Способ упрочнения стального режущего инструмента

(в) ВС (и) 2 ОО 2821Я) 22 Федерации ым знакам Е ИЗОБРЕТ Б ОЛИС Я ПлткЦЯУ(71) Костромской экскаваторный завод "Рабочметаллист"(73) Костромской экскаваторный завод "Рабочметаллист"(54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНОГОЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА(57) Изобретение относится к металлургии, вности к способам упрочнения и может быть исзовано для повышения стойкости и надежносжущего инструмента. Цель изобретения -шение работоспособности стального реж инструмента. Це насыщение конт. риалом паверхно но несколькими кроваго легирова ляют в газовой с бамида при темп пуска материала держке в этой ср при подготовке и ниевых и титанов элвктрода испол сплавы, а при сплавов - двухлы, 2 табл. ий част- польи реювы - ущего Комитет Российскои по патентам и товар ль достигается за счет тога, что актных с обрабатыьаемым мате - стей осуществляется адновременэлементами методом электроисния, а карбанитрацию асуществреде продуктов разложения карературе, равной температуре отупрочняемого инструмента и выеде в течение 0,3 1,5 ч, причем нструмента для обработки алюмиьх сплавов в качестве материала ьзуют аднакарбидные твердь,е обработке железоуглерадистых и трехкарбидные сплавы. 1 зп.ф 2002821Изобретение относится к способам упрочнения и может быть использовано для повышения стойкости и надежности режущего инструмента.Известен способ упрочнения стального режущего инструмента путем электроискрового легирования его рабочих поверхностей (ЭИЛ) карбидо- и нитридообразующими элементами,Способ базируется на эффекте переноса 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 Ю Т 1, Ч, Сг,Известен газофазный способ легирования поверхности инструмента, способ легирования из плазменной фазы и ряд других способов.К недостаткам способов относятся повышенная трудоемкость их осуществления, ограниченный диапазон возможного увеличения стойкости. упрочненного инструмента.Известен способ упрочнения стального режущего инструмента путем его карбонитоации, Упрочнение инструмента по данному способу происходит за счет насыщения 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 карбонитрации инструмента, изготовленного из материалов с меньшим содержанием Я, Т 1, Сг, Со (таких как А 11 РЗФ 2, РбАМ 5 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 эффективность 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 чегопластины подвергают карбонитрации, Данный способ принят за прототип.Недостатком способа является ограни 5 ценность его технологических возможностей, Способ не может быть использовандля дополнительного упрочнения окончательно изготовленного и заточенного стального режущего инструмента. Максимально10 допустимая температура нагрева стальногоинструмента не должна превышать температуру его отпуска, значение которой зависит от марки инструментальной стали и длябольшинства из них меньше 600 С, Титани 15 рование твердосплавных пластин и легированных сталей предполагает применениетемпературыдо 1030 С, Крометого,данныйспособ упрочнения инструмента являетсяне эффективным в случае его использования20 при обработке таких материалов, как титанили алюминий, При обработке этих материалов увеличение в поверхностном слое инструмента карбидов и нитридов титана(путем титанирования с последующей кар 25 бонитрацией) приводит к ухудшению условий стружкообразования и, следовательно,стойкости режущего инструмента, что связано с повышением коэффициента трениямежду инструментом и стружкой, увеличеЗ 0 нием адгезионного износа, Причиной этихнеблагоприятных явлений является повышенная способность к схватыванию приконтакте одноименных материалов,Цель изобретения - повышение работоЗ 5 способности стального режущего инструмента,Цель достигается за счет того, что насыщение контактных с обрабатываемым материалом поверхностей осуществляется40 одновременно несколькими элементами методом электроискрового легирования, а карбонитрацию осуществляют в газовой средепродуктов разложения карбамида при температуре, равной температуре отпуска ма 45 териала упрочняемого инструмента ивыдержке в этой среде в течение 0,31,5 ч,причем при подготовке инструмента для обработки алюминиевых и титановых сплавовв качестве материала электрода используют50 однокарбидные твердые сплавы, а при обработке железоуглеродистых сплавов -двух- и трехкарбидные сплавы.