Многослойная твердосплавная пластина и способы ее получения (варианты)
MULTILAYER CARBIDE PLATE AND METHOD FOR ITS PRODUCTION (OPTIONS)

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в инструментальном производстве твердосплавных пластин для оснащения лезвийных режущих инструментов, работающих в условиях непрерывного и прерывистого резания закаленных сталей, чугунов, твердых сплавов и др. труднообрабатываемых материалов.
Известен способ получения изделия из многослойного твердого сплава на основе карбида вольфрама из патента РФ №2401720, B22F 7/02, B23H 9/00, опубл. 20.10.2010 [1].
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению многослойных изделий из твердого сплава на основе карбида вольфрама. На поверхности изделия из высококобальтового твердого сплава формируют графитовую прослойку и наносят электроэрозионным методом один слой низкокобальтового твердого сплава или два слоя низкокобальтового твердого сплава с формированием между ними графитовой прослойки. Техническим результатом является повышение поверхностной твердости, износостойкости и эксплуатационной стойкости твердого сплава, которым оснащают буровой инструмент.
Недостатком известного технического решения является сложность технологического решения, когда необходимо применения еще одного способа поверхностной обработки – применения электроэрозионного метода, а кроме того наличие графитовой прослойки, которая как правило приводит к охрупчиванию границы раздела между слоями.
Известна группа изобретений - патенты РФ № 2668353, B22F 7/02, B22F 3/16, C22C 29/02, C04B 35/65, C04B 35/56, B23B 27/20, опубл. 28.09.2018 [2].
Группа изобретений относится к изготовлению режущего устройства. Режущее устройство содержит карбидный субстрат, содержащий кобальт, и полученный спеканием порошка слой поликристаллического алмаза. По меньшей мере часть слоя поликристаллического алмаза содержит карбид по меньшей мере одного материала, который вступает в реакцию с алмазом с образованием карбида, имеет коэффициент теплового расширения, близкий к коэффициенту теплового расширения алмаза в виде связующего, и выбран из группы, включающей вольфрам, рений, хром и титан. Часть частиц алмазного порошка в слое поликристаллического алмаза химически связана кобальтом карбидного субстрата. Согласно способу изготовления режущего устройства по меньшей мере один материал в виде порошка из группы, включающей вольфрам, рений, хром и титан, добавляют в алмазный порошок, полученный порошок объединяют с карбидным субстратом, содержащим кобальт, посредством механического сжатия статическим давлением и спекания в составной форме при температуре 1300-1600°С и давлении спекания 5-10 ГПа с обеспечением образования карбида и химического связывания части частиц алмазного порошка кобальтом карбидного субстрата путем их каталитического взаимодействия. Обеспечивается повышение термостойкости режущего устройства.
Недостатком известного технического решения является относительная дороговизна применения алмазов и недостаточной адгезии между частицами алмаза и кобальта.
Известен способ изготовления алмазных режущих элементов из патента РФ №2216435, B22F 7/02, C22C 26/00, опубл. 20.11.2003 [3].
Изобретение относится к области изготовления алмазных режущих инструментов, в частности к режущим вставкам в алмазных инструментах для правки абразивных кругов, буровых коронках, резцах и т.п. Предложенный способ изготовления алмазного режущего элемента, содержащего режущий слой и подложку, заключается в том, что связку для режущего слоя готовят из двух смесей, в первой из которых содержание кобальта составляет 15-20 об.%, а во второй 6-12 об.%, остальное карбид вольфрама. Шихту для режущего слоя готовят путем последовательного накатывания на алмазный порошок вначале смеси, содержащей 15-20 об.% кобальта, а затем смеси, содержащей 6-12 об.% кобальта. Шихта для подложки содержит 6-12 об.% кобальта, остальное карбид вольфрама. В пресс-форму послойно помещают первую и вторую шихту. Сборку подвергают нагреву и прессованию. Шихта для режущего слоя может дополнительно содержать 2-10% титана. Техническим результатом является повышение режущей способности и стойкости алмазных режущих элементов.
