Способ изготовления сменных многогранных пластин

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству градиентных твердосплавных пластин для оснащения металлорежущего инструмента. Для изготовления твердосплавных сменных многогранных пластин смесь порошков тугоплавких соединений и кобальта прессуют и проводят предварительное спекание при 830-900°С. Затем осуществляют поверхностное легирование пропиткой суспензией из порошка низкокобальтового твердого сплава в смеси спирта и глицерина в соотношении 2:1 в ультразвуковом поле в течение 4-8 минут. После поверхностного легирования проводят окончательное спекание и нанесение износостойкого покрытия. Полученная пластина имеет вязкую сердцевину и твердый поверхностный слой, что обеспечивает ее стойкость при обработке различных материалов. 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области металлообработки, а именно к изготовлению градиентных твердосплавных пластин с износостойким покрытием для оснащения металлорежущего инструмента.

Известен способ получения композиционного слоистого материала, включающий нанесение износостойких слоев из тугоплавких соединений титана химическим осаждением из газовой фазы на основу из твердого сплава с кобальтовой связкой (Патент Швеции №332328, кл. С 23 11/00, 1971 г.), полученного стандартным способом.

Недостатком известного способа является резкое снижение прочности композита (до 50%) при нанесении покрытия.

Известен способ получения твердого сплава с переменным содержанием связки, когда при прессовании заготовки пластины изменяется состав: ВК3-ВК6-ВК10-ВК15-ВК10-ВК6-ВК3.

Таким образом, теоретически возможно получить градиентную прочность пластины от вязкой и высокопрочной сердцевины до износостойкой поверхности. (Панов B.C., Чувилин A.M. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. М.: МИСиС, 2001 г.)

Недостатком способа является проблематичность дозирования засыпки несколькими питателями матрицы пресса-автомата при высоте пластины 4,75 мм, что на практике не позволяет получить пластину с оптимальным сочетанием износостойкости, твердости и вязкости.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ изготовления режущего инструмента, включающий прессование смеси порошков тугоплавких соединений и кобальта, предварительное спекание, нанесение слоя металла IV-VI групп, поверхностное легирование и окончательное спекание (а.с. №1730784, СССР, 20.08.2005 г., МПК B22F 7/02, В23В 27/14).

Задачей предлагаемого технического решения является создание способа, позволяющего получить режущую сменную многогранную пластину из слоистого градиентного материала с вязкой сердцевиной и более твердым поверхностным слоем, что обеспечивает ее стойкость при обработке различных материалов.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления твердосплавных сменных многогранных пластин, включающем прессование смеси порошков тугоплавких соединений и кобальта, предварительное спекание, поверхностное легирование, окончательное спекание и нанесение износостойкого покрытия, предварительное спекание проводят при температуре 830÷900°С, а поверхностное легирование осуществляют пропиткой суспензией из порошка низкокобальтового твердого сплава в смеси спирта и глицерина в соотношении 2:1 в ультразвуковом поле в течение 4÷8 минут.

Градиентная пластина состоит из вязкой сердцевины, которая служит демпфером и хорошо гасит ударные нагрузки, но может не обладать высокой износостойкостью, а переходная зона - «поверхность пластины - покрытие» отвечает за свойства сменной многогранной пластины, зависящие от ее конкретного применения. Переходная зона формируется таким образом, чтобы она обладала оптимальным сочетанием износостойкости, твердости и вязкости.

Толщина переходной зоны должна быть ˜ 300 мкм. Это связано с тем, что эффективный износ сменной многогранной пластины находится на этом же уровне.

Предлагаемый способ получения градиентного материала отличается тем, что переходная зона между вязкой сердцевиной и высокотвердым износостойким слоем формируется после предварительной стадии спекания сменной многогранной пластины, когда тело пластины пронизано высокоразвитой открытой пористостью.

Предварительное спекание проводят при температуре 830-900°С.

При температуре предварительного спекания ниже 830°С прессовка пластины будет иметь недостаточную прочность - возможно выкрашивание режущей кромки при перемещениях пластины по технологической цепочке, что недопустимо.

При температуре предварительного спекания выше 900°С резко повышается гетерофазная подвижность дислокаций, что приводит к резкому снижению пористости и, следовательно, к понижению сорбционной способности заготовки к насыщению легирующей добавкой - частиц мелкозернистого сплава.

Таким образом, температура первого спекания должна быть 870±30°С.

Процесс формирования поверхностного слоя может осуществляться различными способами: пропиткой или ее разновидностью - спрей-методом, сухим электрофорезом или электролизом и ионно-плазменной обработкой.

Поверхностное легирование сменных многогранных пластин осуществляют пропиткой суспензией из порошка низкокобальтового твердого сплава в смеси спирта и глицерина в соотношении 2: 1

Выбранное соотношение в суспензии спирт / глицерин связано с необходимой вязкостью эмульгатора, его способностью удерживать во взвешенном состоянии частицы порошка легирующей добавки. При соотношении спирт / глицерин больше 2:1 происходит выпадение части порошка в осадок, т.е. не весь порошок будет участвовать в пропитке твердосплавной заготовки. При меньшем содержании спирта в составе эмульгатора повышается вязкость раствора, при этом ухудшается смачивание порошка, часть порошка коагулирует, нарушается дисперсность эмульсии.

