ИНСТРУМЕНТ ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПРОФИЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Полезная модель относится к прокатному производству, а именно к инструменту деформации для горячей пластической деформации титановых сплавов.
Титан называют металлом будущего. По темпам развития производства титан превзошел алюминий и магний. Последнее объясняется тем, что титан и его сплавы наиболее полно удовлетворяют растущим требованиям ряда ведущих отраслей современной техники: авиации, ракетостроения, судостроения, химической промышленности, медицинской техники и др.
Обладая такими важными эксплуатационными качествами, как высокая удельная прочность при комнатной и повышенной до 600°С температурах и коррозионная стойкость во многих химически активных средах, титан и его сплавы в то же время удовлетворяют и основным критериям технологичности. Они пластичны, удовлетворительно обрабатываются резанием, достаточно хорошо свариваются. Кроме чисто природных качеств на технологичность титановых сплавов во многом влияет правильный выбор параметров обработки.
Наиболее распространенным методом производства полуфабрикатов из титановых сплавов является объемное деформирование в горячем состоянии и, в частности, такие широко применяемые процессы, как штамповка и прессование.
Однако каждый из указанных методов имеет существенные недостатки. Например, при прессовании титановых сплавов со смазкой матрицы выходят из строя через каждые 10-15 прессовок. [1, М.З.Ерманок, Прессование титановых сплавов. М., Металлургия., 1979, с.120-135., 2, Л.А.Никольский, Горячая штамповка и прессование титановых сплавов., М., Машиностроение, 1975, 205 с.]
Основные недостатки процесса прессования связаны с наличием значительных по величине сил трения между деформируемым металлом и прессовым инструментом.
Известны способы упрочнения инструмента деформации, заключающиеся в том, что на предварительно подготовленную поверхность наносится износостойкое покрытие из нитрида титана, при этом образуется переходная зона между поверхностью инструмента и покрытием, величина которой влияет на сцепление покрытия с
материалом инструмента (3, П - 2062817, С 23 С 14/00, 14/ 26, опубл. 1996.06.27.).
Недостатком данного способа является то, что такой способ требует нагрева упрочняемого инструмента деформации, а с ростом температуры увеличивается толщина переходной зоны, что приводит к снижению прочности покрытия.
Известен инструмент с многослойным покрытием, содержащий инструментальную основу из твердого сплава и нанесение на нее трехслойного износостойкого ионно-плазменного покрытия, состоящего из верхнего слоя покрытия нитрида титана и нижнего слоя карбонитрида титана (4, пол. модель №23076, 7 С 23 С 14/ 32, опубл. 2002.05.20).
Наиболее близким к предлагаемому является инструмент с многослойным покрытием, содержащий инструментальную основу из твердого сплава и нанесенное на нее трехслойное износостойкое ионно-плазменное покрытие, состоящее из внешнего слоя покрытия нитрида титана TiN, нижнего слоя карбонитрида титана TiCN и дополнительно содержащий промежуточный слой, подвергнутый ионной бомбандировке.
В качестве материала промежуточного слоя выбран нитрид титана -алюминия TiAlN или нитрид титана - циркония TiZrN (5, 6, пол. модель №37721, 37722, 7 С 23 С 14/32, опубл. 2004.05.10).
Основными недостатками таких покрытий является то, что упрочняющие покрытия, обладающие хорошей адгезией к инструментальному материалу, имеют относительно низкую твердость и уровень сжимающих напряжений, либо имеют высокую микротвердость, но недостаточную прочность сцепления с инструментальной основой. В результате этого покрытие легко подвергается абразивному износу, в нем быстро зарождаются и распространяются трещины, приводящие к разрушению покрытия, что снижает стойкость инструмента деформации.
Спецификой прессования профилей из сплавов на основе титана являются:
- температура нагрева слитка около 1000°С;
- высокие усилия прессования, обусловленные высоким пределом текучести материала (при t=1000°С σ>200 МПА, в то время, как сталь при t=1200°С имеет σ<100 МПА;
- высокий коэффициент трения пары Ti - сталь инструмента;
- склонность Ti к адгезионному схватыванию с железом инструмента.
