Способ изготовления твердосплавных металлокерамических изделий (варианты)

 

Изобретение может быть использовано при производстве твердосплавных металлокерамических изделий и инструментов различного назначения. Способ включает приготовление компонентов шихты, измельчение, смешивание, засыпку шихты в форму, формование и спекание путем нагрева и выдержки при температуре спекания. Согласно одному из вариантов способа после спекания изделия его подвергают подстуживанию до температуры 1250 - 900°С со скоростью охлаждения не более 3°С/с, а дальнейшее охлаждение ведут в режиме закаливания со скоростью охлаждения не менее 3^oC/c до температуры +300°С - (-196°С), после чего изделие подвергают стабилизирующему отжигу нагревом до максимальной температуры, составляющей 0,35 - 0,5 максимальной температуры режима закаливания, затем изделие охлаждают. Представлены еще два варианта способа. Способ позволяет изготавливать изделия, характеризующиеся повышенной твердостью, высокой износостойкостью и долговечностью. 3 c. и 23 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к технологии машиностроения и может быть использовано при производстве твердосплавных металлокерамических изделий и инструментов различного назначения, в том числе при изготовлении металлообрабатывающих инструментов - резцов, фрез, сверл, зенкеров, разверток, протяжек, пуансонов, породоразрушающих инструментов, в том числе кернов для поворотных резцов, приспособлений для фрезерования дорожных покрытий, инструментов для горнопроходческих машин и механизмов для разработки и экскавации угольных пластов, горных пород, металлосодержащих и неметаллических руд, грунтов, в том числе мерзлых и скальных, вскрышных работ, рытья траншей и котлованов, инструментов для соледобычи и обработки строительных материалов и изделий из естественного и искусственного камня, резки и/или разрушения железобетонных, сталебетонных и других армированных конструкций, а также металлоконструкций, в том числе при восстановительных и горноспасательных работах, а также державок и опорных деталей для крепления инструментов.

Известен способ изготовления твердосплавных изделий, заключающийся в том, что компоненты шихты измельчают, смешивают, прессуют и подвергают спеканию (см. например, Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов, издательство "Машиностроение", Москва, 1976, с.326-404).

Известен способ изготовления твердосплавных режущих пластин, включающий засыпку шихты, содержащей металлическую и карбидную составляющие, в форму, формирование заготовки с воздействием на шихту магнитного поля переменной полярности и динамических нагрузок для создания анизотропии физико-механических свойств и последующее спекание заготовок при контролируемой температуре (см. например, SU 1052555, 1982).

Недостатком данных способов изготовления твердосплавных режущих пластин является низкое качество, не удовлетворяющее возросшим требованиям мирового рынка. Во-первых, режущие пластины, изготовленные по данному способу, обладают недостаточной стойкостью в связи с известными структурными особенностями современных металлокерамических материалов. Во-вторых, пластины плохо привариваются (припаиваются) к подложке (державке) из-за огромного различия в физико-механических свойствах твердого сплава и стали, что обуславливает низкое качество инструмента. В-третьих, такие технологии потребовали использования уникального дорогостоящего оборудования, что увеличивает себестоимость изделия, а эффективность носит избирательный характер с коэффициентом повышения стойкости от 1,2 до 1,5.

Известны способы упрочнения твердых сплавов термической обработкой и поверхностными химико-термической, ионно-плазменной и деформационной обработками (см. , например, соответственно, Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. - Москва, Металлургия, 1986, с. 448-471, RU 2045582, 10.10.95, Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. -Москва, Металлургия, 1986, с.417-439, а также Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - Москва, Машиностроение, 1976, с.296-505).

Всем им присущ один и тот же недостаток: решение частных адресных задач при высокой трудоемкости. Закалка твердосплавных изделий и инструментов в практике промышленного производства нашла крайне ограниченное применение в связи с тем, что достижение высоких значений твердости и прочности изделия сопряжено с накоплением при этом дефектов кристаллического строения и поврежденности, негативно сказывающимися на эксплуатационной стойкости.

Для инструмента и изделий из твердых сплавов, работающих в условиях повышенного ударно-абразивного износа, ни одно из известных технических решений не может обеспечить требуемый комплекс твердости 89...91 HRA, пластичности σ_изг = 1700-1800 МПа и плотности ρ = 14600-15000 кг/м³ и, следовательно, конкурентоспособности продукции. Это вызвано тем, что стойкость таких изделий, а они составляют львиную долю в мировом производстве, ограничивают высокотвердые и хрупкие карбиды вольфрама, никеля и др. микрометровых размеров, при эксплуатации "вымывающиеся" избирательно из кобальтовой (никелевой, железной) связки, что создает прогрессирующую местную эрозию, нарушает однородность износа и условия "самозатачивания" режущих кромок и поверхностей. Связанное с этим нарушение энергетических параметров процесса резания ускоряет процесс деградации структуры и снижает срок службы изделия. Известные конструктивные решения себя исчерпали и не могут существенно устранить недостатки, связанные с внутренним состоянием материала.

Наиболее близким к изобретению является способ изготовления твердосплавных металлокерамических изделий, включающий приготовление компонентов шихты, измельчение, смешивание, засыпку шихты в форму, формование и спекание путем нагрева и выдержки при температуре спекания (см., например, Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - Москва, Машиностроение, 1976, с.527).

