Способ изготовления и обработки фасонного инструмента, преимущественно для чистовой обработки янтаря

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к обработке режущих инструментов на металлической основе, и может найти применение в машиностроении, ювелирной и строительной промышленности, а также в приборостроении. Вначале выполняют механическую обработку корпуса и окончательную доводку геометрического профиля рабочих поверхностей, затем термическую обработку инструмента. После этого проводят электроискровое короткоимпульсное формирование износостойкого покрытия легированием ферробором толщиной 1 - 5 мм с оплавлением материала корпуса и термическую обработку. Кроме того, корпус инструмента изготавливают из малоуглеродистых легированных теплостойких сталей и нержавеющих сталей ферритного, мартенситного, аустенитного классов. Оплавление при электроискровом легировании ферробором проводят на глубину 0,5 диаметра ферробора. Термическую обработку корпусов инструмента перед искровым легированием ведут при скорости охлаждения 0,5 - 5^oС/с до 500 - 550°С. Термическую обработку упрочненного инструмента совмещают с нитрооксидированием при 350 - 550^oС. Способ технологичен в осуществлении, не требует существенных затрат на оборудование и вспомогательные материалы. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к обработке режущих инструментов на металлической основе типа дисковых кругов, резцов, фрез, упрочняемых электроискровым, плазменным, лазерным формированием диффузионных слоев с использованием присадочных материалов, и может найти применение при изготовлении специнструмента для обработки минералов в ювелирной промышленности, композитов, конструкционных керамик и презиционных сплавов в машиностроении, а также приборостроении и электронике.

Известен способ напыления диффузионного покрытия на детали и инструмент из черных металлов. Способ предусматривает нанесение смеси элементов группы хрома, оксидов и галогенидов алюминия /1/.

Недостатком известного способа является низкая адгезионная и контактная прочность, вследствие чего способ неприменим при обработке абразивомягких материалов и минералов.

Другой известный способ изготовления и обработки режущего инструмента для обработки минералов, мрамора, композитов предусматривает создание цилиндрических режущих инструментов на металлической связке и корпусе из сплавов металлов путем гальванического формирования режущей части с наполнением синтетическими алмазами /2/ или, в другом случае, формирования слоя сверхтвердых борнитридных режущих частей с никелированием, оплавлением в присутствии более легкоплавкого компонента /3/.

Способы идентичны и не обеспечивают прочного соединения режущих компонентов к основе, низка износостойкость и контактно-коррозионная стойкость инструмента.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ обработки режущего инструмента поликристаллическим алмазом и нитридами бора, а также другими алмазоподобными соединениями /4/ (прототип). Способ предусматривает осаждение на стальную подложку твердых частиц через слой припоя, толщина нанесенного слоя до 1000 мкм, температура оплавления 950-1300^oC.

Способ изготовления и обработки инструмента по прототипу имеет следующие недостатки: высокая стоимость и сложность обработки, нарушение и возникновение дефектов основного режущего компонента, невозможность, как и в аналогах формирования режущих кромок с радиусом перехода менее 1,5 мм, недостаточная прочность и коррозионная стойкость в зоне контактно-щелевой коррозии с применением любых смазочно-охлаждающих жидкостей. Все вышеперечисленные способы не являются экологически чистыми способами.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение износостойкости, прочности, технологичности инструмента сложной конфигурации, возможность формирования режущих кромок с радиусом перехода менее 1,5 мм. Одновременно снижается трудоемкость изготовления, стоимость инструмента.

Для достижения поставленной задачи в способе изготовления и обработки фасонного инструмента, включающем формирование на рабочих поверхностях корпуса инструмента износостойкого покрытия, вначале выполняют механическую обработку корпуса и окончательную доводку геометрического профиля рабочих поверхностей, затем - термическую обработку инструмента, после чего проводят электроискровое короткоимпульсное формирование износостойкого покрытия легированием ферробором толщиной 1-5 мм с оплавлением материала корпуса и термическую обработку.

Корпус инструмента изготавливают из малоуглеродистых легированных теплостойких сталей и нержавеющих сталей ферритного, мартенситного, аустенитного классов.

Оплавление при электроискровом легировании ферробором проводят на глубину 0,5 диаметра ферробора.

Термическую обработку корпусов инструмента перед искровым легированием ведут при скорости охлаждения 0,5-5^oC/с до 500-550^oC.

Термическую обработку упрочненного инструмента совмещают с нитрооксидированием при 350-550^oC.

На прилагаемых к описанию изобретения дополнительных материалах изображено следующее: - на фиг. 1 - характер формирования слоя ферробора на сложнопрофильной режущей части; - на фиг. 2 - фрактограмма поверхности режущего фасонного инструмента с напыленным электроискровым способом слоем ферробора по режиму 1, х 10; - на фиг. 3 - то же по режиму 2, х 10; - на фиг. 4 - микроструктура алмазоподобного круга полирования янтаря; - на фиг. 5 - "минарет" из янтаря, обработанный инструментом по предложенному способу, х 1,1.

