СПОСОБ ЗАКАЛКИ ТВЕРДОГО СПЛАВА
TEMPERING METHOD OF HARD ALLOY

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способу закалки твердых сплавов на основе карбида вольфрама, которыми оснащают буровой инструмент.
Одним из методов упрочнения твердых сплавов является объемная закалка, позволяющая фиксировать структурные изменения, которые происходят во время нагрева. При объемной закалке в закалочных баках до недавнего времени в качестве охлаждающей жидкости использовали минеральные масла [1]. В настоящее время для закалки твердых сплавов рекомендуется применять синтетические закалочные среды [2, 3], так как закалка твердого сплава в индустриальных маслах значительно ухудшает экологическую обстановку в цехе, а также существенно удорожает себестоимость термообработанного сплава. Применение в качестве закалочной жидкости 10% водного раствора полимера ПК-М при объемной закалке твердого сплава приводит к снижению себестоимости термообработанного сплава в 7-10 раз и улучшает экологию в цехе [3], однако в результате научных исследований установлено, что при закалке твердого сплава в закалочном баке с 10% водным раствором полимера ПК-М в нем чаще образуются трещины, чем при охлаждении с помощью спрейерного устройства, а также при закалке в закалочном баке требуется дополнительная принудительная циркуляция охлаждающей среды для устранения эффекта «паровой рубашки».
Наиболее близким техническим решением является объемная закалка твердого сплава ВК10КС, нагретого выше 1100°С, и его охлаждение в 10% водном растворе полимера ПК-М (натрий-железосодержащая соль полиакриловой кислоты с модифицированной молекулярной структурой) в закалочном баке [3]. При этом закалка в полимере твердого сплава способствует повышению его эксплуатационной стойкости.
Однако известный способ закалки имеет следующие недостатки. При объемной закалке в водном растворе полимера ПК-М в твердом сплаве иногда могут появляться трещины; в закалочном баке требуется большее количество закалочного водного раствора полимера, и этот раствор эксплуатируется меньший срок, чем при спрейерном охлаждении твердого сплава, из-за проведения более частых корректировок (добавлением концентрата, воды) водного раствора полимера, исходя из результатов регулярного контроля охлаждающей способности ванны, а также в закалочном баке при объемной закалке требуется принудительная циркуляция (барботаж) охлаждающей среды.
Задачей предложенного способа закалки твердого сплава ВК10КС является повышение эксплуатационной стойкости бурового инструмента за счет дополнительного растворения вольфрама и углерода в кобальтовой связующей, которое фиксируется закалкой при нагреве готового изделия с помощью токов высокой частоты (ТВЧ) и его охлаждении в водополимерной закалочной среде ПК-М с концентрацией 8-12% с помощью спрейерного (душевого) устройства и повышает твердость сплава, а также закалка твердого сплава с помощью спрейерного (душевого) устройства в водополимерной закалочной среде ПК-М способствует улучшению структуры твердого сплава: уменьшается величина зерен карбида вольфрама (WC) и округляются их границы. Кроме того, закалка твердого сплава с использованием спрейерного охлаждения в водополимерном растворе ПК-М существенно удешевляет себестоимость термообработки, улучшается экология в цехе.
Сущность изобретения состоит в том, что в способе закалки твердого сплава на основе карбида вольфрама, включающем нагрев твердого сплава в готовом изделии выше 1100°C с помощью ТВЧ, его охлаждении в водополимерном растворе ПК-М с концентрацией 8-12%, в качестве способа охлаждения используют спрейерное (душевое) устройство.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что нагрев под закалку выше 1100°С готового изделия осуществляется с помощью ТВЧ, а охлаждение - при использовании спрейерного устройства с закалочной средой 8-12% водного раствора полимера ПК-М. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна». Полимер ПК-М является нетоксичной, негорючей, неагрессивной в коррозионном отношении жидкостью, поэтому ее эксплуатация не требует специальных средств защиты обслуживающего персонала и оборудования. Концентрация полимера ПК-М в растворе (8-12%) определялась, исходя из результатов охлаждающей способности полимера в сравнении с кривыми охлаждения масла И-20А и воды. При этом за основу выбирался водный раствор с концентрацией, кривая охлаждения которого совпадает с кривой охлаждения масла или максимально приближалась к ней.
Предлагаемый способ закалки твердого сплава ВК10КС в 8-12% водном растворе полимера ПК-М производства ЗАО «Политерм - Тюмень» (концентрат водополимерной закалочной среды ПК-М изготавливают в соответствии с техническими требованиями ТТ 71218688-01-03) реализован следующим образом. Предварительно перед закалкой производят приготовление закалочной среды непосредственно в специальной емкости, оборудованной системой «подогрева-охлаждения», контроля температуры и уровня закалочного раствора. Система «подогрева-охлаждения» может быть выполнена в виде змеевика, расположенного по боковым внутренним стенкам емкости, соединенного с сетями горячей и холодной воды. Измерение температуры среды осуществляется с помощью термометра сопротивления с соответствующей измерительной аппаратурой.
Пример: процесс закалки твердого сплава ВК10КС заключает в себе следующее: необходимое для приготовления закалочной среды количества воды и концентрата ПК-М определяется, исходя из результатов анализа охлаждающей способности пробных растворов полимера в сравнении с кривыми охлаждения масла И-20А. Охлаждающую способность растворов на основе полимера ПК-М изучали при помощи термодатчика. При этом за основу выбран раствор, кривая охлаждения которого совпадает с кривой охлаждения масла или максимально приближается к ней.
После приготовления 10% водополимерного раствора можно осуществить закалку твердого сплава. Сплав ВК10КС, нагретый под закалку до температуры 1150÷1160°С с помощью ТВЧ, в дальнейшем закаливают 10% раствором ПК-М, используя спрейерное (душевое) устройство при температуре окружающей среды. Рабочий диапазон температуры закаливающей среды - (+18÷+40°С). Время охлаждения деталей при закалке с помощью душевого устройства определяется технологическим процессом на термообработку данной детали. После закалки твердого сплава в 10% растворе ПК-М улучшается эксплуатационная стойкость бурового инструмента.
Использование предлагаемого способа закалки твердых сплавов ВК8, ВК10КС, ВК15КС в 10% водном растворе полимера ПК-М, используя спрейерное охлаждение, обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
1) Не появляется деформация и трещины в твердом сплаве при спрейерном охлаждении, как при объемной закалке в закалочном баке.
2) При спрейерном охлаждении требуется меньшее количество закалочного водного раствора полимера, чем при объемной закалке в закалочном баке, что удешевляет себестоимость выпускаемой продукции в 1,5 раза.
3) Использование индукционной закалки со спрейерным охлаждением готового изделия является более производительным, в целом сокращается технологический цикл.
4) Водный раствор ПК-М более длительный срок эксплуатируется при спрейерном охлаждении, чем при закалке в закалочном баке.
5) При спрейерном охлаждении не требуется принудительной циркуляции (барботажа) охлаждающей среды, как в закалочном баке при объемной закалке.
Источники информации
1. Осколкова Т.Н. Закалка как способ повышения эксплуатационной стойкости твердого сплава. / Т.Н.Осколкова // Известия вузов. Черная металлургия. - 2005, №9. - С.36-37.
2. Осколкова Т.Н. Использование водополимерной охлаждающей среды при закалке твердого сплава ВК10КС. / Т.Н.Осколкова // Известия вузов. Черная металлургия. - 2006, №4. - С.40-42.
3. Патент Россия №2294261, С22С 29/00, 2006 (прототип).