Инструмент из твердого сплава, содержащего карбиды вольфрама и титана

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению твердосплавного инструмента для холодной и горячей механической обработки. Может использоваться для изготовления режущего инструмента, бурового инструмента и фильер. Инструмент выполнен из твердого сплава, состоящего из монокарбида вольфрама, карбида титана и цементирующей кобальтовой связки. Приповерхностный слой толщиной 3÷15 мкм содержит 50-99,5 мас.% (Ti, W)C. В приповерхностном слое кристаллическая решетка WC имеет разупорядоченность меньше 1. Кристаллические решетки WC и (Ti, W)C имеют интегральную разупорядоченность (b/a)_Σ меньше 1,3. При этом (b/a)_Σ=(b/a)_(Ti,W)C·C_(Ti,W)C+(b/a)_WC-C_WC, где (b/a)_(Ti,W)C - разупорядоченность кристаллической решетки (Ti, W)C; (b/a)_WC - разупорядоченность кристаллической решетки WC; C_(Ti,W)C - концентрация (Ti, W)C, мас.%; C_WC - концентрация WC, мас.%; b=β₂/β₁; a=tgϑ₂/tgϑ₁; β - физическое уширение дифракционной линии; ϑ - угловое положение центра тяжести дифракционной линии; индексы 1 и 2 соответствуют дифракционным линиям, снятым при малых и больших углах дифракции рентгеновских лучей. Полученный инструмент имеет высокий коэффициент стойкости и, следовательно, увеличенный срок службы. 1 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для холодной и горячей механической обработки различных материалов, преимущественно металлов и их сплавов, и может быть выполнено в виде различного типа резцов, сверл, фрез, бурового инструмента, фильер и т.п.

Известен инструмент, выполненный из твердого сплава на основе карбида титана с железной связкой (карбидостали) [1]. Недостатком известного инструмента является его сравнительно низкая износостойкость, что можно объяснить высокой степенью разупорядоченности кристаллической решетки карбида титана.

Известен инструмент, выполненный из твердого сплава на основе монокарбида вольфрама с кобальтовой связкой [2]. Недостатками известного инструмента являются его малые твердость и износостойкость, что можно объяснить высокой степенью разупорядоченности кристаллической решетки монокарбида вольфрама.

Наиболее близким к заявляемому инструменту является инструмент, выполненный из твердого сплава, состоящего из монокарбида вольфрама, карбида титана и кобальтовой связки и обогащенного в приповерхностном слое толщиной от 3 до 15 мкм фазой (Ti, W)C с концентрацией ее от 50 до 99,5% по массе [3]. Недостатком известного инструмента является сравнительно малый срок службы, что обусловлено высокой степенью разупорядоченности монокарбида вольфрама и высокой степенью интегральной разупорядоченности карбидов вольфрама и титана.

Заявляемое изобретение направлено на увеличение срока службы инструмента не менее чем в 4,5 раза.

Указанный результат достигается тем, что инструмент выполнен из твердого сплава, состоящего из монокарбида вольфрама, карбида титана и цементирующей кобальтовой связки и обогащенного в приповерхностном слое толщиной от 3 до 15 мкм фазой (Ti, W)C с концентрацией ее от 50 до 99,5% по массе, при этом интегральная разупорядоченность (b/а)_Σ кристаллических решеток карбидных фаз - монокарбида вольфрама WC и сложного карбида (Ti, W)C - меньше 1,3, а разупорядоченность (b/а)_WC кристаллической решетки монокарбида вольфрама меньше 1,0, где (b/а)_Σ=(b/а)_(Ti,W)С·C_(Ti,W)C+(b/а)_WC·С_WC, (b/а)_{(Ti, W)C} - разупорядоченность кристаллической решетки сложного карбида (Ti, W)C, C_(Ti,W)C - концентрация сложного карбида (Ti, W)C в массовых процентах, С_WC - концентрация монокарбида вольфрама в массовых процентах, b=β₂/β₁, a=tgϑ₂/tgϑ₁, β - физическое уширение дифракционной линии, ϑ - угловое положение центра тяжести дифракционной линии, индексы 1 и 2 отвечают дифракционным линиям, снятым при малых и больших углах дифракции рентгеновских лучей на исследуемом образце.