Недостатком известного способа является то, что при его осуществлении не обеспечиваются требуемые качества, твердости, вязкости и эксплуатационной стойкости изделий и инструментов, эксплуатируемых в условиях ударно-абразивного износа.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества и обеспечения комплекса твердости, вязкости и эксплуатационной стойкости твердосплавных металлокерамических изделий, предназначенных для эксплуатации в условиях ударно-абразивного износа.

Задача согласно первому варианту решается за счет того, что в способе изготовления твердосплавных металлокерамических изделий, включающем приготовление компонентов шихты, измельчение, смешивание, засыпку шихты в форму, формование и спекание путем нагрева и выдержки при температуре спекания, согласно изобретению при изготовлении металлообрабатывающих инструментов - резцов, фрез, сверл, зенкеров, разверток, протяжек, пуансонов, породоразрушающих инструментов, в том числе кернов для поворотных резцов, приспособлений для фрезерования дорожных покрытий, инструментов для горнопроходческих машин и механизмов для разработки и экскавации угольных пластов, горных пород, металлосодержащих и неметаллических руд, грунтов, в том числе мерзлых и скальных, вскрышных работ, рытья траншей и котлованов, инструментов для соледобычи и обработки строительных материалов и изделий из естественного и искусственного камня, резки и/или разрушения железобетонных, сталебетонных и других армированных конструкций, а также металлоконструкций, в том числе при восстановительных и горноспасательных работах, а также державок и опорных деталей для крепления инструментов, после спекания изделия его подвергают подстуживанию до температуры 1250 - 900^oC со скоростью охлаждения не более 3 град/сек, а дальнейшее охлаждение ведут в режиме закаливания со скоростью охлаждения не менее 3 град/сек до температуры +300 - (-196^oC), после чего изделие подвергают стабилизирующему отжигу нагревом до максимальной температуры, составляющей 0,35 - 0,5 максимальной температуры режима закаливания, затем изделие охлаждают. При этом изделия могут изготавливать из спекаемых порошков твердых сплавов системы W-C-Co (сплавы WC-Co), или системы W-C-Ni (сплавы WC-Ni), или системы W-C-Ni-Fe (сплавы WC-(Fe-Ni), или системы WC-TaC-Co, WC-TaC-Nb C-Co, WC-TiC-TaC(NbC)-Co, Fe-Mo-Cr-W-Si-V-C.

Нагрев под закалку и стабилизирующий отжиг могут производить в соляных электрованнах, например, бариевых, калиевых, натриевых и других или из сочетаний перечисленных и/или других солей, или путем индукционного нагрева с использованием токов высокой частоты, вырабатываемых машинными генераторами типа МГЗ-102, или ламповыми и/или тиристорными генераторами типа ВЧГТ-3/0,44, или путем лучевого нагрева, в том числе лазерного, или путем удара лазерным теплом, или путем ионно-плазменного нагрева, или путем газопламенного нагрева, или путем электроимпульсного нагрева, или путем термического соединения - пайки твердосплавного изделия со стальной державкой с использованием индукционного нагрева и последующего погружения державки созданного инструмента в охлаждающую среду, преимущественно воду.

Охлаждение при закалке могут производить в жидком азоте, или в углекислоте, или в других сжиженных или твердых инертных газах, или в их смесях, или в парах жидкого азота, или в водяной ванне, или в водяном паре, или в ледоводяной ванне, или в масляной ванне с температурой среды в пределах от -80^oC до +300^oC со специальными маслами или отработанными маслами других производств, или в масляном тумане, или в соляных растворах, например, натриевых или калиевых, или в смазочно-охлаждающих жидкостях, или в псевдомагнитных жидкостях, или в легкоплавких металлах, или путем последовательного охлаждения, по крайней мере, в двух из перечисленных средах, или путем перераспределения тепла с нагреваемой поверхности вглубь изделия.

Одновременно с охлаждением могут производить барботаж охлаждающей среды или на охлаждающую среду воздействуют ультразвуком.

Охлаждение при стабилизующим отжиге могут производить в воздушной среде или в инертной газовой среде, или через подогретое масло на воздухе.

Режим закаливания могут повторять, по крайней мере, двукратно, причем при повторении режима закаливания, по крайней мере, после одного промежуточного режима закаливания производят промежуточный стабилизирующей отжиг; державки могут выполнять из стальной металлокерамики и подвергают термообработке совместно с твердосплавным инструментом или в режиме его закалки; в шихту могут добавлять измельченные в порошок отработанные твердосплавные изделия.

