спеченный твердый сплав на основе карбонитрида тугоплавкого металла

Классы МПК:	C22C29/04 на основе карбонитридов
Автор(ы):	Зинченко К.А., Лютиков А.Р., Киянский И.А., Дунай О.А.
Патентообладатель(и):	Зинченко Константин Антонович
Приоритеты:	подача заявки: 1991-03-13 публикация патента: 25.07.1995

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным твердым сплавам для изготовления металлорежущего инструмента и износостойких деталей. Цель: повышение эксплуатационной стойкости режущего инструмента, изготовленного из твердого сплава, при черновом точении. Сплав содержит, мас. 1,2 13,6 Ni; 4,5 24,8 Co; 0,005 3,2 Mo; 0,01 14,7 W; 2,3 30,8 сложного карбонитрида W_xMo_yTi_zTa_kC_{N и карбонитрид титана остальное, при x 0,28 0,91; y 0,005 0,46; z 0,005 0,077; k 0,008 0,255; d = 0,34-0,995 0,34 0,995; = 0,005-0,66 0,005 0,66; x+y+z 1,0. Сплав имеет следующие механические свойства: _изг 1600 2320 МПа, твердость 89,0 92,8 HRA, a_k= 0,25-0,78 кг/см² Износостойкость K_ст повышается в 1,3 6,8 раз. 1 табл.}

Рисунок 1, Рисунок 2

Формула изобретения

СПЕЧЕННЫЙ ТВЕРДЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ КАРБОНИТРИДА ТУГОПЛАВКОГО МЕТАЛЛА, содержащий никель, кобальт, молибден, вольфрам и сложный карбонитрид вольфрама, молибдена, титана и тантала, отличающийся тем, что он дополнительно содержит карбонитрид титана, а в качестве сложного карбонитрида карбонитрид вольфрама, молибдена, титана, тантала, состава

W_xMo_yTi_zTa_kC_{N,

где x 0,28 0,91;

y 0,005 0,46;

z 0,005 0,077;

k 0,008 0,255;

d = 0,34-0,995;

= 0,005-0,66;

x + y + z 1,0,

при следующем соотношении компонентов, мас.
Никель 1,2 13,6

Кобальт 4,5 24,8

Молибден 0,01 14,7

Вольфрам 0,01 14,7

Сложный карбонитрид состава W_xMo_yTi_zTa_kC_{N 2,3 30,8

Карбонитрид титана Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным твердым сплавам, используемым для изготовления металлорежущего инструмента и износостойких деталей.
Известен спеченный твердый сплав на основе карбонитридов тугоплавких металлов, содержащий никель, кобальт, молибден, твердый раствор карбонитридов вольфрама, молибдена и титана состава W_xMo_yTi_zC_jN_{и твердый раствор карбонитридов титана и молибдена состава Ti_nMo_lC_mN_n, где х=0,5-0,99; y=0,005-0,45; z= 0,005-0,05; j= 0,9-0,99; 0,01-0,1; k=0,85-0,99; l=0,01-0,15; m= 0,5-0,9; n= 0,1-0,5; x+y+z=1,0; j+ 1,0; k+l=1,0; m+n=1,0 при следующем соотношении компонентов, мас. Никель 12,4-22,5 Кобальт 6,5-10,3 Молибден 6,3-10,8

