Материал для изготовления электрода-инструмента для электроэрозионной обработки на основе меди
Владельцы патента RU 2782861:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова" (RU)
Общество с ограниченной ответсвенностью "Диском Групп" (RU)
Изобретение относится к электроэрозионной обработке материалов, преимущественно труднообрабатываемых, в том числе безвольфрамовых твердых сплавов и, прежде всего, для прошивания в них глубоких отверстий и пазов малых размеров. Предложен материал для изготовления электрода-инструмента для электроэрозионной обработки на основе меди, содержащий, мас. %: нитрид бора 2,90-3,10, алюминий 0,30-0,70, углерод 0,15-0,35, медь - остальное. Изобретение направлено на повышение электроэрозионной стойкости электродов-инструментов и увеличение производительности процесса электроэрозионной обработки. 2 табл.
Изобретение относится к электроэрозионной обработке материалов, преимущественно, труднообрабатываемых, в том числе безвольфрамовых твердых сплавов и, прежде всего, для прошивания в них глубоких отверстий и пазов малых размеров.
Одними из наиболее сложных операций механической обработки материалов являются операции по получению ряда сквозных и/или глухих отверстий и пазов малых размеров (0,1-3,0 мм) в различных изделиях, например, при получении отверстий на передней и задней кромках турбинных лопаток авиационных двигателей, при выполнении отверстий в защитных сетках воздухозаборников авиационных турбин, при изготовлении микроскопических отверстий в форсунках системы подачи топлива, выполнении отверстий в фильерах для изготовления синтетических (вискозных) и углеродных волокон, при изготовлении сеток электровакуумных приборов, при производстве различного медицинского инструментария и многих других изделий, имеющих минимальные размеры отверстий и требующих высокой их точности.
Особая сложность возникает, когда ведется получение отверстий, имеющих глубину, равную более 30 диаметров отверстия (например, 100 мм при диаметре отверстия 3 мм), а материалом изделия являются труднообрабатываемые высокопрочные стали и, тем более, твердые сплавы, включая безвольфрамовые твердые сплавы [(Типовые операции ЭЭО. Центральный металлический портал РФ, c. 4 и 5. https://metallicheckiy-portal.ru/articles/obrabotka/elektro-erozionnaya/tipovie_operacii/4) и (Овчинников Д.В., Моргунов Ю.А. Электроэрозионная прошивка глубоких отверстий малого диаметра. Ритм машиностроения.-2018.- № 10, с. 28-33. https://ritm-magazine.ru/ru/magazines/2018/zhurnal-ritm-mashinostroeniya-10-2018#page-1)]. Выполнение таких отверстий традиционными методами обработки считается чрезвычайно затруднительной или даже невозможной задачей.
Эта задача в последние годы успешно решается путем использования метода электроэрозионного «сверления» отверстий малого диаметра, которое является одним из вариантов технологии электроэрозионной обработки (ЭЭО) металлических материалов. Суть этого метода заключается в электроэрозионном прошивании отверстия длинномерным электродом-инструментом, который непрерывно вращается в патроне в присутствии постоянного потока дистиллированной или деионизированной воды, прокачиваемой через электрод-инструмент или зазор между ним и обрабатываемой заготовкой в качестве промывки (вымывания частиц из зоны обработки) и диэлектрика.
Электроэрозионная «супер-дрель» («super drill» или «hole popper») позволяет делать отверстия высокой точности диаметром 0,2…3,0 мм глубиной до 100 мм, но в некоторых видах «супер-дрелей» это соотношение находится в пределах 1/200…1/250 (Принцип работы электроэрозионной супердрели. Портал о металлообработке WikiMetall.Ru. https://wikimetall.ru/oborudovanie/elektroerozionnaya-superdrel.html).
Электрод-инструмент, проводящий ток и направляющий на место обработки импульсный разряд, является одним из основных элементов, определяющих эффективность применения электроэрозионного метода обработки. Рабочая часть электрода-инструмента представляет собой негативную копию обрабатываемой поверхности изделия с учетом необходимых технологических припусков. Физико-механические и эксплуатационные свойства материала, из которого он изготовлен, оказывают первостепенное влияние на стабильность электроэрозионного процесса, его эффективность, производительность и точность обработки.
В результате воздействия импульса тока при электроэрозионной обработке происходит расплавление не только обрабатываемого материала, но и материала электрода-инструмента. Поэтому к материалу электрода-инструмента предъявляются особые требования по электроэрозионной стойкости и электропроводности (ОСТ 92-1347-83. Обработка электроэрозионная. Технологические рекомендации (80926). - 44 с., п. 3 раздела 2 на с. 2. https://dnaop.com/html/80926/doc-ОСТ_92-1347-83).