Согласно второму варианту задача решается за счет того, что в способе изготовления твердосплавных металлокерамических изделий, включающем приготовление компонентов шихты, измельчение, смешивание, засыпку шихты в форму, формование и спекание путем нагрева и выдержки при температуре спекания, согласно изобретению при изготовлении металлообрабатывающих инструментов - резцов, фрез, сверл, зенкеров, разверток, протяжек, пуансонов, породоразрушающих инструментов, в том числе кернов для поворотных резцов, приспособлений для фрезерования дорожных покрытий, инструментов для горнопроходческих машин и механизмов для разработки и экскавации угольных пластов, горных пород, металлосодержащих и неметаллических руд, грунтов, в том числе мерзлых и скальных, вскрышных работ, рытья траншей и котлованов, инструментов для соледобычи и обработки строительных материалов и изделий из естественного и искусственного камня, резки и/или разрушения железобетонных, сталебетонных и других армированных конструкций, а также металлоконструкций, в том числе при восстановительных и горноспасательных работах, а также державок и опорных деталей для крепления инструментов, после спекания изделия его подвергают подстуживанию до температуры 1250 - 900^oC со скоростью охлаждения не более 3 град/сек, а дальнейшее охлаждение ведут в режиме закаливания со скоростью охлаждения не менее 3 град/сек до температуры +300 - (-196^oC), после чего изделие подвергают стабилизирующему отжигу нагревом до температуры, составляющей 0,35 - 0,5 температуры начала режима закаливания, или после первого цикла закаливания или после стабилизирующего отжига изделие подвергают не менее чем одному повторному режиму закаливания, включающему повторный нагрев до температуры 900 - 1250^oC, выравнивающую температуры в изделие выдержку и охлаждение со скоростью не менее 3 град/сек, причем стабилизирующий отжиг производят во всех случаях, по крайней мере, после последнего режима закаливания при температуре, составляющей 0,35 - 0,5 от величины максимальной температуры начала, по крайней мере, предыдущего режима закаливания.

При этом изделия могут изготавливать из спекаемых порошков твердых сплавов системы W-C-Co (сплавы WC-Co), или системы W-C-Ni /сплавы WC-Ni/, или системы W-C-Ni-Fe /сплавы WC-(Fe-Ni), или системы WC-TaC-Co, WC-TaС-Nb C-Co, WC-TiC-TaC(NbC)-Co, Fe-Mo-Cr-W-Si-V-C.

Нагрев под закалку и стабилизирующий отжиг могут производить в соляных электрованнах, например, бариевых, калиевых, натриевых и других или из сочетаний перечисленных и/или других солей, или путем индукционного нагрева с использованием токов высокой частоты, вырабатываемых машинными генераторами типа МГЗ-102, или ламповыми и/или тиристорными генераторами типа ВЧГТ-3/0,44, или путем лучевого нагрева, в том числе лазерного, или путем удара лазерным теплом, или путем ионно-плазменного нагрева, или путем газоплазменного нагрева, или путем электроимпульсного нагрева, или путем термического соединения - пайки твердосплавного изделия со стальной державкой с использованием индукционного нагрева и последующего погружения державки созданного инструмента в охлаждающую среду, преимущественно воду.

Охлаждение при закалке могут производить в жидком азоте, или в углекислоте, или в других сжиженных или твердых инертных газах, или в их смесях, или в парах жидкого азота, или в водяной ванне, или в водяном паре, или в ледоводяной ванне, или в масляной ванне с температурой среды в пределах от -80^oC до +300^oC со специальными маслами или отработанными маслами других производств, или в масляном тумане, или в соляных растворах, например, натриевых или калиевых, или в смазочно-охлаждающих жидкостях, или псевдомагнитных жидкостях, или в легкоплавких металлах, или путем последовательного охлаждения, по крайней мере, в двух из перечисленных средах, или путем перераспределения тепла с нагреваемой поверхности вглубь изделия.

Одновременно с охлаждением могут производить барботаж охлаждающей среды или на охлаждающую среду воздействуют ультразвуком.

Охлаждение при стабилизирующем отжиге могут производить в воздушной среде или в инертной газовой среде, или через подогретое масло на воздухе.

Согласно третьему варианту задача решается за счет того, что в способе изготовления твердосплавных металлокерамических изделий, включающем приготовление компонентов шихты, измельчение, смешивание, засыпку шихты в форму, формование и спекание путем нагрева и выдержки при температуре спекания, согласно изобретению при изготовлении металлообрабатывающих инструментов - резцов, фрез, сверл, зенкеров, разверток, протяжек, пуансонов, породоразрушающих инструментов, в том числе кернов для поворотных резцов, приспособлений для фрезерования дорожных покрытий, инструментов для горнопроходческих машин и механизмов для разработки и экскавации угольных пластов, горных пород, металлосодержащих и неметаллических руд, грунтов, в том числе мерзлых и скальных, вскрышных работ, рытья траншей и котлованов, инструментов для соледобычи и обработки строительных материалов и изделий из естественного и искусственного камня, резки и/или разрушения железобетонных сталебетонных и других армированных конструкций, а также металлоконструкций, в том числе при восстановительных и горноспасательных работах, а также державок и опорных деталей для крепления инструментов, охлажденное после спекания изделие подвергают дополнительной, не менее чем однократной термической обработке путем нагрева до температуры 900 - 1250^oC, выравнивающей температуры в изделии выдержки и последующей закалки охлаждением со скоростью не менее 3 град/сек до температуры +300 - (-196^oC), причем, по крайней мере, после последнего цикла закаливания осуществляют стабилизирующий отжиг нагревом до максимальной температуры, составляющей 0,35 - 0,5 максимальной температуры нагрева под закалку, затем изделие охлаждают.

При этом изделия могут изготавливать из спекаемых порошков твердых сплавов системы W-C-Co (сплавы WC-Co), или системы W-C-Ni /сплавы WC-Ni/, или системы W-C-Ni-Fe (сплавы WC-(Fe-Ni), или системы WC-TaС-Co, WC-TaC-NbC-Co, WC-TiC-TaC(NbC)-Co, Fe-Cr-Mo-W-Si-V-C.