Отличительным признаком заявляемого изобретения является выполнение кристаллических решеток карбидных фаз - сложного карбида (Ti, W)C и монокарбида вольфрама WC - с интегральной разупорядоченностью (b/а)_Σ, меньшей 1,3, и выполнение кристаллической решетки монокарбида вольфрама с разупорядоченностью (b/a)_WC, меньшей единицы, где

(b/а)_Σ=(b/a)_(Ti,W)С·C_(Ti,W)C+(b/a)_WC·C_WC, (b/a)_(Ti,W)C - разупорядоченность кристаллической решетки сложного карбида (Ti, W)C, C_(Ti,W)C - концентрация сложного карбида (Ti, W)C в массовых процентах, С_WC - концентрация монокарбида вольфрама в массовых процентах, b=β₂/β₁, a=tgϑ₂/tgϑ₁, β - физическое уширение дифракционной линии, ϑ - угловое положение центра тяжести дифракционной линии, индексы 1 и 2 отвечают дифракционным линиям, снятым при малых и больших углах дифракции рентгеновских лучей на исследуемом образце.

Установлено, что если интегральная разупорядоченность карбидных фаз (Ti, W)C и WC больше 1,3, а разупорядоченность монокабида вольфрама больше 1,0, то увеличение срока службы составляет менее 4,5 раз. Значение интегральной разупорядоченности, меньшее 1,3, а значение разупорядоченности монокарбида вольфрама, меньшее 1,0, обеспечивают достижение заявленного результата.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом и нижеследующим описанием.

Чертеж. Схематическое изображение инструмента. 1 - инструмент, 2 - приповерхностный слой, обогащенный сложным карбидом (Ti, W)C.

На чертеже схематично представлен поперечный разрез твердосплавного инструмента 1, иллюстрирующий расположение обогащенного сложным карбидом (Ti, W)C слоя 2 на его поверхности. Твердосплавный инструмент закрепляется в основании известным образом, образуя устройство, которое в целом может являться резцом, сверлом, фрезой, фильерой, протяжкой и т.п. В частном случае таким основанием может служить зажимной патрон станка, в котором закрепляется твердосплавный инструмент (резец, сверло, развертка, метчик и т.п.).

Работа инструмента не описывается, так как он не содержит движущихся узлов и деталей.

Обогащенный сложным карбидом (Ti, W)C приповерхностный слой инструмента создается термообработкой. Готовое изделие из твердого сплава, получаемое известными методами порошковой металлургии, подвергают нагреву до подбираемой экспериментально температуры, превышающей температуру стационарного спекания изделия в присутствии жидкой фазы [4] (высокотемпературная обработка (ВТО)). Время выдержки при подобранных температурах также подбирается экспериментально. Уменьшение интегральной разупорядоченности монокарбида вольфрама и сложного карбида титана и вольфрама до значений, меньших 1,3, и уменьшение разупорядоченности монокарбида вольфрама до значений, меньших 1,0, происходят вследствие радиационно-термической обработки. Под радиационно-термической обработкой мы понимаем предварительное воздействие на изделие радиационной обработки и последующий нагрев его до высоких температур. Степень разупорядоченности монокарбида вольфрама и сложного карбида (Ti, W)C регистрируется методом рентгеновской дифрактометрии.

Твердосплавный инструмент с уменьшенными значениями интегральной разупорядоченности монокарбида вольфрама WC и сложного карбида (Ti, W)C и разупорядоченности монокарбида вольфрама закрепляется в основании известными методами и полученное устройство для обработки материалов (инструмент, оснастка) используется по назначению.

