СПОСОБ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ TI, TI-СПЛАВОВ И СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ NI
METHOD OF MACHINING TI, TI-ALLOYS AND NI-BASED ALLOYS

Настоящее изобретение относится к применению твердосплавного режущего инструмента, содержащего карбид вольфрама WC и связующую фазу с градиентной поверхностной зоной, обедненной связующей фазой, и при этом режущий инструмент содержит графит вместе с криогенным хладагентом в механической обработке Ti, Ti-сплавов и сплавов на основе Ni.
Уровень техники
В уровне техники хорошо известны режущие инструменты, сделанные из цементированного карбида, для механической обработки Ti-сплавов и сплавов на основе Ni, подобных инконелю. Известно, что такие материалы трудно поддаются механической обработке. Одной проблемой, которая может возникать при механической обработке таких видов материалов рабочих заготовок, является химический износ.
Химический износ является обычным для механической обработки Ti и Ti-сплавов. Таким образом, обнаружено, что растворимость и реакционная способность материала рабочей заготовки являются очень важными при выборе режущей вставки для механической обработки Ti-сплавов. Чрезмерно низкая теплопроводность Ti вызывает перенос тепла к режущей пластине и повышенную химическую реакционную способность.
Кроме того в уровне технике механической обработки также хорошо известно, что выгодным является использование некоторых видов охлаждения для того, чтобы подавлять температуру.
Во многих случаях используют хладагенты для достижения этой цели. Однако обычные хладагенты не являются экологичными, и их необходимо перерабатывать. Повторное использование хладагента является затруднительным, поскольку содержит стружку материала рабочей заготовки. Более крупные стружки конечно, можно удалить, но более мелкие стружки в диапазоне нескольких микрон будут оставаться. Эти мелкие фрагменты могут вызвать повреждение материала рабочей заготовки, если хладагент используется повторно.
Кроме того, использование обычных охлаждающих жидкостей, например, эмульсий или MQL (minimum quality lubrication-минимальное количество смазочно-охлаждающей жидкости) может ограничить возможность повторного использования стружки для некоторых применений в аэрокосмической технике. Например, в некоторых случаях в аэрокосмической технике повторно используемая стружка не может быть использована при получении новых сплавов из-за загрязнения охлаждающими эмульсиями или смазочно-охлаждающими жидкостями.
Для некоторых применений эффект охлаждения, который достигается с помощью обычных хладагентов (эмульсий), является недостаточным. Криогенная механическая обработка является одной из альтернатив для достижения более действенного эффекта охлаждения. Кроме того, криогенное охлаждение также является хорошей альтернативой традиционным хладагентам по экологическим причинам, поскольку является нетоксичным.
Одной целью данного изобретения является повышение долговечности инструмента при механической обработке Ti, Ti-сплавов и сплавов на основе Ni.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к применению режущего инструмента, содержащего подложку из цементированного карбида с градиентной поверхностной зоной толщиной в пределах 50-400мкм. Поверхностная зона имеет градиент связующей фазы с наименьшим содержанием связующей фазы в наиболее удаленной части градиентной поверхностной зоны и при том цементированный карбид содержит графит. Режущий инструмент используют вместе с криогенным хладагентом при механической обработке Ti, Ti-сплавов и сплавов на основе Ni
6
6
3
3
2
Было обнаружено, что сочетание избыточного количества углерода в подложке с криогенным хладагентом могут значительно увеличить долговечность инструмента при механической обработке Ti, Ti-сплавов и сплавов на основе Ni. Химический износ среди прочего приводит к образованию расплава Co-Ti, быстрой диффузии углерода в кобальт и химическому взаимодействию между Ti и C особенно для Ti и Ti-сплавов. Ti взаимодействует с C из зерен WC, что приводит к разрушению WC и эта(ŋ)-фазе (WCoC, WCoC) или образованию WC. Это приводит к охрупчиванию цементированного карбида, выкрашиванию зерна и быстрому износу инструмента, что значительно снижает долговечность инструмента.