Наибольший интерес при этом представляют методы, с помощью которых достигается значительное упрочнение поверхностных слоев инструмента. Основным достоинством поверхностной обработки инструмента деформации является сочетание высокой твердости и прочности поверхностного слоя с вязкостью и высокой пластичностью основы изделия.
Значительный эффект поверхностного упрочнения достигается за счет повышения не только твердости, но и износо- и коррозионной стойкости рабочей поверхности инструмента деформации.
Для реализации указанных достоинств в промышленных условиях представляют интересы методы упрочнения концентрированными потоками энергии, в том числе с использованием электрических разрядов.
Наиболее простым при этом является способ электроэрозионного легирования.
Электроэрозионное легирование особенно эффективно для повышения износостойкости инструмента деформации в условиях острейшего дефицита инструментальных сталей.
Технической задачей полезной модели является повышение работоспособности и стойкости инструмента деформации и качества обрабатываемого материала.
Поставленная задача достигается тем, что на инструмент деформации наносят жаропрочный слой на основе высококобальтового сплава В3К, а на него наносят упрочняющее покрытие в виде двух электроэрозионных слоев, имеющих разную твердость, причем для формирования первого слоя используют сплав сормайт, а для формирования второго слоя используют сплавы ВК-6 или ВК-8, при этом толщина первого слоя составляет 0,4-0,6 общей толщины электроэрозионного покрытия.
Полезная модель поясняется чертежом - фиг.1, на котором показан инструмент деформации с электроэрозионным покрытием (ЭИП).
Инструмент состоит из основного материала 1, изготовленного из инструментальной стали и нанесенных жаропрочного 2 и электроэрозионного покрытий, причем ЭИП выполнено в виде двух слоев 3 и 4, которые имеют разную твердость.
Для осуществления предлагаемого технического решения обрабатываемый инструмент деформации подвергают сначала наплавке жаропрочным высококобальтовым сплавом с последующим нанесением
2-х слойного электроэрозионного покрытия известными способами. В зависимости от исходных физико-химических свойств обрабатываемой поверхности устанавливают режимы обработки и вид легирующего материала - электрода.
В процессе электроэрозионного легирования материал электрода переносится на обрабатываемую поверхность инструмента, образуя слой высокопрочного покрытия из легирующего материала.
Преимущество заявленного технического решения заключается в том, что качественный и количественный состав жаростойкого, теплопроводного материала, используемого в качестве первого слоя ЭИП обеспечивает образование неограниченного твердого раствора с материалом детали и жаропрочной наплавкой, а состав износостойкого второго слоя образует неограниченный твердый раствор с материалом первого слоя, что в первом и во втором случае обеспечивает хорошую сцепляемость.
Первый слой ЭИП, имеющий высокую жаростойкость до 1000°С и теплопроводность, соответствующую материалу детали и наваренному слою, обеспечивает изменение внутренних напряжения растяжения и напряжения сжатия, а также равномерность распределения толщины слоя покрытия.
Материал второго слоя ЭИП обеспечивает повышенную износостойкость, локализацию пор покрытия (улучшает сплошность покрытия) и способствует быстрому периоду приработки.
В момент соприкосновения электрода с деталью возникают большие токи короткого замыкания и электрод начинает греться, и, если не производить охлаждение, то электрод может раскалиться и будет происходить налипание капелек материала электрода на деталь.
Кроме того происходит окисление нагретого электрода за счет взаимодействия с кислородом воздуха, что приводит к быстрому износу электрода.
Для устранения этого недостатка предлагается производить охлаждение электрода охладителем. В качестве охладителя используют сжатый воздух или нейтральный газ, который подают к электроду через специальное сопло.