Сущность процессов формирования прочного износостойкого слоя на поверхности фасонного шлифовального инструмента состоит в следующем. Полированные поверхности под нанесение ферробора с оплавлением основы создают возможность более равномерного искрового легирования корпуса с образованием переходного подслоя высокой прочности с более плавным изменением микротвердости от стального корпуса к режущим частицам FeB, FeB₂, имеющим твердость на порядок выше твердости корпуса инструмента. При этом ухудшение класса чистоты поверхности до R = 0,6-1,0 мкм повышает степень пассивации поверхности и ухудшает соединение частиц ферробора с основой.

Выбранный размер частиц и толщины слоя, а также глубины оплавления стальных корпусов при электроискровой обработке является оптимальным для получения максимальной степени смачивания наносимых частиц и для обеспечения достаточной жесткости режущей части. При уменьшении каждого из параметров снижается прочность и износостойкость слоя, а при увеличении каждого из параметров повышается хрупкость и снижается прочность сцепления частиц с основой.

Выбранные скорости нагрева и охлаждения при предварительной обработке корпусов позволяют проводить упрочнение корпуса и одновременно не вызывают дополнительного коробления и тепловой деформации корпусов инструмента различной толщины и конфигурации режущей части со сложными переходами и малыми радиусами скругления, чем обеспечивается сохранение классных размеров при длительной эксплуатации инструмента. При ускорении охлаждения при предварительной термообработке или термостабилизации повышается тепловая и структурная деформация корпусов.

Интервал температур термостабилизации выбран с учетом возможности дополнительного упрочнения корпусов, повышения их коррозионной стойкости при создании нитрооксидных поверхностных слоев. При отсутствии такого вида поверхностной обработки происходит интенсивная коррозия инструмента при резании с охлаждением водным раствором янтарной кислоты. При обработке в интервалах температур ниже выбранных уменьшается толщина диффузионного слоя на корпуса, а при повышении температур не исключается зонное окисление.

При короткоимпульсном электроискровом оплавлении основного металла происходит частичное обволакивание опорной поверхности зерен жидким металлом и твердые частицы ферробора надежно крепятся в основе. Оплавленный подслой перекрывает все участки по периметру рабочей части корпуса, как результат формируется покрытие с разнопористостью не выше 12-15%, выдерживающее ударные и статические нагрузки. Ранее абразивно обработанная поверхность улучшает адгезионный контакт частиц ферробора с частицами, оплавившимися при обработке, даже при изгибе на угол 120-140^o не происходит отрыв нанесенных частиц ферробора.

Охлаждение с заданной скоростью после искровой обработки исключает образование микротрещин в переходной зоне зерно - основной металл, а последующая термостабилизация исключает деформацию и поводку инструмента с возможным нарушением классных размеров режущей части.

Практически способ осуществлен на пяти наименованиях инструмента для обработки изделий из природного и прессованного янтаря - дисков алмазоподобных и кругов сложного режущего профиля диаметром 100-240 мм. Для изготовления корпусов использовали углеродистые стали 0,8кп, 10, 15, 10Г2, а также теплостойкие легированные 40ХМФА, 4Х5МФС. В качестве боросодержащего компонента применяли ферробор металлургический кусковой и порошковый различных фракций.

Электроискровую обработку вели на четырех установках с обеспечением регулирования удельной мощности и частоты импульсов в широких пределах, это ЭФИ-46, Эфи-Электрон-10, ЭФИ-45, МГИ- и ТГ-250. Абразивную обработку проводили с применением электрокорунда на установках ГАО-2-6, а термическую обработку до и после нанесения ферробора проводили в электрошкафах СНОЛ-3.3.3/3.5, СНВЛ-3,4/3М и электропечах СЭВ- и СШОЛ-ВНЦ.

Изготовляли инструмент для формообразования и полирования янтарных изделий - шаров, оливок, кабошонов, минаретов, кулонов.

Пример 1 Дисковый насадной фигурный круг для обработки янтарных оливок с радиусами перехода R₁= 1,5 мм, R₂=1,2 мм, R₃=15 мм изготовляли из стали 10 по предложенному способу.

После токарной обработки с формированием геометрии режущих поверхностей проводили абразивно-струйную обработку электрокорундом по ГОСТ 2789-73 с классом шероховатости поверхности R_a= 2,5 мкм. Затем на установке ЭФК-46 электроискрового легирования на рабочую часть последовательным поперечным движением наносили в короткоимпульсном режиме слоя ферробора по ГОСТ 14848-75 при рабочем токе 2 А, токе короткого замыкания 4,7 А, сканированием (фиг. 1). Износостойкий слой толщиной 1,2 мм формировался ферробором зернистостью 2,0 мм, величина зоны оплавления составляла 1,0 мм. На фиг. 2 и фиг. 3 приведены фрактограммы от поверхности с нанесением ферробора. После термической обработки перед нанесением слоя твердость корпусов инструмента составляла HB = 167-172. Микротвердость рабочих поверхностей после электроимпульсного легирования ферробором составляла H_1H=1920-1970. При термической обработке после искрового легирования - нитрооксидирование в печи СШО-6,6/7 в составе сажи из гранулированного угля и карбамида микротвердость основы и коррозионная стойкость поверхностей повысилась (таблица 1).

