КОМПОЗИЦИОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ
COMPOSITE ARTICLES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение в целом направлено на создание композиционных изделий, таких как, например, заготовки инструментов, режущие вставки, вставки для перовых сверл и сферические торцевые фрезы, имеющие композиционную конструкцию, в том числе участки, выполненные из различных композиционных материалов.
Некоторые неограничивающие варианты реализации композиционного изделия согласно настоящему изобретению содержат по меньшей мере первый композиционный материал и второй композиционный материал, при этом каждый из указанных первого и второго композиционных материалов независимо содержит твердые частицы в связующем материале, при этом концентрация рутения в связующем материале, входящем в состав первого композиционного материала, отличается от концентрации рутения в связующем материале, входящем в состав второго композиционного материала. Кроме того, согласно некоторым неограничивающим вариантам реализации композиционного изделия согласно настоящему изобретению, связующий материал в составе одного из указанных первого или второго композиционного материала содержит рутений, а связующий материал в составе другого из указанных первого или второго композиционного материала не содержит рутения или содержит в незначительной концентрации. Примеры композиционных изделий согласно настоящему изобретению включают, но не ограничиваются ими, твердосплавные инструменты, применяемые в операциях съема материала, таких как, например, обтачивание, фрезерование, резьбонарезание, прорезание канавок, сверление, развертывание, коническое зенкование, цилиндрическое зенкование и торцевое фрезерование.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Режущие вставки, применяемые для механической обработки металлов и металлических (т.е. металлосодержащих) сплавов, обычно изготавливают из композиционных материалов. Композиционные материалы характеризуются привлекательным сочетанием механических свойств, таких как прочность, ударная вязкость и сопротивление износу, по сравнению с некоторыми другими инструментальными материалами, такими как инструментальные стали и керамические материалы. Традиционные режущие вставки, выполненные из композиционного материала, такого как твердый сплав, основаны на "монолитной" конструкции, что означает, что они изготовлены из одного сорта твердого сплава. Традиционные монолитные режущие инструменты как таковые обладают по существу одинаковыми механическими и химическими свойствами во всех точках по всему объему инструмента.
Материалы из твердого сплава или, проще говоря, "твердосплавные материалы" или "твердосплавы", содержат по меньшей мере две фазы: по меньшей мере один твердый керамический компонент, состоящий из частиц, и более мягкую матрицу из металлического связующего. Твердый керамический компонент может представлять собой, например, карбиды любого карбидообразующего элемента, такого как, например, титан, хром, ванадий, цирконий, гафний, молибден, тантал, вольфрам и ниобий. Распространенным неограничивающим примером является карбид вольфрама. Связующий материал может представлять собой металл или металлический сплав, как правило, кобальт, никель, железо или сплавы любых из этих металлов. Связующий материал "цементирует" керамический компонент внутри сплошной матрицы, взаимосвязанной в трех измерениях. Как известно в данной области техники, твердые сплавы можно изготовить путем уплотнения порошка, в том числе по меньшей мере одного порошкообразного керамического компонента и по меньшей мере одного порошкообразного металлического связующего материала.
Физические и химические свойства твердых сплавов, в частности, зависят от конкретных компонентов металлургических порошков, применяемых для производства этих материалов. Свойства конкретного твердого сплава определяются, например, химическим составом керамического компонента, размерами частиц керамического компонента, химическим составом связующего материала и отношением массы или объема связующего материала к массе или объему керамического компонента. Варьирование ингредиентов металлургического порошка обеспечивает возможность получения режущих инструментов, например, режущих вставок, в том числе индексируемых пластин, сверл и торцевых фрез, с уникальными свойствами, подходящими для различных видов обработки резанием.
При применении, включающем механическую обработку современных металлических материалов, для достижения необходимого качества и эффективности часто используют твердые сплавы с улучшенными характеристиками. Однако изготовление режущих вставок, имеющих монолитную твердосплавную конструкцию, из твердых сплавов повышенного качества является дорогостоящим, в первую очередь, из-за высокой стоимости материала. Кроме того, состав обычных монолитных индексируемых режущих вставок, выполненных из одного сорта твердого сплава, трудно оптимизировать таким образом, чтобы удовлетворить отличающимся требованиям по отношению к различным участкам вставок.
Композиционные вращающиеся инструменты, сделанные из двух или более различных твердосплавных материалов или сортов материалов, описаны в патенте США 6511265. В настоящее время изготовление композиционных твердосплавных режущих вставок является более сложной задачей, чем производство вращающихся режущих инструментов. Например, режущие вставки, как правило, имеют гораздо меньшие размеры по сравнению с вращающимися режущими инструментами. Кроме того, геометрические размеры, в частности размеры режущих кромок и конфигурации стружколомов для современных режущих вставок, являются сложными по своей природе. Что касается режущих вставок, конечный продукт изготавливают путем прессования и спекания, при этом указанный процесс может также включать последующие операции заточки.
В патенте США 4389952, выданном в 1983 году, предложен инновационный способ изготовления композиционных твердосплавных инструментов путем первоначального получения шликера, содержащего смесь порошка твердого сплава и жидкого носителя, и последующего окрашивания или нанесения поверхностного слоя этой смеси на неспеченную прессовку другого твердого сплава. Композиционный твердосплавный инструмент, изготовленный таким образом, имеет отличающиеся механические свойства, разные на внутреннем участке и в поверхностном слое. Описанные возможности применения этого способа включают изготовление инструментов для бурения по породе, инструменты для горных работ и индексируемые режущие вставки для механической обработки металлов. Однако способ с применением шликера, описанный в патенте '952, можно применять только для изготовления индексируемых режущих вставок без обеспечения конкретной геометрии стружколома или, в лучшем случае, с обеспечением очень простой геометрии стружколома. Это связано с тем, что толстый слой шликера изменяет геометрию стружколома вставки. Широко применяемые индексируемые режущие вставки должны иметь, в частности, сложную геометрию стружколома, чтобы удовлетворять все возрастающим требованиям к механической обработке разнообразных обрабатываемых материалов. Кроме того, реализация способа изготовления композиционных инструментов и вставок, основанного на применении шликера, требует значительно больших инвестиций в специализированные производственные операции и производственное оборудование.
