Керамика горячего прессования для режущего инструмента
Изобретение относится к области получения высокотвердых керамических материалов для режзпдего инструмента. С целью повышения износостойкости инструмента смесь, содержащую 10-80 об.% нитрида бора кубической или вюртцитной модификации с размером частиц 10 мкм и 20-90 об.% тугоплавкого карбида и/или нитрида, или бор1еда, или силицида переходного металла из группы Ti, Zr, Hf, V, Nb, W, Та, подвергают горячему прессованию. При этом карбид и/или нитрид переходного металла имеет состав MeAif+x где Меметалл;А- углерод и/или азот, ,97. При использовании температуры 1400- и давления 55-60 кбар получают материал твердостью 3400-6000 кг/мм. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 ил. СО оо о оо CD 00 О4
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
Ш 4 С 04 В 35/58
Я
ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ ц„
Lfl7 °
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2557750/29-33 (22) 20.12.77 (31) 51-154570 (32) 21 12.76 (33) JP (46) 30. 04. 87. Вюл. Ф 16 (71) Сумитомо Электрик Индастриз Лтд (ЗР) (72) Акио Хара и Судэи Яэу (JP) (53) 666.798.2 (088.8) (56) Патент США У 3767371, кл. 51-307, опублик. 1973. (54) КЕРАМИКА ГОРЯЧЕГО ПРЕССОВАНИЯ
ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА (57) Изобретение относится к области получения высокотвердых керамических.Я0 „„1308193 А 3 материалов для режущего инструмента.
С целью повышения износостойкости инструмента смесь, содержащую 10-80 об.% нитрида бора кубической или вюртцитной модификации с размером частиц
410 мкм и 20-90 об.% тугоплавкого карбида и/или нитрида, или бориде, или силицида переходного металла из группы Ti, Zr, Hf, Ч, Nb, W, Ta, подвергают горячему прессованию. При этом карбид и/или нитрид переходного металла имеет состав МеА +, где Меметалл;А- углерод и/или азот, 1+х 0,97.
При использовании температуры 14001600 С и давления 55-60 кбар получают материал твердостью 3400-6000 кг/мм <. ф т
1 з.п. ф-лы, 3 табл,, 3 ил.
1308193
1
Изобретение относится к области получения высокотвердых керамических материалов для режущего инструмента.
Известен керамический материал на основе карбида бора кубической модификации и 30 -ного карбида жаропрочного металла (титана, тантала, вольфрама или их смеси) с металлическим связующим материалом, причем размер частиц нитрида бора превышает 80 мкм.
Материал имеет структуру, сложенную относительно крупными зернами нитрида бора, непосредственно связанными друг с другом.
Материал при его использовании в качестве режущего инструмента не обладает достаточной стойкостью при резании высокозакаленной стали.
Целью изобретения является повышение износостойкости.
Поставленная цель достигается за счет того, что керамика горячего прес1 сования для режущего инструмента, содержащая нитрид бора кубической или вюртцитной модификации и тугоплавкий карбид и/или нитрид, или борид, или силицид переходного металла из группы: Ti, Ег, Hf, V, Nb, Та, И, содержит нитрид бора с размером час. тиц Ы0 мкм, диспергированный в матрице тугоплавкого карбида и/или нитрида, или борида, или силицида указанного переходного металла при следующем соотношении компонентов, об. :
Нитрид бора с размером частиц 410 мкм 10-80
Тугоплавкий карбид и/или нитрид, или борид, или силицид переходного металла из группы: Ti Zr Hf V, Nb, Та, W 20-90
Кроме того, она содержит карбид и/или нитрид переходного металла состава где Me — переходный металл;
А - С и/или N 1+х «й0,97.