Результаты измерений и испытаний показали стабильность геометрии кругов, возможность эффективной работы при влажном резании более чем в течение 180 часов, износостойкость повысить в 2,3 раза в сравнении со стандартными кругами из синтетических алмазных покрытий.

Практически исключено отслаивание режущего слоя от основы, характерного для стандартных кругов с алмазным слоем. Удельные затраты на инструмент сократились в 4,6 раза, улучшился класс чистоты обработки.

Пример 2 Концевой насадной инструмент чистовой обработки прессованного янтаря изготовляли и обрабатывали по предложенному способу. Профиль насадок из теплостойкой легированной стали 4Х5МФС формировали токарной обработкой с классом чистоты поверхности P_a=2,1 мкм. Затем проводили вакуумную закалку с нестандартными скоростями охлаждения 1-2^oC/с, далее с печью произвольно.

Электроискровое легирование (ЭИЛ) по рабочим поверхностям проводили на установке ЭФИ-25М с оплавлением на 0,5 наибольшего зерна ферробора 0,75 мм (зерно 1,5 мм). Предварительно термическую обработку корпусов перед ЭИЛ завершал отпуск при 950^oC в течение 2 часов, что позволяло получить высокую ударную вязкость 123-125 Дж/см² при прочности 1450-1500 МПа. Это обеспечивало высокую прочность и жесткость тонкого инструмента при проведении шлифовочных и доводочных операций. Микроструктура слоя ЭИЛ ферробором показана на фиг. 4. В таблице 2 приведены свойства поверхностных упрочненных слоев при обработке по предложенному и известному способам.

В сравнении с известным способом затраты на изготовление инструмента сократились в 3,7 раза при повышении износостойкости и коррозионной стойкости инструмента.

Пример 3 Тарельчатые сменные вставки для барабанов обкатки и шлифования янтарных заготовок из цилиндрических горячепрессованных заготовок янтаря изготовляли и обрабатывали по предложенному способу.

После формообразования тарельчатой заготовки из стали аустенитного класса 12Х18Н10Т, листовой толщиной 5 мм проводили абразивную подготовку электрокорундом с предварительным криогенным охлаждением до -196^oC. Таким образом, создавалась механическим воздействием поверхность для электроискрового легирования с классом чистоты P_a=4-4,5 мкм, термообработку перед ЭИЛ ферробором вели при температуре 460^oC в течение 60 минут. Затем наносили слой искрового легирования толщиной 1,5 мм с использованием ферробора зернистостью 3 мм, величина зоны оплавления составляла 1,5 мм при обработке на установке "Элитрон-ЩВ". Термическую обработку после нанесения износостойкого слоя проводили при этой же температуре, на воздух. Результаты измерения свойств приведены в таблице 3.

Таким образом, при использовании предложенного способа во всех случаях получен существенный положительный эффект при работе инструмента в условиях гидроабразивного износа в присутствии янтарной кислоты.

Источники информации 1. Патент Германии N 930527, МКИ C 23 C 8/72.

2. В. Н. Бакуль и др. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента. - М.: Машиностроение. С. 230-335.

3. Ю.В. Найдич и др. Пайка и металлизация сверхтвердых инструментальных материалов. Киев. "Наукова думка", 1977. С. 138, 139, 150.

4. Европатент N 0541071, МКИ C 23 C 16/26, 1993 - прототип.

Формула изобретения

1. Способ изготовления и обработки фасонного инструмента преимущественно для чистовой обработки янтаря, включающий формирование на рабочих поверхностях корпуса инструмента износостойкого покрытия, отличающийся тем, что вначале выполняют механическую обработку корпуса и окончательную доводку геометрического профиля рабочих поверхностей, затем термическую обработку инструмента, после чего проводят электроискровое короткоимпульсное формирование износостойкого покрытия легированием ферробором толщиной 1 - 5 мм с оплавлением материала корпуса и термическую обработку.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что корпус инструмента изготавливают из малоуглеродистых легированных теплостойких сталей и нержавеющих сталей ферритного, мартенситного, аустенитного классов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что оплавление при электроискровом легировании ферробором проводят на глубину 0,5 диаметра ферробора.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическую обработку корпусов инструмента перед искровым легированием ведут при скорости охлаждения 0,5 - 5^oC до 500 - 550^oC.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическую обработку упрочненного инструмента совмещают с нитрооксидированием при 350 - 550^oC.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9