Способ упрочнения стального режущего инструмента

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патептам и товарным знакам (213 4908623/02 (22) 05.02.91 (46) 15.11.93 Бюл. Иа 41 — 42 (71) Костромской экскаваторный завод "Рабочий металлист" (72) Чижов В.Н.; Михайлов С.В.; Бочков Б.В. (73) Костромской экскаваторный завод "Рабочий металлист" (54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНОГО РЕ—

ЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к способам упрочнения и может быть использовано для повышения стойкости и надежности режущего инструмента. Цель изобретения — повышение работоспособности стального режущего инструмента. Цель достигается за счет тога, что насыщение контактных с обрабатыьаемым мате— риалом поверхностей осуществляется одновременно несколькими элементами методом электроискроваго легирования, а карбанитрацию осуществляют в газовой среде продуктов разложения карбамида при температуре, равной температуре отпуска материала упрочняемого инструмента и выдер>кке в этой среде в течение 0,3 1,5 ч, причем при подготовке инструмента для обработки алюминиевых и титановых сплавов в качестве материал 3 элвктрода используют аднакарбидные твердь.е сплавы, а при обработке железоуглерадистых сплавов — двух- и трехкарбидные сплавы. 1 зп.флы, 2 табл.

2002821

Изобретение относится к способам упрочнения и может быть использовано для повышения стойкости и надежности ре>кущего инструмента.

Известен способ упрочнения стального режущего инструмента путем электроискрового легирования его рабочих поверхностей (ЭИЛ) карбидо- и нитридообразующими элементами.

Способ базируется на эффекте пере»оса материала электрода при искровом электрическом разряде, В качестве электрода, как правило, используют твердосплавные стержни. В результате обработки режущего инструмента данным способом на его поверхностях создается тонкий слой с повышенным содержанием W Tl V Cr, Известен газофазный способ легирования поверхности инструмента, способ легирования из плазменной фазы и ряд других 20 способов.

К недостаткам способов относятся повышенная трудоемкость их осуществления, ограниченный диапазон возможного увеличения стойкости. упрочненного инструмента.

Известен способ упрочнения стального ре>кущего инструмента путем его карбонитоации. Упрочнение инструмента по данному способу происходит за счет насыщения З0 его поверхностных слоев азотом и углеродом с образованием нитридов, карбидов и карбонитридов, Недостаток способа заключается в том, что эффект от карбонитрации малолегированного стального инструмента существенно ниже, чем для инструмента, изготовленного из стали, с повышенным содержанием активных карбидо- и нитридообразующих элементов. В результате этого возможности повышения стойкости путем 40 карбонитрации инструмента, изготовленного из материалов с меньшим содержанием

W, Ti, Сг, Со (таких как А11РЗФ2, РбАМ5 и др.), в значительной степени ограничены, Известна технология упрочнения режущего инструмента, включающая легирование поверхности карбидообразующими элементами и последующую цементацию.

Способ приводит к повышению стойкости в несколько раз. В то же время эффектив- 50 ность процесса цементации применительно к упрочнению стального режущего инструмента существенно ниже карбонитрации.

Наиболее близким по технологии выполнения и достигаемому результату к предлагаемому является способ получения диффузионных покрытий на режущих пластинах из твердых сплавов и на деталях из легированных сталей, включающий легирование поверхности нитридо-и карбидообразующим элементом (титаном), после чего пластины подвергают карбонитрации. Данный способ принят за прототип.

Недостатком способа является ограниченность его технологических возможностей, Способ не может быть использован для дополнительного упрочнения окончательно изготовленного и заточенного стального режущего инструмента. Максимально допустимая температура нагрева стального инструмента не должна превышать температуру его отпуска, значение которой зависит от марки инструментальной стали и для большинства из них меньше 600 С, Титанирование твердосплавных пластин и легированных сталей предполагает применение температуры до 1030 С. Крометого, данный способ упрочнения инструмента является не эффективным в случае его использования при обработке таких материалов, как титан или алюминий. При обработке этих материалов увеличение в поверхностном слое инструмента карбидов и нитридов титана (путем титанирования с последующей карбонитрацией) приводит к ухудшению условий стружкообразования и, следовательно, стойкости режущего инструмента, что связано с повышением коэффициента трения между инструментом и стружкой, увеличением адгезионного износа. Причиной этих неблагоприятных явлений является повышенная способность к схватыванию при контакте одноименных материалов, Цель изобретения — повышение работоспособности стального режущего инструмента.