Для того, чтобы придать керамике горячей прессовки на основе кубического BN свойства, нужные для инструмента механической обработки,. например для режущего инструмента, необходимым связывающий материал, обладающий более высокой теплопроводностью, теплостойкостью, твердостью, сопротивлением к истиранию, вязкостью, антиреакционностью к обрабатываемой детали, чем указанные известные связующие металлы, такие как кольбат.
В изобретении в .качестве связующих материалов, удовлетворяющих укаэанным требованиям, выбраны карбиды, нитриды, карбонитриды, бориды и силициды металлов переходных групп ТУа
10 (Ti, Zr, Hf,), Ча (Ч, Nb, Та, W) периодической таблицы, их смеси, а так" же соединения их твердых растворов.
Эти соединения обладают главным образом высокими значениями твердости, 15 те ературы сварки и те проводноти, близкой по величине к теплопроводности металлов.
Установлено, что нижний предел содержания кубического (вюртцитного)
BN составляет 10 . При меньшем его содержании керамика не проявляет в инструменте свойств, присущих кубическому ВЙ; при содержании последнего более 80 невозможно получить ма.териал требуемой структуры.
При использовании, например, нитридов состава MeN <+ < (где Me — Ti, Ег, Hf, V, Nb, Та, М, а х означает существование либо вакансии, либо лишнего атома) найдено, что некоторые нитриды со значением х в ограниченном диапазоне (х (0,97) проявляют лучпгую степень спекания. Тонкий порошок из частиц BN в несколько микрон или еще меньше содержит сравнительно большое количество кислорода, большая часть которого обычно присутствует в виде гидроокиси или т.п, При нагревании этого гидроокисного соединения оно расщепляется с образованием газов. Если материал, подвергаемый спеканию, не полностью уплотнен, то удалить газы из системы не трудно.
Однако при спекании под сверхвысокими давлениями, как в изобретении, невозможно удалить газы из системы. В этом случае обычно предварительно обезгаживают материал, как известно по порошковой металлургии. Однако, если при обезгаживании нельзя использовать высокие температуры, как в этом случае, то возникает проблема.
Таким образом, температуры нагрева ограничены из-за реконверсии кубического HN в форму низкого давления нитрида бора..
Процесс обезгаживания тонкого порошка осуществляют следующим образом.
3 13081
Сначала удаляют при низких температурах физически адсорбированные газ и воду. Затем отщепляют химически ацсорбированные газ и гидраты окисей. Наконец остаются окислы. В силу того, что кубический BN стабилен при температурах ниже 1000 С, его можно предварительно нагреть хотя бы до этой точки. Поэтому, если предварительная обезгаживаюшэя обработка 10 проведена, оставшиеся газовые компоненты находятся в виде окислов. Однако в силу того, что нужно, чтобы прессованная керамика содержала как можно меньше газообразных компонентов, 15 предпочтительно удалять воду и водо— род с помощью предварительной обработки.
В описанном процессе все материалы по изобретению подвергают обезга- 20 живанию в вакууме при давлении ниже
10 мм.рт.ст, при температурах свыше 700 С в течение свыше 10 мин.
