способ получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора или синтетического алмаза для режущего инструмента

Формула изобретения

Способ получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора или синтетического алмаза для режущего инструмента, включающий размещение твердосплавной шихты в пресс-форме, прессование, предварительное спекание в водородной печи, нанесение покрытия из титана или нитрида титана, последующее размещение материала режущего слоя из кубического нитрида бора или синтетического алмаза и спекание в камере высокого давления, отличающийся тем, что предварительное спекание в водородной печи исходной твердосплавной шихты проводят при температуре 1150°C, а покрытие из титана или нитрида титана толщиной 3-5 мкм наносят на полуспеченную подложку, на поверхности которой размещают переходный слой из порошков материала подложки и режущего слоя в соотношении 1:1, размер зерен которых в 3 раза больше размера зерна материала подложки и режущего слоя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к получению сверхтвердых композиционных материалов, которые предназначены для применения в производстве для оснащения лезвийных инструментов, работающих в условиях непрерывного и прерывистого (с ударом) резания закаленных сталей, чугунов, твердых сплавов и других труднообрабатываемых материалов.

Известен способ получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора для режущего инструмента, включающий размещение порошка кубического нитрида бора на подложке из твердого сплава, горячее прессование под давлением 40-60 кбар, соответствующее термодинамической устойчивости кубического нитрида бора, и нагрев до 1400-1700°C, выдержку под давлением с последующим снижением давления до атмосферного и извлечение заготовки. Толщина подложки не превышает 0,25 толщины композиционного материала. Перед горячим прессованием в нижней части графитового нагревателя помещают предварительно спрессованную таблетку из шихты рабочего слоя материала, а сверху на таблетку насыпают порошкообразный твердый сплав зернистостью до 315 мкм, в качестве материала подложки выбирают твердый сплав на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой. (Патент России № 2185930, МПК⁷ B22F 7/02, B22F 3/14, опубл. 27.07.2002 г.).

Недостатком данного способа является низкая износостойкость инструмента, обусловленная отсутствием прочной адгезионной связи между материалом подложки и режущего слоя из кубического нитрида бора.

Наиболее близким техническим решением является способ получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора, в котором порошок кубического нитрида бора и/или порошок нитрида бора с покрытием боридом или нитридом титана сначала смачивают в этиловом спирте, гранулируют и подпрессовывают, затем полученный брикет помещают в нагреватель на пластину твердого сплава, сжимают контейнер до давления, соответствующего термодинамической устойчивости кубического нитрида бора, и спекают.(Патент России № 2147972, МПК⁷ B22F 3/14, C04B 35/5831, опубл. 27.04.2000 г.).

Недостатком данного технического решения является получение неоднородных по структуре заготовок, что приводит к большому разбросу их режущих свойств и значительной выбраковке инструмента.

Задачей предложенного технического решения является создание способа получения сверхтвердого композиционного материала для двухслойных пластин режущего инструмента, позволяющего обеспечить прочное соединение между твердосплавной подложкой и режущим слоем пластины и, следовательно, высокие режущие свойства инструмента.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора или синтетического алмаза для режущего инструмента, включающем размещение твердосплавной шихты в пресс-форме, прессование, спекание в водородной печи, нанесение покрытия нитрида титана или титана, размещение на спеченную заготовку материала режущего слоя из кубического нитрида бора или синтетического алмаза и последующее спекание в камере высокого давления, проводят предварительное спекание исходной шихты твердого сплава при температуре 750-1150°C, а покрытие из титана или нитрида титана толщиной 3-5 мкм наносят на предварительно полуспеченную заготовку, а далее на покрытие насыпают переходный слой из шлифпорошков заготовки и режущего слоя в соотношении 1:1, размер зерен которых в 2-4 раза больше размера зерна материала заготовки и режущего слоя.

Предварительное спекание исходной шихты твердого сплава для получения заготовки подложки проводят при температуре 750-1150°C для того, чтобы обеспечить необходимую пористость. При температуре ниже 750°C заготовка подложки не будет достаточно прочной, а при температуре выше 1150°C наносимое покрытие не проникнет в материал подложки на достаточную глубину.