Цель достигается за счет того, что насыщение контактных с обрабатываемым материалом поверхностей осуществляется одновременно несколькими элементами методом электроискрового легирования, а карбонитрацию осуществляют в газовой среде продуктов разложения карбамидэ при температуре, равной температуре отпуска материала упрочняемого инструмента и выдержке в этой среде в течение 0,3 ... 1,5 ч, причем при подготовке инструмента для обработки алюминиевых и титановых сплавов в качестве материала электрода используют однокарбидные твердые сплавы, а при обработке железоуглеродистых сплавов— двух- и трехкарбидные сплавы.

Комплексное легирование рабочих поверхностей инструмента карбидо- и нитридообразующими элементами с последующей карбонитрацией инструмента приводит к образованию в его поверхностном слое повышенного содержания сложных карбонитридов, нитридов и карбидов типа Pl

W)CN, (Nb — ZrjN, (W, Hf, Cr)CN, (W, Т1, Сг)С и

2002821 др. Образование новых и увеличение существующих соединений карбида-и нитридообразующих элементов с атомарным азотом и углеродом С вызывает существенное изменение физических, химических и 5 структурных свойств поверхности упрочняемого инструмента, повышает разнородность свойств контактирующих при резании тел, что благоприятно сказывается на износостойкости инструмента. Чем сложнее карбиды, тем больше химическая и структурная несхожесть обрабатываемого и инструментального материала, тем выше стойкость инструмента.

Помимо повышения стойкости снижения чувствительности инструмента к обрабатываемому материалу сказывается и на расширение его универсальности — повышение работоспособности в более широком диапазоне изменения обрабатываемых материалов.

С целью повышения работоспособности инструмента карбонитрацию осуществляют s газовой среде продуктов разложения карбамида при температуре, равной температуре отпуска инструментальной стали, и выдержке

B этой среде в течение 0,3 ... 1,5 ч.

В отличие от известных режимов кратковременной карбонитрации стального режущего инструмента в пределах 0,1 ... 0,5 ч оптимальное значение времени выдер>кки в печи предварительно легированного инструмента увеличивается в 3 ... 3,5 раза. Увеличение времени карбонитрации инструмента по новому способу уп рочнения связано с повышением количества карбидои нитридо образующих элементов в поверхностном слое инструмента и, следовательно. уменьшением скорости диффузии азота и углерода в материал обрабатываемого инструмента по мере его упрочнения.

Выбор материала легирующих элементов диктуется условиями механической обработки и в основном зависит от свойств материала обрабатываемой детали. Для повышения эффективности процесса упрочнения инструмента предлагаемым способом при обработке алюминиевых и тита; оных сплавов в качестве л1атериала электрода «спользуют однокарбидные твердые сплавы типа ВК, а при обработке железоуглеродистых сплавов — двух- и трех карбидные сплавы типа ТК и ТТК. Выбор материала электрода во всех случаях осуществляется из условия выполнения цели изобретения— повышения работоспособности инструмента. Обработка таких материалов, как титан или алюминий инструментами, имеющими повышенное содержание в повсрхностном слое карбидов и нитридов титана, приводит

55 к ухудшению условий стружкообразования и, следовательно, стойкости режущего инструмента, что связано с повышением коэффициента трения между инструментом и стружкой, увеличением адгезионного износа, Причиной этих неблагоприятных явлений является повышенная способность к схватыванию при контакте одноименных материалов, При обработке железоуглеродистых сплавов максимальный градиент сВ0АсТВ обрабатываемых и инструментальных материалов обеспечивается путем создания на поверхности инструмента повышенного содержания карбидов, нитридов и карбонитридов таких элементов, как

W, К Ti, Та, Cr, содержащихся в двух- и трех карбидных твердых сплавах типа ТК и ТТК, С этой целью в качестве материала электрода для предварительного используют многокарбидные твердые сплавьь

Способ осуществляется следующил об разом.

