RU2009025C1 - Method of chemical-thermal working of hard alloy tool - Google Patents

Abstract

FIELD: tool working. SUBSTANCE: tool is pressed in mixture of powders containing, wt. -% : boron 40- 50; titanium 30-40; aluminium oxide 15-20; ammonium fluoride - below 5. Working is carried out for two stages - firstly at 980 C for 2-2.5 h and then - 1000 C for 2-2.5 h under vacuum. EFFECT: improved method of working. 1 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к химико-термической обработке (ХТО) твердосплавного инструмента, а именно к способам для диффузионного насыщения поверхностного слоя боротитанированным покрытием и может быть использовано при производстве твердых сплавов, а также в горнодобывающей, машиностроительной и других областях промышленности, использующих инструмент из твердых сплавов. The invention relates to chemical-thermal treatment (CTO) of a carbide tool, and in particular to methods for diffusion saturation of the surface layer with a borotitanium coating and can be used in the manufacture of hard alloys, as well as in mining, engineering and other industries using hard alloy tools.

Применяемые, например, для бурового штампового инструмента сплавы типа ВК должны обладать высокой износостойкостью при высоких давлениях и ударных нагрузках. С этой целью используют высококобальтовые (20-30% Co) твердые сплавы. Alloys of the VK type, used, for example, for drilling punching tools, must have high wear resistance at high pressures and shock loads. For this purpose, high-cobalt (20-30% Co) hard alloys are used.

Горнобуровые инструменты подвергаются при эксплуатации абразивному и коррозионно-абразивному изнашиванию. Используемые инструментальные материалы обладают высокой твердостью, но они, как правило, хрупки и непригодны для изготовления динамически нагруженных деталей машин и инструментов. Mining tools undergo abrasion and corrosion-abrasive wear during operation. Used tool materials have high hardness, but they are usually fragile and unsuitable for the manufacture of dynamically loaded parts of machines and tools.

Известен способ химико-термической обработки сталей, включающий приготовление обмазки на карбида бора, титана, ферромаpганца, фтористого натрия и отходов катализаторного производства с водой в качестве связующего. ХТО изделий проводят в электропечи при температуре 850-1050^оС в течение 4-6 ч с последующей закалкой при температуре диффузионного насыщения. Указанный способ позволяет повысить насыщающую способность состава с увеличением толщины упрочненного слоя до 190 мкм.A known method of chemical-thermal treatment of steels, including the preparation of a coating on boron carbide, titanium, ferromanganese, sodium fluoride and waste catalyst production with water as a binder. HTO products is carried out in an electric furnace at a temperature of 850-1050 ^C for 4-6 hours followed by quenching with diffusive saturation temperature. The specified method allows to increase the saturation ability of the composition with increasing thickness of the hardened layer to 190 microns.

Известен способ химико-термической обработки сталей, основанный на диффузионном насыщении поверхностного слоя в твердой (порошковой) смеси следующего состава: 40-60% B, 30-60% Ti и активатор, обеспечивающий получение диффузионного слоя ≈100 мкм (в зависимости от состава слоя) с твердостью H_ν = 1800.A known method of chemical-thermal treatment of steels, based on the diffusion saturation of the surface layer in a solid (powder) mixture of the following composition: 40-60% B, 30-60% Ti and an activator, providing a diffusion layer ≈100 μm (depending on the composition of the layer ) with hardness H _ν = 1800.

Недостатком приведенных способов является низкая скорость формирования боротитанированных слоев, большой расход насыщающей смеси при засыпке в контейнер и невозможность повторного ее использования. The disadvantage of the above methods is the low rate of formation of borotitanium layers, the high consumption of the saturating mixture when filling into the container and the inability to reuse it.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ комплексной химико-термической обработки твердосплавного инструмента при температуре 980^оС в течение 1-2 ч без использования защитной атмосферы в порошковой насыщающей смеси следующего состава % : Карбид бора 20-25 Железосинеродистый калий 26-20 Двуокись титана 16-20 Окись алюминия 16-20 Алюминий 10-16 Хлористый аммоний 1-3 Древесный уголь 6-11
Известный способ обеспечивает получение высокой микротвердости покрытия (2620-2760 кгс/кв. мм) при глубине диффузионного слоя 6-6,5 мкм.The prototype of the proposed invention is a complex chemical-thermal treatment of carbide tools at a temperature of 980 ^{° C} for 1-2 hr without using a protective atmosphere in the powder mixture of the following composition saturating%: Boron carbide potassium ferricyanide 20-25 26-20 16-20 Titanium dioxide Alumina 16-20 Aluminum 10-16 Ammonium chloride 1-3 Charcoal 6-11
The known method provides high microhardness of the coating (2620-2760 kgf / sq. Mm) with a depth of the diffusion layer of 6-6.5 microns.

