RU2202441C2

RU2202441C2 - Method for connecting hard alloy with cast base of tool

Info

Publication number: RU2202441C2
Application number: RU2001113333/02A
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Каллойда; А.А. Батаев; В.А. Батаев
Original assignee: Новосибирский государственный технический университет
Priority date: 2001-05-14
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2003-04-20

Abstract

FIELD: manufacture of cast hard-alloy tools in metal working and mining industry branches. SUBSTANCE: method comprises steps of soldering-in hard alloy to preliminarily made steel envelope; using cast iron base solder for soldering; placing steel envelope in casting mold; heating up casting mold until 650 -750 C and pouring into it melt steel of tool base. Heat of poured melt additionally heats envelope until temperature not exceeding melting temperature of solder. It causes activation of mutual diffusion processes on interface surfaces of envelope and solidified steel base. EFFECT: enhanced operational reliability of tool. 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности к области пайки и литья в инструментальном производстве, и может быть использовано при изготовлении твердосплавного инструмента для металлообрабатывающей и горно-добывающей отраслей промышленности. The present invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to the field of soldering and casting in tool production, and can be used in the manufacture of carbide tools for the metalworking and mining industries.

Известен способ соединения твердого сплава с литой основой инструмента по патенту РФ N 2096128, при выполнении которого литейную форму с предварительно размещенным внутри твердым сплавом и созданной защитной газовой средой подогревают до 400-500^oС и заливают стальным расплавом основы, например расплавом стали 40ХЛ, имеющим температуру 1480^oС в момент непосредственного контакта с поверхностью твердого сплава.A known method of connecting a hard alloy with a cast tool base according to the patent of the Russian Federation N 2096128, when the mold is pre-placed inside the hard alloy and created a protective gas environment is heated to 400-500 ^o C and filled with a molten steel base, for example, 40XL steel melt having a temperature of 1480 ^o With at the moment of direct contact with the surface of the hard alloy.

Данный способ имеет несколько недостатков, характерных для стальных расплавов основы твердосплавного инструмента:
1 - низкая жидкотекучесть;
2 - плохая смачиваемость поверхности твердого сплава;
3 - высокая температура в момент механического контакта с твердым сплавом.This method has several disadvantages characteristic of steel melts of the basis of carbide tools:
1 - low fluidity;
2 - poor wettability of the surface of the hard alloy;
3 - high temperature at the time of mechanical contact with the hard alloy.

Среди перечисленных недостатков последний является наиболее существенным, так как приводит к тепловому удару, то есть к резкому повышению температуры твердого сплава до уровня температур, близких к температуре спекания при его изготовлении. Among the listed disadvantages, the latter is the most significant, since it leads to thermal shock, that is, to a sharp increase in the temperature of the hard alloy to a temperature close to the sintering temperature during its manufacture.

Это приводит, с одной стороны, к резкому возрастанию внутренних напряжений и возможному трещинообразованию в твердом сплаве, а также к изменению исходного состояния карбидной и связующей фаз с соответствующим снижением прочности, твердости и износостойкости твердого сплава и, следовательно, эксплуатационной надежности литого твердосплавного инструмента. This leads, on the one hand, to a sharp increase in internal stresses and possible crack formation in the hard alloy, as well as to a change in the initial state of the carbide and binder phases with a corresponding decrease in the strength, hardness and wear resistance of the hard alloy and, therefore, the operational reliability of the cast carbide tool.

С другой стороны, вследствие более высокой теплопроводности твердого сплава по сравнению с теплопроводностью литейной формы происходит "намораживание" стали на поверхности твердого сплава. В результате качество соединения твердого сплава и стального нароста затвердевающей основы инструмента будет зависеть от условий контактирования их поверхностей. On the other hand, due to the higher thermal conductivity of the hard alloy compared to the thermal conductivity of the mold, the steel “freezes” on the surface of the hard alloy. As a result, the quality of the connection between the hard alloy and the steel growth of the hardening base of the tool will depend on the contact conditions of their surfaces.

Однако два других недостатка ухудшают условия контактирования, так как определяют характер первичного механического контакта твердого сплава со стальным расплавом, образующим нарост. Результатом является наличие непропаев, то есть зон отсутствия диффузионного взаимодействия на границе контакта соединяемых материалов и, как следствие, наличие трещин вдоль зоны контакта из-за значительного различия коэффициентов теплового расширения соединяемых материалов. Это подтверждается результатами опытно-промышленных экспериментов, которые приводят сами авторы при описании рассматриваемого способа. However, two other disadvantages worsen the contact conditions, since they determine the nature of the primary mechanical contact of the hard alloy with the steel melt forming the growth. The result is the presence of non-solders, that is, zones of the absence of diffusion interaction at the contact boundary of the materials to be joined and, as a result, the presence of cracks along the contact zone due to a significant difference in the thermal expansion coefficients of the materials being joined. This is confirmed by the results of pilot experiments, which are the authors themselves when describing the method under consideration.