2
С годами определение криогенности несколько изменилось. Научное определение заключается в том, что температура должна быть ниже-153°С. Однако в последние годы это определение было до некоторой степени расширено в более поздних публикациях, например, также включен углекислый газ CO, который имеет температуру-80С.
2
Под криогенным охлаждением здесь подразумевается, что хладагент имеет температуру ниже -50°С. Соответствующим хладагентом является жидкий азот и/или CO.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения хладагентом является жидкий азот.
2
2
В другом варианте осуществления настоящего изобретения хладагентом является жидкий CO. CO может быть или в виде жидкости (сверхкритической), газа или смеси из жидкости/газа.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения криогенный хладагент комбинируют с MQL (минимальное количество смазочно-охлаждающей жидкости).
В другом варианте осуществления настоящего изобретения криогенный хладагент комбинируют со сжатым воздухом. Это иногда является выгодным, для удаления стружки из зоны резания.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения криогенный хладагент комбинируют и со сжатым воздухом, и с MQL.
Подача хладагента зависит от конкретного применения и настройки и находится обычно в диапазоне 0,05-1 кг/мин. Давление хладагента будет также меняться в зависимости от конкретного применения и настройки и составляет обычно от 3 до 100 бар.
Хладагент можно подавать различными способами в зависимости от типа машинной операции и типа режущего инструмента и т.д.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения хладагент обеспечивают посредством наружного охлаждения. Таким образом, подразумевается, что хладагент обеспечивают одной или более отдельными форсунками, направленными в зону, где происходит механическая обработка, т.е. где соприкасаются инструмент и материал обрабатываемой детали.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения хладагент обеспечивают посредством внутреннего охлаждения через держатель инструмента. Таким образом, подразумевается, что хладагент обеспечивают с помощью каналов в держателе инструмента, которые будут подавать хладагент непосредственно на режущий инструмент.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения хладагент обеспечивают посредством внутреннего охлаждения через держатель инструмента и режущий инструмент в замкнутом цикле. Тем самым подразумевается, что хладагент обеспечивают через каналы, которые будут подавать хладагент через держатель инструмента и через режущий инструмент, а затем подадут обратно через держатель инструмента в замкнутый цикл. Таким образом, хладагент можно использовать повторно.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения хладагент обеспечивают посредством внутреннего охлаждения через держатель инструмента и режущий инструмент, и где хладагент покидает режущий инструмент, т.е. отсутствует замкнутый цикл. Такой вариант осуществления является обычным, например, для сверл.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения хладагент может быть обеспечен посредством комбинации, по меньшей мере, из двух видов охлаждающих способов, описанных выше, т.е. выбранных из наружного охлаждения, внутреннего охлаждения через держатель инструмента и внутреннего охлаждения через держатель инструмента и через режущий инструмент в замкнутом цикле или без него.
p
z
В одном варианте осуществления настоящего изобретения способ механической обработки соответствует токарной обработке. Соответствующими параметрами механической обработки являются Vc (скорость резания) в диапазоне 30-200 м/мин, предпочтительно в диапазоне 30-120 м/мин, более предпочтительно в диапазоне 50-90 м/мин, a (глубина резания) в диапазоне 0,1-5 мм, предпочтительно в диапазоне 0,3-2 мм. Подача fсоставляет соответственно в диапазоне 0,05-0,4 мм/об, предпочтительно в диапазоне 0,05-0,3 мм/об.
5
2,5
6
2
4
2
6
2
4
6
6
4
Режущий инструмент, содержащий подложку из цементированного карбида, согласно настоящему изобретению является пригодным для механической обработки сплавов цветных металлов, наиболее пригодным для Ti или Ti-сплавов и/или сплавов на основе Ni, а наиболее пригодным для Ti или Ti-сплавов. Соответствующими примерами Ti или Ti-сплавов являются α, β и γ сплавы, например,α-Ti и α-сплавы, такие как TiAlSn, псевдо-α-сплавы, такие как TiAlSnZrMo, α+β сплавы такие как TiAlSnZrMo и TiAlV. Примерами сплавов на основе Ni являются Inconel 718, Waspaloy и сплав Haynes 282.