Поскольку при электроэрозионной обработке происходит периодическое касание электродом-инструментом обрабатываемой поверхности, а при электроэрозионном разряде возникают также электродинамические силы (Екатериничев А.Л. Обоснование параметров электродов-инструментов и условий электроэрозионного микроформообразования: автореферат дисс. ... канд. техн. наук. – Тула: Тул. гос. ун-т, 2007. - 19 с. file:///C:/Users/ShEP/Downloads/autoref-obosnovanie-parametrov-elektrodov-instrumentov-i-uslovii-elektroerozionnogo-mikroformoobrazo.pdf), то для обеспечения жесткости конструкции электрода-инструмента, способной противостоять механическим и температурным деформациям (суммарная деформация не должна превышать 0,3 % допуска на основные размеры обрабатываемого изделия), материал электродов-инструментов должен обладать также механической прочностью, особенно, прочностью при изгибе, причем, не только при комнатной, но и при повышенных температурах. В особой мере это требование касается материала электродов-инструментов для электроэрозионного «сверления» глубоких отверстий малого диаметра, т.к. в виду большой длины и малых размеров поперечного сечения электродов-инструментов их конструкция обладает малой жесткостью, что отрицательно может сказаться на точности ЭЭО.
Кроме того, материал должен обладать жаро - и коррозионной стойкостью и не выделять под действием высоких температур при разряде каких-либо токсичных веществ (Оглезнев Н.Д. Разработка композиционных материалов электродов-инструментов с улучшенными эксплуатационными характеристиками для обработки металлических сплавов: дисс. …канд. техн. наук. – Пермь: Пермский нац. исслед. политехн. ун-т, 2015. - 137 с., с. 13, 14, 16. http://research.sfu-kras.ru/sites/research.sfu-kras.ru/files/Dissertaciya_Ogleznev.pdf) .
Медь и материалы на ее основе составляют основную часть применяемых металлических материалов для электродов-инструментов электроэрозионной обработки и, в частности, электроэрозионного «сверления» глубоких отверстий малого диаметра, в том числе в изделиях из высокопрочных инструментальных сталей и твердых сплавов. В качестве заготовок для изготовления электродов-инструментов наиболее часто используются прутки, прокат или катанка из электролитической меди марок М1, М2 и М3 по ГОСТ 859-78 (ОСТ 92-1347-83. Обработка электроэрозионная. Технологические рекомендации (80926). - 44 с., п. 3 раздела 2 на с. 2. https://dnaop.com/html/80926/doc-ОСТ_92-1347-83), имеющих высокую электро- и теплопроводность. Из этих заготовок изготавливают холодной или горячей штамповкой обычные электроды-инструменты. При горячей штамповке медь нагревает до температуры 880°С. Перед операцией холодной штамповки электродов – инструментов заготовки для них необходимо отжигать, что улучшает их штампуемость. В том случае, когда необходимо получить длинномерные и тонкие электроды-инструменты используются холодное или горячее прессование (экструзию) медных заготовок и/или их волочение. Однако длинномерные и тонкие электрод-инструменты из компактной меди, получаемые экструзией и/или волочением, имеют при ЭЭО труднообрабатываемых материалов значительный объемный электроэрозионный износ, который, например, в 6…10 раз бóльший по сравнению с углеграфитовыми электродами-инструментами (Основные сведения об электроэрозионной обработке. Центральный металлический портал РФ, c. 7 https://metallicheckiy-portal.ru/articles/obrabotka/elektro-erozionnaya/osnovnie_svedenia/7).
Применение электродов-инструментов из пористой меди марок МП, МП-15 по ГОСТ 4960-75 (ОСТ 92-1347-83. Обработка электроэрозионная. Технологические рекомендации (80926). - 44 с., п. 3 раздела 2 на с. 2. https://dnaop.com/html/80926/doc-ОСТ_92-1347-83), получаемых методом порошковой металлургии, позволяет повысить эксплуатационные характеристики медных электродов-инструментов. Например, использование электродов-инструментов из порошковой меди марки МП-15 с относительной пористостью 15%, получаемых холодным прессованием медного порошка и дальнейшим спеканием в вакууме или защитной среде полученной прессовки, позволяет при обработке импульсами прямоугольной формы до 1,5 раза по сравнению с электродами-инструментами из компактной меди M1 повысить скорость съема материала изделия и повысить стойкость электрода-инструмента (Оглезнева С.А., Оглезнев Н.Д. Разработка материала электрода-инструмента для электроэрозионной прошивки / Современные проблемы науки и образования. Сетевое издание. - 2014. - № 2. ISSN 2070-7428, Введение. https://science-education.ru/ru/article/view?id=12692). Однако, применение электродов-инструментов из пористой меди марки МП-15 при электроэрозионном «сверлении» глубоких отверстий малых размеров может быть ограничено ввиду того, что спеченные электроды-инструменты из порошковой меди с указанной пористостью и, особенно, круглого сечения очень сложно изготовить длинномерными и тонкими.
