Способ получения изделий из счверхтвердого композиционного материала

 

Изобретение касается получения сверхтвердых материалов в аппаратах высокого давления и температуры. Целью изобретения является повышение режущей стойкости. Изделия из сверхтвердого композиционного материала получают трехслойными: слой подложки, полученный из смеси порошков кубического нитрида бора, 1 - 12 мас.% алмаза и 40 - 80 мас.% интерметаллидов CuTi₃ или CuTi с размером частиц 100 - 250 мкм, или из смеси размола предварительно спеченных композитов с 5 - 15 мас.%, CuTi₃ или CuTi; режущий слой, полученный пропиткой смеси 85 - 97 мас.% кубического нитрида бора с 3 - 15 мас.% алмаза смесью 75 - 99 мас.% CuTi₃ или CuTi с 1 - 25 мас.% Al или MN, и стружколомный слой, который изготавливают из смеси порошков алмаза, 1 - 25 мас.% кубического нитрида бора и 5 - 15 мас.% интерметаллида. Сформированную в формообразующем вкладыше исходную шихту подвергают воздействию высокого давления и температуры. Стойкость резцов при обработке стали XBT62HRC при скорости точения v = 80 - 100 м/мин, продольной подаче S = 0,1 мм/об, глубине точения t = 0,5 мм составляет 40 - 45 мин, при обработке стали 35ХЗНМ при v = 90 м/мин, S = 0,5 мм/об, t = 0,5 мм составляет 95 - 110 мин.

Изобретение касается получения сверхтвердых материалов в аппаратах высокого давления и температуры и может найти применение в машиностроении в качестве лезвийного режущего инструмента. Целью изобретения является повышение режущей стойкости. На фиг.1-3 показаны пластины композита. В предлагаемом способе укладку исходной шихты композиционного материала выполняют в три слоя: слой подложки, режущий слой и стружколомный слой, т. е. получают композит с переменными физико-механическими свойствами, основа которого - режущий слой обладает повышенной износостойкостью. Пластины, состоящие из нескольких слоев, прочнее цельных из-за наличия виброгасящей подложки, на которой лежит рабочий - режущий слой сверхтвердого композиционного материала. Кроме того, изготовление подложки удешевляет получаемые композиты, что важно для конкурентоспособности резцов. Наибольшая степень консолидации слоев композита получается при изготовлении подложки из смеси компонентов материала режущего слоя или размола композита с металлическим связующим. Это предупреждает образование трещин за счет устранения напряжений в теле композита, приводящих к отслоению режущего слоя от подложки. Подложку изготавливают из смеси сверхтвердых порошков кубического нитрида бора и алмаза и стружки или порошка интерметиллидов CuTi₃ или CuTi с размерами частиц 100-250 мкм. Для подложки можно использовать более дефектные, загрязненные и дешевые исходные сверхтвердые порошки. Наиболее приемлем размер частиц связующего 100-250 мкм. Использование связующего с размером частиц менее 100 мкм будет увеличивать трудозатраты на измельчение интерметаллидов, а более 250 мкм - ослаблять механические свойства материала за счет образования крупных включений металлического связующего. Содержание металлического связующего в смеси составляет 40-80 мас. % , наличие менее 40 мас.% связки из CuTi₃ или CuTi повышает стоимость материала композита, а более 80 мас.% значительно понижает жесткость подложки. Особенно интересна с экономической точки зрения утилизация отходов композитов и использованных в режущем инструменте пластин. При использовании в качестве исходной шихты для слоя подложки размола как дефектных композитов, так и использованных резцов, в размол следует добавлять связующее CuTi₃ или CuTi в количестве 5-15 мас.%. Это облегчит предварительное прессование слоя подложки. Предварительное формование подложки обеспечивает как наибольшую плотность упаковки, так и возможность получения высоких давлений в аппарате высокого давления и температуры, ибо подложка занимает ≈50% объема и рыхлая засыпка приведет к падению давления в реакционной ячейке. Добавление связующего менее 5 мас.% затруднит прессование, а более 15 мас.