[1]Изобретение относится к порошковой металлургии, к изготовлению заготовок или изделий из металлических порошков, характеризуется методом уплотнения или спекания, в частности к способу горячего прессования (разогрева заготовки от действия электрического тока) с целью получения комбинированных изделий из твердого сплава и стали, типа «Шип», в одноразовой полуформе.
[2]При производстве изделий, которые совмещают в себе часть из твердого сплава, как правило, пластинку или тело иной конфигурации, предназначенную для сопротивления высоким нагрузкам на истирание, и часть из стали, выполняющую роль державки, применяют несколько технологических переходов:
[3]1. Изготовление части из твердого сплава методом порошковой металлургии (прессование и спекание, горячее прессование);
[4]2. Изготовление державки из стали методом обработки давлением металла и/или резанием;
[5]3. Закрепление части из твердого сплава на державке из стали при помощи неразъемного или разъемного соединения.
[6]При операции закрепления части из твердого сплава на державке использование разъемного соединения не всегда оправдано, ввиду конструктивных сложностей болтового или иного разъемного соединения.
[7]При серийном, крупносерийном и массовом производстве более целесообразно применять неразъемные соединения в случае, если комбинированное изделие содержит несколько частей из твердого сплава, закрепленных на одной державке и является быстросменным блоком (рисунок 1). В данном случае целесообразно применять пайку высокотемпературными припоями на основе меди. Однако, пайка - это операция, усложняющая технологический процесс.
[8]Известен способ горячего прессования с целью получения изделий из твердых сплавов.
[9]Авторское свидетельство СССР №37853, кл. 40b,17, опубликовано 31 июля 1934 г.
[10]Способ заключается в помещении предварительно подпрессованного изделия из твердого сплава в пресс-форму горячего прессования, рабочими элементами которой является давящий пуансон и матрица, по размерам несколько больше прессуемого изделия. Передача давления и нагрев изделия происходит за счет внутреннего заполнения заданной формы порошкообразным электропроводным наполнителем. Данный способ обладает рядом недостатков:
[11]- отсутствует возможность формирования неразъемного соединения на этапе горячего прессования без коробления твердосплавной детали;
[12]- быстрый износ пресс-формы от механических нагрузок и действия высокой температуры и кислорода воздуха;
[13]- потребность в наличии и подготовке большого количества электропроводящей засыпки в условиях серийного, крупносерийного и массового производства, что усложняет технологию горячего прессования и приводит к увеличению затрат;
[14]- сложность прямого пропускания электрического тока через предварительно подпрессованное тело из твердого сплава в связи с высоким удельным электрическим сопротивлением порошка твердого сплава. Требуется высоковольтный источник тока высокой плотности.
[15]Наиболее близким к предлагаемому способу является способ изготовления элемента трения торцового уплотнения, являющийся способом горячего прессования с целью получения комбинированных изделий из твердого сплава и стали. Прессование твердосплавной порошковой смеси в кольцевом пазу металлического корпуса проводят в установке горячего прессования в атмосфере инертного газа или водорода.
[16]Патент на изобретение RU 2221673 C1 кл. B22F 7/04, B22F 5/00, B22F 3/14 опубликовано 20.01.2004.
[17]Способ заключается в засыпке порошковой твердосплавной смеси в кольцевой паз в торце изделия и приложении давления через кольцевой пуансон, по размерам, совпадающим с размерами кольцевого паза. Под действием давления производиться нагрев всей сборки до необходимой температуры в течение 10-30 мин.
[18]Данный способ также обладает рядом недостатков:
[19]- не предусмотрена возможность формирования твердосплавной части изделия по уровню выше поверхности торца;
[20]- время стадии нагрева достаточно большое из-за подвода технологической энергии извне (внешний обогрев);
[21]- потребность в наличии дополнительной оснастки (кольцевые пуансоны) в большом количестве в серийном, крупносерийном и массовом производстве;
[22]- необходимую износостойкость достигают путем смешивания различных марок порошков твердого сплава и модифицирующих добавок;
[23]- в связи с достаточно большой усадкой твердого сплава в процессе спекания (до 30% по объему) требуется дополнительная механическая обработка торца после горячего прессования для обнажения износостойкой поверхности кольца.
[24]Задачей предлагаемого способа является получение комбинированного изделия, состоящего из твердого сплава и стальной державки, полученного с помощью горячего прессования предварительно сформованной части из твердого сплава и державки, совмещенное с формированием неразъемного соединения типа «Шип».
