способ получения композиционного слоистого материала на основе твердого сплава

Формула изобретения

Способ получения композиционного слоистого материала на основе твердого сплава, включающий нанесение на основу из твердого сплава слоев из тугоплавких соединений титана химическим осаждением из газовой фазы, отличающийся тем, что в связку твердого сплава вводят никель и/или железо в количестве 0,1-2,5 мас.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, к способам изготовления композиционных твердосплавных слоистых материалов.

Известен способ получения композиционного слоистого материала, включающий нанесение износостойких поверхностных слоев из тугоплавких соединений титана химическим осаждением из газовой фазы на основу из твердого сплава с кобальтовой связкой [1]

Известный способ характеризуется невысокой производительностью процесса осаждения, а также недостаточно высоким сроком службы режущего инструмента, полученным этим способом.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ получения композиционного слоистого материала, включающий нанесение износостойких поверхностных слоев из тугоплавких соединений титана химическим осаждением из газовой фазы на основу из спеченного твердого сплава со связкой из сплава кобальта и никеля [2] В известном способе предполагается, что кобальт и никель в качестве связки являются техническими эквивалентными (в тексте патента указано, что сплав-основа содержит 7-11 мас. кобальта и/или никеля). Позже было установлено, что эти два металла неэквивалентны, т.к. присутствие никеля в связке твердого сплава основы приводит к образованию интерметаллического соединения никель титан в поверхностном слое из соединений титана (TiC, TiCN, TiN и т.п.) в случае, если этот поверхностный слой наносится химическим осаждением из газовой фазы, содержащей титан (см. напр. K Bartseh, A Leonhordt ets-Deposition of Tix C loyers on TiC hartometal Journal moter. Seiv 22 1987, 3032-3036).

Наличие интерметаллического соединения никель-титан в поверхностном слое композиционного материала делает его неработоспособным в качестве режущего инструмента из-за отслоения и растрескивания поверхностного слоя.

В более поздних известных технических решениях при нанесении поверхностных слоев на основу из твердого сплава, связка которого содержит никель, между поверхностным слоем из тугоплавкого соединения титана и основой для предупреждения проникновения никеля в поверхностный слой наносят промежуточный изолирующий слой, например, из карбида или нитрида кремния (см. заявку Японии N 57-192260, кл, С 23 С 11/08, 1982), или используют методы образования поверхностных слоев только за счет титана, содержащегося в сплаве-основе (см. заявку ФРГ N 3247246, кл, С 22 С 29/00, 1983; патент ФРГ N 2435989, кл С 22 С 29/00,1982).

Однако, в первом случае композиционный материал обладает невысоким сроком службы в качестве режущего инструмента из-за недостаточной адгезии поверхностных слоев со сплавом-основой, а во втором срок службы режущего инструмента также невысок из-за недостаточной твердости получаемого поверхностного слоя (см. Коняшин И.Ю. Костиков,В.И. Нарамовский И.В. В сб. Защитные покрытий на металлах, Наукова Думка, 1988, вып.22).

Поэтому в настоящее время композиционные слоистые твердосплавные материалы для режущего инструмента выпускаются только с основой из твердого сплава с чисто кобальтовой (не содержащей никеля) связкой (см. Никерова Л.Ф. "Основные направления развития производства твердых сплавов и керамики в капиталлистических и развивающихся странах" Обзорная информация, серия "Производство твердых сплавов и тугоплавких металлов", вып. 1, М. ЦНИИЭИцветмет, 1987, с. 30-41).

Задача изобретения состоит в обеспечении высокой производительности процесса, а также износостойкости и коррозионной стойкости режущего инструмента.

Для решения поставленной задачи в способе получения композиционного материала на основе твердого сплава, включающем подготовку основы путем введения никеля в кобальтовую связку твердого сплава и последующее нанесение на основу слоев из тугоплавких соединений титана химическим осаждением из газовой фазы предлагается в связку вводить никель и/или железо в количестве 0,1-2,5 мас.

Введение никеля и/или железа в количестве менее 1 мас. не оказывает влияния на производительность процесса, а при введении никеля и/или железа более 2,5 мас. в поверхностном слое появляется интерметаллид Ni-Ti, Ni-Fe-T, Fe-Ti в структурно свободном состоянии, а процесс осаждения переходит в "диффузионную область".

Протекание химической реакции синтеза покрытия настолько ускоряется, что наиболее медленной (лимитирующей стадией) становятся процессы внешнедиффузионного переноса реагентов к поверхности осаждения в результате чего поверхностный слой соединения титана имеет крупнодендритную структуру, на его поверхности появляются "иглы" и "усы", что делает материал неработоспособным в качестве режущего инструмента.

Кроме того, авторами установлено, что при содержании никеля и/или железа в связке твердого сплава-основы в количестве 0,1-2,5 мас. резко уменьшается пористость поверхностного слоя за счет измельчения зерна покрытия. Карбид, нитрид и карбонитрид титана химически инертны в соляной и других минеральных кислотах. Поэтому практически беспористый поверхностный слой из карбида, нитрида и карбонитрида титана обеспечивает хорошую коррозионную стойкость деталям, изготовленным из композиционного материала, в аппаратах химической технологии (клапаны, сопла, патрубки и т.п. детали)).

