РЕЖУЩАЯ ПЛАСТИНА
CUTTING PLATE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к металлообработке.
Известны различные марки твердого сплава для изготовления режущих пластин (см. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - М.: Металлургия, 1976, - 528 с.
Технология изготовления пластин состоит в следующем. Смесь порошков из карбидов вольфрама, либо карбидов вольфрама и карбидов титана размером 0,5…3 мкм и кобальта по массе от 6% до 15% подвергают прессованию в виде режущих пластин различной формы (треугольной, пятигранной, шестигранной, ромбической), а затем спекают в печи в среде водорода, либо вакуумной печи при температуре 1350…1480°С. После спекания пластины подвергают алмазной обработке.
Недостатком такого вида режущих пластин является их низкая износостойкость при высоких скоростях резания. При этом в процессе резания кобальт быстро изнашивается, зерна карбидов обнажаются и вырываются силами резания с обрабатываемым материалом, что приводит к быстрому износу режущих кромок.
Известна слоистая режущая пластина (Лавриненко В.И., Ващенко А.И., Лежук И.В., Златко А.А, Беляев А.В. Исследование структуры и обрабатываемости слоистой режущей керамики//Сверхтвердые материалы, 1987, №4, с. 57-61), где основа из твердого спеченного сплава, а верхний слой 2…3 мкм выполнен из смеси карбидов титана и окиси алюминия, нижняя часть 4…6 мкм из твердого сплава, содержащего карбид титана и связующей фазы никель-молибден от 10 до 20% по массе. Слоистые пластины четырех, либо трехгранной формы прессуют одновременно и подвергают спеканию в вакуумной печи при температуре 1350…1480°С. После спекания пластина подвергается алмазной обработке.
Данная режущая пластина характеризуется высокой износостойкостью при обработке закаленных сталей, либо серых и ковких чугунов при высоких скоростях резания. Однако она показывает низкую работоспособность, т.е. износостойкость при прерывистом резании закаленных сталей и чугунов, а также при точении ряда других материалов из-за хрупкого выкрашивания, что вызывает быстрый износ режущих кромок.
В качестве прототипа взят патент (ДД259003 С23С 16/32 от 10.08.88 реферат), где для повышения износостойкости на твердосплавную пластину наносят слой из карбидов вольфрама. В газовой атмосфере аргона и водорода при температуре 1170-1450 К напылением создают слой гексагонального карбида вольфрама WC. В реферате не указывается крупность частиц карбида вольфрама. Однако известно, что для гексагонального карбида вольфрама характерен размер зерен 1-2 мкм. Такая режущая пластина обеспечивает повышение работоспособности при обработке ряда жаропрочных материалов. Обработка вязких нержавеющих сталей и сплавов не обеспечивает необходимой износостойкости, особенно при точении титановых сплавов. Это связано с тем, что имеет место высокая структурная неоднородность, размер зерен колеблется от 0,5 до 2 мкм (Эксперименты по прототипу проведены авторами настоящей заявки - таблица).
Этот недостаток устраняется предлагаемым решением. Решаемая задача - совершенствование режущих пластин для обработки резанием широкого круга обрабатываемых материалов.
Технический результат - повышение износостойкости спеченных твердосплавных режущих пластин особенно при тяжелых режимах резания. Этот технический результат достигается тем, что в режущей пластине, содержащей основу из твердого спеченного сплава и нанесенный на нее износостойкий слой, последний выполнен из наноструктурного карбида вольфрама и наноструктурного карбида ниобия с размером зерен 20-50 нм при их следующем соотношении в % по массе: наноструктурный карбид вольфрама - 90, наноструктурный карбид ниобия - остальное.
Эти материалы имеют хорошее сочетание микротвердости и пластичности, что позволяет проводить обработку различных материалов при высоких скоростях резания (закаленных сталей, титановых сплавов и т.д.). Предлагаемая пластина приведена на чертеже. Она содержит основу 1 из спеченного твердого сплава (2 мм), включающего карбид вольфрама или карбид титана и кобальт и нанесенный на нее износостойкий слой 2 из наноструктурного карбида вольфрама и наноструктурного карбида ниобия с размером зерен 20-50 нм. Пластины изготавливают следующим образом. Изготавливают прессованием основу из порошков (0,5-3 мкм) карбида вольфрама либо в смеси с карбидами титана и кобальтом (6-12%). Сверху насыпают слой из смеси наноструктурного карбида вольфрама и наноструктурного карбида ниобия с размером зерен 20-50 нм, преимущественно в количествах % масс.90 и 10 соответственно. Осуществляют подпрессовку в той же форме. Получают режущие пластины различной формы: треугольной, пятигранной, шестигранной, ромбической. Спекают в печи в среде водорода либо в вакуумной печи при температуре 1350 - 1480°С. Подвергают алмазной обработке.
Осуществляли прерывистое точение титанового слава ВТ 14 при скоростях резания t=80…120 м/мин, глубине резания - t=2 мм и подаче - S=0,21 мм/об, с использованием предлагаемой режущей пластины. Одновременно проводили резание и слоистой пластиной, выполненной по прототипу, т.е. слоистой пластины, выполненной в верхнем слое из карбидов вольфрама толщиной h=2 мм с размером зерен от 0,5 до 3 мкм и нижнего слоя из твердого сплава ВК8 (92% WC и 8% Со). Результаты стойкостных испытаний в минутах приведены в таблице. При этом пластины доводили до износа по задней поверхности hз=0,4 мм режущей кромки четырехгранной пластины размером 14,7×14,7 мм и толщиной 4,7 мкм.
Указанный в таблице процентный состав (90% WC и 10% Nb) является оптимальным. Например, при скорости резания V=80 м/мин и соотношении 85% WC и 15% Nb, или 95% WC и 5% Nb, время работы (стойкость инструмента) составило 15 и 13 минут соответственно. По результатам испытаний режущих пластин, приведенных в таблице, видно, что предлагаемая режущая пластина, содержащая в верхнем слое наноразмерные частицы карбидов вольфрама и карбидов ниобия, позволяет повысить износостойкость в 3 раза по сравнению с известной режущей пластиной (прототипом). Аналогичные результаты получены и при точении титанового сплава ВТ20. Преимущество предлагаемой режущей пластины, состоящей из верхнего слоя из карбидов вольфрама и ниобия с размером зерен 20…50 нанометров, обусловлено хорошим сочетанием его микротвердости и пластичности. Поэтому ее режущие кромки лучше сопротивляются как хрупкому выкрашиванию, так и износу. Режущие кромки твердосплавной спеченной пластины с износостойким слоем из карбидов вольфрама с размером зерен 0,5…2 мкм имеют более низкую сопротивляемость хрупкому выкрашиванию, а следовательно, и износу.
Таблица
Вид пластин
Стойкость в мин
Стойкость в мин
Стойкость в мин
V=80 м/мин
V=100 м/мин
V=120 м/мин
Предлагаемая режущая пластина
21
12
6
Верхний слой - толщиной 2 мкм из карбидов вольфрама 90% и карбидов ниобия 10% с размером зерен 20…50 нанометров, нижний слой - 2,7 мкм из WC - 92% и Со - 8%
Прототип
7
4
2
Верхний слой - 2 мкм из карбидов вольфрама с размером зерен 0,5…2 мкм и нижний слой - 2,7 мкм из WC - 92% и Со - 8%