Нагрев под закалку и стабилизирующий отжиг могут производить в соляных электрованнах, например, бариевых, калиевых, натриевых и других или из сочетаний перечисленных и/или других солей, или путем индукционного нагрева с использованием токов высокой частоты, вырабатываемых машинными генераторами типа МГЗ-102, или ламповыми и/или тиристорными генераторами или транзисторными генераторами типа ВЧГТ-3/0,44, или путем лучевого нагрева, в том числе лазерного, или путем удара лазерным теплом, или путем ионно-плазменного нагрева, или путем газо-пламенного нагрева, или путем электроимпульсного нагрева, или путем термического соединения - пайки твердосплавного изделия со стальной державкой с использованием индукционного нагрева и последующего погружения державки созданного инструмента в охлаждающую среду, преимущественно воду.

Охлаждение при закалке могут производить в жидком азоте, или в углекислоте, или в других сжиженных или твердых инертных газах, или в их смесях, или в парах жидкого азота, или в водяной ванне, или в водном паре, или в ледоводяной ванне или в масляной ванне с температурой среды в пределах от -80^oC до +300^oC со специальными маслами или отработанными маслами других производств, или в масляном тумане, или в соляных растворах, например, натриевых или калиевых, или в смазочно-охлаждающих жидкостях, или в псевдомагнитных жидкостях, или в легкоплавких металлах, или путем последовательного охлаждения, по крайней мере, в двух из перечисленных средах, или путем перераспределения тепла с нагреваемой поверхности вглубь изделия.

Одновременно с охлаждением могут производить барботаж охлаждающей среды, или на охлаждающую среду воздействуют ультразвуком.

Охлаждение при стабилизирующем отжиге могут производить в воздушной среде, или в безокислительной газовой среде, или через подогретое масло на воздухе.

Державки могут выполнять из стальной металлокерамики и подвергают термообработке совместно с твердосплавным инструментом или в режиме его закалки.

В шихту могут добавлять измельченные в порошок отработанные твердосплавные изделия.

Приведенная совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата, состоящего в направленном изменении состояния фазовых составляющих структуры спекаемых твердых металлокерамических сплавов многократной закалкой и последующим стабилизирующим отжигом с определенными режимами осуществления, причем формирующиеся при этом новые полезные элементы субструктуры карбидной фазы и кобальтовой или другой связки повышенной демпфирующей способности фиксируются стабилизирующей термической обработкой, что обеспечивает субструктурное состояние с уникальной комбинацией свойств, в частности, твердость 89 - 91 HRA, σ_изг = 1600 - 1800 МПа, плотность ρ = 14600 - 15000 кг/м³, что позволяет изготавливать изделия, характеризующиеся повышенной твердостью, высокой износостойкостью и долговечностью.

Способ согласно изобретению осуществляют следующим образом.

Производят приготовление компонентов шихты, измельчение, смешивание, засыпку шихты в форму, формование и спекание путем нагрева и выдержки при температуре спекания.

По первому варианту после спекания изделия его подвергают подстуживанию до температуры 1250 - 900^oC со скоростью охлаждения не более 3 град/сек, а дальнейшее охлаждение ведут в режиме закаливания со скоростью охлаждения не менее 3 град/сек до температуры +300^oC - (-196^oC), после чего изделие подвергают стабилизирующему отжигу нагревом до максимальной температуры, составляющей 0,35 - 0,5 максимальной температуры режима закаливания, затем изделие охлаждают.

По второму варианту после спекания изделия его подвергают подстуживанию до температуры 1250 - 900^oC со скоростью охлаждения не более 3 град/сек, а дальнейшее охлаждение ведут в режиме закаливания со скоростью охлаждения не менее 3 град/сек до температуры +300^oC - (-196^oC), после чего изделие подвергают стабилизирующему отжигу нагревом до температуры, составляющей 0,35 - 0,5 температуры начала режима закаливания, или после первого цикла закаливания или после стабилизирующего отжига изделие подвергают не менее чем одному повторному режиму закаливания, включающему повторный нагрев до температуры 900 - 1250^oC, выравнивающую температуры в изделии выдержку и охлаждение со скоростью не менее 3 град/сек, причем стабилизирующий отжиг производят во всех случаях, по крайней мере, после последнего режима закаливания при температуре, составляющей 0,35 - 0,5 от величины максимальной температуры начала, по крайней мере, предыдущего режима закаливания.

По третьему варианту охлажденное после спекания изделие подвергают дополнительной, не менее чем однократной термической обработке путем нагрева до температуры 900 - 1250^oC, выравнивающей температуры в изделии выдержки и последующей закалки охлаждением со скоростью не менее 3 град/сек до температуры +300^oC - (-196^oC), причем, по крайней мере, после последнего цикла закаливания осуществляют стабилизирующий отжиг нагревом до максимальной температуры, составляющей 0,35 - 0,5 максимальной температуры нагрева под закалку, затем изделие охлаждают.