% нецелесообразно, так как ведет к понижению механических свойств композита, например прочности при сжатии. Спрессованный по заданной форме слой подложки размещают в формообразующем вкладыше в контакте с торцовой поверхностью нагревателя. Нагреватель выполняют составным из двух пластин в форме таблеток, выполненных из смеси графита с катлинитом, что обеспечивает более высокую температуру в месте контакта с твердосплавной камерой высокого давления, где максимальный теплоотвод. Выполнение нагревателя в виде дисков прессованием значительно проще и экономичнее графитовых стаканчиков и позволяет упростить технологию. Между пластинами нагревателя размещают токопроводящий формообразующий вкладыш, который выполняют обычно из графита, так как он контактирует (кроме нагревателя) с поверхностью катлинитового контейнера (чечевицей), где теплоотвод минимальный. Токопроводящий формообразующий вкладыш позволяет получать изделия заданной формы в виде режущих пластин. Вкладыш выполняют в виде цилиндра с внутренним отверстием. Отверстие может быть круглым, квадратным, трехгранным, ромбическим, т.е. таким, которое соответствует формам многогранных пластин для режущего инструмента. Внутренняя часть формообразующего вкладыша представляет собой рабочий объем. В формообразующий вкладыш на слой подложки помещают слой смеси сверхтвердых порошков кубического нитрида бора и алмаза. Наиболее высокие режущие свойства получают при использовании кубического нитрида бора с размером зерна 5-40 мкм. При более крупном зерне кубического нитрида бора режущие свойства композитов понижаются. Нижнее ограничение обуславливается возможность применяемого метода пропитки - при использовании порошка кубического нитрида бора с размером зерна менее 5 мкм технологически сложно получить приемлемую высоту режущего слоя. Наиболее плотную укладку частиц порошка обеспечивает использование смеси порошков кубического нитрида бора разной зернистости. Добавление алмаза уменьшает затупление режущей кромки, износ передней грани и склонность к свариванию со сбегающей стружкой, особенно при обработке вязких материалов. Добавление менее 3 мас.% алмаза не оказывает заметного влияния, более 15 мас.% - понижает режущие свойства материала при обработке закаленной стали. Металлическое связующее берут в виде смеси порошков интерметаллидов CuTi₃ или CuTi с адгезионно-активными по отношению к кубическому нитриду бора металлами алюминием или марганцем. Это связующее хорошо смачивает кубический нитрид бора и образует с ним прочные химические соединения. Добавление Al или Mn менее 1 мас.% не влияет на стойкость резцов из композитов, а более 25 мас.% приводит к понижению режущих свойств. Металлическое связующее прессуют по форме режущей пластины и располагают в формообразующем вкладыше на слое сверхтвердого порошка. Изготовление стружколомного слоя позволяет увеличить теплопроводность пластины композита (улучшить теплоотвод от режущей кромки) и стойкость против образования "лунок". При отсутствии стружколома резцы из композиционного материала при обработке резанием закаленной стали образуют непрерывную сливную стружку, которая приводит к образованию на режущей кромке пластины проточки, которая приводит к образованию на рабочей поверхности микротрещин, являющихся концентраторами напряжений, и при дальнейшей обработке закаленной стали приводит к разрушению материала - к сколу вершины резца. Изготовление стружколомного слоя позволяет не только увеличить теплопроводность пластины композита, но и позволяет получать дробленую стружку в виде отдельных элементов или коротких спиралей, которая не портит режущую кромку пластины композита. Таким образом, возрастает износостойкость пластин композитов по сравнению со стойкостью аналогичных пластин без стружколомного слоя и, кроме того, пластины из такого композиционного материала могут применяться на станках с ЧПУ при автоматическом производстве. Выбор исходного материала стружколома обуславливался улучшением отвода теплоты от режущей кромки в процессе резания, так как теплопроводность алмаза выше теплопроводности композитов (это позволяет увеличить производительность резания). Применение смеси порошков алмаза и кубического нитрида бора позволяет увеличить степень консолидации слоев. Добавление кубического нитрида бора в смесь менее 1 мас.% не оказывает заметного влияния, а более 25 мас. % - нецелесообразно из-за уменьшения теплопроводности стружколомного слоя. Исходную шихту стружколомного слоя прессуют в заготовку заданной формы и располагают в формообразующем вкладыше на слое металлического связующего. Для прессования исходной шихты стружколомного слоя в шихту следует добавлять связующее - интерметаллиды CuTi₃ или CuTi в количестве 5-15 мас.