Способ закалки твердого сплава

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к способу закалки твердых сплавов на основе карбида вольфрама для бурового инструмента. Способ закалки твердого сплава на основе карбида вольфрама включает нагрев сплава до температуры выше 1100°С и охлаждение в закалочной среде. В качестве закалочной среды использован 8-12% водный раствор натрий-железосодержащей соли полиакриловой кислоты. Техническим результатом является повышение твердости сплава и эксплуатационной стойкости инструмента.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, к способу закалки твердых сплавов на основе карбида вольфрама, которыми оснащают буровой инструмент.

Известны способы термической обработки твердых сплавов, которые можно разделить на 3 группы: отжиг при 873-1523К с выдержкой от 1 до 120 часов; закалка, начиная с температуры спекания в масле [1]; закалка от 573-1473К в масле изделий, охлажденных после спекания до комнатной температуры [2]. Однако закалка твердого сплава в индустриальных маслах значительно ухудшает экологическую обстановку в цехе, а также существенно удорожает себестоимость термообработанного сплава, так как стоимость масла в 7-10 раз дороже 10% водного раствора полимера ПК-М, в котором предлагается калить твердый сплав ВК10КС.

Наиболее близким техническим решением является закалка твердого сплава на основе карбида вольфрама, нагретого выше 1100°С, и его охлаждение в индустриальном масле И-20А или И-40А при 40°С [3]. При этом закалка в масле твердого сплава способствует повышению его твердости.

Однако известный способ закалки имеет следующие недостатки. Индустриальные масла имеют повышенную воспламеняемость, образуется пригар на поверхности изделий, имеют повышенную стоимость, ухудшают экологическую обстановку предприятий, стареют (загустевают) при эксплуатации, т.е. нуждаются в периодической замене, а это приводит к удорожанию себестоимости термообработки.

Задачей предложенного способа закалки твердого сплава ВК10КС является повышение эксплуатационной стойкости бурового инструмента за счет дополнительного растворения вольфрама и углерода в кобальтовой связующей, которое фиксируется закалкой в полимере и повышает твердость сплава, а также закалка твердого сплава в полимере способствует улучшению структуры твердого сплава: уменьшается величина зерен карбида вольфрама (WC) и округляются их границы. Кроме того, закалка твердого сплава в водополимерном растворе существенно удешевляет себестоимость термообработки, улучшается экология в цехе.

Сущность состоит в том, что в способе закалки твердого сплава на основе карбида вольфрама, включающем нагрев сплава до температуры выше 1100°С и охлаждение в закалочной среде, в качестве закалочной среды используют 8-12% водный раствор натрий-железосодержащей соли полиакриловой кислоты (полимера ПК-М).

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в качестве закалочной среды используется 8-12% водный раствор полимера ПК-М (натрий- железосодержащая соль полиакриловой кислоты с модифицированной молекулярной структурой). Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна». Полимер ПК-М является нетоксичной, негорючей, неагрессивной в коррозионном отношении жидкостью, поэтому ее эксплуатация не требует специальных средств защиты обслуживающего персонала и оборудования. Концентрация полимера ПК-М в растворе (8-12%) определялась, исходя из результатов охлаждающей способности полимера в сравнении с кривыми охлаждения масла И-20А и воды. При этом за основу выбирался водный раствор с концентрацией, кривая охлаждения которого совпадает с кривой охлаждения масла или максимально приближалась к ней.

Предлагаемый способ закалки твердого сплава ВК10КС в 8-12% водном растворе полимера ПК-М производства ЗАО «Политерм - Тюмень» (концентрат водополимерной закалочной среды ПК-М изготавливают в соответствии с техническими требованиями ТТ 71218688-01-03) реализован следующим образом. Предварительно перед закалкой производят приготовление закалочной среды непосредственно в закалочном баке или в специальной емкости, оборудованных системами подогрева - охлаждения, перемешивания и контроля температуры и уровня закалочного раствора. Емкость должна быть очищена от шлама и отмыта от остатков масла. Система подогрева - охлаждения может быть выполнена в виде змеевика, расположенного по боковым внутренним стенкам емкости, соединенного с сетями горячей и холодной воды. Измерение температуры среды в закалочном баке осуществляется с помощью термопары ТКХ (ГОСТ 30440-84) или термометром сопротивления типа ТСМ (ГОСТ 12877-76) с соответствующей измерительной аппаратурой. Точка контроля температуры должна находиться на 1/2 высоты залива жидкости или на уровне погружения закаливаемых деталей.