Недостатком известного технического решения является относительная дороговизна применения алмазов и невозможностью применения метода жидкофазного спекания, поскольку при температурах более 1100°С происходит переход алмазной структуры в графитовую, что полностью лишает способ повышения твердости за счет применения алмазов.
Известен способ получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора для режущих инструментов из патента РФ №2185930, B22F 7/02, B22F 3/14, C22C 1/04, C04B 35/5831, опубл. 27.07.2002 [4].
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в инструментальном производстве для оснащения лезвийных инструментов, работающих в условиях непрерывного и прерывистого резания закаленных сталей, чугунов, твердых сплавов и др. труднообрабатываемых материалов. Способ включает размещение порошка кубического нитрида бора на подложке из твердого сплава, горячее прессование под давлением 40-60 кбар, соответствующим термодинамической устойчивости кубического нитрида бора, и нагреве до 1400-1700°С, выдержку под давлением с последующим снижением давления до атмосферного и извлечение заготовки, при этом толщина подложки не превышает 0,25 h, где h - толщина 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 подложки выбирают твердый сплав на основе карбидов вольфрама на кобальтовой связке. Изобретение позволяет повысить выход высококачественных спеков кубического нитрида бора с адгезионным слоем подложки и обеспечить стабильные свойства режущего инструмента.
Недостатком известного технического решения является дороговизна способа применения горячего прессования при высоком давлении.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка многослойной твердосплавной пластины для режущих инструментов, обладающей высокой износостойкостью в тяжелых условиях резания труднообрабатываемых материалов, а также снижение ее себестоимости за счет экономии дорогого карбида вольфрама и способа ее получения.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что многослойная твердосплавная пластина на основе карбида вольфрама выполнена, по крайней мере, из трех слоев. Внешние (верхний и нижний) слои многослойной твердосплавной пластины выполнены из карбида вольфрама, содержащего связку из кобальта в количестве 8 мас.%, а промежуточный (средний) слой из карбида титана и никелида титана, причем содержание карбида титана в промежуточном (среднем) слое составляет 35-45 мас.%, остальное никелид титана. При этом многослойная твердосплавная пластина может содержать дополнительные промежуточные слои из кобальта.
В качестве материала внешних (верхнего и нижнего) слоев в многослойной пластине выбиран материал, который обеспечивает изностойкость рабочего слоя - твердый сплав на основе карбида вольфрама на кобальтовой связке (8 мас.%). На границе между внешними (верхним и нижним) и промежуточным слоями твердосплавной пластины возникает зона диффузионного взаимодействия, ширина и свойства которой зависят от условий спекания под давлением.
При этом твердосплавная пластина имеет соотношение толщин внешних (верхнего и нижнего) и промежуточного (среднего) слоев в пределах 1:(2,5-3).
Предлагаемое соотношение толщин многослойной пластины в пределах 1:(2,5-3), позволяет скомпенсировать разницу линейных изменений рабочих слоев, возникающую в результате изменений температуры и давления в процессе горячего статического прессования за счет разрыва сплошности менее прочного слоя подложки. Сохраняются прочностные характеристики рабочего слоя на поверхности.
Промежуточный (средний) слой пластины содержит никелид титана, что позволяет повысить срок службы режущей пластины за счет способности указанного материала поглощать вибрации, возникающие при циклических нагрузках, имеющих место в процессе выполнения режущих работ. Использование сплава никелида титана обусловлено тем, что этот сплав имеет высокие механические характеристики, эрозионную стойкость и износостойкость. При этом, сплав обладает высокой демпфирующей способностью, связанной с фазовыми превращениями между аустенитной и мартенситной фазами материала при изменении температуры или возникновении стрессовых ситуаций.
Твердосплавная пластина может содержать дополнительные промежуточные слои из кобальта толщиной 0,2-0,5 мм между внешними (верхним или нижним) и промежуточным (средним) слоями. Наличие дополнительных промежуточных слоев из кобальта указанной толщины способствует лучшей адгезии внешних (верхнего и нижнего) и промежуточного (среднего) слоя твердосплавной пластины в процессе изготовления.