% . В контакте со стружколомным слоем и формообразующим вкладышем располагают нагреватель. Сформированную заготовку композиционного материала помещают в аппарат высокого давления и температуры и подвергают воздействию высокого давления и температуры. Применение давления более 35 кбар экономически невыгодно, так как положительный эффект уже достигнут, а срок службы камер высокого давления будет сокращаться, менее 15 кбар - ухудшает качество композиционного материала. Температура процесса 900-1100^оС определяется температурами плавления интерметаллидов CuTi₃ и CuTi. Нижний предел 900^оС обуславливается температурой появления жидкой фазы. Поднимать температуру процесса выше 1100^оС нецелесообразно, так как температура плавления металлического связующего уже достигнута и дальнейшее повышение температуры будет приводить лишь к уменьшению срока службы камер высокого давления. Выдержка менее 10 с не обеспечивает достаточную высоту и качество пропитки режущего слоя материала, а более 25 с приводит к пережогу материала. П р и м е р 1. В чечевицу камеры высокого давления и температуры помещают графитовый формообразующий вкладыш, представляющий собой цилиндр с квадратным отверстием. С одной стороны формообразующего вкладыша помещают нагреватель в виде таблетки, диаметр которой равен диаметру цилиндра формообразующего вкладыша, выполненный из смеси графита с катлинитом в соотношении 1:1. Подложку выполняют из смеси порошков кубического нитрида бора с размером частиц 20 и 40 мкм, алмаза - с размером частиц 60 мкм и интерметаллида CuTi₃ - с размером частиц 100 мкм при содержании в смеси 40 мас.% CuTi₃, 12 мас.% алмаза, остальное кубический нитрид бора; предварительно прессуют при удельном давлении 5 кбар по форме квадрата с размерами, соответствующими размерам квадратного отверстия формообразующего вкладыша, и размещают внутри вкладыша в контакте с торцовой поверхностью нагревателя. Сверхтвердый порошок кубического нитрида бора с размером зерна 5 мкм и 40 мкм (в соотношении 1: 3) смешивают с алмазом с размером зерна 60 мкм при содержании в смеси 10 мас.% алмаза и помещают на слой подложки. Металлическое связующее берут в виде смеси порошков CuTi₃ с Al в количестве 85 мас.% CuTi₃ + 15 мас.% Al прессуют при удельном давлении 5 кбар по форме и размерам квадратного отверстия вкладыша и помещают на сверхтвердый порошок. Стружколомный слой изготавливают из смеси порошка алмаза с размером зерна 60 мкм и с размером зерна 20 мкм и интерметаллида CuTi₃, при содержании в смеси 5 мас. % интерметаллида CuTi₃, прессуют по форме квадрата с размерами, меньшими размеров отверстия формообразующего вкладыша, и помещают на металлическое связующее. Затем свободный объем между спрессованным стружколомом и формообразующим вкладышем заполняют инертным порошком карбида бора и заполненный формообразующий вкладыш сверху закрывают нагревателем в форме таблетки с диаметром, равным внешнему диаметру формообразующего вкладыша. Заполненную чечевицу помещают в аппарат высокого давления и температуры и подвергают действию давления 30 кбар и температуры 1000^оС, выдерживают при изотермической выдержке 26 с, охлаждают. После снижения давления до атмосферного получают пластину композита, представленную на фиг.1. Резцы из этих композитов при обработке закаленной стали ХВГ 62 HRC при режиме обработки: глубина точения t = 0,5 мм, продольная подача S = 0,1 мм/об, скорость точения V = 80-100 м/мин показали стойкость 45 мин., а при обработке стали 35 ХЗНМ твердостью 40 HRC на режиме резания: глубина точения t = 0,5 мм, продольная подача S = 0,5 мм/об, скорость точения V = 90 м/мин показали стойкость 100-110 мин. П р и м е р 2. В чечевицу камеры высокого давления и температуры помещают нагреватель и графитовый формообразующий вкладыш, представляющий собой цилиндр с квадратным отверстием (как в примере 1). Подложку выполняют из смеси порошков кубического нитрида бора с размером зерна 20 мкм, алмаза - с размером зерна 100 мкм и интерметаллида CuTi - с размером частиц 200 мкм при содержании в смеси 80 мас.% CuTi, 3 мас.% алмаза, остальное - кубический нитрид бора, предварительно прессуют по форме квадрата и размещают внутри формообразующего вкладыша в контакте с торцовой поверхностью нагревателя. Смесь сверхтвердого порошка кубического нитрида бора с размером зерна 40 мкм и порошка алмаза с размером зерна 100 мкм при содержании в смеси 15 мас. % алмаза помещают на слой подложки. Металлическое связующее берут в виде смеси CuTi с Al в соотношении: 75 мас.