Причины, благодаря которым можно получить лучшую прессованную керами- 25 ку при добавлении N«„, заключаются в следующем, Окислы в виде В Оз существуют на поверхностях порошка кубического BN даже после указанной обезгаживающей 30 обработки. Когда это В О,часть Ме, соответствующая (-х) иэ MeN 1, вступает в реакцию
В О + 4Me MeB< + ЗМе0, 35 при этом не образуется газ и Ме имеет такую же кристаллическую структуру, как и MeN, посредством чего образуется твердый раствор. Это может быть причиной, благодаря которой нитриды Ti, Zr и Hf, изображаемые в ви-: де МеМ Укаэанные соображения применимы 45 не только к нитридам, но также и к карбидам формулы МеС +х карбонитридам формулы Ме(С,N)1q, их смесям, а также к соединениям их твердых растворов. Установлено, что когда соединения . Ti, 7.r, Hf, U, Nb и Та, W формул MeN4<, МеС.,„è Ме(С,И)„+„е значейия (1+х) мейьше, чем О, 97, они проявляют отличную степень спекания. Кроме того, получены различные материалы из TiN1ix > значение (1+х) в котором изменялось в широких пределах. Каждый иэ материалов смешивали 93 4 с кубическим BN и спекали при высоких температурах под высоким давлением, чтобы получить керамику горячей прессовки. В результате исследования свойств каждой прессованной керамики найдено, что во всех случаях плотно сконцентрированная прессованная керамика обладает высокой твердостью, причем постоянная решетки TiN в прес- сованной керамике быпа выше, чем постоянная решетка TiN в порошковом материале. Пример 1. Порошок кубического BN со средним размером частиц 7 мкм и порошок TiN, со средним I размером частиц мкм тщательно перемешали при объемном соотношении 60:40 в ступке. Порошковую смесь после до— бавления 2 вес.7. камфоры в расчете на полный вес смеси отформовали в необожженную прессовку внешним диаметром 10 мм и высотой 1,5 мм. Необожженную прессовку поместили в капсулу из нержавеющей стали. Капсулу нагревали при 1100 С в течение 20 мин в вакууме 10 мм рт.ст. для обеэгажиф вания в вакуумной печи. Капсулу лов мещают в аппарат сверхвысокого давления поясного типа, использующего пирофиллит в качестве прессовальной среды, а графитовую трубу. — в качестве нагревателя. Пространство между образцом и нагревателем заполняют хлористым натрием. Сначала давление поднимают до 55 кбар, затем повышают температуру до 1400 С. После подъема в течение 30 мин температуру снижают и постепенно снимают дваление; чтобы получить керамику горячей прессовки по изобретению внешним диаметром 10мм и толщиной 1 мм. Полученную таким образом керамику горячей прессовки шлифуют алмазным диском, чтобы получить плоскую поверхность, которую затем полируют алмазной пастой. В результате рентгенострукторного анализа обнаружено не большое количество TiB .наряду с ку% бическим BN u TiN Средняя твердость керамики горячей прессовки составляла 3200 кг/мм (согласно результатам микротвердометра Викерса) . Керамику горячей прессовки разрезали алмазным резаком на рабочий конец режущего инструмента. Рабочий конец припаяли твердым припоем к стальной основе. В испытаниях по резанию сталь 3iS БИСИ9 твердостью HRC 1308193 54 после термической обработки резали инструментами при следующих условиях: скорость резания 120 м/мин, глубина резания 0,2 мм и подача О, 12 мм на оборот. Режущий инструмент це- 5 ментированного сплава по изобретению бып способен к непрерывному резанию в течение 35 мин до того, как ширина износа на выступающей поверхности кромки инструмента достигла 0,2 мм, f0 Пример 2, Порошок кубического BN со средним размером частиц 4 мкм H порошок Т3.