Известны материалы, применяемые для изготовления электродов-инструментов станков электроэрозионной обработки на основе порошковой меди с различными добавками, повышающими стойкость против электрической эрозии. К таким материалам так же относится материал электрода-инструмента для электроэрозионной обработки, который является наиболее близким к предлагаемому изобретению аналогом (прототипом)
(SU 363517 A1. МПК B23H 1/06. Электрод-инструмент для электроэрозионной обработки / Ю.А. Семенов, Г.С. Шмаков, Т.Н. Бердяева, Б.Н. Золотых, И.П. Коробова. Заявл. 1964.08.21; опубл. 1972.12.25. Бюлл. 4 за 1973 г.), и представляет собой материал, выполненный на основе меди, содержащий до 5 мас.% нитрида бора. Наиболее эрозионностойким электродным материалом, позволяющим с его помощью также получать обрабатываемую поверхность высокого класса чистоты, является материал, содержащий медь с 3,0-5,0 мас. % нитрида бора. Его твердость по Бринеллю НВ в зависимости от процентного содержания нитрида бора составляет от 44 кг/мм2 до 50 кг/мм2.
Указанный материал получают путем смешивания медного электролитического порошка с наибольшим размером частиц 60 мкм и порошка нитрида бора, прессования полученной шихты под давлением 400 МПа в брикеты с пористостью 25%, выдерживания брикетов в течение 2 ч при температуре 900°С и последующего мундштучного прессования (горячей экструзии) в прутки при температуре 700°С (степень деформации 85%) с остаточной пористостью 3-5%. Использование горячей экструзии с большими степенями деформации объясняется тем, что нитрид бора не взаимодействует с медью, а располагается на границах зерен и на поверхности частиц медного порошка, препятствуя спеканию и усадке порошковой композиции, что вызывает большую пористость спеченных из нее брикетов.
Для целей электроэрозионного прошивания твердых сплавов, например, марки ВК-20 (80 мас.% карбида вольфрама + 20 мас.% кобальта) в промышленных условиях при повышенном показателе стойкости электродов-инструментов их рекомендуется изготавливать из материала марки МНБ-3 по ТУ 063-52-78, содержащего порошковую электролитическую медь по ГОСТ 4960-75 с 3,0 мас. % нитрида бора по ТУ 2-036-707-77 (ОСТ 92-1347-83. Обработка электроэрозионная. Технологические рекомендации (80926). - 44 с., п. 3 раздела 2 на с. 2, табл. 4 на с. 30. https://dnaop.com/html/80926/doc-ОСТ_92-1347-83).
Данный материал можно использовать так же для получения длинномерных и тонких электродов - инструментов для электроэрозионного «сверления» глубоких отверстий и пазов малых размеров, в том числе в таких труднообрабатываемых материалах, как твердые сплавы. Однако, его затруднительно применить при ЭЭО безвольфрамовых твердых сплавов, к которым в соответствии с ГОСТ 26530-85 относятся твердые сплавы с карбидом титана марок ТН20, КТН16, Т15К6, Т5К10, ТТ10К8-Б и многие другие, т.к. при прошивании этих широко используемых в промышленности материалов проявляются пониженные электроэрозионные характеристики материала МНБ-3 и их нестабильность (SU 899322. МПК В 23 Р1/12. Материал электрода-инструмента для электроэрозионной обработки / P.В. Минакова, А.П. Кресанова, Н.М. Арнольди [и др.]. Заявл. 10.06.80; опубл. 23.01.82. Бюлл. № 3).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание эрозионностойкого материала электрода-инструмента для электроэрозионной обработки материалов, преимущественно, труднообрабатываемых, в том числе безвольфрамовых твердых сплавов и прежде всего, для прошивания в них глубоких отверстий и пазов малых размеров.
Техническим результатом заявляемого изобретения является достижение на основе сбалансированных между собой химического состава и структуры материала, повышенных его физико-механических и эксплуатационных характеристик и, прежде всего, электроэрозионной стойкости и производительности процесса электроэрозионной обработки, а также свойств, позволяющих получать из материала длинномерные и тонкие электроды-инструменты.
Указанный технический результат достигается за счет того, что материал электрода-инструмента для электроэрозионной обработки, выполненный на основе меди, содержащий нитрид бора, дополнительно содержит алюминий и углерод при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Нитрид бора 2,90-3,10
Алюминий 0,30-0,70
Углерод 0,15-0,35
Медь остальное
Из уровня техники не известны аналоги, обладающие тождественной совокупностью признаков.
Материал по заявляемому изобретению изготавливают из исходной порошковой смеси, приготовленной смешиванием в смесителе типа «пьяная бочка» в течение 1 ч дозированных порций порошка электролитической меди марки ПМС-1 (ГОСТ 4960-75), гексагонального нитрида бора марки С (ТУ 2112-003-49534204-2002), алюминиевой пудры марки ПП-1 (ГОСТ 5592-71) и порошка карандашного графита марки ГК-3 (ГОСТ 4404-78). Приготовленную таким образом исходную порошковую смесь обрабатывают в среде воздуха рабочей камеры аттритора в течение
1 ч с частотой вращения ротора 600 мин-1, степенью заполнения рабочей камеры мелющими шарами и порошковой смесью, равной, 0,7. Полученные в аттриторе гранулы подвергают холодному компактированию на гидравлическом прессе в жесткой матрице по двусторонней схеме прессования давлением 400 МПа в брикеты, которые затем выдерживают в печи в защитной атмосфере в течение 1 ч при температуре 850°С, после чего производят мундштучное прессование (экструзию) со степень деформации 85% нагретых до 750°С брикетов в прутки из нагретого до 450°С контейнера гидравлического пресса в коническую матрицу из твердого сплава. Отверстие (очко) в этой матрице может быть выполнено в виде требуемого профиля (круга, квадрата, ромба и пр.) поперечного сечения прутка, который является заготовкой для изготовления из него электродов-инструментов. Поскольку горячеэкструдированные прутки получают длиной до 4000 мм, то из них изготавливают сразу несколько длинномерных электродов-заготовок для электроэрозионного «сверления» глубоких отверстий, причем, минимальный диаметр таких прутков составляет 1 мм. Если требуется меньший диаметр электрода-инструмента, то его получают, подвергнув пруток волочению, при котором одновременно с уменьшением диаметра обеспечиваются повышенная точность этого размера и высокий класс чистоты боковой (рабочей) поверхности электрода-инструмента.