Режущий инструмент содержит подложку из цементированного карбида, содержащую WC и связующую фазу с градиентной поверхностной зоной толщиной в диапазоне 50-400 мкм. Градиентная поверхностная зона имеет градиент связующей фазы с наименьшим содержанием связующей фазы в наиболее удаленной части градиентной поверхностной зоны. Дополнительно подложка из цементированного карбида содержит графит.
Согласно настоящему изобретению градиентная поверхностная зона обеднена связующей фазой, т.е. содержание связующей фазы в градиентной поверхностной зоне ниже, чем содержание связующей фазы в массе цементированного карбида. Одним способом измерения содержания связующей фазы является зондовый анализатор JXA8530F фирмы Jeol, оснащенный EDS (энергодисперсионным)/WDS(распределенным беспроводным) детектором.
Толщина градиентной поверхностной зоны составляет 50-400 мкм, предпочтительно в диапазоне 120-250 мкм. Поверхностную градиентную зону определяют как область между поверхностью инструмента и точкой, где содержание связующей фазы больше не изменяется, т.е. где начинается масса материала.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения содержание связующей фазы в градиентной поверхностной зоне составляет 0,2-0,9 от содержания связующей фазы в массе. Увеличение содержания связующей фазы в градиентной поверхностной зоне, начинающееся от поверхности по направлению к массе, является постепенным до конца градиентной поверхностной зоны.
Содержание графита в режущем инструменте, включающем подложку из цементированного карбида, является таким, что осадки (преципитаты) графита можно рассмотреть при использовании светового оптического микроскопа (LOM). Такой вид преципитатов можно также называть свободным графитом. Графит можно видеть в градиентной поверхностной зоне и в некоторых случаях также повсюду во всем теле цементированного карбида, т.е. и в градиентной поверхностной зоне, и в массе.
Одним способом описания количества графита является C-пористость, измеренная согласно DIN ISO 4505. Тем самым здесь подразумевается, что в изображении с увеличением 100 раз (fach), когда изображение включает в себя грань, предпочтительно режущую грань, инструмента и площадь инструмента, по меньшей мере, 600×600 мкм, C-пористость в зоне с максимальным количеством графита составляет С02-С08, предпочтительно в диапазоне С04-С08, более предпочтительно в диапазоне С06-С08.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения графит присутствует в градиентной поверхностной зоне.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения графит присутствует только в градиентной поверхностной зоне.
WC в подложке из цементированного карбида согласно настоящему изобретению соответственно имеет средний размер зерна в диапазоне 0,4-10 мкм, предпочтительно в диапазоне 1,2- 4,0 мкм.
Кроме WC и связующей фазы цементированный карбид может содержать также и другие составляющие, обычные для получения цементированных карбидов, например, Nb, Ta, Ti и Cr. Количество этих элементов может меняться от 20 частей на миллион (ppm) по весу до 5 масс.% от общего цементированного карбида.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения количество дополнительных составляющих, т.е. в дополнение к WC, составляет от 20 частей на миллион (ppm) по весу до 1 масс.%, предпочтительно от 20 частей на миллион (ppm) по весу до 250 частей на миллион (ppm) по весу от общего цементированного карбида.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения WC является единственной твердой составляющей, присутствующей в цементированном карбиде.
Цементированный карбид может также содержать небольшие количества других элементов, обычных для данного уровня техники, таких как редкоземельные элементы, оксиды, алюминиды и бориды.
Содержание связующей фазы в подложке из цементированного карбида находится соответственно в диапазоне 2-25 масс.%, предпочтительно в диапазоне 4- 10 масс.% и более предпочтительно 5-7 масс.%.
