2
2
Способ получения электродов для электроискрового легирования на основе композиционного материала TiB-CoB
2
2
METHOD FOR PRODUCING ELECTRODES FOR ELECTRIC-SPARK ALLOYING BASED ON THE COMPOSITE MATERIAL TiB-CoB

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения электродов для электроискрового легирования. Может применяться в широком спектре отраслей промышленности для нанесения твердых и износостойких защитных покрытий на детали машин различного функционального назначения.
Целью изобретения является расширение технологических возможностей способа, повышение производительности получения электродов, повышение механических свойств электродов.
2
Известен способ [RU 74844 U1, В23Н 7/00] получения полого электрода для электроискрового легирования из сплава содержащего, мас.%: никель 25-45; бор 10-15; углерод 0,08-0,20; диборид титана - остальное. Диборид титана выступает в качестве основного компонента, повышающего твердость и износостойкость. Способ получения электрода заключается в смешении шихтовой смеси, и дальнейшего ее помещения в неэлектропроводящую пресс - форму. Форма помещается в рабочую камеру машины конденсаторной сварки, где проводится одновременное прессование и спекание шихты при температуре 1100-1350°С, давлении 0,15-0,20 ГПа, в течение 3-5 сек. Недостатком данного способа является ограничение возможности увеличения доли содержания в материале электрода твердого износостойкого компонента, в данном случае TiB.
Известен способ [RU 2013186C1, B22F 3/20, С22С 1/04] изготовления длинномерных изделий из экзотермической смеси порошков по меньшей мере одного металла и одного неметалла С, В, Si, позволяющий обеспечить необходимые условия для формирования конечной структуры многофазных композиционных материалов, экструдирование их с наименьшими энергосиловыми параметрами при сохранении высокого качества изделий. Обработка продуктов синтеза внешним давлением 0,01-0,5 МПа позволяет регулировать пористость образца. Выдавливание материала осуществляется в теплоизолированный направляющий калибр, расположенный внутри пуансона. Недостатком является пониженная твердость матрицы электрода в виде моносвязки на основе кобальта (650-900 HV).
Известны традиционные способы получения компактных материалов марки СТИМ (синтетические твердые инструментальные материалы) методом СВС-прессования (RU 2367541 C1, B22F 3/23, С22С 1/04, 20.09.2009 г.; RU 2060866 C1, B22F 3/23, B22F 3/14, 27.05.1996 г.). Эти способы получения изделий из порошковых материалов включают приготовление экзотермической смеси порошка, прессование смеси в брикет, размещение его в теплоизолирующей пористой оболочке и в матрице, инициирование реакции горения и горячее прессование продуктов синтеза. В качестве исходных порошковых реагентов применяется титан, сажа, бор, никель и другие. Недостатками данных технических решений являются сложность используемого оборудования, отсутствие возможности получения длинномерных цилиндрических изделий диаметрами 1-10 мм, которые используются в качестве электродов для ЭИЛ.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения магнитно-абразивного порошка [RU 2678858, B22F 9/16, B22F 3/23, С22С 1/04, 04.02.2019 г.], включающий смешивание компонентов вещества, образующего тугоплавкие соединения с титаном, в исходную шихту дополнительно вводят порошок кобальта в следующем соотношении, мас.%: 13,8-27,6 (Ti) - 55,2-73,6 (Со) - 12,6-17,2 (В). При этом получение порошка проводят в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. К недостаткам такого способа следует отнести необходимость дальнейшего дополнительного нагрева и длительного спекания синтезированного материала под высоким давлением и температуре для получения компактного электрода с заданными значениями плотности (98-99%), что снижает производительность и энергоэффективность процесса.
Техническим результатом предлагаемого способа является улучшение эксплуатационных характеристик электродов, повышение производительности процесса изготовления электродов.
2
2
Технический результат достигается тем, что способ получения электрода для электроискрового легирования на основе композиционного материала TiB-CoB включает приготовление экзотермической смеси порошковых компонентов, прессование полученной смеси в цилиндрические заготовки и инициирование реакции горения в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, при этом готовят экзотермическую смесь, содержащую 13,8-27,6 мас.% титана, 55,2-73,6 мас.% кобальта и 12,6-17,2 мас.% бора, прессуют цилиндрические заготовки с относительной плотностью 0,45-0,8, а полученные в результате реакции горения продукты горения экструдируют через формующую матрицу диаметром 1-5 мм с формированием электрода.