Во время обработки исходной порошковой смеси порошков в среде кислорода воздуха рабочей камеры аттритора и дальнейшего термодеформационного передела полученных гранул в горячеэкструдированные прутки происходит окисление части алюминия (механохимический синтез) и образование оксида алюминия Al2O3 в материале (Шалунов Е.П., Смирнов В.М. О механизмах формирования структуры и свойств композиционных материалов системы Cu-Al-C-O, получаемых на основе метода реакционного механического легирования / Вестник Чувашского университета. Естественные и технические науки. – 2013. – № 3. – С. 314–322, с. 318. https://cyberleninka.ru/article/n/o-mehanizmah-formirovaniya-struktury-i-svoystv-kompozitsionnyh-materialov-sistemy-cu-al-c-o-poluchaemyh-na-osnove-metoda-reaktsionnogo/viewer) согласно реакции:
2Al+3/2 O2=Al2O3.
При обработке в аттриторе и дальнейшем термодеформационном переделе полученных в нем гранул происходит окисление не только алюминия, но и порошка меди с образованием оксидов СuО и Сu2О:
2Cu+O2 =2CuO,
где СuO – оксид меди (II) (окись меди), который образуется в виде кристаллов черного цвета, начиная с температуры 60…70°С,
4CuO → 2Cu2O +O2 ,
где Сu2О - оксид меди (I) (закись меди), получаемый разложением СuO при нагревании до 1100°C в виде кристаллов красновато-коричневые цвета.
Таким образом, в процессе получения материала в его структуре образуются помимо динамически термостабильных упрочняющих частиц Al2O3 так же значительное количество частиц оксидов меди, размеры которых на порядки превышают размеры частиц оксида алюминия и они сильно снижают электропроводность материала. Алюминий, обладая бóльшим, чем медь сродством к кислороду, восстанавливает медь из ее оксидов с одновременным образованием собственного оксида (Шалунов Е.П., Смирнов В.М. О механизмах формирования структуры и свойств композиционных материалов системы Cu-Al-C-O, получаемых на основе метода реакционного механического легирования / Вестник Чувашского университета. Естественные и технические науки. – 2013. – № 3. – С. 314–322, с. 318. https://cyberleninka.ru/article/n/o-mehanizmah-formirovaniya-struktury-i-svoystv-kompozitsionnyh-materialov-sistemy-cu-al-c-o-poluchaemyh-na-osnove-metoda-reaktsionnogo/viewer) согласно следующим реакциям:
3CuO+2Al =3Cu+Al2O3 ,
Cu2O+2Al = 6Cu+Al2O3 .
Кроме того, часть алюминия во время обработки исходной порошковой смеси в аттриторе и последующего термодеформационного передела полученных в аттриторе гранул вступает в реакцию с частью нитрида бора BN, образуя нитрид алюминия AlN и бор B, часть которого, окисляясь, образует оксид бора B2O3 (Живушкин А.А. Особенности применения композиционного материала «алюминий – нитрид бора» в авиационных двигателях / А. А. Живушкин, Е. А. Козлова, И. А. Чубуков, А. Ю. Марова // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. – 2009. - №3(19), С. 235-240, с. 236. https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-primeneniya-kompozitsionnogo-materiala-alyuminiy-nitrid-bora-v-aviatsionnyh-dvigatelyah/viewer) согласно следующим реакциям:
Al+BN →AlN+B,
4B+3O2 →2B2O3.
При этом, следует отметить, что другим возможным источником образования оксида бора может являться часть нитрида бора, который образовывает с кислородом воздуха, заключенного во внутригранульных и межгранульных порах брикета, при его нагревах выше 700°C этот оксид с выделением азота, который является не только эффективным защитным газом в порошковой металлургии медных материалов, но и сам способен создать нитрид алюминия, взаимодействуя при выдержке гранульного брикета в печи при 850°C с алюминием (Коршунов А.В. Закономерности взаимодействия порошков алюминия с азотом / Известия Томского политехнического университета. - 2010. - Т. 316. - № 3. – С. 17-23, с. 17. https://cyberleninka.ru/article/n/zakonomernosti-vzaimodeystviya-poroshkov-alyuminiya-s-azotom):
4BN+3O2→2B2O3+2N2↑,
N2+2Al→2AlN
Оставшаяся часть алюминия при термообработке гранульного брикета при 850 оС может восстановить бор из его оксида и образовать оксид алюминия (Реакция взаимодействия оксида бора и алюминия. https://chemicalstudy.ru/reaktsiya-vzaimodejstviya-oksida-bora-i-alyuminiya/Оксид бора):
B2O3+2Al→Al2O3+2B.
