КОМПОЗИЦИОННЫЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
COMPOSITE TOOL MATERIAL

Изобретение относится к области композиционных инструментальных материалов (керметов) и может быть использовано для изготовления инструментов различного назначения с повышенными механическими характеристиками.
Преимуществом композиционных инструментальных материалов состава инструментальная сталь - твердый сплав является благоприятное сочетание высокой прочности и ударной вязкости, в результате чего они могут быть использованы в условиях ударного нагружения, где обычные твердые сплавы быстро разрушаются.
Вместе с тем получение указанных материалов представляет значительные трудности, связанные с их высокой прочностью, низкой пластичностью и разными характеристиками составляющих их исходных компонентов. Для их преодоления предложены различные технические решения, в том числе связанные с получением материалов улучшенного состава. Так в работе [Н.С.Юрина и др. «Влияние добавок меди на свойства кермета карбид титана-сталь», «Порошковая металлургия» №5, 1976, стр.68-71] предложено для повышения комплекса физико-механических характеристик добавлять медь в количестве от 0,5 до 5 мас.%, в состав спеченного материала карбид титана-сталь.
В работе [В.К.Нарва и др. «Влияние состава карбида титана на свойства материала карбид титана-сталь», «Порошковая металлургия» №7, 1975, стр.41-44] предложено с целью повышения прочности сжатия и изгиба использовать в качестве керамического компонента карбид титана, содержащий 19-20% связанного углерода.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является техническое решение, предложенное в работе [С.С.Кипарисов и др. «Спеченная быстрорежущая сталь с добавками карбонитрида титана», «Порошковая металлургия» №1, 1977, стр.41-47].
Согласно прототипу, композиционный инструментальный материал (кермет) содержит металлический и керамический компонент при заданном соотношении среднего размера частиц керамического компонента к среднему размеру частиц металлического компонента и регламентированном размере частиц керамического компонента. Средний размер частиц керамического компонента относится к среднему размеру металлического компонента как 1:16 при среднем размере частиц керамического компонента около 5 мкм при соотношении компонентов, мас.%:
керамический компонент
2-6
металлический компонент
остальное
0,5
0,5
При этом в качестве металлического компонента использовалась быстрорежущая инструментальная сталь P18, а в качестве керамического компонента использовался твердый сплав TiCN (карбонитрид титана).
Недостатком прототипа является низкий уровень механических характеристик.
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение уровня механических характеристик материала.
Технический результата достигается за счет того, что средний размер частиц керамического компонента относится к среднему размеру частиц металлического компонента в диапазоне отношений 1:3-1:5 при среднем размере частиц керамического компонента от 1 до 3 мкм и соотношении компонентов, мас.%:
керамический компонент
20-50
металлический компонент
остальное
В частности, в качестве металлического компонента использована быстрорежущая инструментальная сталь 10Р6М5, а в качестве керамического компонента использован твердый сплав ВН-8. Указанный твердый сплав содержит 90-92% карбида вольфрама (WC), никель остальное.
Материал быстрорежущих инструментальных сталей отличается низкой пластичностью и высокой прочностью, что затрудняет получение заготовок высокой плотности. Обычно применяемое давление прессования не превышает 200 МПа, т.к. при более высоком давлении наблюдаются расслойные трещины. При таком давлении получаемая плотность не превышает 60-65%. В результате спекания удается повысить плотность до 80-85%, что также недостаточно для получения более высокого уровня механических характеристик. Объем пор заготовки перед спеканием составляет 35-40%, размер пор при указанной плотности колеблется в пределах от 20 до 50% от размеров частиц порошка. Следует ожидать увеличения плотности прессовки, если заполнить поры более мелкой фракцией керамической составляющей. Авторами было экспериментально определено, что ее оптимальное количество составляет 20-50%. При увеличении концентрации керамического компонента свыше 50% снижается ударная вязкость, при ее уменьшении ниже 20% снижаются прочностные характеристики. Выбранное соотношение размеров частиц связано с размером пор в матрице, образованной металлическим компонентом, а также со свойствами ультрадисперсных керамических частиц.
При размерах частиц менее 1 мкм наблюдается коагуляция частиц, а также адсорбция на их поверхности загрязнений, прежде всего молекул кислорода, что снижает механические характеристики материала. Применение частиц размером свыше 3 мкм снижает интенсивность процесса спекания, что приводит к появлению значительной остаточной пористости. Остаточные поры играют роль концентраторов напряжений и снижают прочностные характеристики материала. При отношении частиц меньшем, чем 1:3, размер частиц керамического компонента превышает размер наиболее мелких пор металлической матрицы, в результате чего они перестают в них концентрироваться, и их эффективность снижается. При отношении размеров большем, чем 1:5, увеличивается неравномерность распределения компонентов по объему материала и ухудшается их смешиваемость.
Пример реализации изобретения приведен в таблице.
Приведенные данные подтверждают правильность предложенного решения и выбранных соотношений размеров частиц и соотношения компонентов.
Эксперименты проводились на стандартных образцах для определения механических характеристик.
В качестве исходных компонентов были использованы: порошок быстрорежущей стали марки 10Р6М5 ТУ14-22-151-2001 и ВН-8 ТУ1792-001-23106936-98.
Исходные компоненты были механически диспергированы в среде абсолютного спирта до заявленного среднего размера частиц, после чего перемешаны в двухконусном смесителе с добавлением связующего компонента: 5% раствора синтетического каучука на 100 гр порошка. Затем получившаяся смесь была высушена, спрессована в диапазоне давлений 180-200 МПа и спечена в вакууме в течение 30-40 мин при температуре 1220-1240°C. Следует отметить, что время спекания составляет 30-40 мин, что в 2-3 раза меньше, чем в прототипе, что снижает себестоимость изготовления и благоприятно влияет на размеры карбидных включений.
Из данных, приведенных в таблице, следует, что механические характеристики материала заметно повышаются по сравнению с прототипом: в 1,5-2,0 раза по ударной вязкости и в 2-2,5 раза по прочности изгиба.
Экономический эффект определяется повышением ресурса эксплуатации, вызванным повышением механических характеристик, снижением расхода дорогостоящих инструментальных материалов и повышением производительности при механической обработке.