Проверка достижения заявленного технического результата осуществлялась следующим образом. После радиационно-термической и высокотемпературной обработок пластины из твердого сплава Т15К6 (состав в массовых процентах: WC - 79, TiC - 15, Со - 6) исследовались методом рентгеновской дифрактометрии [5]. Для исследования монокарбида вольфрама WC использовались линии 10.1 (ϑ₁=24,39 угл. град.) и 11.2 (ϑ₂=49,42 угл. град.), для исследования сложного карбида (Ti, W)C использовались линии 200 (ϑ₁=21,01 угл. град.) и 400 (ϑ₂=45,60 угл. град). Значения углов ϑ₁ и ϑ₂ приведены для применявшегося для исследования излучения CuKα. После рентгеновских исследований пластины Т15К6 использовались для изготовления резцов для токарной обработки.

Производственные испытания с целью определения срока службы резцов осуществлялись на СП "Пигма-Kennametal". Испытания опытной партии неперетачиваемых режущих пластин KNUX 190810 из твердого сплава Т15К6 производства КЗТС проведены на токарно-винторезном станке с ЧПУ модели 16К20Ф3. Обрабатывались различные детали для горного инструмента, изготовленные из стали 30ХГСА. Режимы резания: скорость резания V=90 м/мин, глубина резания t=3 мм, подача S=0,3 мм/об.

Результаты рентгеновских измерений представлены в таблице 1, а результаты производственных испытаний - в таблице 2. В таблице 3 сопоставлены результаты рентгеновских измерений и производственных испытаний.

Из табл.1 следует, что основной вклад в интегральную разупорядоченность (b/a)_Σ вносит разупорядоченность сложного карбида (Ti, W)C как вследствие ее большей величины по сравнению с разупорядоченностью монокарбида вольфрама, так и почти на порядок большей концентрацией (Ti, W)C (82,8÷89,2 мас.% по сравнению с 8,5÷12,4 мас.%). Из табл.1 следует также, что у всех пластин, прошедших только высокотемпературную обработку, значение разупорядоченности монокарбида вольфрама (b/а)_WC>1, а значение интегральной разупорядоченности (b/a)_Σ карбидных фаз - монокарбида вольфрама и сложного карбида (Ti, W)C - больше 1,3. В то же время у пластин, прошедших радиационно-термическую обработку, значения (b/a)_WC<1,0, а значения (b/а)_Σ<1,3.

Из табл.2 вытекает, что время работоспособности термообработанных пластин колеблется в широких пределах, изменяясь от 114 до 858 мин, что меньше и больше времени работоспособности базовой пластины, равного 213 мин. Время работоспособности пластины, подвергнутой радиационно-термической обработке, существенно превышает верхнее из вышеприведенных значений, составляя 980÷1400 мин.

Наибольший интерес для практических применений представляют данные табл.3, в которой сопоставлены значения интегральной разупорядоченности (b/a)_Σ со значениями коэффициента стойкости термообработанных пластин (K_{СТ BTO}) и коэффициента стойкости пластины, подвергнутой радиационно-термической обработке (К_{CT PTO}) определяемых по формулам

где t_P - время работоспособности базовой пластины, t_{p BTO} - время работоспособности пластины, подвергнутой высокотемпературной обработке (ВТО), t_{p РТО} - время работоспособности пластины, подвергнутой радиационно-термической обработке (РТО).

Из табл.3 очевидно, что чем меньше (b/а)_Σ, тем больше коэффициент стойкости термообработанных пластин. Основной положительный результат заявляемого изобретения состоит в следующем: при значении (b/а)_Σ, меньшем 1,3, и значении (b/а)_WC, меньшем 1,0, значение K_{СТ РТО} больше 4,5.

Итак, при выполнении условий: (b/а)_Σ<1,3 и (b/а)_WC<1,0 среднее значение коэффициента стойкости , т.е. увеличивается более чем в 4,5 раза время работоспособности термообработанной пластины по сравнению с базовой пластиной.