Предложенная многослойная твердосплавная пластина обладает достаточной износостойкостью при длительной работе в качестве твердосплавных пластин при оснащения лезвийных режущих инструментов, работающих в тяжелых условиях непрерывного и прерывистого резания закаленных сталей, чугунов, твердых сплавов и других труднообрабатываемых материалов
Первый вариант способа получения многослойной твердосплавной пластины характеризуется тем, что сначала последовательно послойно размещают в прессформе шихту, соответствующую составу внешнего (нижнего) и, по крайней мере, одного из промежуточных слоев заготовки пластины, при этом проводят последовательное послойное прессование каждого из размещенных слоев давлением 25-50 МПа, затем размещают шихту соответствующей составу внешнего (верхнего) слоя заготовки пластины и проводят окончательное прессование давлением 150-200 МПа, далее спресованную многослойную заготовку пластины спекают при температуре 1400°С в течение 1 часа.
Второй вариант способа получения многослойной твердосплавной пластины характеризуется тем, что сначала отдельно прессуют и спекают заготовки внешних (нижнего и среднего) и, по крайней мере, одного промежуточных слоев пластины из соответствующих составов шихт, при этом их прессуют при давлении 50-100 МПа, а спекают при температуре 1400°С в течение 1 часа, далее осуществляют их соответствующую сборку в графитовой прессформе с последующим дополнительным спеканием при температуре 1200°С в течение 1 часа при наложении давления 20-25 МПа.
В составе шихты промежуточного (среднего) слоя твердосплавной пластины в качестве никелида титана может быть оспльзован порошок ПН55Т45. При этом используемые порошки исходных компонентов имеют дисперсность менее 10 мкм.
Горячее прессование заготовок твердосплавной пластины проводят под давлением 150-200 МПа при температуре 1400°С, что соответствует термодинамической устойчивости никелида титана.
Прессование заготовок внешних (верхнего и нижнего) и промежуточных (среднего и дополнительных) слоев твердосплавной пластины осуществляют с помощью стальных пресс-форм на гидравлических или электромеханических прессах, обеспечивающих давление прессование до 200 МПа.
Окончательное горячее прессование внешних (верхнего и нижнего) и промежуточных (среднего и дополнительных) слоев твердосплавной пластины осуществляют с помощью вакуумной печи типа СШВ, в которую введен механизм передачи нагрузки в камеру.
Для исследования поверхности заготовки многослойной твердосплавной пластины торцы пластины шлифуют на алмазном круге до шероховатости не хуже 0,63 мкм. Затем поверхность шлифа пластины исследуют с помощью оптического микроскопа на трещиноватость.
1
1
Износостойкость заготовки многослойной твердосплавной пластины исследовалась при прерывистом точении закаленной до твердости 62 HRC инструментальной легированной стали марки ХВГ в виде цилиндров размерами диаметром 750-800 мм с одним прямоугольным пазом шириной 6 мм. В качестве критерия износа принималась ширина фаски износа по задней поверхности 0,3 мм. Режущие вставки имели следующие геометрические параметры: главный угол в плане φ = 45°, вспомогательный угол в плане φ = 15°, радиус при вершине R= 0,6-0,8 мм, передний угол γ = 0°, задние углы α = α = 10°. Скорость резания V=100 м/мин, подача S=0,03 мм/оборот, глубина резания 0,2 мм.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1
-3
Насыпают в графитовую прессформу слой толщиной 3 мм порошковой твердосплавной смеси, содержащей карбид вольфрама с 8 вес.% кобальта и подпрессовывают давлением 50 МПа для формирования внешнего (нижнего) слоя заготовки пластины. Затем добавляют слой толщиной 8 мм порошковой смеси карбида титана (45 мас.%), остальное порошок ПН55Т45 и опять подпрессовывают давлением 50 МПа для формирования промежуточного (среднего) слоя заготовки пластины. Далее следует формирование внешнего (верхнего) слоя заготовки пластины, для этого добавляют слой толщиной 3 мм порошковой твердосплавной смеси, содержащей карбид вольфрама с 8 вес.% кобальта и проводят окончательное прессование давлением 200 МПа. Заготовку многослойной твердосплавной пластины выпрессовывают и помещают в вакуумную печь для спекания, которое проводят в вакууме не хуже 5*10 мм рт.ст. в течение 1 часа при температуре 1400°С. Скорость нагрева не более 300°С/час. Получают заготовку многослойной твердосплавной пластины толщиной 12 мм.