Методам злектроискрового легирования производят поверхностное насыщения контактных с обрабатываемой деталью и стружкой частей инструмента нитридо- и карбидообразующими элементами, После поверхностного легирования инструмент подвергают газовой карбонитрации в продуктах распада карбамида, Предварительное легирование рабочих поверхностей инструмента мо>кет быть реализовано на серийно выпускаемых установках типа ЭФИ с потребляемой мощностью

0,5 кВт. При этом режим 3!ЛЛ выбирают B зависимости от условий резания и вида инструмента в следующих диапазонах: частота вибраций электрода п=100 ... 200 Гц; рабочий ток 4=2,5 ... БА; напряжение холостого хода Охов=15 ..; 200 В. В большинстве случаев для упрочнения режущего инструмента па предлагаемому способу оптимальными режимами ЭИЛ являются n=100 Гц, 4=4 А, U =50 В. Толщина покрь тия твердым сплавом находится в пределах h;>=0,02—

0,07 мм. В качестве электрода применяют сплав карбидо- и нитридообразующих элементов, состав которых выбирают в зависимости от марки обрабатываемого материала, С этой целью жгут быть использованы как высоколегированные стальные материалы, так v тTвDе рpд ы е e сcrпt,л а в ы, Наиболее эффективно использование таких сплавов, как ВК8, Т15К6, ТЗОК4, ТТ7К12 и;р.

Процесс карбонитрации предварительно легированного инструмента осуществляIQT в газовой среде прод"KTQE распада кэрбамида. Данныl метод ":DR,-åòcÿ ваиболее прост лл1 и эффективным по сравнению с другими методами карбонитрации. Про2002821

20

35

55 цесс карбонитрации заключается в равномерной подаче гранулированного карбамида СО(МН2)2 с помощью доэа1ора в печь шахтного типа, Условия проведения карбонитрации характеризуются тремя параметрами: величиной подачи карбамида в печь, температурной процесса и временем выдержки в печи. Величина подачи карбамида зависит от обьема используемой для карбонитрации печи и для печей типа CLULIM находится в пределах 600 ... 2000 г/ч, Температура кэрбонитрации является одним из важных факторов, влияющих на интенсивность протекания диффузионных процессов.

С повышением температуры увеличивается зффективность кэрбонитрации. Верхнее orpa seaeaem температуры карбонитрации onpe@e se cs из условия обеспечения максимальной стойкости инструмента и эффективность процесса карбонитрации. Этому условию соотеетствует температура карбонитрации, равная температура отпуска материала инструмента Ton =Too .è oò, Для большинства используемых в промышленно cd инструментальных материалов Топ находятся в пределах 400 ... 600ОC.

Таким образом, основным параметром карбонитрации. за счет изменения которого мо:кет быть обеспечено повышение стойкости инструмента предлагаемым методом упрочнения. является время выдержки инструмента s печи.

В отличие от известных режимов кратковременной карбонитрации стального режущего инструмента в пределах 0,1 ... 0,5 ч оптимальное значение времени выдержки в печи предварительно легированного инструмента увеличивается в 3 ... 3,5 раза и в зависимости от типоразмера инструмента и условий его эксплуатации составляет 0,3 ...

1,5 ч. Нижние предельные значения времени выдержки инструмента в печи при карбонитрации рекомендуется для упронения мелкоразмерного и стального инструмента, а также для инструмента, характерным видом износа которого является микровыкрашивание режущей кромки. Для крупногабаритного режущего инструмента, срок службы которого в основном определяется предельной фаской нормального износа по задней грани или лункой износа на передней поверхности, карбонитрацию ведут при максимальной выдержке инструмента в печи ьд.=1.5 ч, Дальнейшее увеличение твыд вызывает снижение прочности режущего клина инструмента и, следовательно, работоспособности инструмента. Карбонитрация с твид.=0,3 ч не приводит к заметному увеличению стойкости упрочняемого по новому способу инструмента по сравнению с упрочнением методами ЭИЛ и карбонитрации.