Сущность предложенного способа заключается в применении исходных порошковых компонентов титана, кобальта и бора, которые смешивают, прессуют в заготовки с относительной плотностью 0,45-0,8. При значениях <0,45 шихтовые заготовки не сохраняют форму компакта. Если значение относительной плотности превышает 0,8, то дальнейшее воспламенение заготовки затруднено. Полученную заготовку помещают в пресс-форму, инициируют реакцию в режиме СВС и экструдируют через формующую матрицу диаметром 1-5 мм. При использовании матрицы диаметром менее 1 мм происходит ее быстрая закупорка и процесс экструзии имеет неустойчивый характер, а использование матрицы диаметром более 5 мм нецелесообразно при получении электродов для электроискрового легирования.
За счет сдвиговых напряжений при экструдировании образуют компактный электрод (с пористостью менее 2%), который состоит из композиционного материала на основе диборида титана (20-40 мас.%) и матрицы из борида кобальта (60-80 мас.%). Титан вступает в реакцию с бором и образует упрочняющие частицы диборида титана (твердость 3000 HV). При этом кобальт также вступает в химическое взаимодействие с бором и является матрицей в композиционном материале, которая обеспечивает пластичные свойства при высоких температурах экструдирования, а также имеет повышенную твердость (1145 HV) по сравнению с ранее известными электродными материалами, содержащими кобальт в виде моносвязки (650-900 HV). Повышенная твердость разрабатываемого электрода по данному изобретению способствует повышению износостойкости покрытий, полученных методом электроискрового легирования. Согласно прототипу возможно получение порошкового материала, который в дальнейшем необходимо подвергнуть высокотемпературному нагреву и дополнительным технологическим операциям: длительному спеканию под давлением (2-3 ч) и температурой для получения компактного материала с остаточной пористостью 4-5%, а также эрозионной или механической разрезке на электроды (0,5-1 ч). За счет повышенной пористости материала, полученного согласно прототипу, его твердость ниже, чем у материала, который получают по данному способу (табл. 1).
Таким образом, настоящее изобретение позволяет получать компактные электроды с повышенной твердостью за счет подбора исходного состава, сочетания метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и сдвигового высокотемпературного деформирования продуктов горения при экструзии за десятки секунд в одну технологическую стадию, без необходимости применения дополнительных высоких энергозатрат, а производительность процесса синтеза повышается за счет снижения времени синтеза материала до 5,7 раз по сравнению с прототипом.
Сущность предлагаемого изобретения подтверждается следующими примерами.
2
2
Пример 1. Приготавливают экзотермическую смесь, состоящую из 13,8 мас.% титана, 73,6 мас.% кобальта, 12,6 мас.% бора. Шихтовую смесь прессуют в цилиндрические заготовки диаметром 30 мм с относительной плотностью 0,45. Далее инициируют реакцию горения в режиме СВС и экструдируют продукты горения через формующую матрицу диаметром 1 мм. В результате получают электрод длиной 210 мм из композиционного материала 20 мас.% TiB - 80 мас.% СоВ, твердостью 1590 HV (табл. 1), которая выше чем для образцов, полученных по прототипу в совмещении с горячим прессовании в 1,1 раз.
2
2
Пример 2. В условиях примера 1, отличающийся тем, что приготавливают экзотермическую смесь в соотношении мас.%: 20,7 титана - 64,4 кобальта - 14,9 бора. Шихтовую смесь прессуют в цилиндрические заготовки с относительной плотностью 0,63. Инициируют реакцию горения в режиме СВС и экструдируют продукты горения через формующую матрицу диаметром 3 мм. В результате получают электрод длиной 140 мм на основе композиционного материала мас.%: 30 (TiB) - 70 (CoB) с твердостью 1645 HV (табл. 1), которая выше чем для образцов, полученных по прототипу в совмещении с горячим прессовании в 1,2-1,3 раза.
2
2
Пример 3. В условиях примера 1, отличающийся тем, что приготавливают экзотермическую смесь в соотношении мас.%: 27,6 титана - 55,2 кобальта - 17,2 бора. Шихтовую смесь прессуют в цилиндрические заготовки с относительной плотностью 0,8. Инициируют реакцию горения в режиме СВС и экструдируют продукты горения через формующую матрицу диаметром 5 мм. В результате получают электрод длиной 90 мм на основе композиционного материала мас.%: 40 (TiB) - 60 (СоВ) с твердостью 1740 HV (табл. 1), которая выше чем для образцов, полученных по прототипу в совмещении с горячим прессовании в 1,2-1,4 раза.
Характеристики технологических процессов, получаемых материалов и изделий представлены в таблице
Таким образом, предлагаемая совокупность признаков изобретения позволяет получать электроды для электроискрового легирования в одну технологическую стадию за десятки секунд. Полученные электроды могут быть использованы в широком спектре отраслей промышленности для нанесения твердых защитных деталей машин различного функционального назначения.