Рутений (Ru) является элементом платиновой группы и представляет собой твердый блестящий белый металл, имеющий температуру плавления примерно 2500°C. Рутений не покрывается оксидной пленкой при комнатных температурах и может применяться в качестве эффективного отвердителя для создания сплавов, характеризующихся чрезвычайной износостойкостью. Было обнаружено, что введение рутения в кобальтовый связующий материал твердого сплава, применяемого в режущих инструментах или режущих вставках, повышает стойкость к термическому растрескиванию и существенно снижает распространение трещин вдоль краев и в основной части режущего инструмента или режущей вставки. Типичные коммерчески доступные режущие инструменты и режущие вставки могут включать опорную пластину из твердого сплава, содержащую фазу связующего материала, содержащего примерно от 3% до 30% рутения. Однако существенным недостатком добавления рутения является то, что он представляет собой относительно дорогостоящую легирующую добавку.
Режущая вставка, включающая опорную пластину из твердого сплава, может иметь один или более слоев покрытия на поверхности опорной пластины для улучшения эксплуатационных характеристик металлорежущего инструмента. Способы нанесения покрытия на режущие инструменты из твердого сплава включают химическое осаждение из паровой фазы (CVD), физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и нанесение алмазного покрытия.
Существует потребность в разработке улучшенных недорогих режущих вставок для применения при механической обработке металлов и металлических сплавов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному аспекту в настоящем изобретении предложено композиционное изделие, содержащее первый композиционный материал и второй композиционный материал. Первый композиционный материал и второй композиционный материал независимо содержат твердые частицы в связующем материале, при этом концентрация рутения в связующем материале в составе первого композиционного материала отличается от концентрации рутения в связующем материале в составе второго композиционного материала.
Согласно некоторым неограничивающим вариантам реализации композиционного изделия согласно настоящему изобретению, связующий материал в составе первого композиционного материала содержит от 1 до 30% вес., от 3 до 25% вес. или от 8 до 20% вес. рутения. Кроме того, согласно некоторым неограничивающим вариантам реализации композиционного изделия согласно настоящему изобретению, в связующем материале в составе второго композиционного материала рутений отсутствует или содержится только в незначительных концентрациях. Кроме того, в некоторых неограничивающих вариантах реализации композиционного изделия согласно настоящему изобретению, концентрация рутения в связующем материале, входящем в состав первого композиционного материала, и концентрации рутения в связующем материале, входящем в состав второго композиционного материала, отличаются по меньшей мере на 1% вес., по меньшей мере на 5% вес. или по меньшей мере на 10% вес.
Согласно некоторым неограничивающим вариантам реализации, композиционное изделие, предложенное в настоящем изобретении, представляет собой изделие, выбранное из режущего инструмента и режущей вставки. Например, варианты реализации композиционного изделия согласно настоящему изобретению можно выбрать из сферической торцевой фрезы, сферической режущей вставки, режущей вставки для фрез, вставки для перовых сверл, вставки для сверл, режущей вставки для токарной обработки, вставки для прорезания канавок, резьбонарезной вставки, вставки для отрезания и вставки для бурения.
Подразумевают, если не указано иное, что все числовые значения, выражающие количества ингредиентов, время, температуры и так далее, указанные в описании и формуле настоящего изобретения, в каждом случае могут быть модифицированы с помощью термина "примерно". В крайнем случае, но не в качестве попытки ограничить применение доктрины эквивалентов объемом формулы изобретения, каждый численный параметр должен по меньшей мере интерпретироваться с учетом количества указанных значащих цифр с применением обычных методов округления.
Несмотря на то что области числовых значений и числовые параметры, в целом определяющие объем изобретения, являются приблизительными, численные значения, приведенные в конкретных примерах, указаны с максимально возможной точностью. Однако любое численное значение может по своей природе содержать некоторые ошибки, возникающие вследствие стандартного отклонения, определяемого при соответствующих инструментальных измерениях.
Детали и преимущества настоящего изобретения, а также другие особенности станут очевидны при рассмотрении нижеследующего подробного описания некоторых неограничивающих вариантов реализации изобретения. Дополнительные детали и преимущества настоящего изобретения при изготовлении и/или применении вариантов реализации также находятся в рамках настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1a-1d представлен вариант реализации квадратной индексируемой режущей вставки согласно настоящему изобретению, включающей три участка из композиционных материалов.
На фиг.2a-2c представлен вариант реализации квадратной индексируемой режущей вставки согласно настоящему изобретению, включающей два участка из композиционных материалов.
На фиг.3a-3c представлен вариант реализации ромбовидной индексируемой режущей вставки согласно настоящему изобретению, включающей три участка из композиционных материалов.
На фиг.4a-4c представлен вариант реализации квадратной индексируемой режущей вставки согласно настоящему изобретению, включающей два участка из композиционных материалов.
На фиг.5a-5d представлен вариант реализации ромбовидной индексируемой режущей вставки согласно настоящему изобретению, включающей пять участков из композиционных материалов.
На фиг.6a-6c представлен вариант реализации индексируемой режущей вставки согласно настоящему изобретению, включающей два участка из композиционных материалов.
На фиг.7a-7c представлен вариант реализации круглой индексируемой режущей вставки согласно настоящему изобретению, включающей два участка из композиционных материалов.
На фиг.8a-8c представлен вариант реализации круглой индексируемой режущей вставки согласно настоящему изобретению, включающей два участка из композиционных материалов.
На фиг.9a-9c представлен вариант реализации режущей вставки для прорезания канавок или отрезания согласно настоящему изобретению, включающей три участка из композиционных материалов.
