твердый сплав (варианты) и способ его получения

Формула изобретения

1. Твердый сплав на основе тугоплавкого соединения титана, содержащий металлическую связку, отличающийся тем, что в качестве тугоплавкого соединения титана он содержит карбонитрид титана состава TiC_xN_y, где 0,45 x 0,98, 0,02 y 0,55, при x + y = 1, а в качестве металлической связки он содержит никель-молибден при отношении Ni/Mo = 1/6 в количестве 9 - 12 об.% от общего.

2. Твердый сплав на основе тугоплавкого соединения титана, содержащий металлическую связку, отличающийся тем, что в качестве тугоплавкого соединения титана он содержит оксикарбонитрид титана состава TiC_xN_yO_z, где 0,28 х 0,96; 0,03 y 0,63; 0,01 z 0,09 при х + y + z = 1, а в качестве металлической связки он содержит никель-молибден при отношении Ni/Mo = 1/6 в количестве 9 - 12 об.% от общего.

3. Твердый сплав на основе тугоплавкого соединения титана, содержащий металлическую связку, отличающийся тем, что в качестве тугоплавкого соединения титана он содержит оксикарбонитрид титана состава Ti_1-mMe_mC_xN_yO_z, где Me - Zr, V; 0,1 m 0,3; 0,45 x 0,53; 0,37 y 0,49; 0,06 z 0,1 при x + y + z = 1, а в качестве металлической связки он содержит никель-молибден при отношении Ni/Mo = 1/6 в количестве 9 - 12 об.% от общего.

4. Способ изготовления твердого сплава на основе тугоплавкого соединения титана, включающий смешивание исходных порошков тугоплавкого соединения и металлической связки, размол смеси, брикетирование и спекание, отличающийся тем, что исходную смесь подвергают размолу до дисперсности частиц 2 - 3 к, а спекание ведут со скоростью нагрева и охлаждения, равной 16 - 18^o/мин при давлении (2 - 5) 10^-1 мм рт.ст.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным твердым сплавам, и может быть использовано в различных областях промышленности, например для изготовления универсального режущего инструмента, абразивных шлифпорошков, мерительного инструмента и т.п.

Известен твердый сплав на основе карбонитрида титана состава TiC_xN_y, где x=0,45 - 0,55; y=0,41 - 0,55 при x+y = 0,95 - 1,0; содержащий в качестве металлической связки 9,5 - 49,0 вес.% никеля и 2,5 - 20,5 вес.% молибдена (а. с. СССР N 609338, кл. C 22 C 29/00, 1978 г.). Известный сплав обладает удовлетворительными физико-механическими характеристиками: твердость HRA 90 - 92, прочность при изгибе 115 - 156 кг/мм², но недостаточно высокой износостойкостью. Так, при резании стали ШХ15 величина износа 0,32 - 0,44 мм при скорости резания 250 - 420 м/мин.

Известен твердый сплав на основе тугоплавкого соединения титана состава TiC_xN_yO_z; где x= 0,2 - 0,8; y= 0,2 - 0,8; z=0,01 - 0,4 при x+y+z=1, содержащий в качестве металлической связки 9 - 49 вес.% никеля и 2,5 - 20,5 вес.% молибдена (а.с. СССР N 509086, кл. C 22 C 29/00, 1975 г.).

Известный твердый сплав обладает удовлетворительными физико-механическими характеристиками: твердость 88 - 92 HRA, прочность при изгибе 100 - 150 кг/мм² и повышенной износостойкостью, в 3 раза выше по сравнению с твердым сплавом на основе карбонитрида титана. Однако этот сплав имеет ограниченную область применения и может быть использован только для чистовой и получистовой обработки черных металлов, сталей и чугунов.

Для изготовления известного сплава исходные порошкообразные компоненты, взятые в необходимом количестве, смешивают с одновременным измельчением до дисперсности 0,5 - 2 к, затем прессуют и спекают в вакууме 10^-1 - 10^-2 мм рт.ст. при температуре 1400 - 1500^oC.

Таким образом, перед авторами стояла задача разобрать универсальный твердый сплав, который сочетал бы в себе как высокий уровень физико-механических свойств, так и повышенную износостойкость и мог бы быть использован для чистовой, получистовой и черновой обработки не только сталей и чугунов, но и цветных металлов (медь, никель), а также дерева и пластмасс.