Для всех вариантов изделия могут изготавливать из спекаемых порошков твердых сплавов системы W-C-Co (сплавы WC-Co), или системы W-C-Ni (сплавы WC-Ni), или системы W-C-Ni-Fe (сплавы WC-(Fe-Ni), или системы WC-TaC-Co, WC-TaC-NbC-Co, WС-TiC-TaC(NbC)-Co, Fe-Cr-Mo-W-Si-V-C.

Нагрев под закалку и стабилизирующий отжиг производят в соляных электрованнах, например, бариевых, калиевых, натриевых и других или из сочетаний перечисленных или других солей, или путем индукционного нагрева с использованием токов высокой частоты, вырабатываемых машинными генераторами типа МГЗ-102, или ламповыми и/или тиристорными генераторами типа ВЧГТ-3/0,44, или путем лучевого нагрева, в том числе лазерного, или путем удара лазерным теплом, или путем ионно-плазменного нагрева, или путем газопламенного нагрева, или путем электроимпульсного нагрева, или путем термического соединения - пайки твердосплавного изделия со стальной державкой с использованием индукционного нагрева и последующего погружения державки созданного инструмента в охлаждающую среду, преимущественно воду.

Державки могут выполнять из стальной металлокерамики и подвергают термообработке совместно с инструментом или в режиме его закалки.

В шихту могут добавлять измельченные в порошок отработанные твердосплавные изделия.

Охлаждение при закалке производят в жидком азоте, или в углекислоте, или в других сжиженных или твердых инертных газах, или в их смесях, или в парах жидкого азота, или в водяной ванне, или в водяном паре, или в ледоводяной ванне, или в масляной ванне с температурой среды в пределах от -80 до +300^oC со специальными маслами или отработанными маслами других производств, или в масляном тумане, или в соляных растворах, например, натриевых или калиевых, или в смазочно-охлаждающих жидкостях, или в псевдомагнитных жидкостях, или в легкоплавких металлах, или путем последовательного охлаждения, по крайней мере, в двух из перечисленных средах, или путем перераспределения тепла с нагреваемой поверхности вглубь изделия.

Одновременно с охлаждением могут производить барботаж охлаждающей среды, или на охлаждающую среду воздействуют ультразвуком.

Охлаждение при стабилизирующем отжиге могут производить в воздушной среде, или в инертной газовой среде, или через подогретое масло на воздухе.

При осуществлении способа по первому варианту режим закаливания могут повторять, по крайней мере, двукратно. При этом при повторении режиме закаливания, по крайней мере, после одного промежуточного режима закаливания производят промежуточный стабилизирующий отжиг.

Способ используется при изготовлении металлообрабатывающих инструментов - резцов, фрез, сверл, зенкеров, разверток, протяжек, пуансонов, породоразрушающих инструментов, в том числе кернов для поворотных резцов, приспособлений для фрезерования дорожных покрытий, инструментов для горнопроходческих машин и механизмов для разработки и экскавации угольных пластов, горных пород, металлосодержащих и неметаллических руд, грунтов, в том числе мерзлых и скальных, вскрышных работ, рытья траншей и котлованов, инструментов для соледобычи и обработки строительных материалов и изделий из естественного и искусственного камня, резки и/или разрушения железобетонных, сталебетонных и других армированных конструкций, а также металлоконструкций, в том числе при восстановительных и горноспасательных работах, а также державок и опорных деталей для крепления инструментов.

Сравнительные свойства спеченных твердых сплавов, в частности по ГОСТ 3882-74, например, для сплавов ВК6 и ВК8 (соответственно примеры 1 и 2) и изделия из сплава ВК8, изготовленного по изобретению (пример 3) приведенные в табл. 1.

При выполнении изделий для машин и механизмов, используемых при разрушении горных массивов, эффективность разрушения повышается за счет снижения энергоемкости процесса, поскольку сформированная субструктура твердого сплава с "залеченной" микропористостью позволяет резко увеличить сопротивляемость хрупкому разрушению при значительном повышении абразивной стойкости, тем самым обеспечивая эффективное самозатачивание керна в процессе эксплуатации. Кроме того, снижается трудоемкость обслуживания станка, исполнительного органа горных и дорожных машин за счет повышения срока службы резцов нового поколения. Принципиальная возможность закаливания твердых сплавов следует из дополнительной растворимости карбидообразующих элементов и углерода в кобальтовой (никелевой, железной) связке. Однако из-за сложности оптимизации режимов термообработки, в первую очередь в части роста карбидных зерен при нагреве и невозможности получения не поврежденных закаленных структур, неповторимости результатов на различных типах твердых сплавов, отсутствия надежно диагностики и т. п. , закалку как технологический прием практически не используют.

При осуществлении же способа по изобретению за счет заявленных режимов закалки и последующего стабилизирующего отжига и появилась возможность создания изделий практически нового поколения, качества которых были проверены проведенными лабораторными исследованиями и серией натурных испытаний образцов инструментов различного перечисленного выше назначения.

Наличие в спеченных твердых сплавах технологической поврежденности, в частности пор, форма и размеры которых изменяются в широких пределах, ограничивает их долговечность, а повреждение микротрещинами при закалке несмотря на увеличение твердости, прочностных свойств, нивелируют эффективность этой технологической операции термообработки. С другой стороны трещиностойкость (K_IC) твердых сплавов определяется, в основном, объемной долей и морфологией связующей фазы после спекания и последующей термической обработки.