На фиг.10a-10c представлен вариант реализации вставки для перовых сверл согласно настоящему изобретению, включающей два участка из композиционных материалов.
На фиг.11a-11c представлен вариант реализации вставки для перовых сверл, имеющей компоновку, изображенную на фиг.10a, но имеющую отличную композиционную конструкцию, включающую два участка из композиционных материалов.
Фиг.12 представляет собой изображение промышленной типовой вставки для перовых сверл, имеющей композиционную конструкцию, представленную на фиг.11a-11c.
На фиг.13a-13c представлен вариант реализации сферической режущей вставки согласно настоящему изобретению, содержащей два участка из композиционных материалов.
Фиг.14 представляет собой изображение промышленной типовой сферической режущей вставки, имеющей композиционную конструкцию, представленную на фиг.13a-13c.
На фиг.15a и 15b представлен вариант реализации режущей вставки для фрез согласно настоящему изобретению, имеющей квадратную форму и четыре скругленных угла и включающей два участка из композиционных материалов.
Фиг.16a и 16b, соответственно, представляют собой изображение и местный разрез типовой композиционной режущей вставки, имеющей композиционную конструкцию, представленную на фиг.15, при этом опорная пластина X44 в верхнем участке содержит рутенийсодержащий твердый сплав, а опорная пластина H91 в нижнем участке содержит твердый сплав, не содержащий рутения.
ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ НЕОГРАНИЧИВАЮЩИХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении предложены уникальные композиционные изделия, такие как, например, композиционные режущие вставки, вращающиеся режущие вставки, вставки для сверл, режущие вставки для фрез, перовые сверла, вставки для перовых сверл и сферические вставки. Варианты реализации композиционных изделий согласно настоящему изобретению содержат первый композиционный материал и второй композиционный материал. В некоторых вариантах реализации согласно настоящему изобретению каждый композиционный материал по отдельности содержит твердые частицы в связующем материале, при этом концентрация рутения в связующем материале в составе первого композиционного материала отличается от концентрации рутения в связующем материале в составе второго композиционного материала. В некоторых неограничивающих вариантах реализации композиционные изделия согласно настоящему изобретению содержат первый композиционный материал, содержащий рутений в связующем материале, и второй композиционный материал, содержащий связующий материал, который или не содержит рутений или содержит незначительные концентрации рутения в связующем материале.
Композиционные изделия согласно настоящему изобретению можно сравнить с изобретением, предложенным в патенте США 6511265, который был опубликован в январе 2003 года, где предложены композиционные твердосплавные вращающиеся инструменты, и изобретением согласно заявке на патент США 11/206368, в которой предложены способы получения композиционных твердосплавных режущих вставок. Некоторые композиционные изделия согласно настоящему изобретению отличаются от изобретений согласно патенту '265 и заявке '368 по меньшей мере по той причине, что в настоящей заявке предложены уникальные композитные структуры, содержащие по меньшей мере первый и второй композиционные материалы, при этом каждый композиционный материал независимо содержит твердые частицы в связующем материале и концентрация рутения в связующем материале в составе первого композиционного материала отличается от концентрации рутения в связующем материале в составе второго композиционного материала.
Как было обнаружено, включение рутения в связующую фазу твердосплавных материалов обеспечивает повышенную стойкость к термическому растрескиванию режущих инструментов и режущих вставок во время операций по механической обработке, уменьшение распространения трещин вдоль и вне режущих кромок, уменьшение распространения трещин в опорную пластину, а также другие преимущества. В настоящем описании связанные твердые частицы в связующем материале, где связующий материал содержит рутений, называют "рутенийсодержащие твердые сплавы". Рутений может присутствовать в любом количестве, достаточно эффективном, чтобы благоприятно воздействовать на свойства режущего инструмента, режущей вставки или другого изделия. Примеры подходящих концентраций рутения в связующем материале включают, например, от 1% до 30% вес. относительно суммарной массы связующего материала. В некоторых вариантах реализации концентрация рутения в связующем материале может составлять от 3% до 25% вес. или от 8% до 20% вес. относительно суммарной массы связующего материала.
Хотя, как отмечено выше, добавление рутения может обеспечивать существенные преимущества, рутений является дорогостоящим легирующим компонентом. Вследствие этого, некоторые неограничивающие варианты реализации композиционных изделий, таких как, например, режущие инструменты и режущие вставки, согласно настоящему изобретению могут содержать рутений в связующем материале только в тех участках изделия, присутствие рутения в которых обеспечивает улучшенные характеристики процесса резки. Концентрация рутения в других участках изделия, присутствие рутения в связующем материале которых не принесло бы существенных преимуществ, может быть нулевой или может быть снижена относительно других участков. Соответственно, например, настоящее изобретение включает композиционные изделия, состоящие из различных участков твердых сплавов, где содержание рутения в связующих материалах этих участков варьируется. Предпочтительно рутений содержится в относительно высоких концентрациях в связующем материале тех участков изделия, присутствие рутения в которых обеспечивает преимущество вследствие улучшения их свойств. Предпочтительно рутений отсутствует, присутствует только в незначительных количествах или присутствует в относительно низких концентрациях в связующем материале тех участков изделия, улучшение свойств которых вследствие присутствия в них рутения не будет обеспечивать особых преимуществ.
В некоторых неограничивающих вариантах реализации композиционных изделий согласно настоящему изобретению концентрация рутения в связующем материале в составе первого композиционного материала и концентрация рутения в связующем материале в составе второго композиционного материала отличаются по меньшей мере на 1% вес., по меньшей мере на 5% вес. или по меньшей мере на 10% вес., при этом такие различия определяют путем вычитания более низкой концентрации рутения из более высокой концентрации рутения. Некоторые варианты реализации композиционных режущих инструментов и режущих вставок, изготовленных из участков, имеющих варьирующиеся концентрации рутения в связующем материале, могут, например, обеспечивать снижение применяемого количества рутения на 40%-90% (по весу) относительно монолитных изделий, в которых концентрация рутения остается неизменной по всему изделию. Таким образом, создание композиционных изделий, таких как режущие инструменты и режущие вставки согласно настоящему изобретению, может существенно уменьшить стоимость производства таких изделий, не ухудшая требуемое качество резания.