При этом желательно сокращение расхода дефицитных исходных дорогостоящих материалов.

Поставленная задача решена путем использования твердого сплава на основе тугоплавкого соединения титана, содержащего металлическую связку, которой в качестве тугоплавкого соединения титана содержит карбонитрид титана состава TiC_xN_y, где 0,45x0,98; 0,02y0,55 при x+y=1, а в качестве металлической связки - никель-молибден при отношении Ni/Mo=1/6 в количестве 9 - 12 об.% от общего.

Также поставленная задача решена путем использования твердого сплава на основе тугоплавкого соединения титана, содержащего металлическую связку, который в качестве тугоплавкого соединения титана содержит оксикарбонитрид титана состава TiC_xN_yO_z, где 0,28x0,96; 0,03y0,63; 0,01z0,09 при x+y+z= 1, а в качестве металлической связки - никель-молибден при отношении Ni/Mo= 1/6 в количестве 9 - 12 об% от общего.

Также поставленная задача решена путем использования твердого сплава на основе тугоплавкого соединения титана, содержащего металлическую связку, который в качестве тугоплавкого соединения титана содержит оксикарбонитрид титана состава Ti_1-mMe_mC_xN_yO_z, где Me - Zr, V; 0,1m0,3; 0,45x0,53; 0,37y0,49; 0,06z0,1 при x+y+z=1, а в качестве металлической связки - никель-молибден при отношении Ni/Mo=1/6 в количестве 9 - 12 об.% от общего.

Поставленная задача также решена в способе изготовления твердого сплава на основе тугоплавкого соединения титана, включающем смешивание исходных порошков соединения и металлической связки, размол смеси, брикетирование и спекание, в котором исходную смесь подвергают размолу до дисперсии подвергают разлому до дисперсии 2 - 3 к, а спекание ведут со скоростью нагрева и охлаждения равной 16 - 18 ^o/мин при давлении (2 - 5)10^-1 мм рт.ст.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен твердый сплав, на основе тугоплавкого соединения титана с Ni - Mo связующей фазой, имеющий соотношение между никелем и молибденом и между основой и металлической связкой в предлагаемых пределах.

Предлагаемый сплав может быть получен следующим образом.

Порошкообразный карбонитрид или оксикарбонитрид или легированный оксикарбонитрид смешивают с порошками металлических никеля и молибдена при определенном их соотношении, взятом в количестве, необходимом для получения предлагаемого соотношения сплава. Полученную смесь подвергают размолу в среде этилового спирта в мельнице, футерованной твердым сплавом, в течение 60 - 84 ч до дисперсии 2 - 3к.

Затем смесь сушат, замешивают с пластификатором (5%-ный раствор синтетического каучука в бензине), снова сушат, гранулируют и прессуют в изделия требуемой формы. После этого спекают в вакуумной печи при давлении (2 - 5)10^-1 и температуре 1500 - 1600^oC в течение 0,5 - 1 ч со скоростью нагрева и охлаждения 16 - 18^o/мин.

Уровень свойств спеченных изделий оценивают путем определения плотности (Д), твердости по Роквеллу (HRA), предела на изгиб (_и), объемной пористости (П) и коэффициента стойкости (к_ст) по сравнению с эталонным сплавом на основе карбида вольфрама марки Т14К8.

Предлагаемый спеченный сплав обладает высокими эксплуатационными характеристиками, которые не уступают, а в ряде случаев превосходят уровень характеристик известного сплава. Так, твердость по Роквеллу 91,0 - 92,5 HRA, предел прочности на изгиб 150 - 190 кг/мм², коэффициент износостойкости к_ст= 7,9-12,1. Наряду с этим сплав имеет широкую область применения и может быть использован при обработке как сложнолегированных сталей и сплавов, так и цветных металлов (никель, медь), пластмасс и дерева.

Сокращение количества металлической связки в его составе не оказывает отрицательного влияния на прочностно-пластические свойства сплава, но ведет к сокращению расхода дефицитного сырья.