Таким образом, полученный материал состоит из пластичной основы в виде медной матрицы и равномерно распределенных в ней частиц остаточного нитрида бора BN и вновь образованных по приведенным выше твердофазным реакциям тугоплавких соединений в виде оксида алюминия Al2O3, нитрида алюминия AlN и оксида бора B2O3, также чистого бора. Особенностью этих тугоплавких соединений, образованных в результате применения метода реакционного механического легирования в аттриторе является, прежде всего, чрезвычайно малые размеры их механохимически синтезированных частиц, попадающих в наноуровневый (менее 100 нм) диапазон (Шалунов Е.П., Смирнов В.М. О механизмах формирования структуры и свойств композиционных материалов системы Cu-Al-C-O, получаемых на основе метода реакционного механического легирования / Вестник Чувашского университета. Естественные и технические науки. – 2013. – № 3. – С. 314–322, с. 314-315. https://cyberleninka.ru/article/n/o-mehanizmah-formirovaniya-struktury-i-svoystv-kompozitsionnyh-materialov-sistemy-cu-al-c-o-poluchaemyh-na-osnove-metoda-reaktsionnogo/viewer), что обеспечивает так называемое дисперсное упрочнение материала, а сами указанные динамически термостабильные частицы должны создать значительные препятствия дислокациям при их перемещении при высокотемпературном нагружении материала. Поскольку эти частицы относятся к разным химическим соединениям, то их высокотемпературная коалесценция при высоких температурах ЭЭО будет затруднена, что должно позитивно сказаться на температуре рекристаллизации материала, характеризующей его жаростойкость, и процессе эрозионного износа электродов-инструментов из него (Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали. - М.:Металлургия, 1979, с. 127-139. https://www.studmed.ru/goldshteyn-m-i-farber-v-m-dispersionnoe-uprochnenie-stali_bb2887d3ebc.html).
Этого не может обеспечить материал, выбранный в качестве прототипа, поскольку размер частиц гексагонального нитрида бора марки С, согласно ТУ 2112-003-49534204-2002, не относится к нанодисперсному уровню и составляет в среднем не менее 5 мкм (5000 нм).
Находящийся в составе полученного материала бор не ухудшает электропроводность главной составляющей материала – меди, поэтому он часто используется при изготовлении электротехнической меди. Помимо этого, бор способен значительно уменьшить размер зерна, что положительно влияет на механические свойства материала, и не дает увеличиваться зерну в размерах при повышенных температурах (Лигатуры на основе меди: сплавы медь-бор CuB. Сайт компании «Средуралторгрезерв». http://uraltorgrezerv.ru/ligatura-na-osnove-medi).
Помимо оксидов меди, условия образования которых указаны выше, в полученных в аттриторе гранулах присутствуют также гидроксиды меди Cu(OH)2, представляющие собой оксидные пленки, которые присутствовали изначально на частицах порошка меди и были разрушены (содраны) при обработке в аттриторе. Кроме того, из-за высокой температуры (80…120°C) в рабочей камере аттритора, влага, адсорбированная на поверхности исходных частиц медного порошка, частично приняла участие в окислении меди с образованием ее гидроксида. Поскольку размеры медных гидроксидов Cu(OH)2 на один-два порядка больше, чем размеры образовавшихся оксида алюминия Al2O3, нитрида алюминия AlN и оксида бора B2O3, их вклад в упрочнение материала и достижение высокой его жаростойкости и прочности незначителен. Но зато медные гидроксиды значительно снижают электропроводность материала, в связи с чем они считаются вредными примесями. Для избавления от них в исходной порошковой смеси присутствует графит (Шалунов Е.П., Смирнов В.М., Матросов А.Л. Реакционное механическое легирование порошковой меди кислородом и углеродом / Вестник Чувашского университета. – 2012. - №3. – С. 252-259, с. 257. https://cyberleninka.ru/article/n/reaktsionnoe-mehanicheskoe-legirovanie-poroshkovoy-medi-kislorodom-i-uglerodom), часть которого Св во время нагрева гранул в полугерметичном контейнере восстанавливает медь из ее гидроксида согласно реакции:
2Cu(OH)2+С=2Cu+CO2↑+Н2О↑.
При этом, попутно образовавшиеся углекислый CO2 и вода Н2О в виде перегретого пара удаляются через внутригранульные и межгранульные поры в атмосферу. Защитную атмосферу в виде газов CO2(CO) для предотвращения окисления гранульного брикета перед горячей экструзией создает другая часть графита СЗ, реагируя с кислородом воздуха:
Cз+O2→CO2(CO)↑.