(CO 5 N0 у )0 90 средним размером частиц 1 мкм перемешали при объемном соотношении 70: :30 и отформовали в керамику горячей прессовки аналогично примеру 1. Керамику горячей прессовки отшлифовали алмазным диском и припаяли твердым припоем к цементированному карбидному концу фрезеровального инструмента. Для испытания резания отливку из стали JiS FC 25 шириной 80 мм и дли2г ной 300 мм разрезали в продольном направлении цилиндрической фрезой, используя водорастворимое масло для резки, при условиях: скорость резания 500 м/мин, глубина резания 1 мм и подача 2800 мм/мин. Режущий инстру- 30 мент согласно изобретению смог прорезать 500 проходов. Пример 3, Смесь порошка кубического BN со средним размером частиц 4 мкм и одного из связующих 35 соединений в объемном соотношении, укаэанном в табл.1, отформовали в необожженную прессовку таким же способом, как в примере 1, Необожженную прессовку затем поместили в молибденовую капсулу и после предварительного нагревания под— вергли спеканию с помощью аппарата сверхвысокого давления, причем темпе- "5 ратуру при спекании поддерживали в течение 20 мин, как и в примере 1. Каждой из указанных керамик прессовки придали плотную структуру. Ра бочий конец режущего инструмента изготовили либо из образца 3, из образца 4 или из образца 5, полученных выше, и для сравнения два режущих инструмента изготовили из керамики горячей прессовки из порошка TiN gag 55 отпрессованного при 17000С в течение 15 мин под давлением 200 кг/см и иэ цементированного карбида JiS PIO coответственно. Испытания резания про— водили при условиях: скорость резания 150 м/мин, глубина резания О, 5 мм и подача 0,1 мм на оборот, на стержне из стали JiSS45C подвергнутой термическому рафинированию, чтобы исследовать шероховатость обработанной поверхности. Все испьггываемые режущие инструменты имели режущую кромку радиусом 0,8 мм. При использовании режущего инструмента образцов 3,4 или 5 согласно изобретению, шероховатость обработанной поверхности составляла 2-3 мкм, но когда испольэовали режущие инструменты из керамики горячей прессовки, состоящей только из TiN и пэ обычного цементированного карбида, соответствующего JIS PIO то шероховатость быпа в пределах 4 6 и 6 — 12 мкм соответственно. Пример 4. Порошок вюртцитного BN, содержащий 0,7 мас,7 кислорода со средним размером частиц менее 2 мкм, полученный так называемым методом ударной волны, смешивали в шаровой мельнице в течение 48 ч с порошком TiN 0 со средним размером частиц 1 мкм, содержащим 18, 1 вес.7. азота, в весовом соотношении 60:40, используя ацетон в качестве растворителя. Порошковую смесь отформовали в необожженную прессовку с наружным диаметром 10 мм и толщиной 1 5 мм, а затем ее поместили в железную капсулу в форме цилиндра, снабженного донной частью. Капсулу поместили в вакуумную печь и нагревали при 700 С о в течение 20 мин под. давлением 10 мм рт.ст. для ее обеэгаживания. Обезгаженный продукт поместили в аппарат сверхвысокого давления поясного типа с пирофиллитом в качестве прессовальной среды и графитовой трубкой в качестве нагревателя, причем зазор между образцом и нагревателем был заполнен хлористым натрием. Сначала давление повысили до 55 кбар, затем подняли температуру и удерживали ее при 1200 С в течение 30 мин. После этого температуру понизили и постепенно убрали давление, получив керамику горячей прессовки по изобретению. Полученная таким образом керамика горячей прессовки после шлифования алмазным кругом быпа отполирована притиркой алмазной пастой. Твердость по Викерсу притертой поверхности прес1308 l 9 20 сованной керамики составляла 400 кг/мм . Рентгенострукный анализ --притертой поверхности дает слабые пики,. которые можно приписать TiB> наряду с пиками, соответствующими вюртцитному BN и твердому раствору Ti(N,0). Пример 5, Тот же самый порошок вюртцитного BN который использован в примере 4, смешали с одним 10 из связующих соединений в определенном объемном соотношении и отформовали в керамику горячей прессовки по изобретению, имеющую плотную структуру, поддерживая величины темпера в 15 туры и давления в течение 30 мин. Затем измерили твердость керамики горячей прессовки. Результаты приведены в табл.2. 