Таким образом, новое свойство (повышение производительности и коррозионной стойкости) проявляется в узком интервале концентраций никеля и/или железа в связке твердого сплава-основы 0,1-2,5 мас. его появление не вытекает из общего решения (патент Великобритании N 1247831).

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Заготовки неперетачиваемых режущих пластин или других деталей, представляющих собой основу, изготавливают из спеченного твердого сплава со связкой, представляющей собой слав кобальта с 0,1-2,5 мас. никеля и/или железа (твердый сплав изготавливают путем смешивания порошков карбидов вольфрама, титана, тантала (или сложных карбидов), кобальта, никеля и/или железа совместным мокрым размолом, прессованием и спеканием.

После подготовки поверхности (обезуглероживание, виброабразивная обработка и т.п) заготовки загружают в реактор установки нанесения покрытий. Процесс нанесения покрытий состоит из трех стадий: нагрев твердосплавной основы в атмосфере водорода (аргона) до температуры процесса, собственно осаждение поверхностного слоя и охлаждение всего изделия.

Скорость нагрева и охлаждения определяется конструкцией и размерами установки.

Заготовки нагревают в атмосфере водорода или инертного газа до температуры 950-1100^o С и в реактор начинают подавать газовую смесь, содержащую водород, тетрахлорид титана (5 об.), метан (10 об.) и/или азот (10 об.) и выдерживают заготовки в этой атмосфере и температуре в течение 40-60 мин.

В результате на поверхности заготовок осаждается поверхностный слой толщиной 6 мкм из карбида (нитрида и/или карбонитрида) титана. Наличие никеля и/или железа в связке твердого сплава-основы (0,1-2,5 мас.) повышает скорость процесса осаждения соединения титана, очевидно, вследствие их каталитического влияния на реакции, сопровождающие процесс образования соединения - восстановление тетрахлорида титана водородом, пиролиз метана и т.п. Это приводит к повышению производительности процесса. Кроме того, каталитическое воздействие никеля и/или железа на газофазные реакции обеспечивает получение более мелкозернистого поверхностного слоя соединения титана. Это повышает эксплуатационную стойкость режущего инструмента и обеспечивает формирование практически беспористого покрытия.

При этом, полученный мелкозернистый поверхностный слой обладает практически нулевой сквозной пористостью. Это повышает коррозионную стойкость деталей химических аппаратов.

При содержании в связке твердого сплава 0,1-2,5 мас. образования интерметаллида никель и/или железа с титаном в структурно свободном состоянии не наблюдается, поэтому не происходит ухудшения эксплуатационных характеристик композиционного материала и он может быть использован в качестве режущего инструмента.

Примеры.

Порошки карбида вольфрама со средним размером зерна 6 мкм, сложного карбида титана и тантала, кобальта и никеля в необходимых соотношениях смешивали в шаровой барабанной мельнице в спирте при соотношении шары/смесь - 1/3 в течение 48 ч. Сплав содержал 0,01-5,0% Ni, 83% WC, 4% TiC, 3% TaC, остальное Co.

После введения пластификатора (5% р-р каучука в бензине) из смеси при давлении 1000 кг/см² прессовали заготовки многогранных режущих пластин формы 03114-150412 ГОСТ 3882-80.

Заготовки спекали в вакууме при 1300^oC в течение 1 ч.

После обезжиривания и виброабразивной обработки на поверхность заготовок нанесли последовательно расположенные слои карбида титана, карбонитрида титана и нитрида титана методом химического осаждения из паро-газовой фазы. Толщина покрытия во всех случаях 6 мкм. В случае покрытия TiC TiCN TiN толщина слоя TiC- 2 мкм, общая толщина 6 мкм.

Полученные режущие пластины были испытаны при течении стали 50 при скорости резания V 100 м/мин, сечении среза S 0,2 мм/об.

Были измерены также пористость поверхностного слоя и скорость коррозии в растворах HCI.

Коэффициент стойкости определяли как отношение времени резания пластиной, полученной по предлагаемому способу, к времени резания эталонной пластиной, в качестве которой использована пластина по способу-прототипу (критерий износа h₃ 0,5 мм).

Использование предлагаемого способа позволяет повысить скорость роста покрытия не менее, чем в 1,5 раза (в сравнении со сплавом, не содержащим Ni, Fe), что позволяет повысить производительность процесса в 1,3 раза.

Коэффициент стойкости полученных пластин также повышается в 1,5 раза за счет уменьшения размера зерна TiC в поверхностном слое.

Пористость поверхностного слоя у материала, полученного предлагаемым способом, уменьшается более, чем в 10 раз. Это увеличивает коррозионную стойкость изделий в 50 раз. Выход за заявленные пределы содержания никеля (менее 0,1% и более 2,5% ) сплава-основы либо снижает производительность процесса до уровня сплава, не содержащего Ni или Fe, либо делает полученную пластину непригодной для использования Кст 1,0 поверхностный слой отслаивается при контакте инструмента с обрабатываемой деталью. В этом случае также резко возрастает пористость поверхностного слоя, вызывающая увеличение скорости коррозии.