При "тепловом ударе" в процессе однократной и циклической закалки сплава ВК первой начинает фрагментоваться WC-фаза, затем межфазная граница WC-Co и последней Co-фаза. Интенсивность этого процесса максимальна в течение первых трех-пяти циклов обработки, а затем снижается.

Максимальные твердость и прочность достигаются при наибольшей заданной объемной доле кобальтовой связки величине межфазной поверхности WC-Co-фазы, легированной вольфрамом, углеродом и "залеченной" тонким скелетом третьей фазы.

Увеличение объемной доли такой межфазной поверхности на 10 - 25% повышает циклическую прочность отдельных образцов до 5 раз.

Стабилизирующий отжиг устраняет накопленную при закалке поврежденность, сохраняя полученные значения твердости и "возвращая" уже легированной кобальтовой прослойке (связке) исходную пластичность за счет "захлопывания" микропор фазами с высоким удельным объемом.

Легирующие кобальтовую прослойку компоненты с параметрами кристаллической решетки, в 2-3 раза превышающими ее параметры, снижают и внутриблочную энергию, и энергию границ блоков, фаз, зерен, тем самым способствуя уменьшению эксплуатационной поврежденности.

В табл. 2 приведены технологические и структурные параметры.

Указанный эффект повышения комплекса твердости, прочности, вязкости и эксплуатационной стойкости проявляется только при определенных указанных в табл. 2 технологических и структурных параметрах, а коэффициент эффективности обработки в зависимости от режима колеблется в пределах 1,2...5, достигая максимальных значений при комплексном термическом воздействии, включая многократную закалку и стабилизирующий отжиг. Количество вольфрама, дополнительно растворенного в кобальте, увеличивается с увеличением числа циклов закалки (равно как с повышением температуры нагрева под закалку, ограниченной ростом зерен фаз), но при этом процесс растворения карбидообразующих элементов и углерода сопряжен с процессом фрагментации зерен кобальтовой связки, причем в 2-3 раза растут и термические напряжения в фазах, и микронапряжения кристаллических решеток фаз. Эти микронапряжения приводят к сдвиговым деформациям, фрагментации и растворению карбидных зерен, направленной диффузии вольфрама, а также и углерода в связующей фазе, к фрагментации зерен Co-фазы.

Оценка условной величины блоков WC и Co с помощью рентгенографии без разделения эффекта фрагментации и микронапряжений кристаллической решетки ввиду малых количеств связующей фазы (малая величина интенсивности рентгеновской линии фазы) показала их уменьшение на 30...35%. Например, для WC-фазы (112) сплава ВК8 условная величина блоков составила 30±6 нм по сравнению с исходными значениями 46±6 нм. Металлографическое исследование величины зерен WC у термически обработанных образцов показало уверенно определяемое их уменьшение (см. табл. 2).

При отжиге с температурой 700^oC 1-3 ч из кобальтовой легированной связки выделяется, например, до 0,6% вольфрама, что приводит к разупрочнению связующей фазы и снижению прочности сплава ВК.

При закалке и термической стабилизации твердого сплава ВК поверхность образцов оказывается обогащенной кобальтовой фазой. С увеличением продолжительности выдержки при нагреве под закалку карбиды вольфрама на поверхности образца диссоциируют на вольфрам и углерод. Например, для сплава ВК8, закаливаемого с температуры ~ 1100^oC при суммарном времени выдержки ~ 1 час на поверхности регистрируют следы WC-фазы. Тот же эффект получается при температуре нагрева под закалку ~ 1250^oC при суммарном времени выдержки ~ 0,24.

Казалось бы такой существенный недостаток должен нивелировать эффективность термического субструктурного упрочнения, в том числе в части экономической целесообразности в связи с ростом трудоемкости операций шлифовки и полирования. Но это впечатление только кажущееся.

Указанное обстоятельство позволило придти к принципиально новому способу нанесения аморфных износостойких покрытий SiC с использованием известных дуговых плазмотронов. Ресурс работы термически обработанных твердосплавных резцов, подвергнутых финишному плазменному упрочнению SiC, дополнительно возрастает от 1,5 до 2 раз в зависимости от условий эксплуатации.

Данное технологическое решение реализуется в помощью маневренного дугового плазмотрона УПО-302 серийного производства при атмосферном давлении без использования вакуумной камеры, при температуре 400...500^oC. Исключительную роль при этом играют диссоциированные на поверхности при предыдущих циклах объемной термической обработки вольфрам и углерод, а также развитая поверхность субзерен Co-фазы.

Активизация плазменной аргоновой струей дугового плазмотрона обрабатываемой поверхности с уже диссоциированным углеродом и относительно малая концентрация реагентов Si, C в высокотемпературной газовой фазе повышают эффективность реакции синтеза SiC непосредственно на поверхности изделия и на межзеренных (субзеренных) границах периферийных слоев в момент конденсации реагентов, находящихся в газообразном состоянии. Как следствие, новое аморфное покрытие SiC в отличие от известных пленок SiC толщиной 1-3 мкм имеет толщину порядка 10 слоев зерен фаз WC-Co (до 10 - 45 мкм), композиционную структуру с повышенной плотностью. В соединении SiC связано уже до 30...40% кремния, что значительно снижает объемную долю SiO₂. Поддержание температуры поверхности на уровне температуры стабилизации субструктуры не приводит к негативным последствиям, связанным с дополнительной поверхностной закалкой.