[25]Поставленная задача достигается тем, что твердосплавную заготовку для горячего прессования получают из порошка твердого сплава, холодным прессованием в закрытой пресс-форме, затем твердосплавные заготовки подвергают предварительной термообработке - спеканию, при 950-1100°C в среде водорода с последующей загрузкой в нижнюю одноразовую полуформу для горячего прессования; твердосплавная заготовка выступает над поверхностью одноразовой нижней полуформы, позволяя сформировать комбинированное изделие, твердосплавная часть которого также будет выступать над одноразовой полуформой; с помощью пульверизатора выступающую часть твердосплавной заготовки покрывают суспензией, содержащей технический углерод, слоем от 5 до 15 мкм; покрытие просушивается в течение 4-10 секунд водородным факелом; горячее прессование твердосплавной заготовки совмещается с формированием неразъемного соединения между одноразовой матрицей и твердосплавной частью изделия при давлении 0,1-3,0 МПа, скоростью нагрева от 150 до 160°C/мин, напряжением источника питания от 5 до 8 В, максимальным импульсным током от 3 до 8 кА.
[26]В качестве твердосплавной части для горячего прессования, совмещенного с формированием неразъемного соединения, используется твердосплавная заготовка, полученная из порошка твердого сплава с помощью холодного прессования в закрытой пресс-форме с последующим предварительным спеканием в среде водорода при 950-1100°C.
[27]При горячем прессовании, совмещенном с формированием неразъемного соединения, используется одноразовая нижняя полуформа, обеспечивающая формирование твердосплавной части выше поверхности одноразовой матрицы.
[28]Способ горячего прессования совмещает две операции: горячее прессование твердосплавной заготовки и формирование неразъемного соединения между одноразовой нижней полуформой и твердосплавной частью изделия; одноразовая нижняя полуформа после формирования неразъемного соединения с твердосплавной вставкой становиться частью изделия в целом - державкой.
[29]Поддержание давления на заготовку из твердого сплава в процессе совмещенного горячего прессования на постоянном уровне гарантирует полную усадку твердого сплава в условиях существования жидкой фазы.
[30]Признаки заявляемого способа горячего прессования, отличительные от прототипа:
[31]- в качестве твердосплавной части для совместного горячего прессования, совмещенного с формированием неразъемного соединения, используется твердосплавная заготовка, полученная из порошка твердого сплава с помощью холодного прессования в закрытой пресс-форме с последующим предварительным спеканием в среде водорода при температуре 950-1100°C;
[32]- используется одноразовая нижняя полуформа, обеспечивающая формирование твердосплавной части выше поверхности одноразовой матрицы;
[33]- в представленном способе совмещаеюся две операции: горячее прессование твердосплавной заготовки и формирование неразъемного соединения между одноразовой нижней полуформой и твердосплавной частью изделия; одноразовая нижняя полуформа после формирования неразъемного соединения с твердосплавной вставкой становиться частью изделия в целом - державкой.
[34]- поддержание давления на заготовку из твердого сплава в процессе совместного горячего прессования на постоянном уровне гарантирует полную усадку твердого сплава в условиях существования жидкой фазы.
[35]Нет необходимости для горячего прессования использовать цельно-графитовый пуансон. Время воздействия высокой температуры на верхнюю полуформу небольшое, имеется конструктивная возможность реализовать водяное охлаждение верхней полуформы. При горячем прессовании снимается проблема стойкости нижней одноразовой полуформы, т.к. она одноразовая и является частью готового комбинированного изделия. Указанный способ дает возможность получать комбинированные изделия методом горячего прессования, совмещенного с формирование неразъемного соединения, с выступающей над поверхностью стальной державки твердосплавной частью. Нет необходимости в дополнительной механической обработке полученного изделия.
[36]Предлагаемый способ поясняется чертежами: на рисунке 1 - быстросменный блок, с твердосплавными вставками, закрепленными на державке; на рисунке 2 - пятый этап предлагаемого способа горячего прессования; на рисунке 3 - показан угол α конуса в верхней полуформе.
[37]Предлагаемый способ горячего прессования исключает недостатки аналогов и состоит из следующих этапов:
[38]1. Подготовка твердосплавного порошка к прессованию, состоящая во введении в шихту пластификатора (раствора синтетического каучука в бензине).
[39]2. Холодное прессование твердосплавной шихты с помощью закрытой пресс-формы в заготовке с размерами, учитывающими величину усадки - изменение размеров в процессе горячего прессования. Пористость заготовок ~ 40-50%.
[40]3. Термообработка прессовок состоит в выжигании каучука в атмосфере водорода при 950-1100°C. Этот этап позволяет повысить механическую прочность прессовок и снизить их электрическое сопротивление за счет восстановления окислов на поверхности отдельных частиц порошка твердого сплава и их частичной консолидации, что позволяет проводить процесс горячего прессования, использовав в качестве источника теплоты прямой электрический разогрев. После выжигания связки пористость сохраняется на уровне ~40-50%.
[41]4. Изготовление стальных державок. Изготовление державок производят параллельно изготовлению прессовок из твердого сплава.
[42]5. Горячее прессование (с помощью прямого электрического разогрева), совмещенное с формированием неразъемного соединения, заготовок из твердого сплава и стальной державки, выступающих над поверхностью одноразовой матрицы. В процессе такого совместного горячего электропрессования пористость заготовки из твердого сплава снижается практически до 0%.
