СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА ИЛИ СИНТЕТИЧЕСКОГО АЛМАЗА ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
METHOD TO PRODUCE SUPER-HARD COMPOSITE MATERIAL BASED ON CUBIC BORON NITRIDE OR SYNTHETIC DIAMOND FOR CUTTING TOOLS

Изобретение относится к получению сверхтвердых композиционных материалов, которые предназначены для применения в производстве для оснащения лезвийных инструментов, работающих в условиях непрерывного и прерывистого (с ударом) резания закаленных сталей, чугунов, твердых сплавов и других труднообрабатываемых материалов.
7
Известен способ получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора для режущего инструмента, включающий размещение порошка кубического нитрида бора на подложке из твердого сплава, горячее прессование под давлением 40-60 кбар, соответствующее термодинамической устойчивости кубического нитрида бора, и нагрев до 1400-1700°C, выдержку под давлением с последующим снижением давления до атмосферного и извлечение заготовки. Толщина подложки не превышает 0,25 толщины композиционного материала. Перед горячим прессованием в нижней части графитового нагревателя помещают предварительно спрессованную таблетку из шихты рабочего слоя материала, а сверху на таблетку насыпают порошкообразный твердый сплав зернистостью до 315 мкм, в качестве материала подложки выбирают твердый сплав на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой. (Патент России №2185930, МПК B22F 7/02, B22F 3/14, опубл. 27.07.2002 г.).
Недостатком данного способа является низкая износостойкость инструмента, обусловленная отсутствием прочной адгезионной связи между материалом подложки и режущего слоя из кубического нитрида бора.
7
Наиболее близким техническим решением является способ получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора, в котором порошок кубического нитрида бора и/или порошок нитрида бора с покрытием боридом или нитридом титана сначала смачивают в этиловом спирте, гранулируют и подпрессовывают, затем полученный брикет помещают в нагреватель на пластину твердого сплава, сжимают контейнер до давления, соответствующего термодинамической устойчивости кубического нитрида бора, и спекают.(Патент России №2147972, МПК B22F 3/14, C04B 35/5831, опубл. 27.04.2000 г.).
Недостатком данного технического решения является получение неоднородных по структуре заготовок, что приводит к большому разбросу их режущих свойств и значительной выбраковке инструмента.
Задачей предложенного технического решения является создание способа получения сверхтвердого композиционного материала для двухслойных пластин режущего инструмента, позволяющего обеспечить прочное соединение между твердосплавной подложкой и режущим слоем пластины и, следовательно, высокие режущие свойства инструмента.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора или синтетического алмаза для режущего инструмента, включающем размещение твердосплавной шихты в пресс-форме, прессование, спекание в водородной печи, нанесение покрытия нитрида титана или титана, размещение на спеченную заготовку материала режущего слоя из кубического нитрида бора или синтетического алмаза и последующее спекание в камере высокого давления, проводят предварительное спекание исходной шихты твердого сплава при температуре 750-1150°C, а покрытие из титана или нитрида титана толщиной 3-5 мкм наносят на предварительно полуспеченную заготовку, а далее на покрытие насыпают переходный слой из шлифпорошков заготовки и режущего слоя в соотношении 1:1, размер зерен которых в 2-4 раза больше размера зерна материала заготовки и режущего слоя.
Предварительное спекание исходной шихты твердого сплава для получения заготовки подложки проводят при температуре 750-1150°C для того, чтобы обеспечить необходимую пористость. При температуре ниже 750°C заготовка подложки не будет достаточно прочной, а при температуре выше 1150°C наносимое покрытие не проникнет в материал подложки на достаточную глубину.
Покрытие из Ti или TiN, наносимое на подложку толщиной 3-5 мкм, обеспечивает полное смачивание зерен промежуточного слоя и зерен подложки, обеспечивая лучшую адгезию порошка нитрида бора с твердосплавной основой. Кроме того, в материале создается своеобразный демпфирующий слой, который в процессе обработки изделий резанием не допускает возникновения сколов вдоль границы твердый сплав - сверхтвердый материал, особенно при операции прерывистого резания. Покрытие толщиной менее 3 мкм недостаточно для полного обволакивания зерен материала промежуточного слоя и зерен материала подложки, что снижает контакт между промежуточным слоем и подложкой. Покрытие толщиной более 5 мкм приводит к проникновению Ti или TiN в режущий слой, создавая неоднородность структуры композита и большой разброс его режущих свойств, что может привести к возникновению сколов при резании.