Вышеуказанное характеризует принципиальное положительное отличие нового способа от известных технологических решений для лазерной, ионноплазменной и газопламенной обработки. Используя описанные режимы осуществления операции термоциклической обработки, термической стабилизации и финишное модифицирование поверхностных слоев композиционным квазиаморфным покрытием SiC повышенной адгезионной прочности и демпфирующей способности, удалось сформировать структуру в отечественных твердых сплавах с уникальным уровнем свойств: - глубинные слои с твердостью 89...91 HRA, σ_изг = 1600...1800 МПа, плотностью 14500...14900 кг/м³; - поверхностный слой глубиной 10 - 15 мкм с микротвердостью НУ = 15 - 18 ГПа диэлектрик SiC-структура, обладающая ближним порядком, образует пленочный барьер, препятствующий схватыванию трущихся поверхностей и режущих кромок; - SiC выполняет функции коррозионно- и жаростойкого покрытия.

Формула изобретения

1. Способ изготовления твердосплавных металлокерамических изделий, включающий приготовление компонентов шихты, измельчение, смешивание, засыпку шихты в форму, формование и спекание путем нагрева и выдержки при температуре спекания, отличающийся тем, что после спекания изделия его подвергают подстуживанию до температуры 1250 - 900^oC со скоростью охлаждения не более 3^o/с, а дальнейшее охлаждение ведут в режиме закаливания со скоростью охлаждения не менее 3^o/с до температуры +300^oC - (-196^oC), после чего изделие подвергают стабилизирующему отжигу нагревом до температуры, составляющей 0,35 - 0,50 максимальной температуры режима закаливания, затем изделие охлаждают.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изделие изготавливают из спекаемых порошков твердых сплавов системы W-C-CO(сплавы WC-Co) или системы W-C-Ni(сплавы WC-Ni), или системы W-C-Ni-Fe(сплавы WC-(Fe-Ni), или системы WC-TaC-Co, WC-TaC-NbC-Co, WC-TiC-TaC(NbC)-Co, Fe-Cr-Mo-W-Si-V-C.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев при стабилизирующем отжиге производят в соляных электрованнах, или путем индукционного нагрева с использованием токов высокой частоты, или путем лучевого нагрева, в том числе лазерного, или путем удара лазерным лучом, или путем ионно-плазменного нагрева, или путем газо-плазменного нагрева, или путем электроимпульсного нагрева, или путем термического соединения - пайки твердосплавного изделия со стальной державкой с использованием индукционного нагрева и последующего погружения державки созданного инструмента в охлаждающую среду, преимущественно воду.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение при закаливании производят в жидком азоте, или в углекислоте, или в других сжиженных или твердых инертных газах, или в их смесях, или в парах жидкого азота, или в водяной ванне, или в водяном паре, или в ледоводяной ванне, или в масляной ванне с температурой среды в пределах от -80^oC до +300^oC с маслами или отработанными маслами, или в масляном тумане, или в соляных растворах, например натриевых или калиевых, или в смазочно-охлаждающих жидкостях, или в псевдомагнитных жидкостях, или в легкоплавких металлах, или путем последовательного охлаждения, по крайней мере, в двух из перечисленных средах, или путем перераспределения тепла с нагреваемой поверхности вглубь изделия.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что одновременно с охлаждением производят барботаж охлаждающей среды или на охлаждающую среду воздействуют ультразвуком.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение после стабилизирующего отжига производят в воздушной среде или в инертной газовой среде, или через подогретое масло на воздухе.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что режим закаливания повторяют, по крайней мере, двукратно.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что при повторении режима закаливания, по крайней мере, после одного промежуточного режима закаливания производят промежуточный стабилизирующий отжиг.

9. Способ по п.3, отличающийся тем, что державки выполняют из стальной металлокерамики и подвергают термообработке совместно с инструментом или в режиме его закаливания.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в шихту добавляют измельченные в порошок отработанные твердосплавные изделия.

11. Способ изготовления твердосплавных металлокерамических изделий, включающий приготовление компонентов шихты, измельчение, смешивание, засыпку шихты в форму, формование и спекание путем нагрева и выдержки при температуре спекания, отличающийся тем, что после спекания изделия его подвергают подстуживанию до температуры 1250 - 900^oC со скоростью охлаждения не более 3^o/с, а дальнейшее охлаждение ведут в режиме закаливания со скоростью охлаждения не менее 3^o/с до температуры +300^oC - (-196^oC), после чего изделие подвергают стабилизирующему отжигу нагревом до температуры, составляющей 0,35 - 0,50 температуры начала режима закаливания, или после первого цикла закаливания, или после стабилизирующего отжига изделие подвергают не менее чем одному повторному режиму закаливания, включающему повторный нагрев до температуры 900 - 1250^oC, выдержку для выравнивания температуры в изделии и охлаждение со скоростью не менее 3^o/с, причем стабилизирующий отжиг производят во всех случаях, по крайней мере, после последнего режима закаливания при температуре, составляющей 0,35 - 0,50 от величины максимальной температуры начала, по крайней мере, предыдущего режима закаливания.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что изделие изготавливают из спекаемых порошков твердых сплавов системы W-C-Co (сплавы WC-Co), или системы W-C-Ni (сплавы WC-Ni), или системы W-C-Ni-Fe (сплавы WC-(Fe-Ni), или системы WC-TaC-Co, WC-TaC-NbC-Co, WC-TiC-TaC(NbC)-Co, Fe-Cr-Mo-W-Si-V-C.

