Способ получения неразъемного соединения легированной карбидостали с конструкционной сталью

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению материалов для изготовления металлообрабатывающего инструмента. Готовят экзотермическую смесь из шихты для получения легированной карбидостали и борида титана. Шихта содержит, мас.%: железная окалина 55-59, легированный чугун 9-13, карбид титана 6-8, молибден 2-4, хром 3-5, борид титана 2-4, алюминий 7-23. Слой борида титана толщиной 1-2 мм наносят на поверхность подложки из конструкционной стали. Плавление осуществляют путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в режиме послойного горения. Способ позволяет получать материал с большой прочностью соединения слоев, обеспечивает возможность получения карбидостали заданного состава с заданными свойствами.

 

ИИзобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в машиностроении, а именно в инструментальном производстве, в частности для изготовления металлообрабатывающих инструментов.

Известен способ соединения материалов, заключающийся в том, что материалы вводят в контакт друг с другом непосредственно или через металлическую прослойку, поместив их в сварочную вакуумную камеру, и осуществляют диффузионную сварку в этой камере путем прогрева соединяемых материалов до заданной температуры, сдавливания и выдержки при необходимых режимах температуры, давления и глубины вакуума (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. / Н.Ф.Казаков, 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1976. - С.122-141).

Основными недостатками этого способа, ограничивающими возможность применения, являются значительная трудоемкость его осуществления, связанная со сложностью аппаратурного оформления, и высокая стоимость получения неразъемного соединения вследствие повышенных затрат электроэнергии.

Известен способ получения легированного сплава железа из отходов производства, включающий загрузку экзотермической смеси в форму, инициирование в ней реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и плавление сплава железа. При этом в качестве экзотермической смеси используют шихту из термитной смеси железной окалины в количестве 74-76 мас.% с алюминиевым порошком в количестве 24-26 мас.% и карбида титана в количестве 15-20 мас.% термитной смеси (патент RU 2262415, МПК⁷ В22F 3/23, С22С 33/02, 38/00).

Описанный способ получения легированного сплава железа из отходов производства имеет узкие технологические возможности вследствие необходимости дополнительного соединения полученного легированного сплава со сталью для изготовления металлообрабатывающего инструмента.

Известен способ получения неразъемного соединения материалов, включающий инициирование в экзотермической смеси реакции СВС и осуществление плавления образующегося соединения в режиме теплового взрыва. При этом используют экзотермическую гетерогенную смесь в виде слоя толщиной 0,1-0,5 мм, введенную в зазор между соединяемыми материалами и содержащую порошкообразные металлы IV, V групп Периодической систем, в частности, тугоплавкий металл ниобий, и неметалл, в частности, углерод, в стехиометрическом соотношении. Для инициирования реакции СВС применяют нагрев соединяемых материалов и помещенной между ними экзотермической смеси пропусканием через них электрического тока от сварочного трансформатора, способствующего прогреву экзотермической смеси и прилегающих к ней поверхностей соединяемых материалов. Нагрев проводят со скоростью, обеспечивающей самовоспламенение экзотермической смеси при температуре выше критической температуры теплового взрыва (авторское свидетельство SU 747661, М. Кл.² В23К 28/00, 1/00). Способ получения неразъемного соединения материалов, как наиболее близкий к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату, выбран в качестве прототипа.

Однако этот способ не обладает достаточно широкими технологическими возможностями вследствие протекания реакции СВС в режиме теплового взрыва, что позволяет осуществлять получение сварного шва соединяемых поверхностей при введении экзотермической смеси только в зазор между свариваемыми материалами и инициировании в ней реакции СВС; требует большого расхода электроэнергии для прогрева экзотермической смеси и прилегающих к ней поверхностей соединяемых материалов до температуры начала реакции СВС в режиме теплового взрыва; имеет значительную трудоемкость, так как для проведения реакции СВС в режиме теплового взрыва требуется высокопрочная оснастка.