Переходный слой из шлифпорошков материала заготовки и режущего слоя в соотношении 1:1 и размером зерен в 2-4 раза больше размера зерна материала заготовки и режущего слоя способствует лучшему проникновению Ti или TiN из нанесенного покрытия в переходный слой, улучшается адгезия, тем самым достигается больший контакт между слоями композита в процессе окончательного спекания.
Сверхтвердый композиционный материал на основе кубического нитрида бора или синтетического алмаза изготавливали следующим образом. Твердосплавную шихту, содержащую 92% WC и 8% Со, помещали в пресс-форму и прессовали в изделие, в дальнейшем - подложка. После этого подложку помещали в водородную печь и спекали при температуре 1150°C для получения подложки с плотностью менее 100%. Спеченную таким образом подложку помещали в установку для нанесения покрытия из титана или нитрида титана. В рассматриваемом примере было нанесено покрытие из нитрида титана. Далее подложку с нанесенным на нее покрытием помещали в графитовый нагреватель. На покрытие на торцевой поверхности подложки насыпали смесь порошков материалов подложки и режущего слоя, состоящего из кубического нитрида бора в соотношении 1:1, при этом размер зерна переходного слоя смеси порошков в три раза больше размера зерен исходного материала основы. После этого на переходный слой насыпали порошок для формирования режущего слоя из кубического нитрида бора. Далее изделие спекали в камере высокого давления при температуре 2000°C и давлении 8 ГПа.
Предложенным способом были изготовлены пластины для оснащения режущего инструмента, которые механически крепились на державки. Стойкостные испытания инструмента, изготовленного предлагаемым способом, и стандартных пластин проводили на токарном станке 16К20. Были испытаны резцы в следующих условиях:
обрабатываемый материал - сталь ХВГ (HRC 48-50)
скорость резания - 200 м/мин
подача - 0,15 мм/об
глубина резания - 0,5 мм.
Сравнение стойкости резцов, изготовленных по предлагаемому способу, проводили со стойкостью резцов, оснащенных пластинами «Гексанит-Р». Результаты испытаний представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Зависимость стойкости инструмента от толщины покрытия и температуры предварительного спекания подложки
№п/п
Материал подложки
Температура предварительного спекания, °C
Толщина покрытия, мкм
Коэффиц. вариации стойкости
Коэффиц. стойкости
1
2
3
4
5
6
1
WC-92% Со-8% с покрытием TiN
750
4
0,33
1,85
2
-//-
900
3
0,32
1,9
3
-//-
900
4
0,33
2,0
4
-//-
1150
4
0,32
2,5
5
-//-
1150
5
0,34
3,0
6
-//-
1150
6,5
0,35
2,8, сколы
7
-//-
1200
5
0,35
2,6 сколы
8
WC-92% Co-8% без покрытия
1150
-
0,32
1,6
9
Гексанит-Р
-
-
0,37
1,0
Как видно из таблицы 1, инструмент, оснащенный пластинами, изготовленными по предложенному способу, имеет стойкость в 2,5 раза выше стойкости инструмента, оснащенного стандартными пластинами «Гексанит-Р», а коэффициент вариации снизился в среднем на 20%.
Таблица 2Зависимость стойкости инструмента от соотношения зерен WC-Co/СИТ в переходном слое при оптимальной температуре предварительного спекания и толщине покрытия TiN
№п/п
Материал подложки
Соотношение зерен WC-Co к CBN в переходном слое (по массе)
Температура предварительного спекания, °C
Коэффиц. вариации стойкости
Коэффиц. стойкости
1
WC-92% Со-8% с покрытием TiN
1:2
1150
0,35
2,8
2
-//-
1:1
1150
0,34
3,0
3
-//-
2:1
1150
0,35
2,7
Величина зерен твердого сплава и кубического нитрида бора в переходном слое больше зерен твердого сплава подложки и режущего слоя CBN в 3 раза.
Таким образом, примеры, представленные в таблицах 1 и 2, свидетельствуют о достижении поставленной цели.