Таким образом, соотношение спирт / глицерин должно быть 2:1.

Время пропитки в ультразвуковой ванне подобрано для мойки «УЗУ-0.25» (выходная мощность - 0,240 кВт, рабочая частота - 18,3 кГц) и составляет 4÷8 мин.

При выдержке заготовки пластины в суспензии в ультразвуковом поле меньше 4 мин сорбционная емкость пористой пластины используется не в полной мере, из-за этого снижается эффективная толщина переходной зоны, состоящая из мелкодисперсного порошка, подложка - покрытие.

При выдержке заготовки в ультразвуковом поле больше 8 мин уже не происходит насыщение сорбционной поверхности пластины и толщина переходной зоны остается неизменной, да и количество низкокобальтового сплава, внедренного в поры заготовки, остается на постоянном уровне.

Таким образом, эффективное время ультразвукового диспергирования суспензии должно составлять 4÷8 минут.

Использование ультразвукового поля позволяет взвешивать частицы порошка в суспензии, делает их подвижными, внедряет дисперсную компоненту в поры заготовки твердого сплава.

Пример.

Пластинка SNUN 120408 из сплава ВК20 предварительно спекалась при температуре 850°С, затем подвергалась пропитке методом погружения в суспензию, состоящую из спирта и глицерина состава 2:1 и, содержащую частицы твердого сплава ВК3М (при концентрации 40% весовых). Пропитка осуществлялась в ультразвуковой ванне в течение 5 минут. После этого пластинка проходила второе окончательное спекание при температуре 1380°С в атмосфере водорода, после чего на ее поверхность наносилось многослойное покрытие из парогазовой фазы.

В результате получилась градиентная сменная многогранная пластина, имеющая сердцевину из ВК20, переходную зону толщиной ˜ 250 мкм, которая состояла из смеси крупных зерен сплава ВК20 и зерен ВК3М толщиной ˜150 мкм и ровного слоя мелкозернистого сплава ВК3М. Концентрация кобальта была переменной по сечению слоя и колебалась от 6% у поверхности до 20% к середине пластины. Сверху имелось покрытие, состоящее из TiC / TiCN / TiN (общей толщиной 5 мкм - для фрезерования и 11 мкм - для токарного точения).

Пластины градиентного состава сравнивались при ударном фрезеровании с пластинами из стандартного сплава ВК6 с тем же самым покрытием (опытные пластины с градиентной структурой и пластины из ВК6 были покрыты в одном процессе, при одинаковых условиях.).

Кроме фрезерования, пластины испытывались при токарном точении стали 50 по следующему режиму: t×S=1,0×0,2, V=400 м/мин.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Таблица
	Темпера тура предвари тельного спекания, °С	Время пропитки, мин.	Толщина переход ной зоны, мкм	Результаты сравнительных испытаний
Марка сплава	Форма размер	Т мин, факт	Износ мм	Кст пласт.	Примечание
1	2	3	4	5	6		8	9
1	-	-	-	МС3216	SNUN 120408	5	0,5	1,0
2	810	5	300	ВК20/ВК4+TiC/TiCN+TiN	-"-	-	-	-	сколы
3	830			-"-	-"-		0,4	2,4
4	850		-"-	-"-	12
5	870		200	-"-	-"-	10		2,0
6	900		150	-"-	-"-	6		1,2
7	910	100	-"-	-"-	5	1,0
8	-	-	-	MC3215	-"-	5	0,4	1,0
9	850	5	300	BK20/BK4+TiC/TiCN+TiN	-"-	35	0,4	7,0	токарн покр.
10	-"-	2	50	BK20/BK4+TiC/TiCN+TiN	-"-	5	0,5	1,0	фрезер. покр.
11	-"-	4	220		-"-	10,2	0,4	2,04
12	-"-	6	300		-"-	12	0,4	2,4
13	-"-	8	300	-"-	12	0,4	2,4

Пластины с градиентной структурой показали результаты в 2,4 раза выше относительно пластин стандартного сплава при фрезеровании и в 7 раз выше, при испытании резанием.

Условия механической обработки подбирались таким образом, чтобы стойкость пластины из исходного сплава ВК 6 с покрытием составляла 5 мин при износе по задней грани (h₃) 0,5 мм.

Способ изготовления твердосплавных сменных многогранных пластин, включающий прессование смеси порошков тугоплавких соединений и кобальта, предварительное спекание, поверхностное легирование, окончательное спекание и нанесение износостойкого покрытия, отличающийся тем, что предварительное спекание проводят при температуре 830-900°С, а поверхностное легирование осуществляют пропиткой суспензией из смеси спирта и глицерина в соотношении 2:1 и порошка низкокобальтового твердого сплава в ультразвуковом поле в течение 4-8 мин.