Для реальных режимов резания оптимальное время карбонитрации предварительно легированного инструмента с углом заострения/3=80 составляет 1 ч, а для инструмента сP=60 труд=0,5 ч, что примерно в

3 раза больше оптимального времени карбонитрации инструмента, не подвергнутого

ЭИЛ, Экспериментальная проверка способа осуществлялась путем сопоставления результатов стойкостных испытаний инструментов, прошедших обработку по схемам: ЭИЛ; карбонитрация; карбонитрация+ ЭИЛ; ЭИЛ+ карбонитрация. Электроискровое легирование осуществлялось на приборе "Элитрон 10", Материал электрода— твердый сплав Т15К6. Режимы ЭИЛ: п=100

Гц: !а=4 А; Охх=50 В, Ьп=0,02 мм, Карбонитрация производилась в шахтной цементационной печи СШЦМ вЂ” 66/9М1 при температуре 580 С путем подачи в печь гранулированного карбамида со скоростью

1700 г/ч в течение 0,8 ч, В качестве критерия работоспособности упроч ненного инструмента служила фаска износа по задней грани инструмента, Испытания проводились на операции точения стали 45 резцами с быстросменными режущими пластинами, изготовленными иэ Р6М5. Результаты испытаний приведены в табл. 1, Испытания показали, что процесс предварительного легирования поверхности инструмента твердым сплавом с последующей карбонитрацией не равнозначен процессуупрочнения, проведенному в обратном порядке. Стойкость резцов, упрочненных по первой технологии, на 25-507 выше стойкости резцов, упрочненных по второй технологии.

Следовательно, нельзя считать упрочнение по схеме ЭИЛ + карбонитрация как простое суммирование эффектов от двух самостоятельных способов упрочнения. Эффект,повышения стойкости инструмента, упрочненного по данному способу, достигается за счет слоя инструмента карбидо- и нитридо образующими элементами и образования в нем повышенного содержания сложных карбидов, нитридов и карбонитридов, изменяющих структурные свойства инструмента. Для повышения эффективности процесса упрочнения инструмента предлагаемым способом при механической обработке алюминиевых и титановых сплавов в качестве материала электрода используют однокарбидные твердые сплавы типа ВК, а при обработке железоуглеродистых сплавов — двух- и трехкарбидные твердые сплавы типа ТК иТТК.

2002821

Таблица 1

Таблица 2

Сравнительные данные, позволяющие оценить эффективность упрочнения стального режущего инструмента из Р6М5, используемого при обработке титанового сплава ВТ5, алюминиевого сплава АМЦ и стали 45, приведены в табл, 2. условия проведения экспериментов:

Режимы ЭИЛ вЂ” п=100 Гц, ted=4 А. Охх=50

В, толщина легированного слоя h --0,02 мм;

Режимы карбонитрации — T=580 С, V=-1700 г/ч, „,д=0,8 ч. Карбонитрации осуществляется в печи СШЦМ вЂ” 6.6/9М1.

Таким образом, предлагаемый способ расширяет возможности карбонитрации.

Использование предлагаемого способа упрочнения стального режущего инстру5 мента позволяет повысить работоспособность инструмента, в том числе изготовленного из материалов с низким содержанием карбидо- и нитридообразующик элементов.

10 (56) Авторское свидетельство СССР N

1145051, кл. С 23 С 8/34, 1982.

2002821

Формула изобретения

Составитель В.Чижов

Техред M.Ìîðãåíòàë

Редактор Е.Полионова

Корректор О.Густи

Заказ 3217

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4(5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

1. СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА, включающий предварительное насыщение поверхностного слоя инструмента нитридо- и карбидообразу,ощим элементом и последующую карбонитрацию, отличающийся тем, что, с целью повышения работоспособности инструмента, насыщение проводят одним или несколькими карбидно-нитридообразующими элементами методом электроискрового легирования, а карбонитрацию осуществляют в газовой среде продуктов разложения кар5 бамида при температуре отпуска материала инструмента в течение 0,3 - 1,5 ч.

2, Способ по п,1, отличающийся тем, что упрочнение инструмента для обработки алюминиевых и титановых сплавов ве10дут при использовании в качестве материала электрода беститановых твердых сплавов.