ТВЕРДЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА (ВАРИАНТЫ)
TUNGSTEN CARBIDE-BASED HARD ALLOY (VERSIONS)

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к твердым сплавам на основе карбида вольфрама, и может быть использовано для изготовления режущего инструмента.
2
3
2
3
Известен твердый сплав на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой, легированной оксидом АlО с содержанием АlО (0,09-0,1) % (масс.), (5,91-19) % кобальта и (84-80) % WC. По сравнению с базовыми однокарбидными сплавами группы ВК сплавы имеют на 10-15% повышение механической прочности и в 1,5-2,6 раза - повышение стойкости резцов при точении стали 1Х18Н9Т и сплава ХН56ВМКРО. К недостатку следует отнести усложнение технологии производства сплава за счет введения дополнительной операции обработки водных растворов хлоридов кобальта и алюминия с целью получения композиционного порошка, состоящего из кобальта с дисперсным включением оксида алюминия (авт. св. SU №1673622, МПК С22С 29/08, 1991 г.).
изг
2
3
Сплав на базе карбида вольфрама (70-85%, масс.) [RU №2338804, МПК С22С 1/08, 2008 г.], содержащий в качестве связки (15-25) % α-Fe (магнитный сплав) или (17-30) % сплава Fe:Ni (немагнитный сплав), хотя и обладает высокой твердостью при сохранении высокой прочности (σ=1300-1480 МПа), может содержать на границах зерен карбида вольфрама η - фазу (FeWC), разупрочняющую сплав, особенно в условиях ударных нагрузок.
изг
Известен спеченный твердый сплав на основе карбида вольфрама (масс.% 80-82) со связкой (масс.% 18-20), содержащей (48-50) % молибдена, (1-2) % ниобия, (10-12) % рения и (38-41) % кобальта; сплав обладает высокой прочностью (σ=1950 МПа). Кроме наличия дефицитного рения в связке, сплав содержит в связке повышенное количество молибдена, придающего сплаву, наряду с прочностью, и хрупкость [патент RU №2351676, МПК С22С 29/08, 2009 г.].
3
3
3
изг
3
Одним из способов улучшения качества твердосплавных материалов на базе карбида вольфрама следует считать введение в кобальтовую связку интерметаллида NiАl [Масленков С.Б., Горшкова Т.И., Кудинова А.А. и др. Твердые сплавы на основе карбида вольфрама с пластичной модифицированной связкой // Вестник машиностроения, 1994, №10. - С.27-30]. У алюминида никеля NiАl по сравнению с β - Со - одинаковый тип кристаллической решетки (ГЦК); близкие значения периодов решетки, плотности, твердости и коэффициентов линейного расширения. В результате повышаются прочностные характеристики сплавов с NiAl (σ=1300 МПа), жаростойкость и износостойкость, поэтому сплав WC+10% NiАl рекомендуется для эксплуатации в условиях высоких температур; для обработки резанием жаропрочных сплавов не применим из-за малого предела прочности на изгиб и на сжатие.
3
2
2
Известны составы твердых сплавов на основе карбида вольфрама, в которых связка из кобальта и рения модифицирована карбидами хрома СrС (0,05-2) % [патент RU №2027791, МПК С22С 29/08,1995 г.], сплав на базе WC, содержащий HfC, Ni, Со, Се, La [патент RU №2012646, МПК С22С 29/08, 1994 г.], а также сплав, имеющий в составе карбидной фазы WC оксид гафния HfO и в качестве связки кобальт, хром и никель [заявка RU №97111541 МПК С22С 29/08, 1999 г.].
3
2
2
изг
2
Известен вольфрамо-кобальтовый твердый сплав (82,6% WC + 8% Со) с присадками в карбидной связке СrС (0,8%), TiC (1,5%) и 1,5% МоС. Мелкозернистая структура этого сплава (85% карбидных зерен имеют размеры до 1 мкм) при пористости 0,04-0,8 обеспечивает твердость HRA=91,5 и σ=2227 МПа, при этом влияние МоС на свойства твердого сплава не обозначено [Панков B.C., Чувилин A.M., Фальковский В.А. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. - М.: МИСиС, - 2004. - С.261].