Пример
Матрица для прессования профиля из титанового сплава изготовлена из материала 5 ХНМ, имеет износ боковой поверхности до 2,0 мм.
Восстановление размеров изношенной поверхности матрицы производили методом наплавки высококобальтового сплава из прутковых электродов В3К диаметром 10 мм. Затем поверхность отшлифовали до шероховатости Ra - 2,5 мкм.
После чего на наплавленный слой нанесли 2-х слойное электроэрозионное покрытие. Сначала нанесли упрочняющий слой на основе сплава - сормайта (Сr - 30%, С - 2,5%, остальное железо). Процесс формирования первого слоя выполняли на толщину 0,55 общей толщины ЭИП.
Второй упрочняющий слой формировали на этой же электроискровой установке при том же расположении вибрирующего электрода. Для образования второго слоя использовали электрод из материала сплавов ВК-6 или ВК-8, обеспечивающий быстрый период приработки, закрытие пор, образованных в слое, повышенную температуру плавления и теплопроводность по сравнению с материалом матрицы.
При нанесении упрочняющих покрытий в зону контакта электрода с деталью через специальное сопло подавали сжатый воздух.
Используя микроскоп типа МПБ-2 с 24-х кратным увеличением установили, что вся поверхность имела равномерное электроэрозионное покрытие, между отдельными участками разрывов не наблюдалось.
Для экспериментальных проработок предлагаемого технического решения была изготовлена опытная партия из 30 матриц для прессования титановых сплавов.
Исследования режимов электроэрозионного покрытия инструмента деформации из инструментальных марок сталей с применением тугоплавких электродов типа ВК6, ВК8, ВК15, Ni-Cr, T15K6, Сr, сормайт и др., показали, что наилучший эффект упрочнения детали был достигнут при нанесении первого (нижнего) слоя покрытия из сплава сормайт, а для формирования второго (верхнего) слоя использовали сплавы ВК-6 или ВК-8.
При этом толщина нижнего слоя составляла 0,4 - 0,6 от общей толщины электроэрозионного покрытия.
Проведенные опытные испытания упрочненного инструмента приведены в таблице.
Таблица №1
Способ упрочнения
Легирующий материал
Время работы инструмента
Коэффициент износостойкости
деформации (кол-во опрессовок)
2-х слойноеэлектроэрозиоиное
- ВК-6, ВК-8 - верхнийслой,сормайт - нижнийслой
48
3,20
ионно-лазменноепокрытие (по прототипу)
- TiN - верхний слой, - TiAl, TiZrN - промежуточный слой, - TiCN - нижний слой.
35
2,33
однослойноеэлектроэрозиоиноепорытие
сормайт
40
2,66
контольные безупрочнения
-
15
1,00
Как видно из приведенных в таблице №1 данных, коэффициент износостойкости инструмента, обработанного по предлагаемому техническому решению выше в 2,6-3,2 раза в сравнении с обычным термозакаленным инструментом и в 1,4 раза выше обработанных по способу-прототипу.
Предлагаемое техническое решение позволяет существенно повысить износостойкость и жаропрочность инструмента деформации, сократить расход дорогостоящих инструментальных материалов, что существенно повышает эффективность применения инструмента.
Таким образом заявляемое техническое решение полностью выполняет поставленную задачу.
Достоинством данного технического решения является:
- высокая прочность сцепления нанесенного материала электрода с инструментальной основой за счет взаимного диффузионного механического перемешивания;
- возможность локального нанесения покрытия без специальной защиты остальной поверхности;
- отсутствие изменений физико-механических свойств деталей;
- уменьшение адгезионного схватывания Ti с материалом инструмента деформации.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-технической информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого технического решения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источников, характерезующихся признаками, тождественным всем существенным признакам заявляемой полезной модели.
Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию "новизна".
Заявляемая полезная модель может быть реализована промышленным способом в условиях серийного производства промышленным способом в условиях серийного производства с использованием известных технических средств, технологий и материалов и отвечает требованиям критерия "промышленная применимость".