Наличие указанной защитной атмосферы при нагреве гранульных брикетов перед горячей экструзией обеспечивает материалу хорошую электропроводность.
В соответствии с описанной технологией были изготовлены горячеэкструдированные прутки заявленного материала диаметром сечения 15,5-0,36 мм различных составов с содержанием компонентов в них в указанных в табл.1 пределах.
| Таблица 1 | |||||||||
| Компоненты | Составы материала, мас.% | ||||||||
| № 1 | № 2 | № 3 | № 4 | № 5 | № 6 | № 7 | № 8 | № 9 | |
| Нитрид бора | 2,90 | 2,90 | 2,90 | 3,00 | 3,00 | 3,00 | 3,10 | 3,10 | 3,10 |
| Алюминий | 0,30 | 0,50 | 0,70 | 0,30 | 0,50 | 0,70 | 0,30 | 0,50 | 0,70 |
| Углерод | 0,15 | 0,25 | 0,35 | 0,15 | 0,25 | 0,35 | 0,15 | 0,25 | 0,35 |
| Медь | 96,65 | 96,35 | 96,05 | 96,55 | 96,25 | 95,95 | 96,45 | 96,15 | 95,85 |
Степень деформации при экструзии составляла 85%, что соответствовало коэффициенту вытяжки 6,5.
Так же в соответствии с приведенной в источнике (SU 363517 A1. МПК B23H 1/06. Электрод-инструмент для электроэрозионной обработки / Ю.А. Семенов, Г.С. Шмаков, Т.Н. Бердяева, Б.Н. Золотых, И.П. Коробова. Заявл. 1964.08.21; опубл. 1972.12.25. Бюлл. 4 за 1973 г.) технологией при указанной выше степени деформации были изготовлены горячеэкструдированные прутки материала МНБ-3 (медь с 3,0 мас.% BN) диаметром
15,5-0,36 мм, для чего были использованы порошки электролитической меди марки ПМС-1 (ГОСТ 4960-75) и гексагонального нитрида бора марки С (ТУ 2112-003-49534204-2002).
Из изготовленных горячепрессованных прутков заявленного материала и материала-прототипа методами механической обработки были изготовлены соответствующие образцы для проведения испытаний по определению физическо-механических и эксплуатационных свойств обоих материалов.
Электропроводность материалов образцов при 20°C определяли на основе ГОСТ 7229-76. Полученные значения электрического сопротивления материалов пересчитывали в электропроводность каждого материала по отношению к чистой меди (% IACS).
Твёрдость по Бринеллю измеряли при 20°C в соответствии с ГОСТ 23667-79. Температуру рекристаллизации определяли согласно ISO 5182, в соответствии с
которым температура рекристаллизации материалов определялась измерением их твердости после отжига в течение 2 ч как температура, при которой происходит падение твердости на 15%.
Предел прочности при поперечном изгибе призматических образцов определяли по ГОСТ 14019-2003 со скоростью нагружения 2 мм/мин с расстоянием между двумя опорами 70 мм. Нагрузку прикладывали сосредоточенной силой Р на середине расстояния между опорами. Те образцы, которые подвергались испытаниям при температурах 200°C и 700°C, перед испытанием сначала нагревали в специальных теплосберегающих пеналах, содержащих древесно-угольный карбюризатор (ГОСТ 2407-83), до температуры, превышающей на 60-70°C требуемую температуру испытаний. Замер температуры осуществлялся с использованием термопары, устанавливаемой в отверстие в торце образца. После этого образец быстро извлекался из пенала, помещался на двухточечную опору, установленную на траверсе универсальной разрывной машины 1958У, и быстро нагружался усилием до разрушения образца. Предел прочности при изгибе определяли по формуле:
σ изг=1,5PL/b3 ,
где Р - разрушающая нагрузка;
L - расстояние между опорами;
b - размер поперечного сечения образца.
В качестве эксплуатационных характеристик материалов электродов-инструментов использовали относительный объемный электроэрозионного износ электрода-инструмента hv и объемную производительность электроэрозионной обработки Пv, которые определяли по соответствующим формулам:
h v =(∆Vэи/∆Vзаг)·100%,
где ∆Vэи, ∆Vзаг - объемный электроэрозионный износ соответственно электрода-инструмента и обрабатываемой заготовки.
П v=Vзаг/τо=(mзаг о -mзаг)/ρзаг · τо ,
где ∆Vзаг - объем удаленного с заготовки материала;
mзаг о , mзаг - масса обрабатываемой заготовки соответственно в исходном состоянии и после ее обработки;
τ о - основное время обработки.
В качестве труднообрабатываемого материала для прошивки в экспериментах использовали спеченный твердый безвольфрамовый сплав марки КНТ16 (ГОСТ 26530-85) в виде пластин с номинальными размерами 7×20×20 мм и вердостью составляет HRA 89. Этот сплав содержит, мас.%: TiCN – 74, Ni – до 19,5, Мо – до 6,5. Он применяется для сопел распылителей, вытяжных матриц, клапанов буровых насосов, колец и втулок плунжеров, деталей измерительной аппаратуры, деталей для микросварки, роликов-клише, мерительного инструмента (концевые меры длины, калибры, скобы и др.), пресс-оснастки при изготовлении резиновых изделий и прочих деталей, в которых часто выполняются малые отверстия и пазы значительной глубины.
