способ изготовления твердосплавного инструмента с литой основой

Формула изобретения

Способ изготовления твердосплавного инструмента с литой основой, включающий размещение внутри литейной формы изготовленной стальной оболочки или стального контейнера с впаянным с помощью железоуглеродистого припоя твердым сплавом, подогрев формы с оболочкой или контейнером до 650-750°С при образовании защитной газовой среды и заливку формы стальным расплавом основы инструмента, отличающийся тем, что перед размещением внутри формы на поверхность оболочки или контейнера, обращенную в полость формы, дополнительно наносят защитное покрытие в виде слоя затвердевшего расплава буры, диспергированного графитом в пределах 5-15 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности к области создания неразъемных соединений металлических материалов с помощью пайки и литья, и может быть использовано при изготовлении твердосплавного инструмента для различных горно-буровых работ.

Известен способ изготовления твердосплавного инструмента с литой основой по патенту РФ № 2096128, при выполнении которого литейную форму с предварительно размещенным внутри твердым сплавом и созданной защитной газовой средой подогревают до 400-500°С и заливают стальным расплавом основы инструмента, например, расплавом стали 40ХЛ, имеющим температуру 1480°С в момент непосредственного контакта с поверхностью твердого сплава.

Данный способ имеет несколько недостатков, характерных для стальных расплавов основы твердосплавного инструмента:

1 - низкая жидкотекучесть;

2 - плохая смачиваемость поверхности твердого сплава;

3 - высокая температура в момент механического контакта с твердым сплавом.

Среди перечисленных недостатков последний является наиболее существенным, так как приводит к тепловому удару, то есть к резкому повышению температуры твердого сплава до уровня температур, близких к температуре спекания при его изготовлении.

Это приводит, с одной стороны, к резкому возрастанию внутренних напряжений и возможному трещинообразованию в твердом сплаве, а также к изменению исходного состояния карбидной и связующей фаз с соответствующим снижением прочности, твердости и износостойкости твердого сплава и, следовательно, эксплуатационной надежности твердосплавного инструмента с литой основой.

С другой стороны, вследствие более высокой теплопроводности твердого сплава по сравнению с теплопроводностью литейной формы происходит "намораживание" стали на поверхности твердого сплава. В результате качество соединения твердого сплава и стального нароста затвердевающей основы инструмента будет зависеть от условий контактирования их поверхностей.

Однако два других недостатка ухудшают условия контактирования, так как определяют характер первичного механического контакта твердого сплава со стальным расплавом, образующим нарост. Результатом является наличие непропаев, то есть зон отсутствия диффузионного взаимодействия на границе контакта соединяемых материалов и как следствие - наличие трещин вдоль зоны контакта из-за значительного различия коэффициентов теплового расширения соединяемых материалов. Это подтверждается результатами опытно-промышленных экспериментов, которые приводят сами авторы при описании рассматриваемого способа.

Кроме того, известен способ изготовления твердосплавного инструмента с литой основой по патенту РФ № 2202441, являющемуся прототипом предлагаемого изобретения. При выполнении данного способа внутри литейной формы в процессе ее изготовления размещают стальную оболочку (стальной контейнер), изготовленную специально из необходимости учета формы и размеров твердого сплава, который предварительно впаивают в полость оболочки (контейнера) с помощью железоуглеродистого припоя. В этом случае оболочка (контейнер) выполняет двоякую роль: с одной стороны - роль промежуточной державки для твердого сплава, с другой стороны - роль сосуда для расплава припоя, соединяющего твердый сплав с внутренней поверхностью державки. После этого форму с оболочкой (контейнером) подогревают до 650÷750°С при образовании в полости формы защитной газовой среды и заливают стальным расплавом основы инструмента из расчета дополнительного подогрева оболочки (контейнера) теплом расплава до температуры, не превышающей температуру плавления припоя, но обеспечивающей активное протекание взаимодиффузионных процессов на границе контакта поверхности оболочки (контейнера) и затвердевающей основы инструмента.