Данный способ может быть использован только при производстве многоогранных неперетачиваемых твердосплавных пластин и не пригоден при изготовлении, например, бурового инструмента из твердого сплава, т. к. достигаемая глубина диффузионного слоя не удовлетворяет требованиям их износостойкости. This method can only be used in the production of multi-faceted non-milling carbide inserts and is not suitable for the manufacture, for example, of hard alloy drilling tools, since the achieved depth of the diffusion layer does not satisfy the requirements for their wear resistance.

В основе заявляемого изобретения лежит задача создания высокоизносостойкого твердосплавного инструмента, работающего при повышенных давлениях и ударных нагрузках. The basis of the claimed invention is the task of creating a highly wear-resistant carbide tool operating at elevated pressures and shock loads.

Для решения этой задачи предлагается способ химико-термической обработки твердосплавного инструмента, включающий обработку в смеси порошков боросодержащих и титаносодержащих компонентов, оксида алюминия и активатора, в котором перед обработкой инструмент выдавливают в смесь порошков, а обработку проводят в две стадии в вакууме сначала при температуре 980±5^оС в течение 2-2,5 ч, затем - при температуре 1000±5^оС в течение 2-2,5 в смеси, содержащей в качестве боросодержащего компонента бор, в качестве титаносодержащего - титан и фтористый аммоний в качестве активатора, при следующем соотношении компонентов, мас. % : Бор 40-50 Титан 30-40 Оксид алюминия 15-20 Фтористый аммоний до 5.To solve this problem, a method is proposed for the chemical-thermal treatment of a carbide tool, comprising processing a mixture of powders of boron-containing and titanium-containing components, aluminum oxide and an activator, in which before processing the tool is extruded into a mixture of powders, and the treatment is carried out in two stages in a vacuum, first at a temperature of 980 ± 5 ^{° C} for 2-2.5 hours, then - at 1000 ± 5 ^{° C} for 2-2.5 in a mixture containing boron as boron component as Ti - titanium and ammonium fluoride as an activator, in the following ratio of components, wt. %: Boron 40-50 Titanium 30-40 Alumina 15-20 Ammonium fluoride up to 5.

Порошки титана и аморфного бора являются поставщиками активных атомов Ti и B для образования диффузионного слоя. Powders of titanium and amorphous boron are suppliers of active Ti and B atoms for the formation of a diffusion layer.

Фтористый аммоний NH F (ГОСТ 3775-72) - активатор процесса и служит для создания газовой фазы на основе фторидов насыщающих элементов. Ammonium fluoride NH F (GOST 3775-72) is an activator of the process and serves to create a gas phase based on fluorides of saturating elements.

Оксид алюминия Al₂O₃(ТУ-6-09-2046-64) является инертной добавкой насыщающей смеси и служит для предотвращения ее спекания, а также для повышения качества поверхности обрабатываемого твердосплавного инструмента.Alumina Al ₂ O ₃ (TU-6-09-2046-64) is an inert additive of the saturating mixture and serves to prevent its sintering, as well as to improve the surface quality of the processed carbide tool.

Введение в состав насыщающей смеси порошка аморфного бора основано на результатах исследований автором процесса борирования кобальта и вольфрама в присутствии активатора. Порошок титана как диффундирующее вещество дает возможность получить в диффузионном слое твердый раствор TiC-WC, химически более инертный, чем WC, что обеспечивает увеличение срока службы инструмента. В то же время на начальной стадии диффузионного процесса порошок титана частично используется как геттер, способствуя интенсификации процесса. The introduction of amorphous boron powder into the saturating mixture is based on the author's research on the process of boronation of cobalt and tungsten in the presence of an activator. Titanium powder as a diffusing substance makes it possible to obtain a TiC-WC solid solution in the diffusion layer that is chemically more inert than WC, which ensures an increase in the tool life. At the same time, at the initial stage of the diffusion process, titanium powder is partially used as a getter, contributing to the intensification of the process.