Связующая фаза может включать в себя один или более из Co, Ni и Fe.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения связующая фаза содержит, в основном, Co. Тем самым здесь подразумевается, что в качестве сырья для связующей фазы добавляется только Co. Тем не менее, в процессе получения и другие элементы могут частично раствориться в Co.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения цементированный карбид состоит из WC и Co и неизбежных примесей. Общее содержание углерода в продукте будет варьироваться в зависимости от содержания WC, так как вносит вклад в общее содержание углерода.
Например, для цементированного карбида, содержащего 94 масс.% WC и 6 масс.% Co, общее содержание углерода в материале находится соответственно в диапазоне 5,80-5,95 масс.%, предпочтительно в диапазоне 5,89-5,93 масс.%. Содержание углерода можно определить, например, с помощью прибора фирмы LECO, описанного в примерах.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения цементированный карбид состоит из WC и 5-7 масс.% Co и неизбежных примесей.
В данной области техники принято обеспечивать инструменты цементированного карбида покрытием, чтобы повысить долговечность инструмента. Цементированный карбид согласно настоящему изобретению может быть предоставлен как без покрытия, так и соответственно с покрытием CVD (химическое осаждение из паровой фазы), CVD плазма (плазмохимическое осаждение из паровой или газовой фазы) или c покрытием PVD (физическое осаждение из паровой фазы), известными в данной области техники.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения режущий инструмент настоящего изобретения соответственно не имеет покрытия.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения тело из цементированного карбида обеспечивают покрытием, выгодным для обнаружения износа, например, TiN толщиной 0,2-3 мкм.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения тело цементированного карбида может быть обеспечено покрытием, содержащим углерод, например, покрытием DLC (DLC от англ.-diamond like coating-алмазоподобное покрытие) толщиной 0,2-3 мкм, осажденным CVD, чтобы предоставить дополнительный источник углерода.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения тело из цементированного карбида обеспечено покрытием толщиной от 0,5 до 15 мкм, включающим в себя алмаз.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения тело из цементированного карбида обеспечивают покрытием, включающим в себя ZrC монослой толщиной 0,2-3 мкм, путем CVD осаждения.
Под режущим инструментом здесь подразумевают режущую пластину, сверло или концевую фрезу.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения режущим инструментом является режущая пластина для токарной обработки.
Настоящее изобретение относится также к способу механической обработки Ti, Ti сплавов или сплавов на основе Ni с использованием режущего инструмента, описанного выше, содержащего подложку из цементированного карбида с градиентной поверхностной зоной толщиной 50-400мкм. Поверхностная зона имеет градиент связующей фазы с наименьшим содержанием связующей фазы на наиболее удаленном участке градиентной поверхностной зоны и при том цементированный карбид содержит свободный графит. Режущий инструмент используют вместе с криогенным хладагентом.
Пример 1 (изобретение)
Режущая пластина по изобретению изготовлена сначала путем изготовления обычного цементированного карбида, первого тела из цементированного карбида, которое не содержит ŋ(эта)-фазу, или графит. Первое тело из цементированного карбида также свободно от каких-либо градиентов связующей фазы. Затем первое тело из цементированного карбида подвергают второй стадии спекания, которую проводят в науглероживающей среде.
Первое тело из цементированного карбида изготовлено путем составления смеси, сделанной из WC, 6 масс.% Co, с дополнительным углеродом, смешивали и перемешивали в течение 18 часов, прессовали и спекали при 1410°С в течение 1 ч в вакууме. После спекания цементированный карбид состоит из WC, встроенного в Co металлическую связующую фазу с Co. Общий углерод после спекания составлял 5,7 масс.%. Содержание углерода определяют сжиганием образца и последующим анализом продуктов с помощью ИК-обнаружения в твердом состоянии. Анализ проводят на приборе фирмы LECO WC-600. Точность значений составляет ±0,01 мас %. Первое спеченное твердое тело не содержало ŋ-фазы или графита.
