Способ получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора для режущих инструментов

 

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^oС, 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. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к получению сверхтвердых композиционных материалов, которые могут найти применение в инструментальном производстве для оснащения лезвийных инструментов, работающих в условиях непрерывного и прерывистого (с ударом) резания закаленных сталей, чугунов, твердых сплавов и других труднообрабатываемых материалов.

Известен способ получения двухслойной пластины на основе режущего слоя из кубического нитрида бора (КНБ) горячим прессованием смеси на нижний слой (подложку) из металлокерамического материала, содержащего ряд металлов или соединений (Акцептированная заявка Японии 1-23241, М. кл.⁴ В 23 В 17/14, 1989).

Недостатком двухслойной пластины по данному изобретению является возникновение высоких напряжений при горячем прессовании на границе между слоями за счет разности коэффициентов термического расширения материалов подложки и режущего слоя, а также разных модулей упругости слоев, что приводит к значительному проценту дефектных пластин с трещинами.

Известен способ получения сверхтвердого композиционного материала, принятый нами в качестве прототипа, в котором смесь микропорошка кубического нитрида бора с покрытием нитридом и боридом титана укладывают на пластину из твердого сплава типа ВК8 и спекают (патент РФ 2147972, М.кл.⁷ В 22 F 3/14, 1999 г.).

Недостатком прототипа является получение неоднородных по структуре заготовок, что приводит к большому разбросу их режущих свойств и значительной выбраковке инструмента.

Задачей настоящего изобретения является получение сверхтвердого композиционного материала для двухслойных пластин режущего инструмента, обладающего высокой износостойкостью.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора для режущих инструментов, путем размещения порошка кубического нитрида бора на подложке из твердого сплава, горячего прессования под давлением 40-60 кбар, соответствующем термодинамичесой устойчивости кубического нитрида бора, и нагреве до 1400-1700^oС, выдержки под давлением с последующим снижением давления до атмосферного и извлечения заготовки, 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 материала подложки выбирают твердый сплав на основе карбидов вольфрама на кобальтовой связке.

Предлагаемое соотношение толщин подложки и двухслойной пластины 0,25h, где h - толщина двухслойной пластины, позволяет скомпенсировать разницу линейных изменений рабочего слоя и металлокерамической подложки, возникающую в результате изменений температуры и давления в процессе горячего статического прессования за счет разрыва сплошности менее прочного слоя подложки. В результате образуется подложка с трещинами, что не ухудшает ее адгезионных свойств по отношению к припоям. Сохраняются также прочностные характеристики рабочего слоя на поверхности, сопряженной с адгезионноактивным тонким слоем подложки. В прототипе толщина подложки составляет в несколько раз большую величину (около 0,8 h), что не обеспечивает оптимальной сопряженности слоев по показателям сцепляемости, прочности и др.

В качестве материала подложки в двухслойной пластине выбирается материал, обеспечивающий прочную связь рабочего слоя, например твердый сплав на основе карбидов вольфрама на кобальтовой связке. На границе между твердосплавной подложкой и КНБ возникает зона диффузионного взаимодействия, ширина и свойства которой зависят от условий спекания.

Торцы пластины шлифуют на алмазном круге до шероховатости не хуже 0,63 мкм. Поверхность шлифа исследуют с помощью оптического микроскопа на трещиноватость.

В приводимых ниже примерах использовался унифицированный нагреватель. Высота и диаметр реакционной ячейки были постоянными, опрессовка исходной шихты осуществлялась с одинаковым усилием.

Износостойкость пластины исследовалась при прерывистом точении закаленной до твердости 62 HRC инструментальной легированной стали марки ХВГ. 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 ϕ₁ = 15°, радиус при вершине R= 0,6-0,8 мм, передний угол γ = 0°, задние углы α = α₁ = 10°. Скорость резания V=100 м/мин, подача S=0,03 мм/оборот, глубина резания 0,2 мм. Эксперименты проводились на цилиндрических образцах диаметром 75-80 мм длиной 350 мм с одним прямоугольным пазом шириной 6 мм.

Проведенные патентные исследования и анализ известных технических решений позволяет сделать вывод, что в настоящее время отсутствуют известные технические решения со сходными отличительными признаками. Следовательно, предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Пример 1.

В нижнюю часть графитового нагревателя размещали 0,3 г порошкообразного твердого сплава ВК-6, сверху засыпали шихту рабочего слоя. Получена путем прессования партия из 9 поликристаллов при давлении 40-50 кбар, температуре 1400-1700^oС, выдержки под давлением с последующим снижением давления до атмосферного и извлечения заготовки. Количество спеков без трещин рабочего слоя - 4 шт.

Пример 2.

В нижнюю часть графитового нагревателя размещали предварительно спрессованную таблетку из шихты рабочего слоя толщиной 5 мм. Сверху засыпали порошкообразный твердый сплав ВК-8 (толщина слоя 1 мм). Получена партия из 10 пластин. Количество спеков без трещин рабочего слоя - 9 шт.

Пример 3.

В нижнюю часть графитового нагревателя размещали предварительно спрессованную таблетку из шихты рабочего слоя толщиной 3 мм. Сверху засыпали порошкообразный твердый сплав ВК-8 зернистостью 315/40 (толщина слоя 3 мм). Получено 10 пластин при условиях примера 1. Количество спеков без трещин на рабочем слое - 5 шт.

Преимуществом заявленного способа является значительный выход (более 70%) высококачественных спеков КНБ с адгезионноактивным слоем подложки, что обеспечивает стабильные свойства работы режущего инструмента.

Формула изобретения

1. Способ получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора для режущих инструментов, включающий 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^oС, выдержку под давлением с последующим снижением давления до атмосферного и извлечение заготовки, отличающийся тем, что толщина подложки не превышает 0,25 h, где h - толщина композиционного материала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед горячим прессованием в нижней части графитого нагревателя помещают предварительно спрессованную таблетку из шихты рабочего слоя материала, а сверху на таблетку насыпают порошкообразный твердый сплав зернистостью до 315 мкм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве подложки выбирают твердый сплав на основе карбидов вольфрама на кобальтовой связке.