочей поверхности толщиной 540-550 мкм с изменением твердости послойно карбид H_0,5H= 2600-3300, твердости переходных зон Н_0,5H=1900-2500, твердости обволакивающих фаз Н_0,5H=610-780, твердости подслоя Н_0,5H=1100-1130, с плавным переходом к основному металлу, имеющему микротвердость Н_0,5H=580-630.

Полученный характер формирования слоя и его свойства позволили получить инструмент с характеристиками шлифования в 1,4-1,5 раза выше известного и по износостойкости, классу чистоты шлифуемых поверхностей экранов из пиронитрида бора ПНБ на порядок выше изготовленного по известной технологии. Шлифголовки были универсальны и позволяли шлифовать отверстия в прецизионных сплавах 29НК, высокопрочных сталях типа 25Х17Н4Б. Одновременно обеспечивалась высокая коррозионная стойкость в различных охлаждающих средах и эмульсиях, а также повышенная твердость и прочность крепежной части шлиф-головок.

Формула изобретения

1. Способ получения режущего инструмента химико-термической обработкой с формированием самоорганизующихся износостойких слоев карбидов, включающий механическую обработку инструмента в окончательные размеры, последующее химическое никелирование путем осаждения слоя фосфористого никеля, термическую обработку с оплавлением покрытия в присутствии порошка карбида бора и выгрузку, отличающийся тем, что в процессе химического никелирования осаждают слой фосфористого никеля толщиной 5-35 мкм, а термическую обработку с оплавлением покрытия проводят в засыпке абразивного порошка карбида бора фракции 25-40 мкм при температуре 960-1050^oС в течение 10-20 мин с охлаждением со скоростью 0,2-2,5^oС/с до 500-600^oС, далее произвольно с печью.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инструмент по контуру своей верхней и нижней части содержит буртик высотой 0,2-0,3 мм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для изготовления инструмента используют литейные серые чугуны.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инструмент изготавливают из хромистых сталей с 3-4% хрома с низкой критической скоростью закалки.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термическую обработку осуществляют в вакууме 10-10^-2 Па.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термическую обработку проводят на приспособлениях из термостойкой борнитридной керамики.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при термообработке посадочные поверхности инструмента защищают установкой пробок из борнитридной керамики.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инструмент нижней частью соприкасается с крупнозернистым несмачиваемым абразивом.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инструмент верхней и нижней частью соприкасается с одинаковым абразивом разной фракции.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для инструмента используют полосовую сталь 4ХЗМВФ.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выгрузку вакуумной печи осуществляют при 150-200^oС.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время термической обработки используют керамическую оснастку из мягкой, термостойкой керамики БГП, БГП-10.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3