Абсолютную плотность твердого сплава, заявляемого материала и материала-прототипа определяли расчетным путем при взвешивании шлифованных призматических образцов по ГОСТ 24104-2001 на электронных весах с точностью отсчета ±0,001 г (ГОСТ Р 53228-2008).
Для определения указанных эксплуатационных характеристик проводили тестовые испытания электродов-инструментов из заявленного материала и материала-прототипа на универсальном электроэрозионном копировально-прошивочном станке модели 4Г721М, оснащенном генератором импульсов ШГИ 40-440. Обработка велась при отрицательной полярности подключения электрода-инструмента к источнику высокочастотного тока с короткими импульсами прямоугольного вида с частотой их следования 22 кГц. Рабочий ток на межэлектродном промежутке составлял 22 А, напряжение – 11В. Глубина опускания шпиндельной головки с электродом от касания поверхности обрабатываемой заготовки составляла 5±0,01 мм и контролировалась индикатором ИЧ50 (точность отсчета ±0,01 мм).
Для изготовления электродов-инструментов для проведения их испытаний полученные горячепрессованные прутки из заявляемого материала и материала – прототипа нарезали на отдельные заготовки электродов-инструментов длиной 50 мм. Эти заготовок обтачивали до диаметра 10,0+0,1 и доводили обработанную поверхность до шероховатости Ra=2,5 мкм. С целью ускорения испытаний за счет развития бóльшей площади рабочих поверхностей электродов-инструментов, в них выполняли сквозное центральной отверстие диаметром 3,0+0,05 мм, через которое проходила прокачка рабочей жидкости и промывка межэлектродного пространства от шлама - продуктов электроэрозии.
Коррозионную стойкость материалов определяли по окисленности поверхности электродов-инструментов весовым методом по Приложению А к ГОСТ Р 53803-2010. Перед травлением электроды-инструменты промывали в теплой воде (температура - не ниже 40 °С), сушили, протирали ветошью насухо с последующим обезжириванием ацетоном (ГОСТ 2768) и взвешивали на весах высокого класса точности (ГОСТ Р 53228-2008) по ГОСТ 24104-2001. Далее электрод-инструменты подвергали травлению в 10%-ном по массе растворе серной кислоты (ГОСТ 4204) в течение 15 мин. Температура травильного раствора была от 70°C до 80°C. После травления электроды-инструменты промывали водой, сушили и взвешивали на тех же весах. Окисленность поверхности электрода-инструмента определяли по формуле:
a=[(mэи о –mэи к)/mэи о)]·100% ,
где mэи о - масса электрода-инструмента до травления;
mэи к - масса электрода-инструмента после травления.
Металлографические исследования структуры материала проводили на микроскопе Альтами МЕТ 1МТ. Исследование тонкой структуры материала выполняли с использованием электронного растрового сканирующего микроскопа JEOL JCM-6000 NeoScope II при увеличении до 25000 раз. Фазовый состав упрочняющих частиц определяли на дифрактометре ДРОН-3М ренгеноструктурным анализом анодных осадков, полученных путем электролитического растворения образцов исследуемого материала, и расшифровки дифрактограмм, снятых на кобальтовом излучении с использованием
β-фильтров с фокусировкой по Брэггу-Брентано.
Физико-механические и эксплуатационные свойства заявляемого материала и материала-прототипа приведены в табл. 2.