Необходимо отметить, что высокий уровень эксплуатационных характеристик сплава обеспечивается как составом самого сплава (состав основы, соотношение между основой и металлической связкой, соотношение компонентов связки никель-молибден), так и совокупностью технологических приемов, а именно дисперсностью исходной шихты в заданных пределах, а также определенной скоростью нагрева и охлаждения компонентов сплава во время спекания.

Так, уровень свойств сплава, основа которого имеет состав TiC_xN_y, сохраняется при изменении соотношения углерода и азота в пределах 0,45x 0,98; 0,02y0,55.

При более высоком содержании углерода (x>0,98; y<0,002) появляется фаза Mo₂C, охрупчивающая сплав.

Содержание связующих металлов может изменяться от 9 до 12 об.% от общего. При уменьшении содержания связки менее 9 об.% повышается износостойкость сплава, однако появляется избыточная пористость и прочность сплава снижается. При увеличении ее количества более 12 об.% резко снижается износостойкость сплава. В качестве связки используют никель-молибден при их соотношении 1/6. При уменьшении этого соотношения связка становится многофазной (появляются Ni₃Ti и Mo₂C) и сплав охрупчивается. При увеличении этого соотношения (на 25% и более) снижается износocтойкость сплава и возрастает коэффициент трения по чугуну, сталям и цветным металлам.

Далее уровень свойств сплава, основа которого имеет состав TiC_xN_yO_z, сохраняется при изменении соотношения углерода, азота и кислорода в пределах 0,28x0,96; 0,03y0,63; 0,01z0,09. При более высоком содержании азота или кислорода (y>0,63; z>0,09) появляется избыточная пористость (>0,4%) и прочностно-пластические свойства снижаются. При повышенном содержании углерода (x>0,96) появляется избыточная фаза Mo₂C, охрупчивающая сплав.

Содержание связующих металлов может изменяться от 9 до 12 об.% от общего. При уменьшении содержания связки менее 9% резко возрастает пористость сплава (>1%) и катастрофически (в 2 раза) снижается прочность сплава. При увеличении ее количества более 12 об.% снижается износостойкость сплава.

Далее уровень свойств сплава, основа которого имеет состав Ti_1-mMe_mC_xN_yO_z, сохраняется при изменении соотношения легирующего металла, углерода, азота и кислорода в пределах 0,1m0,3; 0,45x0,53; 037y0,49; 0,06z0,1.

При уменьшении содержания легирующего металла (m<0,1) наблюдается снижение износостойкости инструмента из-за возрастания коэффициента трения.

Превышение содержания легирующего металла выше указанного предела (m>0,3) ведет к выделению интерметаллидов (Zr₂Mo и V₃Ni), охрупчивающих сплавов.

При более высоком содержании азота или кислорода (y> 0,49; z> 0,1) наблюдается увеличение пористости (>0,5%) и снижение прочностных характеристик.

При повышении содержания углерода (x>0,53) выделяется карбид молибдена Mo₂C, охрупчивающий сплав.

Размол исходной шихты до определенной дисперсности, а также определенные скорости нагрева и охлаждения компонентов сплава при спекании оказывают весьма существенное влияние на свойства сплава. Так, при размере частиц исходной шихты менее 2 к нарушается однородность микроструктуры, снижается прочность сплава и резко возрастает (до 100%) разброс свойств. При размере частиц исходной шихты более 3 к все механические свойства сплава ухудшаются на 20 - 50%.

При скорости нагрева и охлаждения сплава и процессе спекания меньше 16 ^o/мин наблюдается локальный рост зерен и снижение прочности сплава.

При скорости нагрева и охлаждения сплава в процессе спекания более 18 ^o/мин его режущие свойства становятся нестабильными и наблюдаются сколы при резании.

Предлагаемый сплав получают следующим образом.

Порошок карбонитрида (оксикарбонитрида) титана смешивают с порошком никеля и молибдена в заявляемом соотношении. Полученную смесь подвергают размолу в среде этилового спирта в мельнице, футерованной твердым сплавом, в течение 60 - 84 ч до дисперсности частиц 2 - 3 к. Затем смесь сушат, замешивают с пластификатором (5%-ный раствор синтетического каучука в бензине), снова сушат, гранулируют и прессуют в изделия требуемой формы. Полученные изделия спекают в вакууме (2 - 5)10^-1 мм рт.ст. при температуре 1500 - 1600^oC в течение 0,5 - 1 ч, при этом скорость нагрева и охлаждения изделий составляет 16 - 18^o/мин.