Пример: процесс приготовления закалочной ванны заключает в себе три основных этапа:

1) растворение концентрата;

2) гомогенизация раствора;

3) «приработку» (искусственное старение).

Необходимые для приготовления закалочной среды количества воды и концентрата ПК-М определяются, исходя из результатов анализа охлаждающей способности пробных растворов полимера в сравнении с кривыми охлаждения масла И-20А и воды. При этом за основу выбирается тот пробный раствор, кривая охлаждения которого в интервале температур (800-400°С) совпадает с кривой охлаждения масла или максимально приближается к ней.

Приготовление рабочего состава (10% раствор ПК-М) производится в следующем порядке. Вначале в емкость заливают половину расчетного количества воды. Затем, при включенном перемешивании, приливают расчетное количество концентрата. Раствор активно перемешивают в течение 30 минут. Далее в емкость доливается оставшаяся половина расчетного количества воды. Раствор при активном перемешивании выдерживают в течение 30-50 минут.

Для гомогенизации раствора приготовленную закалочную ванну оставляют при слабом перемешивании на одни сутки. По истечении суток раствор контролируют по рН и по охлаждающей способности. Для контроля отбирают пробу жидкости из бака в количестве 0,5 литра.

В целях стабилизации охлаждающей способности закалочной жидкости ванна должна обязательно пройти «приработку» (искусственное старение), заключающуюся в охлаждении с закалочной температуры серии садок «балласта» при активном перемешивании жидкости в баке. Масса разовой садки не должна превышать массу серийной садки. Приработка охлаждением «балласта» производится только вновь приготавливаемой ванны. При проведении корректировок добавление концентрата полимера в процессе дальнейшей многолетней эксплуатации ванны не требуется осуществления приработки.

После приготовления 10% водополимерного раствора можно осуществить закалку твердого сплава. Сплав ВК10КС, нагретый под закалку до температуры 1160°С, в дальнейшем закаливают в 10% растворе ПК-М при температуре окружающей среды. При интенсивном перемешивании ванны рабочий диапазон температуры закаливающей среды - (+18 - +40°С). Время выдержки деталей в ванне при закалке определяется технологическим процессом на термообработку данной детали. После закалки детали в полимере не требуют дополнительной промывки в содовом растворе, как после закалки в индустриальном масле. После закалки твердого сплава в полимере заметна тенденция к возрастанию твердости (HRA=92-94).

Использование предлагаемого способа закалки твердого сплава ВК10КС в 10% водном растворе полимера ПК-М обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

1. Улучшается экологическая обстановка в цехе (среда ПК-М является нетоксичной, негорючей, неагрессивной в коррозионном отношении жидкостью, поэтому ее эксплуатация не требует специальных средств защиты обслуживающего персонала и оборудования).

2. После закалки в полимере детали не нуждаются в промывке (это сокращает денежные затраты на технологический процесс).

3. В процессе эксплуатации не требуется замены водного раствора полимера в закалочном баке (как этого периодически требуется для индустриального масла). Рабочее состояние водного раствора полимера поддерживается проведением корректировок (добавлением концентрата, воды), исходя из результатов регулярного контроля охлаждающей способности ванны.

4. Входящий в состав жидкости полимер обладает высокой сопротивляемостью термодеструкции, что определяет хорошую технологическую стойкость жидкости, в 3 раза превышающую стойкость нефтяных масел.

5. Стоимость 8-12% водного раствора полимера в 7-10 раз дешевле индустриального масла И-20А.

6. При случайном замораживании и последующем оттаивании водный раствор полимера не теряет своих технологических свойств.

Источники информации

1. А.С. Россия №2113532, С 22 С 29/08,1998.

2. Лошак М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. - К.: Наукова думка, 1984, с.209-256.

3. SU 1425250 А1, 23.09.1988, МПК С 23 С 8/60.

Способ закалки твердого сплава на основе карбида вольфрама, включающий нагрев сплава до температуры выше 1100°С и охлаждение в закалочной среде, отличающийся тем, что в качестве закалочной среды используют 8-12%-ный водный раствор натрий-железосодержащей соли полиакриловой кислоты.