RU2279946C2 - Method of manufacture of hard-carbide-tipped tools - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; manufacture of tools for mining and drilling work.

SUBSTANCE: proposed method consists in placing special-purpose steel envelope or steel container into casting mold in the course of its manufacture which is brazed with the aid of iron-carbide solder. Then mold with envelope or container is heated to temperature of 650-750°C at forming shield gas atmosphere inside mold and tool bases are covered with steel melt. Prior the placing in mold, protective coat is applied on surface of envelope (container) directed towards cavity of mold. Protective coat is made in form of layer of hardened melt of borax dispersed by graphite in the amount of 5-15 mass-%.

EFFECT: improved quality of mining tools.

Description

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.The present invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to the field of creating permanent connections of metal materials by soldering and casting, and can be used in the manufacture of carbide tools for various mining operations.

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.A known method of manufacturing a carbide tool with a cast base according to the patent of the Russian Federation No. 2096128, when the mold is pre-placed inside the hard alloy and created a protective gas environment is heated to 400-500 ° C and filled with steel melt tool base, for example, 40XL steel melt, having a temperature of 1480 ° C at the moment of direct contact with the surface of the hard alloy.

Данный способ имеет несколько недостатков, характерных для стальных расплавов основы твердосплавного инструмента:This method has several disadvantages characteristic of steel melts of the basis of carbide tools:

1 - низкая жидкотекучесть;1 - low fluidity;

2 - плохая смачиваемость поверхности твердого сплава;2 - poor wettability of the surface of the hard alloy;

3 - высокая температура в момент механического контакта с твердым сплавом.3 - high temperature at the time of mechanical contact with the hard alloy.

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.Among the listed disadvantages, the latter is the most significant, since it leads to thermal shock, that is, to a sharp increase in the temperature of the hard alloy to a temperature close to the sintering temperature during its manufacture.

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.This leads, on the one hand, to a sharp increase in internal stresses and possible crack formation in the hard alloy, as well as to a change in the initial state of the carbide and binder phases with a corresponding decrease in the strength, hardness and wear resistance of the hard alloy and, therefore, the operational reliability of the cast alloy carbide tool .

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.On the other hand, due to the higher thermal conductivity of the hard alloy compared to the thermal conductivity of the mold, the steel “freezes” on the surface of the hard alloy. As a result, the quality of the connection between the hard alloy and the steel growth of the hardening base of the tool will depend on the contact conditions of their surfaces.

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.However, two other disadvantages worsen the contact conditions, since they determine the nature of the primary mechanical contact of the hard alloy with the steel melt forming the growth. The result is the presence of non-solders, that is, zones of absence of diffusion interaction at the contact boundary of the materials to be joined, and as a result, the presence of cracks along the contact zone due to a significant difference in the thermal expansion coefficients of the materials being joined. This is confirmed by the results of pilot experiments, which are the authors themselves when describing the method under consideration.

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.In addition, a known method of manufacturing a carbide tool with a cast base according to the patent of the Russian Federation No. 2202441, which is the prototype of the invention. When performing this method, a steel shell (steel container) is placed inside the mold during its manufacturing, made specially from the need to take into account the shape and dimensions of the hard alloy, which is pre-soldered into the cavity of the shell (container) using iron-carbon solder. In this case, the shell (container) plays a dual role: on the one hand, the role of an intermediate holder for a hard alloy, and on the other hand, the role of a vessel for melt solder, connecting the hard alloy with the inner surface of the holder. After that, the mold with the shell (container) is heated to 650 ÷ 750 ° C when a protective gas medium is formed in the mold cavity and filled with the steel melt of the tool base based on additional heating of the shell (container) with melt heat to a temperature not exceeding the solder melting temperature, but providing active occurrence of interdiffusion processes at the interface between the surface of the shell (container) and the hardening base of the tool.

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.The disadvantage of this method is the unregulated composition and the limited duration of the protective gas environment generated in the mold cavity from burning out the residues of paraffin-stearic mass of the melted model of the base of the tool. As a result of this, it becomes possible to oxidize the surface of the shell (container), which does not ensure the completeness of the interdiffusion processes in the contact zone of the shell (container) with the molten steel melt embedded in the base of the tool.

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.In addition, the disadvantage of the method arising from the above should be the possibility of maintaining the areas of "freezing" of the steel melt on the surface of the shell (container) due to the low surface activity of the steel melt despite the additional heating of the shell (container) with heat of the bulk of the latter.

Указанные недостатки снижают качество инструмента, изготовленного данным способом.These disadvantages reduce the quality of the tool manufactured by this method.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа изготовления твердосплавного инструмента с литой основой, обеспечивающего повышение качества изготовленного инструмента.The objective of the invention is to provide a method of manufacturing a carbide tool with a cast base, providing an increase in the quality of the manufactured tool.

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.%.The solution to this problem is achieved by the fact that in the known method of manufacturing a carbide tool with a cast base, the hard alloy, taking into account its size and shape, is pre-soldered using iron-carbon solder into the cavity of a specially made steel shell or steel container. After that, the shell (container) is placed on the inner surface of the mold during its manufacture, the mold with the shell (container) is heated to 650 ÷ 750 ° C when a protective gas medium is formed in the mold cavity and the mold is filled with steel melt of the tool base. In this case, before being placed in the mold, a protective coating is additionally applied to the surface of the shell (container) facing the mold cavity in the form of a layer of hardened borax melt dispersed with graphite in the range of 5–15 wt.%.