13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что нагрев при стабилизирующем отжиге производят в соляных электрованнах, или путем индукционного нагрева с использованием токов высокой частоты, или путем лучевого нагрева, в том числе лазерного, или путем удара лазерным лучом, или путем ионно-плазменного нагрева, или путем газопламенного нагрева, или путем электроимпульсного нагрева, или путем термического соединения - пайки твердосплавного изделия со стальной державкой с использованием индукционного нагрева и последующего погружения державки созданного инструмента в охлаждающую среду, преимущественно воду.

14. Способ по п. 11, отличающийся тем, что охлаждение при закаливании производят в жидком азоте, или в углекислоте, или в других сжиженных или твердых инертных газах, или в их смесях, или в парах жидкого азота, или в водяной ванне, или в водяном паре, или в ледоводяной ванне, или в масляной ванне с температурой среды в пределах -80^oC до +300^oC с маслами или отработанными маслами, или в масляном тумане, или в соляных растворах, например натриевых или калиевых, или в смазочно-охлаждающих жидкостях, или в псевдомагнитных жидкостях, или в легкоплавких металлах, или путем последовательного охлаждения, по крайней мере, в двух из перечисленных средах, или путем перераспределения тепла с нагреваемой поверхности вглубь изделия.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что одновременно с охлаждением производят барботаж охлаждающей среды или на охлаждающую среду воздействуют ультразвуком.

16. Способ по п.11, отличающийся тем, что охлаждение после стабилизирующего отжига производят в воздушной среде, или в инертной газовой среде, или через подогретое масло на воздухе.

17. Способ по п.13, отличающийся тем, что державки выполняют из стальной металлокерамики и подвергают термообработке совместно с твердосплавным инструментом или в режиме его закаливания.

18. Способ по п.11, отличающийся тем, что в шихту добавляют измельченные в порошок отработанные твердосплавные изделия.

19. Способ изготовления твердосплавных металлокерамических изделий, включающий приготовление компонентов шихты, измельчение, смешивание, засыпку шихты в форму, формование и спекание путем нагрева и выдержки при температуре спекания, отличающийся тем, что охлажденное после спекания изделие подвергают дополнительной не менее чем однократной термической обработке путем нагрева до температуры 900 - 1250^oC, с выдержкой для выравнивания температуры в изделии и последующей закалкой охлаждением со скоростью не менее 3^o/c до температуры +300^oC - (-196^oC), причем, по крайней мере, после последнего цикла закаливания осуществляют стабилизирующий отжиг нагревом до температуры, составляющей 0,35 - 0,50 максимальной температуры нагрева для закаливания, затем изделие охлаждают.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что изделие изготавливают из спекаемых порошков твердых сплавов системы W-C-Co (сплавы WC-Co), или системы W-C-Ni (сплавы WC-Ni), или системы W-C-Ni-Fe (сплавы WC-(Fe-Ni), или системы WC-TaC-Co, WC-TaC-NbC-Co, WC-TiC-TaC(NbC)-Co, Fe-Cr-Mo-W-Si-V-C.

21. Способ по п. 19, отличающийся тем, что нагрев при стабилизирующем отжиге производят в соляных электрованнах, или путем индукционного нагрева, или путем лучевого нагрева, в том числе лазерного, или путем удара лазерным лучом, или путем ионно-плазменного нагрева, или путем газоплазменного нагрева, или путем электроимпульсного нагрева, или путем термического соединения - пайки твердосплавного изделия со стальной державкой с использованием индукционного нагрева и последующего погружения державки созданного инструмента в охлаждающую среду, преимущественно воду.

22. Способ по п.19, отличающийся тем, что охлаждение при закалке производят в жидком азоте, или в углекислоте, или в других сжиженных или твердых инертных газах, или в их смесях, или в парах жидкого азота, или в водяной ванне, или в водяном паре, или в ледоводяной ванне, или в масляной ванне с температурой среды в пределах от -80^oC до +300^oC с маслами или отработанными маслами, или в масляном тумане, или в соляных растворах, например натриевых или калиевых, или в смазочно-охлаждающих жидкостях, или в псевдомагнитных жидкостях, или в легкоплавких металлах, или путем последовательного охлаждения по крайней мере, в двух из перечисленных средах, или путем перераспределения тепла с нагреваемой поверхности вглубь изделия.

23. Способ по п. 22, отличающийся тем, что одновременно с охлаждением производят барботаж охлаждающей среды или на охлаждающую среду воздействуют ультразвуком.

24. Способ по п.19, отличающийся тем, что охлаждение после стабилизирующего отжига производят в воздушной среде, или в безокислительной газовой среде, или через подогретое масло на воздухе.

25. Способ по п.21, отличающийся тем, что державки выполняют из стальной металлокерамики и подвергают термообработке совместно с инструментом или в режиме его закаливания.

26. Способ по п.19, отличающийся тем, что в шихту добавляют измельченные в порошок отработанные твердосплавные изделия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2