Недостатком данного способа является нерегулируемость состава и ограниченность времени действия защитной газовой среды, образующейся в полости литейной формы от выгорания остатков парафино-стеариновой массы выплавленной модели основы инструмента. Следствием этого становится возможным окисление поверхности оболочки (контейнера), что не обеспечивает полноты протекания взаимодиффузионных процессов в зоне контакта оболочки (контейнера) с залитым в форму стальным расплавом основы инструмента.

Кроме того, недостатком способа, вытекающим из вышеотмеченного, следует считать возможность сохранения участков "намораживания" стального расплава на поверхности оболочки (контейнера) вследствие низкой поверхностной активности стального расплава несмотря на дополнительный подогрев оболочки (контейнера) теплом основной массы последнего.

Указанные недостатки снижают качество инструмента, изготовленного данным способом.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа изготовления твердосплавного инструмента с литой основой, обеспечивающего повышение качества изготовленного инструмента.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе изготовления твердосплавного инструмента с литой основой твердый сплав с учетом его размеров и формы предварительно впаивают с помощью железоуглеродистого припоя в полость специально изготовленной стальной оболочки или стального контейнера. После этого оболочку (контейнер) размещают на внутренней поверхности литейной формы в процессе ее изготовления, нагревают форму с оболочкой (контейнером) до 650÷750°С при образовании в полости формы защитной газовой среды и заливают форму стальным расплавом основы инструмента. При этом перед размещением в форме на поверхность оболочки (контейнера), обращенную в полость формы, дополнительно наносят защитное покрытие в виде слоя затвердевшего расплава буры, диспергированного графитом в пределах 5÷15 мас.%.

Способ осуществляется следующим образом. Твердый сплав с учетом его размеров и формы впаивается в специально изготовленную стальную оболочку (стальной контейнер) с помощью железоуглеродистого припоя, после чего на наружную поверхность оболочки (контейнера) наносится защитный слой в виде затвердевшего расплава буры, диспергированного графитом в количестве от 5 до 15 мас.%.

Подготовленная подобным образом оболочка (контейнер) размещается в конструктивно необходимом месте на модели основы инструмента из парафино-стеариновой смеси, изготовленной отдельно. Размещение осуществляется таким образом, чтобы покрытые защитным слоем поверхности оболочки (контейнера) находились в теле модели, а твердый сплав выступал над поверхностью модели на технологически необходимую высоту.

В дальнейшем на поверхности модели получают керамическую оболочку литейной формы, из которой модель выплавляют, а оболочка (контейнер) остается на внутренней поверхности формы вместе с остатками парафино-стеариновой массы модели. Затем форму устанавливают в ящик-опоку с засыпкой смесью кварцевого песка и шамотной крошки, подогревают до 650...750°С, совмещая данный процесс с прокаливанием формы, в результате чего в ее полости образуется защитная газовая среда от выгорания остатков парафино-стеариновой массы выплавленной модели, а после прокаливания форму заливают стальным расплавом, формирующим после затвердевания основу инструмента.

Особенностью предлагаемого способа является предварительное нанесение на поверхность оболочки (контейнера) слоя защитного покрытия, при этом оболочка (контейнер) размещается затем в литейной форме таким образом, чтобы поверхность с нанесенным покрытием была обращена в полость формы. В результате после заливки формы стальным расплавом в зоне контакта последнего с оболочкой (контейнером) создается положение, характерное для получения неразъемных соединений металлических материалов (биметаллов, многослойных сталей и др.), которое в более общем случае можно рассматривать как получение армированных квазимонолитных сталей. Одной из главных задач в данной области создания неразъемных соединений металлических материалов, как и в предложенном способе изготовления инструмента, является получение качественного и, следовательно, надежного соединения между исходно твердым и сохраняющим свое исходное агрегатное состояние металлом с другим металлом, находящимся в расплавленном состоянии и затвердевающим в совместном контакте. В обоих случаях данная задача решается путем предварительного нанесения на исходно твердый металл защитного покрытия, которое обеспечивает впоследствии надежный контакт поверхности данного металла с затвердевающим расплавом другого металла при активном протекании адгезионно-диффузионных процессов по всей поверхности контакта.