Покрытие из Ti или TiN, наносимое на подложку толщиной 3-5 мкм, обеспечивает полное смачивание зерен промежуточного слоя и зерен подложки, обеспечивая лучшую адгезию порошка нитрида бора с твердосплавной основой. Кроме того, в материале создается своеобразный демпфирующий слой, который в процессе обработки изделий резанием не допускает возникновения сколов вдоль границы твердый сплав - сверхтвердый материал, особенно при операции прерывистого резания. Покрытие толщиной менее 3 мкм недостаточно для полного обволакивания зерен материала промежуточного слоя и зерен материала подложки, что снижает контакт между промежуточным слоем и подложкой. Покрытие толщиной более 5 мкм приводит к проникновению Ti или TiN в режущий слой, создавая неоднородность структуры композита и большой разброс его режущих свойств, что может привести к возникновению сколов при резании.

Переходный слой из шлифпорошков материала заготовки и режущего слоя в соотношении 1:1 и размером зерен в 2-4 раза больше размера зерна материала заготовки и режущего слоя способствует лучшему проникновению Ti или TiN из нанесенного покрытия в переходный слой, улучшается адгезия, тем самым достигается больший контакт между слоями композита в процессе окончательного спекания.

Сверхтвердый композиционный материал на основе кубического нитрида бора или синтетического алмаза изготавливали следующим образом. Твердосплавную шихту, содержащую 92% WC и 8% Со, помещали в пресс-форму и прессовали в изделие, в дальнейшем - подложка. После этого подложку помещали в водородную печь и спекали при температуре 1150°C для получения подложки с плотностью менее 100%. Спеченную таким образом подложку помещали в установку для нанесения покрытия из титана или нитрида титана. В рассматриваемом примере было нанесено покрытие из нитрида титана. Далее подложку с нанесенным на нее покрытием помещали в графитовый нагреватель. На покрытие на торцевой поверхности подложки насыпали смесь порошков материалов подложки и режущего слоя, состоящего из кубического нитрида бора в соотношении 1:1, при этом размер зерна переходного слоя смеси порошков в три раза больше размера зерен исходного материала основы. После этого на переходный слой насыпали порошок для формирования режущего слоя из кубического нитрида бора. Далее изделие спекали в камере высокого давления при температуре 2000°C и давлении 8 ГПа.

Предложенным способом были изготовлены пластины для оснащения режущего инструмента, которые механически крепились на державки. Стойкостные испытания инструмента, изготовленного предлагаемым способом, и стандартных пластин проводили на токарном станке 16К20. Были испытаны резцы в следующих условиях:

обрабатываемый материал - сталь ХВГ (HRC 48-50)

скорость резания - 200 м/мин

подача - 0,15 мм/об

глубина резания - 0,5 мм.

Сравнение стойкости резцов, изготовленных по предлагаемому способу, проводили со стойкостью резцов, оснащенных пластинами «Гексанит-Р». Результаты испытаний представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1
Зависимость стойкости инструмента от толщины покрытия и температуры предварительного спекания подложки
№ п/п	Материал подложки	Температура предварительного спекания, °C	Толщина покрытия, мкм	Коэффиц. вариации стойкости	Коэффиц. стойкости
1	2	3	4	5	6
1	WC-92% Со-8% с покрытием TiN	750	4	0,33	1,85
2	-//-	900	3	0,32	1,9
3	-//-	900	4	0,33	2,0
4	-//-	1150	4	0,32	2,5
5	-//-	1150	5	0,34	3,0
6	-//-	1150	6,5	0,35	2,8, сколы
7	-//-	1200	5	0,35	2,6 сколы

8	WC-92% Co-8% без покрытия	1150	-	0,32	1,6
9	Гексанит-Р	-	-	0,37	1,0

Как видно из таблицы 1, инструмент, оснащенный пластинами, изготовленными по предложенному способу, имеет стойкость в 2,5 раза выше стойкости инструмента, оснащенного стандартными пластинами «Гексанит-Р», а коэффициент вариации снизился в среднем на 20%.

Таблица 2 Зависимость стойкости инструмента от соотношения зерен WC-Co/СИТ в переходном слое при оптимальной температуре предварительного спекания и толщине покрытия TiN
№ п/п	Материал подложки	Соотношение зерен WC-Co к CBN в переходном слое (по массе)	Температура предварительного спекания, °C	Коэффиц. вариации стойкости	Коэффиц. стойкости
1	WC-92% Со-8% с покрытием TiN	1:2	1150	0,35	2,8
2	-//-	1:1	1150	0,34	3,0
3	-//-	2:1	1150	0,35	2,7

Величина зерен твердого сплава и кубического нитрида бора в переходном слое больше зерен твердого сплава подложки и режущего слоя CBN в 3 раза.

Таким образом, примеры, представленные в таблицах 1 и 2, свидетельствуют о достижении поставленной цели.