Предлагаемым изобретением решается задача расширения технологических возможностей при уменьшении расхода электроэнергии и снижении трудоемкости осуществления способа.

Для достижения указанного технического результата в способе получения неразъемного соединения легированной карбидостали с конструкционной сталью самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС), отличающемся тем, что на подложку из конструкционной стали наносят слой борида титана толщиной 1-2 мм, на котором размещают шихту для получения легированной карбидостали, содержащую, мас.%:

железная окалина 55-59;

легированный чугун 9-13;

карбид титана 6-8;

молибден 2-4;

хром 3-5;

борид титана 2-4;

алюминий 7-23,

инициируют реакцию СВС проводят плавление легированной карбидостали в режиме послойного горения, при этом в зоне соединения с подложкой получают сварной шов.

Расширение технологических возможностей обеспечивается соединением легированной карбидостали, с ее одновременным получением, с конструкционной сталью, из которой изготовлена подложка, при достаточной прочности этого соединения, что связано с проведением реакции СВС с помощью кратковременного теплового импульса в режиме послойного горения и непосредственным образованием карбидостали при осуществлении этого способа.

Получение сплава карбидостали с заранее заданным составом и необходимыми свойствами обусловлено образованием в реакционной зоне при плавлении по заявленному способу интерметаллического соединения с твердостью до 63 НКС, который за счет высоких смачивающих и диффузионных свойств борида титана и высокой температуры реакции горения приваривается к материалу подложки, образуя сварной шов прочностью до 200 МПа.

Уменьшение расхода электроэнергии является следствием ее потребления только для осуществления кратковременного теплового импульса и инициирования реакции СВС, протекающего в режиме послойного горения.

Количество легированного чугуна, равное 9-13 мас.%, является оптимальным, так как повышает теплостойкость и температуру плавления для поддержания СВС-процесса. При использовании легированного чугуна в количестве менее 9 мас.% не достигается необходимая температура плавления остальных компонентов и теплостойкость сплава, а при использовании легированного чугуна в количестве более 13 мас.% карбидосталь становится пористой.

Количество карбида титана, равное 6-8 мас.%, является оптимальным, так как обеспечивает высокую твердость сплава - до 63 НКС. При содержании карбида титана менее 6 мас.% твердость карбидостали снижается, а при его содержании более 8 мас.% реакция СВС не возникает.

Количество молибдена, равное 2-4 мас.%, является оптимальным вследствие того, что обеспечивает необходимую вязкость, то есть пластичность карбидостали. При использовании молибдена в количестве менее 2 мас.% карбидосталь становится недостаточно пластичной для механической обработки. Использование молибдена в количестве более 4 мас.% приводит к снижению твердости карбидостали.

Количество хрома, равное 3-5 мас.%, является оптимальным для получения необходимых твердости и прочности сплава. При содержании хрома меньше 3 мас.% снижается твердость карбидостали, а при содержании хрома более 5 мас.% снижается прочность карбидостали и она становится хрупкой.

Количество борида титана, равное 2-4 мас.%, является оптимальным, так как благодаря высоким диффузионным свойствам обеспечивает однородность в зоне шва и прочность соединения. При содержании борида титана менее 2 мас.% соединение из-за неоднородности материала в зоне шва не обладает высокой прочностью, а при содержании борида титана более 4 мас.% твердость карбидостали снижается.

Толщина слоя борида титана, который наносят на подложку для образования сварного шва с большой прочностью неразъемного соединения, равная 1-2 мм, является оптимальной вследствие того, что при толщине этого слоя менее 1 мм прочность неразъемного соединения становится недостаточно высокой, при толщине этого слоя более 2 мм реакция СВС для сварного шва не возникает.

Железная окалина в количестве 55-59 мас.% и алюминий в количестве 7-23 мас.% образуют термитную смесь, в которой инициируется СВС, и выделенная теплота обеспечивает протекание СВС с включением легированного чугуна, карбида титана, молибдена, хрома и борида титана.