Варианты реализации композиционных изделий согласно настоящему изобретению, например композиционные вставки, могут иметь геометрию, обеспечивающую стружкообразование на одной или обеих - верхней и нижней - поверхностях изделия. Геометрия для обеспечения стружкообразования в композиционном изделии может представлять собой, например, сложную геометрию для стружкообразования. Сложная геометрия для обеспечения стружкообразования может представлять собой любую геометрию, которая имеет различные конфигурации на передней поверхности режущего инструмента, такие как выступы, выпуклости, гребни, выемки, направляющие ленточки, задние стенки или комбинации двух или более таких элементов.
В настоящем описании термин "композиционное изделие" или "композиционный режущий инструмент" относится к изделию или режущему инструменту, содержащему отдельные участки из композиционных материалов, отличающиеся по одной или более характеристикам, выбранным из физических свойств, химических свойств, химического состава и микроструктуры. В рамках данного определения не считают, что покрытие, наносимое на изделие, режущий инструмент или режущую вставку, само по себе создает "участок". Таким образом, в настоящем описании "композиционный материал" представляет собой материал, который содержит две или более по существу гомогенные распределенные фазы. Примером композиционного материала является сцементированный твердый сплав, который содержит керамический материал в виде частиц в связующем материале. В некоторых вариантах реализации согласно настоящему изобретению первый участок композиционного материала содержит рутений в связующем материале ("рутенийсодержащий композиционный материал"), а второй участок композиционного материала не содержит рутений ("композиционный материал, не содержащий рутений"). В некоторых вариантах реализации композиционных изделий согласно настоящему изобретению свойство, которое различается на отдельных участках, представляет собой по меньшей мере одно свойство, выбранное из твердости, предела прочности на разрыв, сопротивления износу, вязкости разрушения, модуля упругости, коррозионной стойкости, коэффициента теплового расширения и коэффициента теплопроводности.
Композиционные вставки, которые могут быть изготовлены согласно настоящему изобретению, включают, например, вставки для обтачивания, резьбонарезания, прорезания канавок, фрезерования, фрезерования пазов или канавок, торцевого фрезерования, фрезерования торцевой фрезой, сверления, развертывания, конического зенкования, цилиндрического зенкования и выколачивания материалов. Между участками таких изделий могут иметься границы, которые отличаются по одному или более свойствам. Однако, как правило, границы между участками являются нежелательными и представляют собой дискретные лежащие в одной плоскости границы, обусловленные природой технологического процесса и порошкообразных металлов. В некоторых способах, которые можно применять для придания формы композиционным изделиям согласно настоящему изобретению, во время введения порошка в штамп или пресс-форму может иметь место, например, некоторое перемешивание порошкообразных металлов различных сортов вблизи зон поверхности раздела между сортами. Поэтому в настоящем описании ссылка на "границы" или "границу" между двумя участками композиционных материалов относится к общей пограничной зоне между двумя участками, при этом два участка состоят преимущественно из одного или другого композиционного материала. Кроме того, во время спекания предварительно спеченных прессовок, содержащих два или более участков, может происходить некоторая диффузия материалов между участками.
Некоторые неограничивающие варианты реализации согласно настоящему изобретению направлены на композиционные изделия, такие как, например, композиционные режущие вставки, содержащие по меньшей мере одну режущую кромку и по меньшей мере два участка композиционных материалов, которые отличаются в отношении по меньшей мере одного свойства. Некоторые варианты реализации композиционных вставок согласно настоящему изобретению могут являться индексируемыми и/или иметь геометрию, обеспечивающую стружкообразование. Различные свойства двух или более участков композиционного материала возникают в результате по меньшей мере различия в концентрации рутения в связующих фазах, включенных в два участка, но также могут быть результатом изменения других свойств участков, таких как изменения химического состава (за исключением концентрации рутения) и микроструктуры. Химический состав конкретного участка является функцией, например, химического состава керамического компонента и/или связующего материала участка и соотношения содержания твердого сплава к содержанию связующего материала на данном участке.
Композиционные изделия согласно настоящему изобретению можно изготовить любыми известными способами получения композиционных материалов. Примеры таких способов включают способ получения композиционного изделия, предложенный в заявке на патент США 11/206368, содержание которой полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.
Примеры первого и второго композиционных материалов, входящих в состав изделия согласно настоящему изобретению, могут независимо содержать твердые частицы в связующем материале. Твердые частицы в каждом из композиционных материалов могут независимо содержать, например, по меньшей мере одно соединение, выбранное из карбида, нитрида, борида, силицида, оксида и твердого раствора из двух или более вышеуказанных соединений, и связующий материал может содержать, например, по меньшей мере один металл, выбранный из кобальта, никеля, железа и сплавов из этих металлов. В некоторых неограничивающих вариантах реализации твердые частицы могут содержать карбид металла, при этом металл в составе карбида металла выбирают из любого элемента, образующего карбид, такого как, например, титан, хром, ванадий, цирконий, гафний, молибден, тантал, вольфрам и ниобий. Соответственно, в некоторых неограничивающих вариантах реализации карбид металла в первом композиционном материале отличается от карбида металла во втором композиционном материале по меньшей мере химическим составом и средними размерами зерен. Связующий материал в первом композиционном материале и связующий материал во втором композиционном материале могут независимо содержать, например, один или более металлов, выбранных из кобальта, кобальтового сплава, никеля, никелевого сплава, железа и железного сплава. В некоторых вариантах реализации первый композиционный материал и второй композиционный материал могут независимо содержать от 2 до 40% вес. связующего материала и от 60 до 98% вес. карбида металла относительно общей массы материала. Связующий материал первого сорта карбида и связующий материал второго сорта карбида могут отличаться концентрацией рутения в связующем материале и могут также отличаться в других аспектах, таких как химический состав, весовое процентное содержание связующего материала в твердосплавном материале, сорт металла, или и то и другое. В некоторых вариантах реализации первый материал содержит рутений в концентрации, которая на 1-10 или 5-20% вес. больше, чем концентрация рутения во втором материале. Два из нескольких сортов порошкообразного твердого сплава в конкретном изделии согласно настоящему изобретению могут содержать рутений в связующем материале, но в вариантах реализации, состоящих из многих участков рутенийсодержащих композиционных материалов, концентрация рутения в связующем материале одного участка может отличаться от концентрации рутения в другом участке, но может быть по существу аналогичной концентрации рутения в любом другом участке.