Для приготовления насыщающей смеси используют порошкообразные компоненты фракций 0,1-0,2 мм. To prepare the saturating mixture, powder components of fractions of 0.1-0.2 mm are used.

Смесь порошков без активатора просушивают при температуре 300-400^оС в течение 1 часа, затем добавляют активатор (NH₄F) и тщательно перемешивают.The mixture of powders without activator is dried at a temperature of 300-400 ^{° C} for 1 hour, then add the activator (NH ₄ F) and mixed thoroughly.

Химико-термическая обработка образцов - долота из ВК10КС (диаметр 11 мм, высота 18 мм) и зубки из ВК6 (диаметр 14 мм, высота 17 мм), применяемых в буровой технике, осуществлялась с использованием установки СДВУ-50, предназначенной для диффузионной сварки в вакууме. Chemical-thermal treatment of samples — bits from VK10KS (diameter 11 mm, height 18 mm) and teeth from VK6 (diameter 14 mm, height 17 mm) used in drilling equipment, was carried out using the SDVU-50 installation, designed for diffusion welding in vacuum.

На фиг. 1 - схематично представлена т. н. ячейка устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - график зависимости микротвердости от глубины диффузионного слоя;
Химико-термическая обработка проводится в т. н. ячейке (фиг. 1), выполненной из стали Х18Н10Т и в виде цилиндрического основания с крышкой с возможностью приложения давления.In FIG. 1 - a schematic representation of the so-called. cell device for implementing the proposed method; in FIG. 2 is a graph of the dependence of microhardness on the depth of the diffusion layer;
Chemical-thermal treatment is carried out in the so-called. cell (Fig. 1) made of steel X18H10T and in the form of a cylindrical base with a cover with the possibility of applying pressure.

П р и м е р. Смесь из просушенных порошков следующего состава, мас. % :
титан 35, бор 40, NH₄F 35, Al₂O₃ 20, засыпали в основание 1 ячейки (фиг. 1), слегка утрамбовывали, устанавливали образец 2 и закрывали крышкой 3 с зазором 2-3 мм. Усилием давления P на крышку образец вдавливался в порошок для плотного контакта с насыщающей смесью. Соприкасаемые поверхности обрабатывались тальком, чтобы избегать спекания при высоких температурах в вакууме. Подготовленную таким образом ячейку помещали в вакуумную камеру установки, производилась откачка до 10^-4 мм рт. ст. , нагрев до 980^оС, выдержка в течение 2 ч, подъем температуры до 1000^оС с выдержкой 2 ч, охлаждение и напуск воздуха (при температуре 300^оС)
Результаты замеров микротвердости и глубины диффузионного слоя на образцах после ХТО приведены в таблице.PRI me R. A mixture of dried powders of the following composition, wt. %:
titanium 35, boron 40, NH ₄ F 35, Al ₂ O ₃ 20, were poured into the base 1 of the cell (Fig. 1), slightly tamped, set the sample 2 and closed with a cover 3 with a gap of 2-3 mm By pressure P on the lid, the sample was pressed into powder for close contact with the saturating mixture. The contacting surfaces were treated with talc to avoid sintering at high temperatures in vacuum. Thus prepared cell was placed in the vacuum chamber of the installation, pumping was carried out up to 10 ^-4 mm RT. Art. , Heating to ^about 980 C, holding for 2 hours, raising the temperature to 1000 ^{° C} with an exposure for 2 hours, cooling and lapping air (at a temperature of 300 ° ^C)
The results of measurements of the microhardness and the depth of the diffusion layer on the samples after CT are given in the table.

Для сравнения даны характеристики того же инструмента при обработке по известному способу. For comparison, the characteristics of the same tool are given during processing by a known method.

Как видно из таблицы обработка твердосплавных инструментов согласно предлагаемому способу позволяет получить увеличение глубины диффузионного слоя в 70-300 раз (в зависимости от структуры и химического состава исходного материала инструмента) по сравнению с использованием известного способа. As can be seen from the table, the processing of carbide tools according to the proposed method allows to obtain an increase in the depth of the diffusion layer by 70-300 times (depending on the structure and chemical composition of the source material of the tool) compared to using the known method.