Однако при выполнении предлагаемого способа защитную функцию выполняет образующаяся в литейной форме газовая среда, тем не менее, при учете нерегулируемости состава среды и ограниченности времени ее действия возникает необходимость дополнительной (гарантийной) защиты поверхности оболочки (контейнера) от возможного окисления для повышения качества изготавливаемого инструмента. При этом возможного окисления следует ожидать от некоторого количества воздуха, естественно проникающего в полость формы при ее прокаливании, а также привносимого в полость самим процессом заливки, предполагая осуществление последнего традиционным способом, т.е. сверху. Кроме того, следует учитывать также и естественный процесс газовыделения из заливаемого в форму расплава.

Подобная защита вполне может быть обеспечена путем нанесения на защищаемую стальную поверхность слоя покрытия, сохраняющегося при температуре подогрева литейной формы, причем с использованием доступных веществ, а именно обычной (неплавленой) буры и графита, находящихся в порошкообразном состоянии.

Данные порошки, взятые в указанном выше соотношении, тщательно перемешиваются в отдельном сосуде при последующем нагреве сосуда до расплавления буры и дополнительном перемешивании полученного расплава вплоть до затвердевания последнего. Полученный затвердевший расплав, представляющий собой некоторую особого рода дисперсную систему, вновь дробится и размалывается до порошка с размерами частиц 0,25÷0,5 мм, который и используется при нанесении на поверхность оболочки (контейнера) защитного покрытия в виде слоя затвердевшего расплава буры, диспергированного графитом.

Нижний предел содержания графита в расплаве буры - 5 мас.% - характеризует заметное влияние его частиц на процесс соединения контактирующих сталей, верхний предел - 15 мас.% - достаточно полное влияние, превышение же последнего чревато существенным изменением химического состава приповерхностного слоя затвердевающего («намораживающегося») расплава стальной основы инструмента за счет науглероживания. Это может оказать влияние на формирование переходной зоны соединяемых сталей, что нежелательно.

Нанесение рассмотренного защитного покрытия позволяет за счет наличия буры создать и сохранить активную (ювенильную) поверхность стальной оболочки (контейнера), а при последующей заливке формы стальным расплавом основы инструмента за счет наличия частиц графита - обеспечить образование дополнительных порций защитной (восстановительной) газовой среды при возможном наличии некоторого количества кислорода, привнесенного в полость формы тем или иным путем.

Лабораторно-оценочная практика использования данного покрытия показала, что оно фактически представляет собой и флюс особого рода, который при указанном соотношении буры и графита, проявляющих себя в соответствии с их природными свойствами, обеспечивает надежное и качественное соединение контактирующих сталей в вышеописанных условиях.

После заливки формы стальным расплавом основы инструмента за счет тепла и массы последнего в момент первичного механического контакта с оболочкой (контейнером) происходит плавление и оттеснение защитного покрытия при обеспечении повсеместного контакта обнаженной поверхности оболочки (контейнера) с формирующейся поверхностью затвердевающего («намораживающегося») стального расплава для надежного адгезионно-диффузионного взаимодействия соединяемых сталей на границе их контакта. Данному процессу способствуют как бура, так и частицы графита, совместно повышающие активность приповерхностных слоев стального расплава и поверхности стальной оболочки (контейнера).

Исходя из вышеизложенного следует сделать вывод, что предлагаемый способ, обеспечивая надежность соединения стальной оболочки (контейнера) со стальным расплавом основы инструмента, позволяет повысить качество изготавливаемого инструмента.