2
2
Известно, что можно получать однофазный твердый раствор через совместное осаждение солей вольфрама и молибдена и вести переработку по схеме «оксид - металл - карбид». При спекании W и Мо с углеродом, кроме карбидной фазы (W, Мо)С, появляется вторая карбидная фаза (W, Mo)C на основе МоС, которая ухудшает свойства сплава. Сплав содержит 10% кобальтовой связки, а состав карбидной фазы изменяется в таких пределах: W - от 80% (ат) до 30% (ат), а Мо - от 20 до 70% (ат) [Панков B.C., Чувилин A.M., Фальковский В.А. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. - М.: МИСиС, - 2004. - с.283].
Наиболее близким по выполнению является сплав на основе карбида вольфрама, содержащий 3,0-20,0 мас.% связки, в состав которой входят 20-75 мас.% Со, до 5 мас.% Мо, до 5 мас.% Fe и др. [(патент GB №1085041, С22С 29/06, 1967 г.]. Если связка составляет 20% от состава сплава, то в структуре твердого сплава кобальта может содержаться (4-15) %, молибдена - до 1% и железа - до 1%. При содержании в сплаве связки в объеме 3% эти цифры соответственно будут равны: (0,6-2,25) % - для кобальта, до 0,15% для молибдена и до 0,15% - для железа.
изг
изг
2
Твердость опытных сплавов колеблется в пределах HRA=93,2-94,0, а σ=195-90 кг/мм: [состав WC+(Co, Cr, Ni, W, С, В, Тi)]; для сплавов WC+(Co, Cr, Ni, W, С, В, V, Zr, Nb) - HRA=93,6-93,8, σ=108-130 кг/мм, однако прочность сплавов на изгиб остается недостаточно высокой.
Техническим результатом изобретения является повышение твердости и, как следствие, износостойкости твердого сплава на основе карбида вольфрама.
Технический результат достигается тем, что твердый сплав на основе карбида вольфрама и кобальтовой связки, модифицированной железом и медью, содержит компоненты при следующем их соотношении, мас.%:
кобальт
3,5-5,3
железо
1,4-3,2
медь
0,8-1,0
карбид вольфрама
остальное
Отличием предлагаемого сплава от прототипа является наличие в нем меди вместо молибдена и увеличенное содержание железа.
Технический результат достигается также тем, что твердый сплав на основе карбида вольфрама и кобальтовой связки, модифицированной молибденом и титаном, содержит компоненты при следующем их соотношении, мас.%:
кобальт
5,1-5,6
молибден
1,8-2,5
титан
0,5-0,8
карбид вольфрама
остальное
Отличием предлагаемого сплава от прототипа является наличие в нем титана вместо железа и увеличенное содержание молибдена.
Способ получения сплава заключается в перемешивании компонентов, последующей их сушке, прессовании и спекании.
Ниже приведены примеры осуществления изобретения.
Пример 1.
Получены и испытаны опытные партии сплавов на основе карбида вольфрама с разным количеством в связке кобальта, железа и меди. Процесс приготовления твердосплавных смесей WC+(Co + Fe + Сu) осуществляется в соответствии с базовой технологией производства изделий из сплава ВК8 (WC - 92 мас.% и Со - 8 мас.%) и заключается в:
- смешивании порошков карбида вольфрама и компонентов связки с одновременным размолом в жидкой среде (дистиллированная вода) в шаровых мельницах;
- сушке смеси в атмосфере водорода и просеве твердосплавной смеси;
- замешивании смеси с растворенным в бензине синтетическим каучуком и сушке смеси до полного высыхания;
- прессовании полученной смеси в штабики по ГОСТ 20019-74 и в пластины формы 02271 по ГОСТ 25395-90;
- спекании изделий в атмосфере водорода (по режиму для сплава ВК8) и при температурах 1420°С и 1540°С.