Износостойкость заготовки многослойной твердосплавной пластины по примеру 1 равна 35 мин.
Пример 2
-3
Осуществляют аналогично примеру 1. Отличием является то, что после формирования первого внешнего слоя заготовки пластины, формируют дополнительный промежуточный слой порошка кобальта, добавляя его толщиной 0,3 мм и подпрессовывая его давлением 25 МПа. Затем формируют промежуточный (средний) слой пластины, добавляя слой толщиной 8 мм порошковой смеси карбида титана (35 мас.%), остальное порошок ПН55Т45 и подпрессовывая его давлением 25 МПа. Далее опять формируют дополнительный промежуточный слой порошка кобальта, добавляя его толщиной 0,3 мм и подпрессовывая давлением 25 МПа. Далее для формирования внешнего (верхнего) слоя заготовки пластины насыпают слой толщиной 3 мм порошковой твердосплавной смеси, содержащей карбид вольфрама с 8 вес.% кобальта и проводят окончательное прессование давлением 150 МПа. Заготовку многослойной твердосплавной пластины выпрессовывают и помещают в вакуумную печь для спекания, которое проводят в вакууме не хуже 5*10 мм рт.ст. в течение 1 часа при температуре 1400°С. Скорость нагрева не более 300°С/час. Получают заготовку многослойной твердосплавной пластины толщиной 12,2 мм.
Износостойкость заготовки многослойной твердосплавной пластины, полученной по примеру 2 равна 39 мин.
Пример 3
-3
-2
В этом примере сначала отдельно формируют и спекают заготовки внешних (нижнего и верхнего) и промежуточного (среднего) слоев твердосплавной пластины. Для этого из порошковой твердосплавной смеси, содержащей карбид вольфрама с 8 вес.% кобальта проводят формирование с давлением 100 МПа заготовок внешних (нижнего и верхнего) слоев пластины в количестве 2 шт. толщиной 2 мм. Из порошковой смеси: карбида титана (40 мас.%), остальное порошок ПН55Т45 проводят формирование с давлением 100 МПа заготовки промежуточного (среднего) слоя пластины в количестве 1 шт. толщиной 6 мм. Сформированные заготовки внешних (нижнего и верхнего) и промежуточного (среднего) слоев пластины спекают в вакуумной печи в вакууме не хуже 5*10 мм рт.ст. в течение 1 часа при температуре 1400°С. Скорость нагрева не более 300°С/час. Далее спеченные заготовки внешних (нижнего и верхнего) и промежуточного (среднего) слоев пластины совмещают соответствующим образом в графитовой прессформе и проводят дополнительное спекание при температуре 1200°С в вакууме не хуже 10 мм рт.ст. при наложении давления 25 МПа в течение 1 часа. Получают заготовку многослойной твердосплавной пластины толщиной 8 мм.
Износостойкость заготовки многослойной твердосплавной пластины, полученной по примеру 3 равна 40 мин.
Пример 4
-2
Осуществляют аналогично примеру 3. Отличием является то, что дополнительно отдельно формируют и спекают заготовки дополнительных промежуточных слоев из кобальта толщиной 0,5 мм в количестве 2 шт. Формируют заготовки дополнительных промежуточных слоев из кобальта при давлении 50 МПа, затем проводят их спекание по технологическому режиму аналогичному примеру 3. Далее отдельно сформированные и спеченные заготовки внешних (нижнего и верхнего) из карбида вольфрама с 8 вес.% кобальта; промежуточного (среднего) из карбида титана (40 мас.%), остальное порошок ПН55Т45; дополнительных промежуточных из кобальта слоев пластины совмещают соответствующим образом в графитовой прессформе и проводят дополнительное спекание при температуре 1200°С в вакууме не хуже 10 мм рт.ст. при наложении давления 20 МПа в течение 1 часа. Получают заготовку многослойной твердосплавной пластины толщиной 8,5 мм.
Износостойкость заготовки многослойной твердосплавной пластины, полученной по примеру 4 равна 37 мин.