Кроме того, известен способ соединения твердого сплава с литой основой инструмента по а.с. 165059, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в том, что твердый сплав включают как составную часть в конструкцию модели инструмента в процессе ее изготовления из парафино-стеариновой смеси. После этого на поверхности модели получают керамическую оболочку литейной формы, из которой модель выплавляют, а твердый сплав остается внутри формы вместе с остатками парафино-стеариновой массы. In addition, there is a known method of joining a hard alloy with a cast tool base according to A.S. 165059, which is the prototype of the present invention and that the hard alloy is included as an integral part in the construction of the model of the tool in the process of its manufacture from paraffin-stearin mixture. After that, a ceramic shell of the mold is obtained on the surface of the model, from which the model is smelted, and the hard alloy remains inside the mold along with the remains of the paraffin-stearic mass.

В дальнейшем форму подогревают до 800-900^oС и заливают расплавом чугуна, в результате чего твердый сплав, находившийся в газовой среде от продуктов выгорания остатков парафино-стеариновой массы, защищавших его поверхность от окисления и фактически выполнявших роль газообразного флюса, контактирует непосредственно с поверхностью чугунного расплава, а впоследствии с затвердевающей основой инструмента.Subsequently, the mold is heated to 800–900 ^° С and cast with molten cast iron, as a result of which the solid alloy, which was in the gaseous medium from the products of burning out the residues of the paraffin-stearic mass, protecting its surface from oxidation and actually acting as a gaseous flux, contacts directly with the surface cast iron melt, and subsequently with a hardening tool base.

Заслуживающей внимания технологической особенностью данного способа является более низкая температура чугунных расплавов по сравнению со стальными, хорошая смачиваемость поверхности твердого сплава, а также весьма активное диффузионное взаимодействие на границе контакта. A technological feature of this method that deserves attention is the lower temperature of cast iron melts compared to steel melts, the good wettability of the surface of the hard alloy, and the very active diffusion interaction at the contact boundary.

Недостатком способа является нерегулируемость времени действия газообразного флюса, что приводит к снижению качества соединения твердого сплава с основой инструмента. The disadvantage of this method is the uncontrolled time of the action of gaseous flux, which leads to a decrease in the quality of the connection of the hard alloy with the base of the tool.

Кроме того, чугун, являясь фактически припоем для твердого сплава, впоследствии выполняет роль основы инструмента, не обладающей по сравнению со сталью требуемым уровнем прочности и ударостойкости и, следовательно, эксплуатационной надежности литого твердосплавного инструмента. In addition, cast iron, being in fact a solder for a hard alloy, subsequently acts as a tool base, which, in comparison with steel, does not possess the required level of strength and impact resistance and, therefore, the operational reliability of a cast carbide tool.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа соединения твердого сплава с литой основой инструмента, обеспечивающего повышение эксплуатационной надежности инструмента при одновременном повышении качества соединения твердого сплава с литой державкой или корпусом, выполняющими роль основы инструмента. The objective of the invention is to provide a method for connecting a hard alloy with a cast tool base, which improves the operational reliability of the tool while improving the quality of the connection of a hard alloy with a cast holder or case, which play the role of a tool base.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе, по которому твердый сплав размещают внутри изготавливаемой литейной формы, подогревают вместе с формой при создании защитной газовой среды и заливают форму металлическим расплавом основы инструмента, предусматривают следующие изменения. The solution to this problem is achieved by the fact that in the known method, in which the hard alloy is placed inside the manufactured casting mold, it is heated together with the mold when creating a protective gas medium and the mold is poured with a metal melt of the tool base, the following changes are envisaged.

Внутри формы размещают специально изготовленную стальную оболочку, содержащую твердый сплав, впаянный с помощью припоя на основе чугуна. Подогрев формы с оболочкой ведут до 650-750^oС, а заливку формы осуществляют стальным расплавом из расчета дополнительного подогрева оболочки теплом расплава до температуры, не превышающей температуры плавления припоя, но обеспечивающей активное протекание взаимодиффузионных процессов на границе контакта поверхностей оболочки и затвердевающей стальной основы инструмента.A specially made steel shell is placed inside the mold, containing a hard alloy soldered with cast iron based solder. The mold with the shell is heated up to 650-750 ^o C, and the mold is filled with steel melt based on the calculation of additional heating of the shell with melt heat to a temperature not exceeding the melting point of the solder, but ensuring the active flow of interdiffusion processes at the interface between the shell surfaces and the hardening steel base of the tool .