1 (Co,во > 10,15 )оЖ Ti (С э Nas )o,s ° 3 ! (Т1от Та оз Роз ° ! (Т з, Мод„) Co,g 5 (Т1o,9 э W o,< ) С0,9 ° 25 (Tios, Тао2 )(С o r ) No< )о Пример 6. Тот же самый порошок вюртцитного BN который использовали в примере 3, смешали с порошком TiCo .g в объемном соотношении, ука- 30 занном в табл.3. На фиг. 1 показаны. результаты измерения с помощью рентгеноструктурного анализа постоянных решетки TiN в кера35 миках горячей прессовки, которые получали под давлением 55 кбар при различных температурах посредством смешивания 60 об.7. порошкового кубического BN имеющего частицы трех различных размеров, и 40 об. ТЮ yg (содержание азота 17,4Х в TiN), имеющего средний размер частиц 1 мкм. На фиг.1 светлыми квадратами показана керамика кубического ВИ при использовании частиц со средним размером 1 мкм, светлыми треугольниками -3 мкм, а светлыми кружками. -5 мкм, линией А показаны постоянные решетки керамики из одного TiN о, а линиеи " 50 ! Б — постоянная решетки порошкового матеРиала ТМр72 ! Постоянная решетки материала TiN o с оставляла 4, 23 2 А, в то ! время как в прессованной керамике ку- 5 бического BN u TiN О < постоянные I решетки TiN (в качестве матрицы для кубического BN) были больше и имели 3 8 более высокое значение, чем максимальное значение для Т1И„+ . Причина, из-эа которой изменяется постоянная решетки в прессованной керамике по изобретению, заключается в следующем. Известно, что существует большое, количество атомных пустот в Ti u N формулы TiN 1+„даже в том случае, если TiN ð является стехиометричес\ ким соединением. TiNo 77 испольэуе-! мый для получения экспериментальных результатов на фиг.1, имеет большее количество атомных пустот N чем Т1, в которых также должны находиться атомные пустоты. На фиг.1 кривой А показаны. постоянные кристаллической решетки прессованных керамик, которые получали спеканием порошкового TiN не содержащего кубического ! BN под давлением 55 кбар при различных температурах. В этом случае постоянные решетки TiN также становятся выше, чем в порошковом материале TiN, из †обработки высокой температурой и давлением. Поэтому чем выше степень атомной пустоты, тем меньше постоянная решетки кристалла. Изменение степени атомной пустоты может происходить из-эа движения атомных пустот в пределах кристаллической решетки под действием обработки высокими температурами и давлением, посредством чего степень пустоты уменьшается до некоторой величины, определяемой температурой и давлени-. ем, что было с Ti0 с такой же кристал-. лической структурой, как и TiN. Таким образом, каждая точка, нанесенная на фиг. 1, является значением измерения керамики горячей прессовки, которая была плотно сконцентрирована и обладала высокой твердостью. В измеренном диапазоне постоянные решетки TiN в керамиках горячей прессовки по изобретению выше постоянных кристаллической решетки как порошкового материала TiN так и керамики, состоящей только из TiN; При этом чем выше температура спекания, тем больше постоянная решетки, которая обычно достигает постоянного значения, и чем мельче размер частиц используемого порошкового материала кубического BN тем больше постоянная решетки при низких температурах. Это объясняется тем, что .