Способ получения графита компактной формы в паяном шве твердосплавного инструмента

 

Способ относится к области машиностроения, в частности к области производства паяного твердосплавного инструмента для металлообрабатывающей и горнодобывающей отраслей промышленности. Заявляемый способ заключается в том, что зону контакта твердого сплава со стальной основой инструмента нагревают и получают в месте контакта расплав припоя на основе чугуна, который содержал в исходной структуре графитные включения, после чего охлаждают инструмент на спокойном воздухе. При этом непосредственно после затвердевания припоя на основе чугуна в течение времени охлаждения инструмента на спокойном воздухе проводят регламентированное термоциклирование зоны контакта твердого сплава со стальной основой инструмента и получают в паяном шве инструмента графит компактной формы. Предложенный способ является более технологичным и экономически более эффективным.

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности к области производства паяного инструмента для металлообрабатывающей и горнодобывающей отраслей промышленности.

Известен способ получения графита компактной формы в припое на основе чугуна, описанный в технической литературе (Металловедение и термическая обработка. Справочник. М.: Металлургиздат, 1954, с.1034-1037).

Данный способ заключается в проведении определенной термовременной обработки затвердевшего припоя на основе чугуна в процессе его охлаждения до комнатных температур. При этом режим обработки определяется требуемой конечной структурой металлической основы припоя на основе чугуна (ледебуритно-перлитной, перлитной, перлитно-ферритной или полностью ферритной), в которой после обработки могут быть получены выделения графита хлопьевидной формы, характерные для ковких чугунов.

Возможны два режима термовременной обработки, обеспечивающие получение той или иной конечной структуры металлической основы ковких чугунов: 1) длительная (многочасовая) выдержка инструмента (непосредственно после затвердевания припоя) при температуре около 1000^oС, называемая томлением; при этом в металлической основе чугуна образуются хлопьевидные выделения графита за счет распада первичного цементита (частичного или полного), в результате чего после охлаждения до комнатных температур структура металлической основы чугуна получается ледебуритно-перлитной или полностью перлитной; 2) дополнительная, непосредственно после томления, длительная (многочасовая) выдержка инструмента при более низкой температуре (около 720^oС) или весьма замедленное охлаждение в интервале аустенито-перлитного превращения (760. ..720^oС), в результате чего в металлической основе чугуна образуются дополнительные порции хлопьевидного графита за счет распада вторичного цементита, а после охлаждения до комнатных температур металлическая основа чугуна получается перлитно-ферритной или полностью ферритной.

Недостатками рассмотренного способа получения графита компактной формы в паяном шве твердосплавного инструмента являются следующие: 1) необходимость использования в процессе пайки инструмента дополнительного термического оборудования (нагревательных печей, термошкафов и др.); 2) необходимость применения дополнительных мер по защите зоны паяного соединения или в целом всей поверхности инструмента от воздействия окружающей среды (с помощью нанесения специальных покрытий или применения защитных газовых сред); 3) значительная длительность выполнения способа во времени.

Вышеотмеченные недостатки рассмотренного способа удорожают процесс производства инструмента и снижают его технологичность.

Кроме того, известен способ получения графита компактной формы в припое на основе чугуна с помощью низкотемпературной газовой пайко-сварки чугунной присадкой, являющийся прототипом предлагаемого изобретения (Китаев А.И., Китаев Я.А. Справочная книга сварщика. М.: Машиностроение, 1985, с.183-184). При выполнении данного способа графитные выделения компактной формы в паяном шве твердосплавного инструмента получают за счет использования в качестве чугунной присадки стандартизированных чугунных прутков марки ПЧВ (ГОСТ 2671-80), которые отливают из серого чугуна, модифицированного церием и имеющего в исходной структуре включения графита компактной формы.

Сущность способа заключается в сохранении в той или иной степени графитных включений, содержавшихся в исходной структуре припоя после его расплавления в месте контакта твердого сплава со стальной основой инструмента и последующего охлаждения инструмента на спокойном воздухе.

Однако указанный способ характеризуется низкой скоростью нагрева зоны паяного соединения и оплавляемого кончика чугунного присадочного прутка, в результате чего уже на стадии подогрева прутка в его структуре будет происходить процесс растворения графитных включений в металлической основе чугуна с уменьшением размеров крупных, средних и полным исчезновением мелких включений. Этот процесс будет продолжаться в еще большей степени в течение времени существования чугунного расплава, особенно при значительной массе соединяемых твердого сплава и стальной основы инструмента. В итоге уменьшение количества графитных включений и их размеров приведет к снижению свойств паяного шва и в первую очередь к снижению пластичности с соответствующими негативными последствиями для эксплуатации инструмента.

Кроме того, применение в качестве припоя модифицированных чугунов по сравнению с дешевыми и доступными серыми чугунами удорожает процесс производства инструмента.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения графита компактной формы в паяном шве твердосплавного инструмента более технологичного и экономически более эффективного.