Твердый раствор карбонитридов 2,8-16,6

W_xMo_yTi_zC_jN_{Твердый раствор

карбонитридов Ti_kMo_lC_mN_n остальное (авт. св. СССР N 904338, кл. С 22 С 29/00, 1980).
Известный сплав имеет следующие механические свойства _n=134-178 кг/мм², твердость 88,0-91,5 HRA.
Недостатком известного сплава является его низкие жаропрочность и ударная вязкость, что обусловливает низкую эксплуатационную стойкость режущего инструмента из этого сплава при черновом течении.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является спеченный твердый сплав, содержащий никель, кобальт, молибден, вольфрам и 60-99 мас. сложного карбонитрида (Ti_xMo_y) (C_uN_v)_z, где М молибден и вольфрам, х= 0,4-0,95; y= 0,05-0,60, u= 0,2-0,95, v=0,05-0,80; z=0,8-1,02, причем титан может быть частично замещен цирконием, гафнием, ванадием, танталом или хромом при атомной доле 0,01-0,60.
Известный сплав имеет следующий состав, мас. 4Co, 8Ni, 2Mo, (Ti_0,88Ta_0,05Mo_0,02W_0,05)(C_0,55N_0,55)_0,92 остальное. Известный сплав имеет следующие механические свойства: _n=160-180 кг/мм², твердость HV 1540-1610 кг/мм².
Недостатком данного сплава является недостаточная износостойкость и ударная вязкость, что обуславливает недостаточную эксплуатационную стойкость изготовленного из него режущего инструмента.
Цель изобретения повышение эксплуатационной стойкости режущего инструмента, изготовленного из твердого сплава.
Цель достигается тем, что спеченный твердый сплав на основе карбонитридов тугоплавких металлов, содержащий никель, кобальт, молибден, вольфрам и сложный карбонитрид вольфрама, молибдена, титана и тантала, дополнительно содержит карбонитрид титана, а состав сложного карбонитрида вольфрама, молибдена, титана и тантала описывается общей формулой W_xMo_yTi_zTa_nC_{N, где х= 0,25-0,91; y= 0,0005-0,46; z= 0,005-0,077; k=0,008-0,255, 0,34-0,995; 0,005-0,66, при следующем соотношении компонентов в сплаве, мас. Никель 1,2-13,6 Кобальт 4,5-24,8 Молибден 0,005-3,2 Вольфрам 0,01-14,7