4
2
После первой стадии спекания тело из цементированного карбида подвергали второй стадии спекания путем температурной обработки тела из цементированного карбида в течение 1 ч при температуре 1350°С в атмосфере спекания, содержащей смесь из CH/H, с получением в цементированном карбиде обедненной Co градиентной поверхностной зоны. После температурной обработки цементированный карбид содержал WC, Co и преципитаты графита с С-пористостью C-06 по ISO DIN 4505. Кроме того, благодаря обработке спеканием в атмосфере с более высокой активностью углерода по сравнению с цементированным карбидом, в цементированном карбиде образуется 130 мкм градиентная поверхностная зона, обедненная Co.
Градиент измеряют на поперечном сечении режущей пластины в трех разных положениях, кромка, передний угол и лицевая сторона, используя зондовый анализатор Microprobe JXA8530F фирмы Jeol, оснащенный EDS (энергодисперсионным)/WDS (распределенным беспроводным) детектором с энергией луча 15 кВт 50нА, диаметр зонда 1мкм, время выдержки 1000мсек.
Общее содержание углерода после температурной обработки, измеренное с помощью прибора фирмы LECO, составило 5,89 масс.% C. Это тело из цементированного карбида называют Образцом 1.
Пример 2 (предшествующий уровень)
Смесь, сделанную из WC, 6 масс.% Co c дополнительным избыточным углеродом, смешивали и перемешивали смесь в течение 18 часов, прессовали и спекали при 1410°С в течение 1 ч в вакууме. После спекания цементированный карбид содержал WC, встроенный в металлическую связующую фазу с Co. Общее содержание углерода после спекания, измеренное с помощью прибора фирмы LECO, составило 5,76 масс.% C. Содержание углерода было измерено, как описано в примере 1. Градиент графита отсутствовал и C-пористость не обнаруживалась. Это тело из цементированного карбида называют образцом 2.
Пример 3 (рабочий пример)
6
4
Режущие пластины CNMG 120408-SM, описанные в примере 1 и 2, испытывали в токарной обработке для сплава TiAlV, используя следующие условия:
p
a= 2 мм
z
F= 0,1-0,2 мм/об, переменная
c
V= 70 м/мин
Хладагент: жидкий азот, 7 бар, 0,85 кг/мин, внутренний через держатель.
Критериями долговечности являлись боковой износ (VB=0,3 мм), надрез (VBn=0,4мм) или разрушение кромки.
Результаты можно видеть в таблице 1, где каждый результат является средним из двух испытаний, т.е. из двух режущих пластин.
Таблица 1
Режущий инструмент
Подача (мм/об)
Долговечность(минуты)
Образец 1 (изобретение)
0,1
61
Образец 2(сравнительный)
0,1
20
Образец 1 (изобретение)
0,15
28
Образец 2(сравнительный)
0,15
6
Образец 1 (изобретение)
0,2
14
Образец 2(сравнительный)
0,2
3
Как можно видеть в таблице 1 режущий инструмент по настоящему изобретению имеет значительно более продолжительную долговечность, чем ссылочный.
Пример 4 (рабочий пример)
6
4
Режущие пластины, описанные в примере 1 и 2, испытывали в токарной обработке для сплава TiAlV, используя следующие условия:
p
a= 2 мм
z
F= 0,1-0,2 мм/об, переменная
c
V= 115 м/мин
Охлаждение: жидкий азот, 7 бар, 0,85 кг/мин, внутренний через держатель.
Критерием долговечности был увеличенный боковой износ выше 0,4мм.
Критериями долговечности являлись боковой износ (VB=0,3 мм), надрез (VBn=0,4мм) или разрушение кромки.
Результаты можно увидеть в таблице 2, где каждый результат является средним из двух испытаний, т.е. из двух режущих пластин.
Таблица 2
Режущий инструмент
Подача (мм/об)
Долговечность(минуты)
Образец 1 (изобретение)
0,1
5
Образец 2(сравнительный)
0,1
1
Образец 1 (изобретение)
0,15
2,5
Образец 2(сравнительный)
0,15
0,5
Образец 1 (изобретение)
0,2
1,5
Образец 2(сравнительный)
0,2
0,3
Как можно видеть в таблице 2 режущий инструмент по настоящему изобретению имеет значительно более продолжительную долговечность, чем ссылочный.