Источники информации

1. Гуревич Ю.Г., Нарва В.К., Фраге Н.П. Карбидостали. М.: Металлургия, 1988. 142 с.

2. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - М.: Металлургия, 1976, 528 с., с.126-205.

3. Устройство для обработки твердых материалов. Пат. РФ на изобретение №2178012 от 10.01.2002 г. Патентообладатель - Научно-исследовательский институт мехеники МГУ им. М.В.Ломоносова. Авторы: Коршунов А.Б., Бажинов А.Н., Рябов В.Н. и др. (Прототип).

4. Способ упрочнения изделий из карбидосодержащих сплавов. Пат. РФ на изобретение №2181643 от 27.04.2002 г. Патентообладатель - Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В.Ломоносова. Авторы: Коршунов А.Б., Бажинов А.Н., Рябов В.Н. и др.

5. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографичесий и электронно-оптический анализ. Учебное пособие для вузов. Изд.4-е, перераб. и доп. - М.: МИСиС, 2002. - 360 с.

Таблица 1 Результаты рентгеновских измерений пластин KNUX 190810 из твердого сплава Т15К6 производства КЗТС после радиационной и высокотемпературной обработок
№ пл-ны	Обработка	(b/а)(Ti,W)C	C(Ti,W)C, мас.%	(b/a)WC	CWC, мас.%	(b/а)Σ=(b/а)(Ti,W)C·С(Ti,W)C+(b/a)WC·СWC
1	РТО	1,229	82,8	0,995	12,4	1,141
2	РТО	1,366	86,3	0,987	10,2	1,280
3	ВТО	1,550	86,5	1,055	10,6	1,457
4	ВТО	1,936	85,2	1,262	11,0	1,788
5	ВТО	1,992	84,2	1,152	12,4	1,820
6	ВТО	2,107	85,7	1,242	11,3	1,946
7	ВТО	2,128	88,6	1,365	8,6	2.003
8	ВТО	2,208	86,5	1,109	10,6	2,027
9	ВТО	1,998	85,7	1,124	10,3	1,828
10	ВТО	1,992	85,0	1,159	11,7	1,829
11	ВТО	1,917	86,3	1,117	10,4	1,771
12	ВТО	2,399	86,0	1,247	10,3	2,192
13	ВТО	2,169	86,8	1,188	9,6	1,997
14	ВТО	2,091	89,2	1,277	8,5	1,974

Инструмент для механической обработки, выполненный из твердого сплава, состоящего из монокарбида вольфрама, карбида титана и цементирующей кобальтовой связки, и имеющий приповерхностный слой, содержащий сложный карбид (Ti, W)C в концентрации 50-99,5 мас.% толщиной 3÷15 мкм, отличающийся тем, что в приповерхностном слое кристаллическая решетка монокарбида вольфрама имеет разупорядоченность (b/a)_WC меньше 1, а интегральная разупорядоченность (b/a)_Σ кристаллических решеток монокарбида вольфрама и сложного карбида меньше 1,3 и определяется по формуле

(b/a)_Σ=(b/a)_(Ti,W)C·C_(Ti,W)C+(b/a)_WC·C_WC,

где (b/a)_(Ti,W)C - разупорядоченность кристаллической решетки сложного карбида (Ti, W)C;

(b/a)_WC - разупорядоченность кристаллической решетки монокарбида вольфрама WC;

C_{(Ti, W)C} - концентрация сложного карбида (Ti, W)C, мас.%;

C_WC - концентрация монокарбида вольфрама WC, мас.%;

b=β₂/β_l;

a=tgϑ₂/tgϑ₁;

β - физическое уширение дифракционной линии;

ϑ - угловое положение центра тяжести дифракционной линии;

индексы 1 и 2 соответствуют дифракционным линиям, снятым при малых и больших углах дифракции рентгеновских лучей.