[43]Этапы 1-4 проводятся по общеизвестным технологическим приемам порошковой металлургии и механической обработки (1. Производство порошковых изделий: Учебник для техникумов. - 2-е изд., перераб. и доп. Г.А. Либенсон. - М.: Металлургия, 1990. - 240 с.; 2. Металлокерамические твердые сплавы. Романова Н.И., Чекулаев П.Г., Дусев В.И., Лившиц Т.А., Курдов М.Н. Изд-во «Металлургия», 1970, 352 с.; 3. Клепиков В.В., Бодров А.Н. Технология машиностроения: Учебник. - М: Форум: ИНФРА-М. 2004. - 860 с.: ил. - (Серия «Профессиональное образование»).
[44]Пятый этап выполняется в следующей последовательности:
[45]Заготовку для горячего прессования получают из порошка твердого сплава, холодным прессованием в закрытой пресс-форме, затем твердосплавные заготовки подвергают предварительной термообработке - спеканию, при 950-1100°C в среде водорода с последующей загрузкой в нижнюю одноразовую полуформу для горячего прессования; твердосплавная заготовка выступает над поверхностью одноразовой нижней полуформы, позволяя сформировать комбинированное изделие, твердосплавная часть которого также будет выступать над одноразовой полуформой (рисунок 2а).
[46]С помощью пульверизатора выступающую часть твердосплавной заготовки покрывают суспензией, содержащей технический углерод, слоем от 5 до 15 мкм. Углеродное покрытие наносится с целью исключения схватывания верхней полуформы с готовым изделием (рисунок 2б).
[47]Поджигают водородный факел, направляют его на свободную часть заготовки из твердого сплава. Покрытие в течение 4-10 секунд водородным факелом (рисунок 2в).
[48]Смыкают верхнюю полуформу до контакта с заготовкой из твердого сплава, факел водорода не гасят. Горячее прессование твердосплавной заготовки совмещается непосредственно с формированием неразъемного соединения между одноразовой полуформой и твердосплавной частью изделия при давлении 0,1-3,0 МПа, скоростью нагрева от 150 до 160°C/мин, напряжением источника питания от 5 до 8 В, максимальным импульсным током от 3 до 8 кА (рисунок 2г).
[49]При достижении температуры образования жидкой фазы в заготовке из твердого сплава, она будет усаживаться, уменьшаться в размерах. Поддержание давления на заготовку из твердого сплава в процессе горячего прессования, совмещенного с формированием неразъемного соединения, на постоянном уровне гарантирует полную усадку твердого сплава в условиях существования жидкой фазы. На этом этапе поддерживается давление на верхнюю полуформу 0,1….3,0 МПа с возможностью ее движения вниз. Максимальный ход вниз верхней полуформы конструктивно ограничивается, чтобы исключить контакт с нижней одноразовой полуформой. Минимальный зазор между верхней полуформой и нижней одноразовой полуформой в крайнем нижнем положении должен быть в пределах 1-2 мм для исключения электрического пробоя. Время выдержки, после того, как верхняя полуформа пришла в крайнее нижнее положение, составляет 5-7 секунд (рисунок 2ж).
[50]После завершения времени выдержки при высокой температуре верхняя полуформа поднимается и готовое изделие охлаждается в пламени водорода в течение 10-15 секунд (рисунок 2к).
[51]После охлаждения в пламени водорода до температуры 400-500°C готовое изделие дальше охлаждается на воздухе до температуры окружающей среды (рисунок 2л).
[52]Конструктивно важен угол α конуса в верхней полуформе между образующей внутреннего конуса и образующей цилиндра твердосплавной заготовки (рисунок 3). Угол α должен быть в пределах от 2° до 5°.
[53]Верхняя полуформа изготавливается из меди М01 и конструктивно выполнена водоохлаждаемой. Нижняя одноразовая полуформа зажимается в контактное приспособление, так же снабженное принудительным водным охлаждением.
[54]Таким образом, разработан и опытно реализован на базе ООО «НПП Молот» способ горячего прессования, совмещенного с формированием неразъемного соединения, заготовок из твердого сплава и стальных державок, выступающих над поверхностью одноразовой нижней полуформы.
[56]1. Производство порошковых изделий: Учебник для техникумов. - 2-е изд., перераб. и доп. Г.А. Либенсон. - М.: Металлургия, 1990. - 240 с.
[57]2. Металлокерамические твердые сплавы. Романова Н.И., Чекулаев П.Г., Дусев В.И., Лившиц Т.А., Курдов М.Н. Изд-во «Металлургия», 1970, 352 с.
[58]3. Клепиков В.В., Бодров А.Н. Технология машиностроения: Учебник. - М.: Форум: ИНФРА-М. 2004. - 860 с.: ил. - (Серия «Профессиональное образование»).
[59]4. Авторское свидетельство СССР №37853, кл. 40b, 17, опубл. 31 июля 1934 г.
[60]5. RU 2221673 C1 кл. B22F 7/04, B22F 5/00, B22F 3/14, опубл. 20.01.2004.