Комплексное легирование рабочих поверхностей инструмента карбидо- и нитри 55 дообразующими элементами с последующей карбонитрацией инструмента приводитк образованию в его поверхностном слоеповышенного содержания сложных карбонитридов, нитридов и карбидов типа (Т 1- Ю)СМ,(КЬ - Ъ)й,(Я, Н, Сг)СК,(И/, Т 1, Сг)С идр, Образование новых и увеличение существующих соединений карбида-и нитридообразующих элементов с атомарнымазотом и углеродом С вызывает существенное изменение физических, химических и 5структурных свойств поверхности упрочняемого инструмента, повышает разнородность свойств контактирующих при резаниител, что благоприятно сказывается на износостойкости инструмента. Чем сложнее карбиды, тем больше химицеская и структурная несхожесть обрабатываемого и инструментального материала, тем выше стойкость инструмента.Помимо повышения стойкости снижения чувствительности инструмента к обрабатываемому материалу сказывается и нарасширение его универсальности - повышение работоспособности в более широкомдиапазоне изменения обрабатываемых материалов.С целью повышения работоспособностиинструмента кэрбонитрацию осуществляют в газовой среде продуктов разложения карбамида при температуре, равной температуре отпуска инструментальной стали, и выдержке в этой среде в течение 0,31,5 ч.В отличие от известных режимов кратковременной карбонитрации стального режущего инструмента в пределах 0,10,5 ч оптимальное знацение времени выдержки в печи предварительно легированного инструмента увеличивается в 33,5 раза. Увеличение времени карбонитрации инструмента па новому способу уп рочнения связано с повышением количества карбидои нитридо образующих элементов в поверхностном слое инструмента и, следовательно, уменьшением скорости диффузии азата 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 л 1 атериала электрода используют однокарбидные твердые сплавы типа ВК, а при обработке железауглеродистых сплавов - двух- и трех карбидные сплавы типа ТК и ТТК. Выбор материала электрода во всех случаях осуществляется из условия выпалненля цели изобретения - повышения работоспособности инструмента. Обработка таких материалов, как титан или алюминий инструментами, имеющими повышенное содержание в повсрхностнам слое карбидов и нитридов титана, приводит 152025 30 35 40 45 50 55 к ухудшению условий стружкообразования и, следовательно, стойкости режущего инстоумента, чта 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 свойств обрабатываемых и инструментальных материалов обеспечивается путем создания на поверхности инструмента повышенного содержания карбидов, нитридов и карбонитридов таких элементов, как Я, К Т, Та, Сг, содержащихся в двух- и трех карбидных твердых сплавах типа ТК и ТТК, С этой целью в кацестве материала электрода для предварительного используют многокарбидные твердые сплавььСпособ осуществляется следующим образом.Методам злектраискраваго легирования производят паверхнастое насыщения контактных с обрабатываемой деталыа и стружкой частей инструмента нитрида- и карбидаобразующими элементами, После поверхностного легирования инструмент подвергают газовой карбанитрации в продуктах распада карбамида,Предварительное легирование рабочихповерхностей инструмента может быть реализовано на серийно выпускаемых устаовках типа ЭФИ с потребляемой мощностью 0,5 кВт. При этом режим 3 ЛЛ выбирают в зависимости от условий резания и вида инструмента в следующих диапазонах: частота вибраций электрода п=100 , 200 Гц; рабочий ток =2,5БА; напряжение холостого хадахх=15 , 200 В, В большинстве случаев для упрачнеия режущего иструмента па предлагаемому способу оптимальными режимами ЭЛЛ являются п=100 Гц, =4 А, .,к=50 В. Толщина покрытия твердым сплавам находится в пределах Ь;=0,02 - 0,07 мм. В качестве электрода применяют сплав карбида- и нитридаобразующих элементов, состав которых выбирают в зависимости от марки обрабатываемого материала, С этой целью ,агут быть использованы как высаколегированные стальные материалы, так и твердые сплавы, .заболев эффективно использование таких сп 1 авав, как ВК 8, Т 15 К 6, ТЗОК 4, ТТ 7 К 12 и др.