ТВЕРДЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА ДЛЯ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
TUNGSTEN CARBIDE-BASED HARD ALLOY FOR CUTTING OF HARD-TO-MACHINE MATERIALS

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к твердым сплавам на основе карбида вольфрама с легированным рением связующим. Инструмент, изготовленный из такого сплава, может использоваться для обработки резанием труднообрабатываемых материалов: на основе тугоплавких металлов, жаропрочных сталей и сплавов, применяемых для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, таких как детали котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, атомных реакторов и др.
Формообразующая обработка этих материалов затруднена вследствие высокой прочности, большого сопротивления пластическому деформированию, низкой технологической пластичностью и сохранением этих свойств не только до рабочих, но и до технологических температур.
При их лезвийной обработке в зоне резания возникают высокие температуры и развиваются механизмы высокотемпературного износа инструмента и, как следствие, его низкая стойкость.
Условия эксплуатация инструмента при обработке жаропрочных материалов в значительной степени приближаются к условиям работы самих этих материалов - высокие температуры и напряжения. Т.е. материал режущих инструментов должен обладать высокой жаропрочностью (теплостойкостью - этот термин применяется для инструментальных материалов, он оценивает способность сохранять твердость при нагреве).
пл
Теплостойкость твердых сплавов лимитируется низкими температурами разупрочнения, т.е. недостаточной жаропрочностью металла связки - кобальта, т.к. карбиды вольфрама (режущие компоненты твердых сплавов) сохраняют свои свойства при нагреве до высоких температур. Повышение жаропрочности связки и, таким образом, теплостойкости твердых сплавов, может быть достигнуто легированием связки не карбидообразующими тугоплавкими металлами, которые должны образовывать с кобальтом твердые растворы. Этим требованиям отвечает рений - тугоплавкий металл - температура плавления (Т) 3450°C, который в качестве легирующего компонента был введен в ряд твердых сплавов.
Известен твердый сплав на основе карбида вольфрама, содержащий 8-15% мас. кобальтовой связки, в которую введена добавка рения в количестве 0,1-3 мас.% (ЕР 1092786 А, 18.04.2001). Однако данный твердый сплав применяется для электроразрядной обработки поверхности, и не может использоваться для обработки резанием.
Известен твердый сплав на основе карбида вольфрама, в котором количество связующего составляет 4-12 мас.% Основа связующего - кобальт, в его состав входит также рений в количестве 3-20 мас.%. от массы связующего (WO 2012/053237 А1, 26.04.2012).
Указанный твердый сплав не обладает высокой жаропрочностью связки и теплостойкостью твердого сплава из-за недостаточного количества рения в связке.
В качестве наиболее близкого аналога выбраны выпускаемые промышленностью твердые сплавы группы ВРК (цифра в марке - массовое содержание связки, мас.%), такие как ВРК12, ВРК13 и ВРК15 с содержанием рения в связке 25, 45 и 60 мас.%, соответственно (журнал «Технология машиностроения» 2010, №3).
Задачей изобретения является определение оптимального содержания рения в однокарбидных сплавах типа ВРК (WC + кобальто-рениевая связка), необходимого для работы твердосплавного режущего инструмента при высоких эксплуатационных температурах.
Техническим результатом является повышение жаропрочности связки и, таким образом, теплостойкости твердого сплава, позволяющее повысить эксплуатационные температуры и, следовательно, стойкость изготовленного из него инструмента.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в твердом сплаве для обработки резанием труднообрабатываемых материалов, содержащем карбид вольфрама и связующее, содержащее кобальт и рений, содержание рения в связующем составляет 52-55 мас.%, остальное - кобальт.
Упрочнение связующего твердых сплавов за счет введения в сплав рения достигается за счет получения легированного твердого раствора. Рений не образует собственных карбидов, а входит в состав связки, меняя ее химический состав. Кристаллическая решетка рения - ГПУ, такая же, как у низкотемпературной модификации кобальта. Кобальт и рений образуют непрерывный ряд твердых растворов (фиг.1 - диаграмма состояния «Со-Re»).
Для оценки влияния рения на структуру и свойства связки следует учитывать его содержание в связке, а не в сплаве. Это позволяет определять структуру связки (весь рений находится в связке) с помощью диаграммы состояния «Со-Re» независимо от ее количества в сплаве. Т.е. при одинаковом соотношении Re и Со в связке структура связки будет одинакова (в соответствии с диаграммой), независимо от ее массового количества в сплаве.
В интервале концентраций рения примерно до 52-53 мас.% (линия «ab») температура начала разупрочнения регламентируется ε→α полиморфным превращением. При большем содержании рения сплавы системы «Со-Re» не претерпевают полиморфного превращения (см. рис.1). Температура разупрочнения (жаропрочность) связки твердых сплавов, содержащей более 52-53 мас.% рения, определяется температурой начала плавления - линией солидус (линия «bc» см. рис.1). Она тем выше, чем больше в сплаве рения.
Оптимальное содержание рения в связке 52-55 мас.%.
При содержании рения в связке менее 52 мас.% не обеспечивается достаточный уровень ее жаропрочности.
При повышении содержания рения в связующем сверх оптимального, наблюдается снижение свойств сплавов, связанное с технологическими факторами. Рений, по сравнению с кобальтом, обладает большими значениями модуля упругости (470 и 217 ГПа), прочностью при сжатии, (200 и 130 МПа), повышение содержания рения в сплавах «Со-Re» снижает пластичность связки.
Более высокая прочность и меньшая пластичность связки с повышенным содержанием рения не позволяет получить высокую плотность заготовки, увеличивается пористость, что приводит к снижению прочности сплава.
Пример.
Для оценки влияния рения были исследованы сплавы с массовой долей связки 12 и различным содержанием рения в связке, а также для сравнения сплавы ВРК15 и ВРК12 (№№4 и 5), выпускаемые промышленностью (табл.1). При этом составы сплава ВРК12 и предлагаемого в патенте WO 2012/053237 А1, весьма близки.
3
Обрабатываемый материал жаропрочный сплав на никелевой основе - ХН77ТЮР. Инструмент - многогранная пластинка с механическим креплением на корпусе резца. Режимы резания: скорость резания (V) - 40 м/мин; подача (S) - 0,5 мм/об; глубина резания (t) - 1 мм. Износостойкость оценивали величиной износа по задней поверхности (h) после пяти минут резания.
Таблица 1.
Состав исследуемых сплавов и их износостойкость.
№ сплава
Состав сплава, % масс
Количество Re в связке, %
h<sub>3</sub>, мм.
WC
Re
Co
1
88
4,8
7,2
40
0,81
2
6,4
5.6
53
0,57
3
7,0
5.0
58
0,74
4.
3,2
8,8
25
0,96
5.
85
8,9
6,1
59
0,76
Примечания. 1. Сплав №4 - выпускаемый промышленностью ВРК12, его состав близок к составу патента WO 2012/053237 А1.
2. 1. Сплав №4 - выпускаемый промышленностью ВРК15.
Испытания резанием подтвердили вывод об оптимальном содержании рения в связке. Максимальная износостойкость (минимальный износ) наблюдалась для инструмента из сплава №2 с оптимальным содержанием рения в связке; она превышала также износостойкость промышленного сплава ВРК15 и сплава, состав которого близок к составу по патенту WO 2012/053237 А1.