Неизбежно ограниченное количество примеров композиционных изделий согласно настоящему изобретению приведено ниже. Специалисту в данной области техники очевидно, что последующее описание вариантов реализации согласно настоящему изобретению можно адаптировать для получения композиционных вставок, имеющих сложную геометрию и/или более двух участков композиционных материалов. Например, некоторые варианты реализации композиционных изделий согласно настоящему изобретению могут иметь 3, 4, 5, 6 или более участков композиционного материала, при этом каждый участок отличается по меньшей мере от одного другого участка в изделии по меньшей мере одним свойством. Нижеследующее описание некоторых вариантов реализации не направлено на ограничение изобретения, но лишь иллюстрирует некоторые возможные варианты его реализации.
Варианты реализации композиционных изделий согласно настоящему изобретению, такие как варианты реализации режущих вставок, могут быть изготовлены при более низкой стоимости, чем обычные изделия. Снижение себестоимости может быть получено путем включения рутения в те участки изделия, присутствие рутения в которых обеспечивает преимущество при применении изделия, при одновременном исключении или ограничении концентрации рутения в других участках, в которых наличие рутения не дает существенного преимущества при применении изделия. Другим преимуществом некоторых вариантов реализации композиционных изделий, таких как некоторые композиционные режущие вставки, согласно настоящему изобретению является гибкость технологии, позволяющая конструктору режущих инструментов изменять свойства различных участков композиционных изделий с целью адаптирования изделия к конкретным видам обработки резанием. Например, размеры, местоположение, толщина, геометрия и/или физические свойства конкретного сцементированного твердосплавного материала в одном участке режущей вставки согласно настоящему изобретению можно выбрать с учетом конкретного вида механической обработки.
В настоящем описании термин "внутренний участок" композиционного изделия в форме режущей вставки относится к части вставки в целом, в том числе к центру вставки. В настоящем описании термин "внутренний участок" композиционного изделия в форме вставки для сверл относится к сердцевинной части, в том числе к режущей кромке, подвергаемой самым низким скоростям резания, которая обычно представляет собой режущую кромку, расположенную наиболее близко к оси вращения. В настоящем описании "поверхностный участок" режущей вставки включает всю или часть поверхности вставки. В настоящем описании "поверхностный участок" вставки для сверл включает поверхность режущей кромки, подвергаемой самым высоким скоростям резания, которая обычно представляет собой режущую кромку, расположенную относительно далеко от оси вращения. В некоторых вариантах реализации вставки внутренний участок включает часть поверхности вставки.
Некоторые неограничивающие варианты реализации композиционных вставок согласно настоящему изобретению могут иметь поверхностный участок из твердосплавного материала, содержащего рутений в связующем материале с целью придания поверхностному участку улучшенного сопротивления износу, и внутренний участок из относительно более прочного твердосплавного материала с целью увеличения стойкости внутреннего участка к сопротивлению удару, или ударопрочности. В указанных вариантах реализации внутренние участки могут содержать или не содержать связующий материал, содержащий рутений, и в случае присутствия рутения во внутреннем участке концентрация рутения в связующем материале во внутреннем участке отличается от концентрации рутения в поверхностном участке. Таким образом, свойства различных участков вставок согласно настоящему изобретению можно оптимизировать с целью соответствия условиям, которым участки подвергаются во время применения вставок для механической обработки материалов. Поэтому, например, композиционные индексируемые твердосплавные режущие вставки, полученные согласно настоящему изобретению, можно спроектировать с целью снижения стоимости производства (за счет снижения общего содержания рутения относительно монолитных вставок) и улучшения эксплуатационных характеристик вставок (например, путем подгонки одного или более свойств внутреннего и поверхностного участков).
2
3
2
Некоторые варианты реализации режущих инструментов и режущих вставок согласно настоящему изобретению могут иметь покрытие, наносимое посредством, например, методов PVD и/или CVD. Варианты реализации покрытий могут содержать, например, по меньшей мере одно соединение, выбранное из карбида металла, нитрида металла, борида металла и оксида металла, при этом металл выбирают из групп IIIA, IVB, VB и VIB периодической таблицы. Дополнительные конкретные неограничивающие примеры покрытий, которые могут быть нанесены, например, на режущие инструменты и режущие вставки согласно настоящему изобретению, включают карбонитрид гафния и, например, также могут включать одно или более соединений, выбранных из нитрида титана (TiN), карбонитрида титана (TiCN), карбида титана (TiC), алюмонитрида титана (TiAlN), алюмонитрида титана плюс углерод (TiAlN+C), нитрида алюминия-титана (AlTiN), нитрида алюминия-титана плюс углерод (AlTiN+C), алюмонитрида титана плюс карбид вольфрама/углерод (TiAlN+WC/C), нитрида алюминия-титана (AlTiN), нитрида алюминия-титана плюс углерод (AlTiN+C), нитрида алюминия-титана плюс карбид вольфрама/углерод (AlTiN+WC/C), оксида алюминия (AlO), альфа-оксида алюминия, диборида титана (TiB), карбида вольфрама/углерода (WC/C), нитрида хрома (CrN), нитрида хром-алюминия (AlCrN), карбонитрида гафния (HfCN), нитрида циркония (ZrN), карбонитрида циркония (ZrCN), нитрида бора (BN) и карбонитрида бора (BCN).