В опытных твердых сплавах содержание железа варьировалось в пределах 1,4-5,0% мас., содержание меди 0,8-1% масс, а содержание кобальта 1,5-5,6% масс. Физико-механические свойства сплавов системы WC - (Со - Fe - Сu) представлены в таблице 1 (партия 1), где для сравнения приводится требование ТУ для сплава ВК8.
Работоспособность опытных сплавов проверялась при продольном точении резцами с пластинами формы 0227 по методике СТП 19.0-6-88. «Сплавы твердые порошковые и керамика. Изделия для режущего инструмента. Методика испытания режущих свойств», М.: ВНИИТС, 1988.
-3
-3
3
Обрабатываемый материал - чугун СЧ25, режимы резания: V=2,9 м/с; t=1·10 м; S=0,2·10 м/об; геометрия резцов: γ=0; α=8°; φ=45°; λ=0, допускаемый износ по задней поверхности - h=0,8 мм.
Из представленных данных видно, что при содержании Fe в пределах % масс 1,4-3,2, Сu в пределах 0,8-1,0% масс и Со в пределах 3,5-5,3% масс твердость и коэффициент износостойкости возрастают по сравнению со сплавом ВК8. Получено увеличение стойкости в 1,7-1,8 раза (Т=1420°) и в 1,5-1,9 раза (Т=1540°).
Пример 2
Получены и испытаны аналогично примеру 1 опытные партии сплавов на основе карбида вольфрама с разным количеством в связке кобальта, молибдена и титана.
В опытных твердых сплавах содержание кобальта варьировалось в пределах 3,4-5,6% масс, содержание молибдена 1,8-2,7% масс, а содержание титана 0,5-0,8% масс. Физико-механические свойства сплавов системы WC - (Со - Мо - Ti) представлены в таблице 1 (партия 2).
Из представленных данных видно, что при содержании Мо в пределах % масс. 1,8-2,5, Ti в пределах 0,5-0,8% масс. и Со в пределах 5,1-5,6% масс. твердость и коэффициент износостойкости возрастают по сравнению со сплавом ВК8. Получено увеличение стойкости в 1,4-1,85 раза (Т=1420°) и в 1,8-2,0 раза (Т=1540°). Получено повышение твердости на 3 единицы HRA для Т=1540° и одинаковая твердость со сплавом ВК8 для Т=1420°. При повышении содержания Мо более 3% сплав имеет большую хрупкость и более низкий коэффициент стойкости по сравнению со сплавом ВК8.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить твердость пластин твердого сплава и, как следствие, стойкость режущего интрумента.
Таблица 1.
№№ партий
№№ сплава
Химический сосав, мас.%
Физико-механические свойства при температурax спекания
WC
Co
Mo
Fe
Сu
Ti
O<sub>2</sub>
1540°С
1420°С
ρ г/см
σ<sub>изг</sub> МПа
HRA
Коэр. сила Э
Кт
ρ г/см<sup>3</sup>
σ<sub>изг </sub>МПа
HRA
Коэр. сила Э
Кт
1
1.1
92,6
1,52
-
5,03
0,82
-
0,35
14,44
913
90,1
160
1,4
13,46
873
85,6
162
1,1
1.2
92,54
3,41
-
3,23
0,82
-
0,28
14,54
814
90,6
211
1,5
13,89
791
87,3
207
1,8
1.3
92,45
5,3
-
1,43
0,82
-
0,2
14,76
1505
90,0
116
1,9
14,49
1293
89,0
112
1,7
2
2.1
91,9
5,65
1,84
-
-
0,61
0,16
14,21
1354
91,9
210
2,0
13,0
804
87,0
231
1,85
2.2
91,6
5,10
2,69
-
-
0,61
0,17
14,10
1288
91,7
229
1,8
13,19
912
88,0
248
1,4
2.3
90,62
3,44
5,44
-
-
0,6
0,20
13,26
646
88,4
234
X
13,4
422
73,7
214
0,9
Твердые ТУ для ВК8 (Т=1420°С)
92
7,5-8,0
-
не более
-
-
не более
14,5-14,8
≥1700
≥88,0
100-180
≥1,0
0,3
0,5