Процесс карбаитрации предварительно легированного иструмета осуществляют в газовой среде продуктаг распада кэрбамида. Данный метод являетсяаибалее прост лм и эфФективным па сравнению с другими л,етодами карбанитрации. Про 2002821цесс карбонитрации заключается в равномерной подаче гранулированного карбамида СО(МН 2)2 с помощью доэа 1 ора 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 СШЦМ находится в пределах 6002000 г/ч, Температура карбонитрации является одним из важных факторов, влияющих на интенсивность протекания диффузионных процессов. С повышением температуры увеличивается эффективность карбонитрации. Верхнее ограничение температуры карбонитрации определяется из условия обеспечения максимальной стойкости инструмента и эффективность процесса карбонитрации. Этому условию соотеетствует температура карбонитрации, равная температура отпуска материала инструмента Топт=Топт.инстр Для большинства используемых в промышленности инструментальных материалов Топт находка в пределах 400600 С.Таким образом, основным параметром карбонитрации. за счет изменения которого может быть обеспечено повышение стойкости инструмента предлагаемым методом упрочнения. являешься время выдержки инструмента в печи.В отличие от известных режимов кратковременной карбонитрации стального режущего инструмента в пределах 0,10,5 ч оптимальное значение времени выдержки в печи предварительно легированного инструмента увеличивается в 33,5 раза и в зависимости от типоразмера инструмента и условий его эксплуатации составляет 0,31,5 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 т 8 ыд.=1,5 ч, Дальнейшее увеличение Ьыд вызывает снижение прочности режущего клина инструмента и, следовательно, работоспособности инструмента. Карбонитрация с давыд,=0,3 ч не приводит к заметному увеличению стойкости упрочняемого по новому способу инструмента по сравнению с510 15 20 303540 4555 товленными иэ Р 6 М 5. Результаты испытаний приведены в табл. 1,Испытания показали, что процесс предварительного легирования поверхности инструмента твердым сплавом с последующейкарбонитрацией не равнозначен процессуупрочнения, проведенному в обратном порядке. Стойкость резцов, упрочненных по первой технологии, на 25-504 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 вкачестве материала электрода используют однокарбидные твердые сплавы типа ВК, а при обработке железоуглеродистых сплавов - двух- и трехкарбидные твердые сплавы типа ТК иТТК. 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 с Р=60 давыд=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. Электро- искровое легирование осуществлялось на приборе "Элитрон 10", Материал электрода - твердый сплав Т 15 К 6. Режимы ЭИЛ: п=100 Гц: 1 а=4 А; Охх=50 В, Ьп=0,02 мм, Карбонитрация производилась в шахтной цементационной печи СШЦМ - 66/9 М 1 при температуре 580 С путем подачи в печь гранулированного карбамида со скоростью 1700 г/ч в течение 0,8 ч, В качестве критерияработоспособности упрочненного инструмента служила фаска износа по задней грани инструмента, Испытания проводились на операции точения стали 45 резцами с быстросменными режущими пластинами, изго10 2002821 9 Таблица 1 аблица 2 Сравнительные данные, позволяющие оценить эффективность упрочнения стального режущего инструмента из Р 6 М 5, используемого при обработке титанового сплава ВТ 5, алюминиевого сплава АМЦ и стали 45, приведены в табл, 2.условия проведения экспериментов: Режимы ЭИЛ - п=100 Гц, а=4 А Охх=50 В, толщина легированного слоя Ил=0,02 мм;Режимы карбонитрации - Т=580 С, Ч=-1700 г/ч, ьыд=0,8 ч. Карбонитрации осуществляется в печи СШЦМ - 6.6/9 М 1. Таким образом, предлагаемый способрасширяет возможности карбонитрации,Использование предлагаемого способаупрочнения стального режущего инстру 5 мента позволяет повысить работоспособность инструмента, в том числеизготовленного из материалов с низкимсодержанием карбидо- и нитридообразующик элементов,10(56) Авторское свидетельство СССР М.1145051, кл. С 23 С 8(34, 1982.2002821 12 ФФрмула изобретения Составитель В,Чижов Техред М,МФргентал Редактор Е,Полионова Заказ 3217 Корректор О.Густи Тираж ПодпиСнФЕНПО "Поиск" РФспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб 4(5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 1. СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА, вквочающий предварительное насыщение поверхностного слоя инструмента нитридо- и карбидообразу,ощим элементом и последующую карбонитрацию, Фтличаощийся тем, чтФ, с целью повышения работоспособности инструмента, насыщение проводят одним или несколькими карбидно-нитридообразующими элементами методом электроискрового легирования, а карбонитрацию осуществляют в газовой среде продуктов разложения кар 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 ве 10 дут при использовании в качествематериала электрода беститановых твердых сплавов.