На чертеже приведено одно из возможных устройств, реализующих предлагаемый способ. Устройство содержит твердый сплав 1, впаянный в стальную оболочку 2 с помощью припоя 3 на основе чугуна. На оболочке 2 неразъемно закреплен стальной каркас 4, вместе с которым оболочка 2 окружена парафино-стеариновой массой модели 5 основы инструмента, на поверхности которой получена керамическая оболочка литейной формы 6. The drawing shows one of the possible devices that implement the proposed method. The device contains a hard alloy 1 soldered into a steel sheath 2 using solder 3 based on cast iron. A steel frame 4 is fixedly attached to the shell 2, together with which the shell 2 is surrounded by a paraffin-stearic mass of the tool base model 5, on the surface of which a ceramic shell of the mold 6 is obtained.

Способ осуществляется следующим образом. Твердый сплав 1 (в виде пластинки для обдирочного резца или в виде твердосплавной вставки для бурового инструмента) впаивают в специально изготовленную стальную оболочку 2 (с учетом размеров и формы твердого сплава) с помощью припоя 3 на основе чугуна (по патенту РФ N 2076795). The method is as follows. The carbide 1 (in the form of a plate for peeling cutter or in the form of a carbide insert for a drilling tool) is soldered into a specially made steel shell 2 (taking into account the size and shape of the hard alloy) using solder 3 based on cast iron (according to the patent of the Russian Federation N 2076795).

После этого оболочку 2 неразъемно соединяют со стальным каркасом 4 (например, из скрученной проволоки), нагревают вместе с ним до 80-100^oС (например, в кипящей воде, в термошкафу или с помощью электропаяльника) и вдавливают в нужном месте в поверхность парафино-стеариновой модели 5 основы инструмента. Избыток парафино-стеариновой массы, выдавленный оболочкой 3 и каркасом 4 над поверхностью модели 5, срезают и подравнивают ножом, обеспечивая технологически необходимую высоту выступа над поверхностью модели 5 твердого сплава 1 и концов каркаса 4.After that, the shell 2 is inseparably connected to the steel frame 4 (for example, from twisted wire), heated with it to 80-100 ^o C (for example, in boiling water, in a heating cabinet or using an electric soldering iron) and pressed in the right place into the surface of paraffin - Stearin model 5 basics tool. The excess paraffin-stearin mass, extruded by the shell 3 and the frame 4 above the surface of the model 5, is cut and trimmed with a knife, providing the technologically necessary height of the protrusion above the surface of the model 5 of hard alloy 1 and the ends of the frame 4.

В дальнейшем на поверхности модели 5 получают керамическую оболочку литейной формы 6, из которой модель 5 выплавляют (например, прогреванием формы 6 в термошкафу при 100-120^oС), в результате чего на внутренней поверхности формы 6 остается закрепленная каркасом 4 оболочка 2 с твердым сплавом 1, а также остатки парафино-стеариновой массы.Subsequently, on the surface of model 5, a ceramic shell of mold 6 is obtained, from which model 5 is melted (for example, by heating mold 6 in a heating cabinet at 100-120 ^o C), as a result of which shell 2 with a hard shell remains fixed on the inner surface of mold 6 alloy 1, as well as residues of paraffin-stearic mass.

Полученную подобным образом форму 6 прокаливают при 650-750^oС (например, в электропечи) и непосредственно после прокаливания заливают стальным расплавом основы инструмента. Прокаливание формы 6 выполняют, с одной стороны, для повышения прочности и газопроницаемости ее стенок, а также для создания в полости формы 6 защитной газовой среды от выгорания остатков парафино-стеариновой массы, с другой стороны, для устранения эффекта "намораживания" стального расплава на поверхности оболочки 2, непосредственно контактирующей с расплавом и защищающей своей массой твердый сплав 1 от теплового удара.The mold 6 obtained in this way is calcined at 650-750 ^° C (for example, in an electric furnace) and immediately after calcination, it is poured with a steel melt of the tool base. Calcination of mold 6 is performed, on the one hand, to increase the strength and gas permeability of its walls, as well as to create a protective gas environment in the mold cavity 6 from burning out residues of paraffin-stearic mass, on the other hand, to eliminate the effect of “freezing” of steel melt on the surface shell 2, directly in contact with the melt and protecting its mass of hard alloy 1 from heat shock.

