Режущая пластина

Полезная модель относится к обработке резанием в машиностроении, в частности, к металлорежущему инструменту, который содержит режущую пластину. Для повышения износостойкости и сопротивляемости хрупкому разрушению режущая пластина, содержащая основу из спеченного твердого сплава и нанесенный на него износостойкий слой из наноструктурных карбидов вольфрама с размером зерен 20-50 нм, содержит мягкий слой из ниобия и верхний износостойкий слой из наноструктурных нитридов ниобия.
Известны различные марки твердого сплава для изготовления режущих пластин (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 с кобальтом 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.
Известна пластина твердосплавная с неоднородным фазовым составом (патент РФ на полезную модель № 4497, В23 В27/00, опубл. 16.07.1997). Пластина твердосплавная с неоднородным фазовым составом для механического закрепления, состоящая из трехфазного сплава или состава: карбид титана 2-5 %, карбид вольфрама 70-88 %, карбид тантала и ниобия 0-6 %,  кобальт 5-10 %, на поверхности пластины образован двухфазный слой карбида вольфрама - кобальта толщиной 5-40 мкм, кристаллы карбида и вольфрама, в котором располагаются базисной гранью параллельно поверхности.
Однако в процессе резания кобальт быстро изнашивается, зерна карбидов обнажаются и выкрашиваются из-за трения с обрабатываемым материалом, что приводит к быстрому износу режущих кромок и снижает износостойкость режущих пластин, особенно при прерывистом резании закаленных сталей и чугунов, а также при точении титановых сплавов. Кроме того, трудно добиться параллельного расположения базисных граней кристаллов карбида вольфрама.
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 верхний слой 2...3 мм выполнен из смеси карбидов титана и окиси алюминия, нижняя часть 2...4 мм из твердого сплава, содержащего карбид вольфрама и связующую фазу кобальт от 10 до 20% по массе. Слоистые пластины четырех либо трехгранной формы прессуют 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 такие режущие пластины показывают низкую работоспособность, т.е. износостойкость при прерывистом резании закаленных сталей и чугунов, а также при точении титановых сплавов и ряда других материалов из-за хрупкого выкрашивания, что вызывает быстрый износ режущих кромок.
Прототипом для данной полезной модели является режущая пластина, содержащая основу из спеченного твердого сплава и верхний износостойкий слой из наноструктурных карбидов вольфрама с размером зерен 20-50 нм (патент RU 111471 U). Наноструктурный слой из карбидов вольфрама позволяет повысить износостойкость твердосплавной пластины (основы), особенно при точении титановых сплавов. Однако недостатком данной пластины является хрупкость износостойкого слоя, а следовательно, режущих кромок из карбидов вольфрама, что ограничивает применение пластин на операциях прерывистого резания и железосодержащих сталей и сплавов.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решаемая задача - совершенствование режущих пластин для обработки резанием широкого круга материалов путем увеличения прочности режущих кромок.
Технический результат - повышение износостойкости режущих пластин при механообработке.
Этот технический результат достигается тем, что режущая пластина, содержащая основу из твердого спеченного сплава, нанесенный на нее нижний износостойкий слой из наноструктурных частиц карбида вольфрама, содержит мягкий слой из ниобия и верхний износостойкий слой из наноструктурного нитрида ниобия. Мелкозернистый верхний слой из наноструктурных частиц нитрида ниобия обладает высокой микротвердостью и пластичностью по сравнению с карбидами вольфрама. Мягкий слой из чистого ниобия обладает прочным сцеплением с карбидом вольфрама и верхним наноструктурным слоем. Это позволяет повысить прочность режущих кромок и проводить обработку широкого круга обрабатываемых материалов (закаленных сталей, титановых сплавов и т.д.) при высоких скоростях резания как при непрерывном, так и прерывистом резании.
Основу режущей пластины изготавливают из порошков карбида вольфрама, либо карбидов вольфрама и карбидов титана размером 0,5-3 мкм с кобальтом по массе 6-12%, с верхним слоем из наноструктурных частиц карбида вольфрама и совместным прессованием в виде режущих пластин различной формы (треугольной, пятигранной, шестигранной, ромбической). Пластины помещают в печь, и спекают в среде водорода либо в вакуумной печи при температуре 1350-1489° С и подвергают алмазной обработке. Затем пластины помещают в камеру вакуумно-плазменной установки типа Булат либо магнетронную установку, и осаждают мягкий слой из ниобия и твердый износостойкий нитрид ниобия.
Пример реализации режущей пластины.
Осуществляли точение титанового сплава ВТ5 при скоростях резания V = 30...80 м/мин, глубине резания t = 2 мм и подаче – S = 0,2 мм/об. Режущими пластинами с толщиной наноструктрным слоем из карбидов вольфрама толщиной h = 2 мкм и основы из твердого сплава ВК8 (92% WC и 8% Со) с нанесенным мягким слоем из ниобия толщиной h = 1мкм и наноструктурного нитрида ниобия толщиной h = 4 мкм.
Одновременно проводили резание титанового сплава и режущей пластиной, выполненной по прототипу, т.е. пластиной, состоящей из верхнего наноструктурного слоя карбидов вольфрама толщиной h = 2 мкм и основы из твердого сплава ВК8 (92% WC и 8% Со).
з
Результаты стойкостных испытаний в минутах в таблице. При этом пластины подвергали износу по заданной поверхности h = 0,4 мм режущей кромки четырехгранной пластины размером 4,7x4,7 мм и толщиной 4 мм.
Вид пластины
Стойкость, мин (V= 30 м/мин)
Стойкость, мин (V= 60 м/мин)
Стойкость, мин (V= 80 м/мин)
Предлагаемая режущая пластина:Верхний слой –NbN-4 мкм +1 Nb+2 мм из наноструктурных частиц карбидов вольфрама +2 мм твердый сплав из WC 92% и Co-8%
23
12
8
Прототип:Верхний слой – 2 мм из наноструктурных частиц карбидов вольфрама +2 мм твердый сплав из WC 92% и Co-8%
10
4
2
По результатам испытаний режущих пластин, приведенных в таблице, видно, что предлагаемая режущая пластина, содержащая в верхнем слое наноструктурные нитриды ниобия и мягкий слой, позволяет повысить износостойкость в среднем 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 с размером зерен 20...50 нм, обусловлена хорошим сочетанием его микротвердости и пластичности. Поэтому ее режущие кромки лучше сопротивляются как хрупкому выкрашиванию, так и износу.