Пример одного варианта реализации режущей вставки согласно настоящему изобретению показан на фиг.1a-1d. Режущая вставка 1 имеет восемь индексируемых положений (четыре на каждой стороне). Фиг.1a представляет собой трехмерное изображение одного варианта реализации режущей вставки 1. Верхний участок 2 и нижний участок 3 независимо выполнены из твердых сплавов, содержащих рутений в связующем материале каждого участка. Сцементированные твердые сплавы участков 2 и 3 могут быть одинаковыми или различными. Средний участок 4 представляет собой сцементированный твердосплавный материал, сорт которого отличается от сорта спеченного сцементированного твердосплавного материала в верхнем участке 2 и нижнем участке 3 и который содержит связующий материал, в котором рутений отсутствует или имеется в относительно низкой концентрации. Режущая вставка 1 имеет встроенную или вдавленную геометрию для стружколома 5, которую можно спроектировать с целью улучшения механической обработки специфических групп материалов при определенных условиях резания. Фиг.1b представляет собой фронтальную проекцию режущей вставки 1; фиг.1c представляет собой горизонтальную проекцию режущей вставки 1; и фиг.1d представляет собой поперечное сечение режущей вставки 1. Режущая вставка 1 является образцом вставки, имеющей прямую боковую стенку 6 и центральное отверстие 7. Центральное отверстие 7 можно применять для фиксирования режущей вставки 1 в держателе режущего инструмента. Как показано, участки 2, 3 и 4 имеют границы 8 и 9, которые, в общем, являются перпендикулярными к центральной оси А центрального отверстия 7. Однако такие участки могут иметь любую геометрию, необходимую конструктору режущих инструментов. При изготовлении режущей вставки 1 верхние и нижние пуансоны аппарата для прессования карбида могут перемещаться вместе в направлении, по существу параллельном центральной оси A.
На фиг.2a-2c показана композиционная индексируемая режущая вставка 11 согласно настоящему изобретению, имеющая квадратную форму с встроенными стружколомами 12 на верхней стороне, четырьмя режущими кромками 13, четырьмя закругленными режущими кромками 14 и центральным отверстием 15. Режущую вставку 11 можно индексировать четыре раза. Фиг.2a представляет собой трехмерное изображение режущей вставки 11, в которой верхний участок 18 содержит карбид первого сорта, нижний участок 19 содержит карбид второго сорта, при этом первый сорт карбида и второй сорт карбида отличаются концентрацией рутения в их соответствующих связующих материалах. Встроенная или вдавленная геометрия для стружколома 12 спроектирована с целью улучшения механической обработки специфической группы материалов при определенных условиях резания. Фиг.2b представляет собой поперечное сечение режущей вставки 11, и фиг.2c представляет собой горизонтальную проекцию режущей вставки 11. Такие режущие вставки могут иметь наклонную боковую стенку 17. Как видно, участки 18 и 19 имеют общую границу 10, которая, в общем, перпендикулярна центральной оси А центрального отверстия 15. Однако такие участки могут иметь любую геометрию, необходимую конструктору режущих инструментов.
Варианты реализации композиционных твердосплавных индексируемых режущих вставок не ограничиваются режущими вставками 1 и 11, показанными на фиг.1a-d и 2a-c. На следующих фиг.3a-5d показаны дополнительные неограничивающие примеры возможных композиционных связанных твердосплавных режущих вставок согласно настоящему изобретению. Любые варианты реализации согласно настоящему изобретению, представленные в настоящем описании, могут содержать различные композиционные материалы в различных участках.
На фиг.3a-3c представлены аспекты композиционной индексируемой режущей вставки 21 со встроенными стружколомами 25 на верхней и нижней сторонах. Режущая вставка 21 имеет ромбовидную форму и может индексироваться четыре раза (два раза на каждой стороне). Фиг.3a представляет собой вид в перспективе вставки 21, в которой один угловой участок 22 целиком и другой угловой участок 23 целиком состоит из сцементированного твердосплавного материала, содержащего рутений в связующем материале, и центральный участок 24 состоит из второго сцементированного твердосплавного материала, не содержащего рутений или, по существу, содержащего более низкую концентрацию рутения в связующем материале. Режущая вставка 21 имеет встроенную или вдавленную геометрию для стружколома 25, которая сконструирована для механической обработки специфической группы материалов при определенных условиях резания. Фиг.3b представляет собой поперечное сечение режущей вставки 21; и фиг.3c представляет собой горизонтальную проекцию режущей вставки 21. Этот образец режущей вставки имеет прямую боковую стенку 26 и центральное отверстие 27. Имеются две границы 28 и 29, которые можно описать как по существу параллельные осевой линии А центрального отверстия 27, между центральным участком 24 и угловыми участками 23 и 25.
Дополнительный вариант реализации режущей вставки согласно настоящему изобретению показан на фиг.4a-4c. Композиционная индексируемая режущая вставка 31 не имеет центрального отверстия, но действительно включает встроенные стружколомы 32 на своей верхней поверхности. Режущая вставка 31 может индексироваться четыре раза. Фиг.4a представляет собой перспективу режущей вставки 31. Часть верхнего участка 33 около периферии состоит из первого композиционного материала, содержащего рутений в связующем материале. Остальная часть основного участка режущей вставки 34 (от верхней центральной части ко всему нижнему участку) состоит из второго композиционного материала, не содержащего рутений в связующем материале. Фиг.4b представляет собой фронтальную проекцию режущей вставки 31, и фиг.4c представляет собой горизонтальную проекцию режущей вставки 31. Этот образец режущей вставки может иметь наклонную боковую стенку 35. Граница 36 в этом варианте реализации по существу перпендикулярна осевой линии 38, и граница 37 является по существу параллельной осевой линии 38.