Выбор температурного интервала прокаливания формы 5, кроме вышеописанных соображений, продиктован и другими, а именно:
1. припой 3 на основе чугуна не должен быть нагрет теплом стального расплава выше температуры плавления; при этом дополнительный подогрев его вместе с оболочкой и твердым сплавом положительно повлияет на качество паяного соединения (снятие внутренних напряжений, выравнивание химического состава, частичная графитизация чугуна и др.);
2. время действия газовой защитной среды, представляющей собой смесь различных газообразных углеводородов, должно быть максимально возможным, что соответствует минимально возможной скорости их сгорания без значительного образования сажистых выделений (сажистого углерода); скорость сгорания углеводородов в этом случае будет определяться содержанием кислорода в защитной газовой среде; например, ацетилен в атмосфере чистого кислорода сгорает быстро, образуя пламя с температурой ~1350^oС, в то время как в атмосфере воздуха значительно медленнее, образуя пламя с температурой ~420^oС;
3. дополнительный подогрев оболочки 2 теплом стального расплава, устраняя эффект "намораживания", активизирует взаимодиффузионные процессы на границе контакта поверхностей оболочки 2 и затвердевающего стального расплава основы инструмента, что повышает качество их соединения, чему дополнительно способствует развитая поверхность оболочки 2 (наличие выточек, выступов и др.).The choice of the temperature range for the calcination of form 5, in addition to the above considerations, is dictated by others, namely:
1. solder 3 based on cast iron should not be heated by the heat of the steel melt above the melting temperature; at the same time, additional heating of it together with the shell and hard alloy will positively affect the quality of the soldered joint (relieving internal stresses, leveling the chemical composition, partial graphitization of cast iron, etc.);
2. the duration of the gas protective environment, which is a mixture of various gaseous hydrocarbons, should be as high as possible, which corresponds to the lowest possible rate of combustion without significant formation of soot emissions (soot carbon); the combustion rate of hydrocarbons in this case will be determined by the oxygen content in the protective gas environment; for example, acetylene in an atmosphere of pure oxygen burns quickly, forming a flame with a temperature of ~ 1350 ^o С, while in an atmosphere of air it is much slower, forming a flame with a temperature of ~ 420 ^o С;
3. additional heating of the shell 2 with the heat of the steel melt, eliminating the effect of “freezing”, activates the interdiffusion processes at the interface between the surfaces of the shell 2 and the hardening steel melt of the tool base, which improves the quality of their connection, which is further facilitated by the developed surface of the shell 2 (grooves, protrusions and etc.).

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет повысить эксплуатационную надежность литого твердосплавного инструмента, как за счет возможности использования в качестве его основы сталей, так и за счет повышения качества соединения твердого сплава со стальной основой инструмента обеспечением протекания взаимодиффузионных процессов на поверхностях между твердым сплавом и припоем, припоем и стальной оболочкой, стальной оболочкой и стальной основой инструмента. Thus, the application of the proposed method improves the operational reliability of a cast carbide tool, both due to the possibility of using steels as its base, and by improving the quality of the connection of the hard alloy with the steel base of the tool, ensuring the flow of interdiffusion processes on the surfaces between the hard alloy and solder, solder and steel sheath, steel sheath and steel tool base.

В наибольшей степени эффект повышения эксплуатационной надежности литого твердосплавного инструмента, изготовленного по предлагаемому способу, проявляется при выполнении тяжелых работ, например, при прерывистом (обдирочном) точении металлов или при ударном бурении горных пород. To the greatest extent, the effect of increasing the operational reliability of a cast carbide tool manufactured by the proposed method is manifested when performing heavy work, for example, during intermittent (peeling) turning of metals or during rock drilling.

Claims

A method of joining a hard alloy with a cast base of a tool, including placing a hard alloy inside a mold during its manufacture, heating together with the mold to create a protective gas environment, and filling the mold with metal melt of the tool base, characterized in that a specially made steel shell is placed inside the mold, containing solid alloy soldered with cast iron based solder, preheat the mold with the sheath to 650-750 ^o С and fill the tool base with steel melt from the condition of additional heating the shell by melt heat to a temperature not exceeding the melting point of the solder, but ensuring the active occurrence of interdiffusion processes at the interface between the surfaces of the shell and the hardening steel base of the tool.