Способ получения неразъемного соединения с конструкционной сталью осуществляется следующим образом. Производят дозирование и смешивание в смесителе порошков железной окалины в количестве 55-59 мас.%, легированного чугуна в количестве 9-13 мас.%, карбида титана в количестве 6-8 мас.%, молибдена в количестве 2-4 мас.%, хрома в количестве 3-5 мас.%, борида титана в количестве 2-4 мас.% и алюминия в количестве 7-23 мас.%, представляющих шихту для получения легированной карбидостали. На поверхность подложки из конструкционной стали наносят слой борида титана толщиной 1-2 мм. Шихту для получения легированной карбидостали загружают в форму без дна, установленную на поверхность этой подложки. Экзотермическую смесь из шихты для получения легированной карбидостали с боридом титана, слой которого толщиной 1-2 мм нанесен на поверхность подложки из конструкционной стали, используют для осуществления реакции СВС. Реакцию СВС инициируют в этой экзотермической смеси с помощью кратковременного теплового импульса и производят плавление легированной карбидостали в режиме послойного горения. В зоне соединения с подложкой из конструкционной стали получают сварной шов. Таким образом получают металлический слиток легированной карбидостали, соединенный с подложкой из конструкционной стали. Далее неразъемное соединение легированной карбидостали с конструкционной сталью подвергают механической обработке для получения резцов, фрез, штампов и других металлообрабатывающих инструментов.

Пример конкретного выполнения способа соединения легированной карбидостали с конструкционной сталью. Для экспериментальной проверки предлагаемого технического решения использовали молотую железную окалину (отходы кузнечного производства), дисперсность которой задавали проходом через сито 0,16 мм, остальные порошки (карбида и борида титана, хрома, молибдена и алюминия) - проходом через сито 0,063 мм.

Порошки дозировались в заданном соотношении на аналитических весах с точностью до 0,001 г, механически смешивались всухую в атмосфере воздуха в смесителе типа «пьяная бочка» партиями по 200 г в течение 4 часов. На поверхность подложки из конструкционной стали устанавливали кварцевую форму и насыпали слой борида титана толщиной 1-2 мм, а затем загружали полученные образцы шихты и инициировали реакцию СВС в режиме послойного горения с помощью кратковременного теплового импульса. Под действием тепла экзотермической реакции происходило плавление сплава карбидостали и образование сварного шва в зоне соединения с подложкой. Получали металлический слиток сплава с твердостью до 63 HRC, приваренного к стальной поверхности подложки с прочностью до 200 МПа.

Теплостойкость полученного сплава проверялась отпуском до 600°С и 800°С и охлаждением на воздухе. В первом случае твердость сплава достигала 45 HRC, а во втором - 38 HRC.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет расширить технологические возможности за счет получения неразъемного соединения легированной карбидостали, с ее одновременным получением, с конструкционной сталью при снижении энергоемкости и трудоемкости осуществления процесса. Кроме того, заявленный способ соединения легированной карбидостали с конструкционной сталью имеет следующие преимущества:

- обеспечивает большую прочность соединения без использования дорогостоящих металлов и прочной оснастки;

- возможность получения карбидостали заданного состава с необходимыми характеристиками металлообрабатывающего инструмента;

- улучшение экологической обстановки вследствие использования железной окалины - отхода кузнечного производства;

- снижение стоимости готовой продукции вследствие одновременного получения одного из соединяемых материалов и снижения энергоемкости процесса.

Способ получения неразъемного соединения легированной карбидостали с конструкционной сталью самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС), отличающийся тем, что на подложку из конструкционной стали наносят слой борида титана толщиной 1-2 мм, на котором размещают шихту для получения легированной карбидостали, содержащую, мас.%:

железная окалина	55-59
легированный чугун	9-13
карбид титана	6-8
молибден	2-4
борид титана	2-4
алюминий	7-23

инициируют реакцию СВС и производят плавление легированной карбидостали в режиме послойного горения, при этом в зоне соединения с подложкой получают сварной шов.