На фиг.5a-5d представлен дополнительный вариант реализации композиционной индексируемой режущей вставки согласно настоящему изобретению со встроенными стружколомами на верхней и нижней сторонах. Режущая вставка 41 имеет ромбовидную форму и может индексироваться четыре раза (два раза на каждой стороне). Как показано на фиг.5a, режущие части режущей вставки в четырех угловых участках 42, 43, 44 и 45 могут по существу состоять из одинакового твердосплавного композиционного материала со свойствами рутения, а основной участок 46 режущей вставки может состоять из второго твердосплавного композиционного материала, имеющего другую концентрацию рутения в связующем материале. Режущая вставка 41 имеет встроенную или вдавленную геометрию для стружколома 47, которую можно спроектировать для механической обработки специфической группы материалов при определенных условиях резания. Фиг.5b представляет собой фронтальную проекцию режущей вставки 41; фиг.5c представляет собой горизонтальную проекцию режущей вставки 41; и фиг.5d представляет собой поперечное сечение режущей вставки 41. Режущая вставка 41 имеет прямую боковую стенку 48 и центральное отверстие 49.
Следует подчеркнуть, что форма индексируемых режущих вставок согласно настоящему изобретению может иметь любой положительный или отрицательный геометрический профиль, известный опытному специалисту, и может включать любую требуемую геометрию для обеспечения стружкообразования. На фиг.6a-9c также приведены неограничивающие примеры различных геометрических форм режущих вставок, которые можно получить согласно настоящему изобретению.
На фиг.6a-6c показаны режущие вставки для фрез 51 неправильной формы согласно настоящему изобретению, состоящие из двух различных композиционных материалов: твердосплавного рутенийсодержащего материала 52 и твердосплавного материала, не содержащего рутений, 53. Режущая вставка 51 имеет встроенную или вдавленную геометрию для стружколома 54. Граница 55 между твердосплавным рутенийсодержащим материалом 52 и твердосплавным материалом, не содержащим рутения, 53, по существу перпендикулярна оси 56 прессования различных сортов порошка при формовании вставки 51.
На фиг.7a-7c показана универсальная режущая вставка круглой формы 61 из двух различных твердосплавных материалов 67 и 68. Режущая вставка 61 имеет плоскую верхнюю поверхность 62. Фиг.7b представляет собой поперечное сечение режущей вставки 61, взятое в разрезе E-E горизонтальной проекции, показанной на фиг.7c. Режущая вставка 61 дополнительно имеет нижнюю стенку 65 и наклонную боковую стенку 66. Общая граница 69 проходит между твердосплавным рутенийсодержащим материалом 67 и твердосплавным материалом, не содержащим рутения, 68. Консистенция границы 69 зависит от технологического процесса и не является важной для целей изобретения. Однако граница 69 в общем случае перпендикулярна оси А прессования порошкообразных материалов во время изготовления вставки 61 методами прессования и спекания.
На фиг.8a-8c показана универсальная режущая вставка круглой формы 71 согласно настоящему изобретению, содержащая два участка 77 и 78. Режущая вставка 71 имеет встроенную или вдавленную геометрию для стружколома 72, режущую кромку 73, центральное отверстие 74, нижнюю стенку 75 и наклонную стенку 76. Участок 77 состоит из твердосплавного рутенийсодержащего материала, а участок 78 состоит из твердосплавного материала, не содержащего рутения. Как видно, граница 79 перпендикулярна осевой линии A. Однако следует иметь в виду, что не существует четкой и плотной границы между участками 77 и 78 вследствие, например, смешивания и/или диффузии у границы 79.
На фиг.9a-9c показана композиционная режущая вставка 81 для прорезания канавок или отрезания согласно настоящему изобретению, содержащая твердосплавный рутенийсодержащий материал 82 и твердосплавный материал, не содержащий рутения 83. Режущая вставка 81 имеет встроенную или вдавленную геометрию для стружколома 84. Граница 85 проходит между твердосплавным рутенийсодержащим материалом и твердосплавным материалом, не содержащим рутения. В этом варианте реализации граница 85 проходит в том же направлении, что и перемещение верхнего и нижнего пуансонов, применяемых для прессования твердосплавного порошка.
Варианты реализации композиционных структур согласно настоящему изобретению могут включать относительно сложные композиционные структуры, содержащие множество границ между участками из различных твердосплавных материалов. Некоторые из границ могут быть по существу перпендикулярны к осевой линии прессования изделия, тогда как другие границы могут быть по существу параллельны к осевой линии прессования.
На фиг.10a-10c показан вариант реализации композиционной вставки 90 для перовых сверл согласно настоящему изобретению. Вставка 90 имеет композиционную конструкцию из твердосплавных рутенийсодержащих материалов на участках 92 и 93 и из различных твердосплавных рутенийсодержащих материалов или твердосплавных материалов, не содержащих рутения, на участке 91. Композиционная режущая вставка 90 имеет форму и геометрию вставки для сверл, которую обычно называют вставкой для перовых сверл. Композиционная вставка для сверл, перспективный вид которой показан на фиг.10a, является двусторонней, со встроенными стружколомами 95 на каждой стороне и двумя установочными отверстиями 94. Границы 96 и 97, показанные на горизонтальной проекции на фиг.10b и боковой проекции на фиг.10c, являются границами между участками 91 и 92 и между участками 91 и 93, соответственно. Как показано на фиг.10c, границы 96 и 97 являются по существу параллельными направлению 98 прессования порошка.