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.%.The method is as follows. The hard alloy, taking into account its size and shape, is soldered into a specially made steel shell (steel container) using iron-carbon solder, after which a protective layer is applied to the outer surface of the shell (container) in the form of hardened borax melt dispersed with graphite in an amount of 5 to 15 wt. .%.

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.A similarly prepared shell (container) is placed in a structurally necessary place on the model of the base of the instrument from a paraffin-stearic mixture made separately. Placement is carried out in such a way that the surface of the shell (container) covered with a protective layer is in the model’s body, and the hard alloy protrudes above the model’s surface to the technologically necessary height.

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.Subsequently, a ceramic shell of the mold is obtained on the model’s surface, from which the model is smelted, and the shell (container) remains on the inner surface of the mold, together with the remains of the model’s paraffin-stearic mass. Then the mold is installed in a flask box filled with a mixture of quartz sand and fireclay chips, heated to 650 ... 750 ° C, combining this process with calcining the mold, as a result of which a protective gas medium is formed in its cavity from burning out the residues of paraffin-stearin mass the melted model, and after calcination, the mold is poured with steel melt, which forms the basis of the tool after hardening.

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.A feature of the proposed method is the preliminary application of a protective coating layer to the surface of the shell (container), while the shell (container) is then placed in the mold so that the coated surface faces the mold cavity. As a result, after pouring the mold with steel melt in the zone of contact of the latter with the shell (container), a situation is created that is characteristic of obtaining inseparable compounds of metallic materials (bimetals, multilayer steels, etc.), which in a more general case can be considered as obtaining reinforced quasimonolithic steels. One of the main tasks in this area of creating permanent joints of metal materials, as in the proposed method for manufacturing a tool, is to obtain a high-quality and, therefore, reliable connection between the initially solid and metal retaining its original state of aggregation with another metal in the molten state and hardening in joint contact. In both cases, this problem is solved by preliminarily applying a protective coating to the initially solid metal, which subsequently provides reliable contact of the surface of the metal with the solidified melt of another metal during the active occurrence of adhesive-diffusion processes over the entire contact surface.

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.However, when performing the proposed method, the protective function is performed by the gaseous medium formed in the mold, nevertheless, taking into account the unregulated composition of the medium and the limited duration of its action, there is a need for additional (guarantee) protection of the surface of the shell (container) from possible oxidation to improve the quality of the manufactured tool. In this case, possible oxidation should be expected from a certain amount of air naturally penetrating into the mold cavity during its calcination, as well as introduced into the cavity by the pouring process itself, assuming the implementation of the latter in the traditional way, i.e. from above. In addition, the natural process of gas evolution from the melt poured into the mold should also be taken into account.

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.Such protection can well be achieved by applying a coating layer to the steel surface to be protected, which remains at the mold heating temperature, using available substances, namely ordinary (unmelted) borax and graphite, which are in powder form.

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.These powders, taken in the above ratio, are thoroughly mixed in a separate vessel during subsequent heating of the vessel until the borax is melted and additional mixing of the obtained melt until the solidification takes place. The obtained solidified melt, which is a special kind of disperse system, is again crushed and ground to a powder with a particle size of 0.25–0.5 mm, which is used when a protective coating is applied to the surface of the shell (container) as a layer of solidified borax melt, dispersed by graphite.

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.The lower limit of the graphite content in the borax melt - 5 wt.% - characterizes the noticeable influence of its particles on the process of joining the contacting steels, the upper limit - 15 wt.% - is quite a complete effect, exceeding the latter is fraught with a significant change in the chemical composition of the surface layer of the hardening (“freezing” ») The melt of the steel base of the tool due to carburization. This may affect the formation of the transition zone of the joined steels, which is undesirable.

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.The application of the considered protective coating makes it possible, due to the presence of borax, to create and preserve the active (juvenile) surface of the steel shell (container), and with subsequent filling of the mold with steel melt, the base of the tool due to the presence of graphite particles, to ensure the formation of additional portions of the protective (reducing) gaseous medium if possible the presence of a certain amount of oxygen introduced into the cavity of the form in one way or another.

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.Laboratory evaluation practice of the use of this coating showed that it actually is also a special flux, which, with the indicated ratio of borax and graphite, which manifest themselves in accordance with their natural properties, provides reliable and high-quality connection of contacting steels under the above conditions.

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).After filling the mold with a steel melt, the tool base due to the heat and mass of the latter at the moment of initial mechanical contact with the shell (container), the protective coating melts and pushes out while providing the exposed surface of the shell (container) with the forming surface of the hardening (“freezing”) steel melt for reliable adhesion-diffusion interaction of the joined steels at the boundary of their contact. Both boron and graphite particles contribute to this process, together increasing the activity of the surface layers of the steel melt and the surface of the steel shell (container).

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.Based on the foregoing, it should be concluded that the proposed method, ensuring the reliability of the connection of the steel shell (container) with the steel melt of the base of the tool, can improve the quality of the manufactured tool.

Claims (1)

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.%.A method of manufacturing a carbide tool with a cast base, comprising placing inside the mold a manufactured steel shell or steel container with a hard alloy soldered using iron-carbon solder, heating the mold with a shell or container to 650-750 ° C during the formation of a protective gas medium and filling the mold with steel melt the basis of the tool, characterized in that before being placed inside the mold, a protective coating is additionally applied to the surface of the shell or container facing the mold cavity in the form of a layer of hardened borax melt dispersed with graphite in the range of 5-15 wt.%.