во время спекания части, сравнительно обогащенной Ti в порошковом матери1308 193 На фиг.2 показана изностойкость режущего инструмента с керамикой но1 лученной по изобретению, на фиг.3 влйяние содержания BN плотной модификации на время, в течение которого керамика изнашивается на определенную величину. Таким образом, содержание BN в пределах 10-807 является областью повышенной износостойкости. Формула изобретения 1. Керамика горячего прессования для режущего инструмента, содержащая нитрид. бора кубической или вюртцитной модификации и тугоплавкий карбид и/или нитрид, или борид, или силнцид переходного металла из группы: Ti Zr, Hf, V, Nb, Та, W, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повышения износостойкости, она содержит нитрид бора с размером частиц (10мкм, диспергированный в матрице тугоплавкого карбида и/или нитрида, или борида, или силицида указанного переходного металла при следующем соотношении компонентов, об.%: Нитрид бора с размером частиц 10 мкм 10-80 Тугоплавкий карбид и/или нитрид, или борид, или силицид переходного металла из группы Ti Zr Hf V, Nb, Та, W 20-90 2, Керамика по п,1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что она содержит карбид и/или нитрид переходного металла состава 1еА1» „. (где Ие — металл; А — С и/или N, 1+х 40 97. Таблица 1 Связующие соединения I Об. 7. Кубический BNt об.7 Образец Состав 1500 За Т С р Р,73 35 Зб 70 1300 9 але TiN + „образуется TiB или Т в при Реакции TiN<<> и BN, который явля ется твердым компонентом пр ес с ованной керамики по изобретению, и в то же время N в BN диффундирует в 5 Ф Т И » матрицы, заполняя атомные пустоты, сравнительно обедненные N в TiN » В этом случае, если используют более мелкий порошок кубического BN, становится больше площадь кон-10 такта с порошком TiN1+, что способствует указанной реакции при низких температурах. Согласно изобретению при реакции на поверхностях контакта между частицами TiN и кубическо1»Х ro BN, являющегося твердым компонентом, можно получить очень твердую, плотно сконцентрированную прессованную керамику, в которой частицы кубического BN крепко связаны вместе матрицей кристаллов TiN. Используя порошковые материалы TiNl»x с различными значениями (1+х), найдейо, что температурные условия, в которых можно получить плотно скон25 центрированную керамику, сдвигаются в сторону более высоких значений по мере того, как.значение (1+х) становится больше. Причина состоит в том, что уменьшается сравнительный избыток Ti который участвует в реакции с частицами кубического BN а также степень атомной пустоты Б по мере того, как значение (1+х) становится больше. 35 Однако если спекание осуществляют в устройстве сверхвысокого давления, как в изобретении, наиболее предпочтительно проводить процесс при более низких температурах, так как в этом случае можно продлить срок службы устройства и уменьшить взаимодействие керамики горячей прессовки с окружающим материалом. Указанные результаты можно, кроме TiN1»x применить к Ti(C N)1»x ° давление, Температура, кбар С 1308193 Образец Давление, кбар бический ВК, об.Х Состав Об. Х 30 1 100 0,73 гИо,89 Зв 65 1350 Зг 50 1400 Зд 65 1600 ТаС ЕгВ2 3е 1600 65 Зж Давление, кбар Связующие соединения i 06.% Образец Состав 1300 50 3000 1300 3100 5б 1400 3700 5в 1400 3400 5г 5д 4200 1500 60 4200 1500 5е (Ti, Та) N3 4500 1400 2 0 (Ti,Mo)C4 1400 4000 5з (Ti W)С 30 (Ti,Та)(С,N) 30 1400 4000 55 5и 1400 3700 5к ЕГ1ч089 1 1 и 1 1 „, I Ti(C,N)" Т(С,N)2 0,90 С 095 Связующие соединения Продолжение табл.1 Температура, С Таблица 2 Температу- Твердость о ) ра, С кг/мм 14 1308193 Таблица 3 3100 14СО 60 ба 3200 1400 бб. 3500 1400 40 бв 1500 3800 60 бг 1500 4500 60 бд 4900 1500 60 бе 5300 1600 80 бз 6000 1600 90 ЮЯ ЖО ЮОО ИОО ЮОО ИОО ФОО Температура спвкания ("О) Юе, f Образец Вюртцит ный BN, об.Е Давление, Температура, Твердость, кбар . С кг/мм 13081 93 гао Ь ад > 100 > 50 5 10 cO DO 4О 5Р Время рюаюия (мин.) Риа Е ФО Я ф 8 ЛО < гО В ф 1О р С С о 36 ФО бО 80 СаФрмажге Ююрцалиоео ЮЛГ оРземиюг %g @ЕЫ d ИО Составитель Н,Соболева Техред N.Ходанич Корректор Т.Колб Редактор М.Келемеш Тираж 588 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Заказ 1644/58 Производственно-полиграфическое предприятие, г,ужгород, ул.Проектная,4