Композиционную вставку для сверл можно изготовить различными способами в зависимости от конкретных видов сверления. Вставка, показанная на фиг.11a-11c, представляет собой вариант реализации вставки 100 для сверл согласно настоящему изобретению, который отличается от варианта реализации на фиг.10a-10c. Вставка 100 для перовых сверл имеет два установочных отверстия 101 и встроенные стружколомы 104 на обеих сторонах. По сравнению с тем вариантом реализации на фиг.10a-c композиционная конструкция вставки 100 имеет только одну границу 105, которая разделяет участок 102 режущей кромки инструмента, состоящий из твердосплавного рутенийсодержащего материала, и участок 103, состоящий из твердосплавного материала, не содержащего рутения. Граница 105, как показано на поперечном сечении на фиг.11c, является по существу параллельной к направлению 106 прессования порошка. Фиг.12 представляет собой фотографию промышленного типового перового сверла, имеющего композиционную конструкцию, показанную в целом на фиг.11a-c.
На фиг.13a-13c представлен вариант реализации сферической режущей вставки согласно настоящему изобретению, содержащей два участка композиционного материала. Сферическая режущая вставка 110 включает участок 113, состоящий из твердосплавного рутенийсодержащего материала, и участок 114, состоящий из твердосплавного материала, не содержащего рутения. Сферическая вставка 110 имеет центральное отверстие 112 и стружколом 111. Граница 115 отделяет участок 113 и участок 114 и может быть представлена как по существу параллельная осевой линии А центрального отверстия 112. Фиг.14 представляет собой фотографию промышленной типовой сферической режущей вставки, имеющей композиционную конструкцию, показанную в целом на фиг.13a-c.
На фиг.15a и 15b представлен вариант реализации режущей вставки для фрез квадратной формы согласно настоящему изобретению, состоящей из двух участков различных композиционных материалов. Режущая вставка 121 имеет четыре закругленные вершины 122, наклонную стенку 127 и встроенные стружколомы 128. Граница 125 разделяет верхний участок 123, содержащий опорную пластину X44 из твердосплавного рутенийсодержащего материала, и нижний участок 124, содержащий опорную пластину H91 из твердосплавного материала, не содержащего рутения. Границу 125, как показано на поперечном сечении на фиг.15b, можно представить по существу перпендикулярной направлению 126 прессования порошка. Фиг.16a является фотографией, а фиг.16b представляет собой разрез типичной композиционной режущей вставки, имеющей композиционную конструкцию, показанную в целом на фиг.15a-c. Как показано на местном разрезе на фиг.16b, вставка содержит опорную пластину X44 в верхней части, выполненную из твердосплавного рутенийсодержащего материала, и опорную пластину H91 в нижней части, выполненную из твердосплавного материала, не содержащего рутения. В нижеследующих примерах представлены детали получения композиционной режущей вставки, показанной в целом на фиг.15a-c и 16a-b.
ПРИМЕР
Согласно стандартам ISO для сортов твердосплавных материалов для опорных пластин режущих инструментов, X44 по своим свойствам приближен к вязкому сорту между P25 и P50. Ингредиенты порошка (в весовом процентном содержании относительно общей массы порошка) для X44 приведены в таблице 1. Основные ингредиенты включают WC, TiC, TaC, NbC, Co и Ru. Некоторые типичные механические свойства для спеченных карбидов вольфрама X44 также приведены в таблице 1.
Таблица 1
<b>Карбид X44, содержащий рутений</b>
Химический состав (вес. %)
Средний размер гранул (мкм)
Сопротивление поперечному разрыву (Н/м-м<sup>2</sup>)
Плотность (г/см<sup>2</sup>)
Твердость (по Виккерсу)
WC
TiC
Ta(Nb)C
Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>
Co
Ru
67,2
10
9
0
12
1,80
1-2
2300
11,70
1500
Карбид H91, не содержащий рутения, представляет собой вязкий сорт для фрезерования. Ингредиенты порошка для H91 приведены в таблице 2. H91 представляет собой твердосплавную опорную пластину без рутения. Некоторые типичные механические свойства для спеченных карбидов вольфрама H91 также приведены в таблице 2.
Таблица 2
<b>Карбид Н91, не содержащий рутения</b>
Химический состав (вес. %)
Средний размер гранул (мкм)
Сопротивление поперечному разрыву (Н/м-м<sup>2</sup>)
Плотность (г/см<sup>2</sup>)
Твердость (по Виккерсу)
WC
TiC
Ta(Nb)C
Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>
Co
Ru
87,8
0,4
0,5
0
11
0
3-5
2850
14,30
1350
Композиционную режущую вставку можно изготовить, комбинируя рутенийсодержащий карбид X44 и карбид, не содержащий рутения, H91 в соответствии с композиционной конструкцией, представленной на фиг.15a и 15b, при этом верхняя часть вставки содержит опорную пластину X44 и нижняя часть содержит опорную пластину H91. Твердосплавный порошок для материала H91 сначала помещают в часть выемки в пресс-форме, а затем в выемку помещают твердосплавный порошок для материала X44 и заполняют оставшуюся часть выемки пресс-формы. Затем две части опорной пластины из порошкообразного карбида можно объединить и сформировать композиционную неспеченную прессовку, применяя процесс порошкового прессования или процесс инжекции порошка. Спекание прессовки позволит получить металлургически связанное композиционное изделие, имеющее верхний участок, состоящий из рутенийсодержащего карбида X44, и нижний участок, состоящий из карбида H91, не содержащего рутения. Отдельные участки из различных твердосплавных материалов имеют различные свойства, которые можно выбрать в зависимости от предполагаемого применения вставки.
Следует иметь в виду, что в настоящем описании продемонстрированы аспекты изобретения, призванные обеспечить ясное понимание изобретения. Некоторые аспекты изобретения, которые были бы очевидны специалистам в данной области и которые поэтому не способствовали бы лучшему пониманию изобретения, не были представлены в целях упрощения настоящего описания. Хотя в настоящем описании приведено только ограниченное количество вариантов реализации настоящего изобретения, для специалиста в данной области техники очевидно при ознакомлении с вышеприведенным описанием, что возможно большое количество модификаций и вариантов изобретения. Предполагают, что все такие варианты и модификации изобретения включены в настоящее описание и приведенную ниже формулу изобретения.