Изменение микротвердости от поверхности образца к сердцевине представлено на графике (фиг. 2) зависимости микротвердости (H_{ν 200}) от глубины диффузионного слоя (в, мкм) для образца из ВК6 (зубок) - 1 и для образца из ВК10КС (долото) - 2.The change in microhardness from the surface of the sample to the core is presented in the graph (Fig. 2) of the dependence of microhardness (H _{ν 200} ) on the depth of the diffusion layer (in, μm) for a sample of VK6 (tooth) - 1 and for a sample of VK10KS (bit) - 2 .

Микротвердость образцов после ХТО по предлагаемому способу носит характер последовательного снижения твердости от поверхности образца к центру без резких переходов твердости от насыщенного слоя к исходной сердцевине, что исключает сколы в процессе эксплуатации твердосплавного инструмента. The microhardness of the samples after CT according to the proposed method is in the nature of a sequential decrease in hardness from the surface of the sample to the center without sharp transitions of hardness from the saturated layer to the original core, which eliminates chips during operation of the carbide tool.

Использование предлагаемого способа ХТО позволяет, сохраняя исходные прочностные характеристики инструмента, и в частности бурового, из твердого сплава, например ВК, получить высокую твердость (H_ν200 ≈ 2100 кг/кв. мм) на рабочей поверхности на глубине порядка 2 мм с плавным переходом к исходной твердости (H_ν200 ≈ 1200 кг/кв. мм).Using the proposed XTO method, while maintaining the initial strength characteristics of the tool, and in particular the drilling one, from a hard alloy, for example VK, to obtain high hardness (H _ν200 ≈ 2100 kg / sq. Mm) on the working surface at a depth of about 2 mm with a smooth transition to initial hardness (H _ν200 ≈ 1200 kg / sq. mm).

Указанные свойства диффузионного слоя позволяют повысить износостойкость твердосплавного инструмента в 4 раза по сравнению с промышленно выпускаемым, что значительно повышает ресурс его работы. The indicated properties of the diffusion layer make it possible to increase the wear resistance of a carbide tool by 4 times in comparison with a commercially available one, which significantly increases its service life.

Реализация способа в серийном производстве возможна при использовании существующих вакуумных шахтных печей. При этом обеспечивается получение диффузионного боротитанированного слоя на деталях сложной конфигурации и удешевление процесса за счет снижения расхода насыщающей смеси предлагаемого состава в одном цикле. (56) Авторское свидетельство СССР N 1537709, кл. C 23 C 10/52, 1990. The implementation of the method in serial production is possible using existing vacuum shaft furnaces. This ensures the production of a diffusion borotitanium layer on parts of complex configuration and the cost of the process by reducing the consumption of the saturating mixture of the proposed composition in one cycle. (56) Copyright certificate of the USSR N 1537709, cl. C 23 C 10/52, 1990.

Claims (1)

СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА, включающий обработку в смеси порошков борсодержащих и титансодержащих компонентов, оксида алюминия и активатора, отличающийся тем, что перед обработкой инструмент вдавливают в смесь порошков, а обработку проводят в две стадии в вакууме сначала при температуре 980^oС в течение 2 - 2,5 ч, затем - при температуре 1000^oС в течение 2 - 2,5 ч, в смеси, содержащей в качестве борсодержащего компонента бор, в качестве титансодержащего - титан, а в качестве активатора - фтористый аммоний при следующем соотношении компонентов, мас. % :
Бор 40 - 50
Титан 30 - 40
Оксид алюминия 15 - 20
Фтористый аммоний До 5METHOD FOR CHEMICAL AND THERMAL TREATMENT OF A SOLID-ALLOY INSTRUMENT, comprising processing a mixture of powders of boron-containing and titanium-containing components, aluminum oxide and an activator, characterized in that before processing the tool is pressed into a mixture of powders, and the treatment is carried out in two stages in a vacuum at first at a temperature of 980 ^o C in for 2 - 2.5 h, then - at 1000 ^o C for 2 - 2.5 h, in a mixture comprising a boron-containing component as boron, as a titanium - titanium, as well as an activator - ammonium fluoride at cl blowing ratio, wt. %:
Boron 40 - 50
Titanium 30 - 40
Alumina 15 - 20
Ammonium Fluoride Up to 5

Images