Сложный карбонитрид W_xMo_yTi_zTa_n CN 2,3-30,8 Карбонитрид титана остальное

Введение карбонитрида титана, обладающего большей твердостью, чем сложный карбонитрид, обеспечивает повышение твердости, а следовательно, и повышение износостойкости режущего инструмента.
Сложный карбонитрид W_xMo_yTi_zTa_n CNпредотвращает рост зерна карбонитрида титана при спекании, что обеспечивает получение особомелкозернистой структуры, придающей сплаву высокие износостойкость, прочность и ударную вязкость. При этом сложный карбонитрид должен быть на основе вольфрама и молибдена. Этот карбонитрид обеспечивает высокую пластичность твердой составляющей и снижает краевой угол смачивание твердой составляющей сплавом-связкой, что повышает прочность сплава и его ударную вязкость.
Предлагаемый сплав получают следующим образом.
Из шихты, состоящей из диоксида титана и сажи в заданных соотношениях, термообработкой при 1800-1850^оС в среде спектральночистого азота в течение 3,0-3,5 ч получают карбонитрид титана. Состав карбонитрида титана описывается формулой TiC_mN_n, где m=0,4-0,9; n=0,1-0,6; m+n=1 (предпочтительно m=n= 0,5).
В случае, если m>0,9 (n<0,1), повышается хрупкость карбонитрида, наблюдается интенсивный рост зерна при спекании, что снижает прочность, ударную вязкость и износостойкость сплава.
Если m<0,4 (n>0,6), значительно снижается твердость карбонитра и сплава в целом, а, следовательно, и его износостойкость. Сложный карбонитрид вольфрама, молибдена, титана и тантала получают термообработкой смеси порошков металлов или их оксидов с сажей в атмосфере спектрального азота при 1600-1650^оС в течение 2,0-2,5 ч.
Состав сложного карбонитрида отражается общей формулой W_xMo_yTi_zTa_nC_{N, где х=0,28-0,91; y=0,005-0,46; z=0,005-0,077; k=0,008-0,255; 0,34-0,995; = 0,005-0,66.
При х>0,91 снижается микротвердость сложного карбонитрида и износостойкость твердого сплава. Если х<0,28, уменьшается пластичность карбонитрида, что снижает прочность и ударную вязкость твердого сплава.
При y<0,005 повышается краевой угол смачивания карбонитрида связкой (до 4-6^о), что уменьшает плотность сплава, его прочность.
Если y>0,46, что понижается пластичность сложного карбонитрида, а также прочность и ударная вязкость твердого сплава.
При мольной доле титана z<0,005 при спекании происходит разложение сложного карбонитрида с потерей азота. В результате снижается прочность и ударная вязкость сплава.
Если z>0,077, то повышается хрупкость сложного карбонитрида, уменьшается прочность и ударная вязкость твердого сплава.
Если мольная доля тантала k<0,008, то снижается пластичность сложного карбонитрида, уменьшается прочность и ударная вязкость сплава.
При k>0,255 не происходит дальнейшего роста ударной вязкости сплава, но возрастает расход дефицитного тантала.
Если <0,34 ( >0,66), то карбонитрид теряет стабильность при спекании происходит его деазотирование. В результате снижается прочность и ударная вязкость твердого сплава.
При >0,995 появляется свободный углерод, в результате чего при спекании происходит образование ₁ фазы (двойные карбиды кобальта и вольфрама, никеля и вольфрама). В результате уменьшается прочность и ударная вязкость сплава.
После размола и просева карбонитридов их смешивают при размоле с порошками кобальта, никеля, вольфрама и молибдена в барабанной мельнице с размольными телами в среде спирта до обеспечения удельной поверхности смеси 4-6 м²/г.
В смесь вводят пластификатор и формуют заготовки изделий, например, режущих пластин.
Спекание заготовок ведут в вакууме 10^-1 10^-2 мм рт.ст. при 1400-1450^оС.
Содержание никеля в описанном сплаве должно составлять 1,2-13,6 мас. При содержании никеля менее 1,2 мас. уменьшается прочность сплава из-за увеличения угла смачивания карбонитрида титана сплавом-связкой. Если содержание никеля более 13,6 мас. то уменьшается твердость сплава, т.е. его износостойкость.
Содержание кобальта в сплаве составляет 4,5-24,8 мас. Если его содержание меньше 4,5 мас. снижается прочность сплава, а если больше 24,8 мас. то уменьшается твердость (из-за слишком большого содержания сплава-связки).
Вольфрам повышает жаропрочность связки. При содержании вольфрама менее 0,01 мас. этот эффект отсутствует, а при содержании свыше 14,7 мас. ухудшается спекаемость, обуславливает повышение пористости сплава, и соответственно снижение его прочности и ударной вязкости.
Молибден в составе связки повышает прочность сплава из-за улучшения смачиваемости карбонитридов связкой. При содержании молибдена менее 0,005 мас. этот эффект отсутствует, а содержание выше 3,2 мас. нецелесообразно, так как при этом улучшаются свойства готового сплава.
Содержание сложного карбонитрида W_xMo_yTi_zTa_kC_{N составляет 2,3-30,8 мас. При содержании этого карбонитрида менее 2,3 мас. увеличивается средний размер зерна твердой составляющей в сплаве, т.е. уменьшаются износостойкость, прочность и ударная вязкость. Если содержание сложного карбонитрида выше 30,8 мас. то снижается твердость сплава, т.е. его износостойкость.
П р и м е р. По вышеописанной технологии были изготовлены режущие пластины формы 03114-150412 и штабики с размерами 5х5х35 мм из сплавов различных составов. На штабиках были определены механические свойства сплавов, а режущие пластины были испытаны при течении стали 50 при скорости резания V=130 м/мин и сечении среза sxt=0,5х3 мм²/об. Кроме того, были проведены испытания при фрезеровании стали 50 однозубой фрезой с увеличивающейся подачей.
К_ст определяли как отношение времени резания исследуемой пластиной до износа по задней грани 0,5 мм к времени резания эталонной пластиной (протипа) до такого же износа.
К_пр определяли как отношение "ломающей" подачи при фрезеровании однозубой фрезой и исследуемой пластиной к "ломающей" подаче для прототипа.
Составы сплавов и результаты проведенных испытаний приведены в таблице.
Из данных таблицы следует, что предлагаемый твердый сплав 1-11 обладает более высокой износостойкостью и эксплуатационной прочностью, чем известный 22, т.е. обладает большей эксплуатационной стойкостью. Выход за пределы соотношения компонентов и состава карбонитридов ухудшает свойства сплава.}}}}}}}

Класс C22C29/04 на основе карбонитридов

износостойкий сплав для высоконагруженных узлов трения - патент 2509170 (10.03.2014)
твердый сплав на основе карбонитрида титана - патент 2164542 (27.03.2001)

твердый сплав (варианты) и способ его получения - патент 2133296 (20.07.1999)