Решение поставленной задачи достигается тем, что при выполнении способа зону контакта твердого сплава со стальной основой инструмента нагревают и получают в месте контакта расплав припоя на основе чугуна, который содержал в исходной структуре графитные включения. После этого инструмент охлаждают на спокойном воздухе, а непосредственно после затвердевания припоя в процессе охлаждения инструмента проводят регламентированное термоциклирование паяной зоны, получая в результате этого в паяном шве инструмента графит компактной формы.

Способ осуществляли следующим образом. В месте контакта твердого сплава со стальной основой инструмента размещали припой на основе чугуна и нагревали зону контакта до расплавления припоя, после чего охлаждали инструмент на спокойном воздухе. При этом непосредственно после затвердевания припоя в процессе охлаждения инструмента проводили термоциклирование паяной зоны инструмента по заданному технологическому режиму, в результате осуществления которого в металлической основе паяного шва инструмента получали графитные выделения компактной формы.

Для осуществления способа были проведены экспериментальные исследования, которые заключались в следующем. Твердосплавные вставки диаметром 6 мм впаивали внутрь сквозных отверстий стальных цилиндров диаметром 10 мм с наружным диаметром 26 мм при общей высоте 10 мм с помощью припоя на основе чугуна по патенту РФ 2076795. Впаиваемые вставки располагали в отверстиях цилиндров с максимально возможной эксцентричностью, чем имитировали переменную толщину припоя в паяном соединении.

В качестве припоя использовали синтетический серый чугун с ферритно-перлитной структурой двух плавок, в одну из которых дополнительно добавили 5,5% меди. К пайке было подготовлено две партии образцов, в каждой из которых предполагалось использование припоя обоих плавок.

Пайку образцов первой партии осуществляли по типовой технологии, описанной в вышеуказанном патенте, т.е. после расплавления припоя нагрев отключали с последующим естественным охлаждением образцов.

Пайку образцов второй партии осуществляли наложением термоциклирования после затвердевания припоя (примерно через 10-12 сек), выполнявшегося кратковременными периодическими включениями нагрева из расчета поддержания температуры образцов в интервале 800...900^oС в течение 5 мин.

В дальнейшем проводили металлографические исследования чугунных впаек образцов на нетравленых микрошлифах.

В структуре чугунных впаек образцов первой партии наблюдали выделения графита в виде отдельных недлинных слабоизвилистых, иногда ветвящихся тонкопластинчатых образований, достаточно равномерно распределенных на фоне многочисленных пор, различных по форме и размерам, которые имели, вероятно, усадочное происхождение, так как плотность их распределения была заметно выше в более утолщенных частях чугунных впаек.

Существенного влияния меди на структуру чугунных впаек обнаружено не было, кроме некоторого измельчения и утонения графитных пластинок при кажущемся увеличении их количества, особенно вблизи контакта впаек с поверхностями твердосплавных вставок и внутренними поверхностями стальных цилиндров.

В структуре чугунных впаек образцов второй партии сохранялись фактические все вышеотмеченные особенности их структурного состояния, возможно более рельефно выраженные, однако имелись и довольно заметные фоновые отличия, а именно: 1) наличие значительного количества весьма мелких достаточно равномерно распределенных пор, вероятно ранее микроскопически не разрешавшихся и образовавшихся за счет объединения еще более мелких (ультрамелких) пор в результате термоциклирования; 2) наличие более крупных вытянутых (близких к линзообразной форме) графитных выделений, тяготеющих к некоторому центру, порой сочленяющихся друг с другом в этом направлении.

На общем фоне подобные сгустки графитных выделений располагались достаточно равномерно в массивных слоях впаек. С целью выяснения природы образования вышеописанных графитных сгустков был проведен отжиг образцов (с применением специальных защитных мер от окисления) при 930...950^oС в течение 5 часов. Структурные исследования показали, что линзообразные сгустки в принципе стали похожими на хлопьевидные графитные выделения, характерные для ковких чугунов, с той лишь разницей, что во многих из них просматривался разветвленный цементитный каркас, иногда содержащий фрагменты из параллельных цементитных пластин.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет использовать в качестве припоя дешевые и доступные серые чугуны вместо более дорогих и специфичных в производстве модифицированных чугунов, не требует применения дополнительного оборудования и при общем сокращении времени технологического процесса пайки позволяет получить в паяном шве инструмента графит компактной формы.

Исходя из вышеизложенного, следует считать предлагаемый способ получения графита компактной формы в паяном шве твердосплавного инструмента более технологичным и экономически более эффективным.

Формула изобретения

Способ получения графита компактной формы в паяном шве твердосплавного инструмента, по которому зону контакта твердого сплава со стальной основой инструмента нагревают и получают в месте контакта расплав припоя на основе чугуна, который содержал в исходной структуре графитные включения, после чего охлаждают инструмент на спокойном воздухе, отличающийся тем, что непосредственно после затвердевания припоя на основе чугуна в течение времени охлаждения инструмента на спокойном воздухе проводят регламентированное термоциклирование зоны контакта твердого сплава со стальной основой инструмента и получают в паяном шве инструмента графит компактной формы.