Уровень свойств спеченных изделий оценивают путем определения плотности (Д), твердости по Роквеллу (HRA), предела прочности на изгиб (_и), объемной пористости (П), коэффициента стойкости при резании (к_ст). Коэффициент стойкости при резании определяют по сравнению с эталонным сплавом на основе карбида вольфрама марки Т14К8.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 83,9 г карбонитрида титана состава TiC_0,45N_0,55, никеля 2,3 г, молибдена 13,8 г (отношение Ni/Mo=1/6, содержание металлической связки 9 об.% от общего). Смешивают и подвергают размолу в среде этилового спирта в мельнице, футерованной твердым сплавом, в течение 60 ч до дисперсности частиц 2 - 3 к. Затем смесь сушат, замешивают с пластификатором (5%-ный раствор синтетического каучука в бензине), снова сушат, гранулируют, прессуют под давлением 1500 кг/см² в изделия требуемой формы. Затем заготовки спекают в вакууме 210^-1 мм рт.ст. при температуре 1600^oC в течение 0,5 ч со скоростью нагрева и охлаждения, равной 16^o/мин.

Полученный сплав имеет _и = 150 кг/мм², твердость 92,5 HRA, к_ст=11,0.

Пример 2. Берут 78,3 г карбонитрида титана состава TiC_0,98N_0,02, никеля 3,1 г, молибдена 18,6 г (отношение Ni/Mo=1/6, содержание металлической связки 12 об. % от общего). Смешивают и подвергают размолу в среде этилового спирта в мельнице, футерованной твердым сплавом, в течение 84 ч до дисперсности частиц 2 - 3 к. Затем смесь сушат, замешивают с пластификатором (5%-ный раствор синтетического каучука в бензине), снова сушат, гранулируют, прессуют под давлением 1500 кг/см² в изделия требуемой формы. Затем заготовки спекают в вакууме 510^-1 мм рт.ст. при температуре 1500^oC в течение 1 ч со скоростью нагрева и охлаждения 18^o/мин.

Полученный сплав имеет _и=190 кг/мм², твердость 91 HRA, к_ст=7,9.

Пример 3. Берут 83,9 г оксикарбонитрида титана состава TiC_0,25N_0,63O_0,09, никеля 2,3 г, молибдена 13,8 г (соотношение Ni/Mo=1/6, содержание металлической связки 9 об.% от общего).

Проводят операции, аналогичные приведенным в примере 1.

Полученный сплав имеет _и=156 кг/мм², твердость 92,0 HRA, к_ст=11,5.

Пример 4. Берут 78,3 г оксикарбонитрида титана состава TiC_0,96N_0,03O_0,01, никеля 3,1 г, молибдена 18,6 г (соотношение Ni/Mo=1/6, содержание металлической связки 12 об.% от общего).

Проводят операции, аналогичные приведенным в примере 2.

Полученный сплав имеет _и=178 кг/мм², твердость 91,5 HRA, к_ст=8,5.

Пример 5. Берут 84,6 г оксикарбонитрида титана состава Ti_0,9Zr_0,1C_0,45N_0,49O_0,06, никеля 2,2 г, молибдена (соотношение Ni/Mo=1/6, содержание металлической связки 9 об.% от общего).

Проводят операции, аналогичные приведенным в примере 1.

Полученный сплав имеет _и=164 кг/мм², твердость 92,0 HRA, к_ст=12,1.

Пример 6. Берут 79,0 г оксикарбонитрида титана состава Ti_0,7V_0,3C_0,53N_0,37O_0,1, никеля 3,0 г, молибдена 18,0 г (соотношение Ni/Mo= 1/6, содержание металлической связки 12 об.% от общего).

Проводят операции, аналогичные примеру 2.

Полученный сплав имеет _и=182 кг/мм², твердость 91,0 HRA, к_ст=9,6.

Таким образом, предлагаемый твердый сплав является универсальным, сочетая в себе одновременно высокий уровень физико-механических свойств и повышенную износостойкость, и может быть использован для обработки широкого круга различных материалов (от чугуна и стали до цветных металлов, пластмассы и дерева).