| Таблица 2 | ||||||||||
| Температура материала при измерениях |
Составы материала | Материал -прототип | ||||||||
| № 1 | № 2 | № 3 | № 4 | № 5 | № 6 | № 7 | № 8 | № 9 | ||
| Электропроводность, % от электропроводности меди (% IACS) | ||||||||||
| 20 оС | 86 | 83 | 78 | 85 | 81 | 76 | 84 | 80 | 74 | 89 |
| Твердость, HB5/750/30 | ||||||||||
| 20 оС | 123 | 130 | 148 | 125 | 138 | 152 | 128 | 142 | 157 | 55 |
| Температура рекристаллизации, °С | ||||||||||
| 20 оС | 810 | 825 | 835 | 815 | 825 | 840 | 815 | 830 | 845 | 320 |
| Предел прочности при изгибе, МПа | ||||||||||
| 20 оС | 659 | 665 | 665 | 656 | 663 | 672 | 659 | 662 | 675 | 466 |
| 200 оС | 397 | 398 | 396 | 390 | 403 | 410 | 400 | 389 | 405 | 258 |
| 700 оС | 130 | 134 | 133 | 132 | 133 | 131 | 131 | 134 | 136 | 64 |
| Окисленность поверхности электрода-инструмента, х 10-2 % | ||||||||||
| 20 оС | 0,72 | 0,81 | 0,93 | 0,78 | 0,83 | 0,97 | 0,83 | 0,95 | 0,99 | 1,16 |
| Относительный объемный износ электрода-инструмента, % | ||||||||||
| 20 оС | 14,3 | 18,7 | 20,1 | 16,2 | 18,8 | 20,5 | 17,4 | 19,3 | 22,2 | 38,2 |
| Объемная производительность электроэрозионной обработки, мм3/мин | ||||||||||
| 20 оС | 12,7 | 11,1 | 8,8 | 12,4 | 10,1 | 8,9 | 7,9 | 9,9 | 10,4 | 2,9 |
Из анализа данных табл. 2 следует, что материал по заявленному изобретению обладает более высокими по сравнению с материалом-прототипом прочностными и эксплуатационными характеристиками. В частности, его твердость не менее, чем в 2,2 раза превышает твердость материала-прототипа, а предел прочности при изгибе материала по изобретению при нормальной температуре и температуре 200°C превышает аналогичную характеристику у материала-прототипа не менее, чем в 1,5 раза. Еще бóльшее преимущество (более, чем в 2 раза) наблюдается при температуре нагрева 700°C, что объясняется особенностью строения тонкой структуры материала по изобретению, представляющую собой, как показали проведенные ее исследования, медную основу (матрицу) в виде субзерен с размерами от 76 нм до 346 нм и равномерно распределенными в ней частицами cо средним размером от 13 нм до 1260 нм. При помощи приведенных выше методов металлографических исследований удалось установить, что этими частицами являются оксид алюминия Al2O3, оксид бора B2O3, нитрид алюминия AlN. В материале также присутствуют частицы остаточного (не полностью прореагировавшего) нитрида бора BN, а также небольшое количество не полностью восстановленных частиц закиси меди Cu2O. Такая структура характерна для дисперсно-упрочненных композиционных материалов, обладающих высокими жаропрочностью и жаростойкостью (Шалунов Е.П., Смирнов В.М. О механизмах формирования структуры и свойств композиционных материалов системы Cu-Al-C-O, получаемых на основе метода реакционного механического легирования / Вестник Чувашского университета. Естественные и технические науки. – 2013. – № 3. – С. 314–322. https://cyberleninka.ru/article/n/o-mehanizmah-formirovaniya-struktury-i-svoystv-kompozitsionnyh-materialov-sistemy-cu-al-c-o-poluchaemyh-na-osnove-metoda-reaktsionnogo/viewer).
Высокой прочности, особенно, при изгибе так же способствует макроструктура материала по изобретению, состоящая из параллельных друг другу дискретных микроволокон, которые образовались в результате вытягивания гранул брикета в направлении прессования при его горячей экструзии. Как известно (Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. 2-ое изд., перераб. и доп. Киев. Наук. думка. 1988. ISBN 5-12-0002999-4. Pис. 202 на с. 273], многослойные тела при их поперечном изгибе имеют более высокую прочность на изгиб, чем монослойные тела.
Благодаря дисперсному упрочнению медной матрицы указанными выше динамически термостабильными тугоплавкими частицами, материал по изобретению обладает так же высокой температурой рекристаллизации, которая превышает температуру рекристаллизации материала-прототипа более чем в 2,5 раза. Параметр, характеризующий коррозионную стойкость сравниваемых материалов, оказался у материала по заявленному изобретению не менее чем в 1,2 раза меньше, чем у материала-прототипа, что объясняется, помимо химического состава, наличием у материала-прототипа, в отличие от горячеэкструдированного материала по изобретению, остаточной пористости (до 6%), способствующей увеличению оксидной составляющей материала.
Несмотря на более высокую (на 3,5-20,0%) электропроводность материала-прототипа по сравнению с электропроводностью материала по изобретению, электроэрозионная стойкость последнего является более высокой по сравнению с электроэрозионной стойкостью материала-прототипа: относительный объемный износ электродов-инструментов из предлагаемого материала в 1,7-2,7 раза ниже относительного объемного износа электродов-инструментов из материала-прототипа.
Объемная производительность процесса ЭЭО при использовании электродов-инструментов из материала по заявляемому изобретению в среднем в 3,5 раза выше объемной производительности при использовании электродов-инструментов из материала-прототипа.
Изложенное выше свидетельствует, что благодаря сбалансированным между собою химическому составу и структуре удалось достичь повышенных физико-механических и эксплуатационных характеристик материала по заявляемому изобретению во всем диапазоне его состава и, прежде всего, более высоких, чем у материала-прототипа электроэрозионной стойкости и производительности процесса электроэрозионной обработки, а также свойств, позволяющих получать из материала длинномерные и тонкие электроды-инструменты, что обеспечит возможность изготавливать из него эрозионностойкие электроды-инструменты для электроэрозионной обработки материалов, преимущественно, труднообрабатываемых, в том числе безвольфрамовых твердых сплавов и прежде всего, для прошивания в них глубоких отверстий и пазов малых размеров.
Материал для изготовления электрода-инструмента для электроэрозионной обработки на основе меди, содержащий нитрид бора, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий и углерод при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| нитрид бора | 2,90-3,10 |
| алюминий | 0,30-0,70 |
| углерод | 0,15-0,35 |
| медь | остальное. |