% CuTi + 25 мас.% Al, прессуют по форме и размерам квадратного отверстия формообразующего вкладыша и помещают на сверхтвердый порошок. Стружколомный слой изготавливают из смеси порошков алмаза с размером зерна 100 мкм, кубического нитрида бора с размером зерна 20 мкм и интерметаллида CuTi при содержании в смеси 25 мас.% кубического нитрида бора, 10 мас.% CuTi, остальное - алмаз, прессуют по форме квадрата, но с размерами, меньшими размеров квадратного отверстия формообразующего вкладыша, и помещают на металлическое связующее. Затем свободный объем между спрессованным стружколомом и формообразующим вкладышем заполняют порошком карбида бора и сверху заполненный формообразующий вкладыш закрывают нагревателем. Сформированную заготовку композиционного материала помещают в аппарат высокого давления и температуры и подвергают действию давления 35 кбар и температуры 1100^оС, выдерживают при изотермической выдержке 10 с, затем охлаждают. После снижения давления до атмосферного получают пластину композита квадратной формы (фиг.1). Резцы из этих композитов при обработке закаленной стали 35ХЗМ 40 HRC на режиме: t = 0,5 мм; S = 0,5 мм/об, V = 90 м/мин показали стойкость 95-100 мин. Стойкость резцов, изготовленных по известному способу, составляет 90 мин. П р и м е р 3. В чечевицу камеры высокого давления и температуры помещают нагреватель и графитовый формообразующий вкладыш, представляющий собой цилиндр с ромбическим отверстием. Подложку выполняют из смеси порошков кубического нитрида бора с размером зерна 20 мкм, 28 мкм и 40 мкм, алмаза с размером зерна 40 мкм и 60 мкм и интерметаллида CuTi₃ с размером частиц 250 мкм при содержании в смеси 60 мас.% CuTi₃, 1 мас.% алмаза, остальное - кубический нитрид бора, предварительно прессуют по форме вкладыша и размещают внутри вкладыша в контакте с торцовой поверхностью нагревателя. Сверхтвердый порошок кубического нитрида бора с размером зерна 20 мкм и 28 мкм смешивают с порошком алмаза с размером зерна 40 мкм и 60 мкм при содержании в смеси 3 мас.% алмаза и помещают на слой подложки. Металлическое связующее берут в виде смеси CuTi₃ с Al в количестве 99 мас.% CuTi₃ + 1 мас.% Al, прессуют по форме отверстия формообразующего вкладыша и помещают на сверхтвердый порошок. Стружколомный слой изготавливают из смеси порошка алмаза с размерами зерна 40 мкм и 60 мкм, кубического нитрида бора с размером зерна 20 мкм и с размером зерна 28 мкм и интерметаллида CuTi₃при содержании в смеси 1 мас.% кубического нитрида бора, 5 мас.% CuTi₃, остальное - алмаз, прессуют и помещают на металлическое связующее. Затем свободный объем между спрессованным стружколомом и формообразующим вкладышем заполняют порошком карбида бора и сверху закрывают нагревателем. Сформированную заготовку композита помещают в аппарат высокого давления и температуры и подвергают действию давления 15 кбар и температуры 900^оС, выдерживают при изотермической выдержке 20 с, затем охлаждают. После снижения давления до атмосферного получают пластину композита ромбической формы (фиг.2). Резцы из этих композитов при обработке закаленной стали ХВГ 62 HRC при режиме обработки: t = 0,5 мм, S = 0,1 мм/об, V = 80-100 м/мин показали стойкость 40 мин. П р и м е р 4. В чечевицу камеры высокого давления и температуры помещают нагреватель и в контакте с ним графитовый формообразующий вкладыш, представляющий собой подложку с ромбическим отверстием. Подложку выполняют из смеси размола дефектных композитов и использованных резцов и интерметаллида CuTi₃ с размером частиц 250 мкм при содержании в смеси 15 мас.% CuTi₃. Подложку предварительно прессуют по форме вкладыша и размещают внутри вкладыша в контакте с торцовой поверхностью нагревателя. Сверхтвердый порошок кубического нитрида бора с размером зерна 14 мкм и 20 мкм смешивают с порошком алмаза с размером зерна 40 мкм и 60 мкм при содержании в смеси 5 вес. % алмаза и помещают на слой подложки. Металлическое связующее берут в виде смеси CuTi₃ с Al в количестве 85 мас.% CuTi₃ + 15 мас.% Al, прессуют по форме отверстия вкладыша и помещают на сверхтвердый порошок. Стружколомный слой изготавливают из смеси порошков алмаза с размером зерна 40 мкм и 60 мкм и интерметаллида CuTi₃ при содержании в смеси 10 мас.% CuTi₃, прессуют заданной формы и помещают на металлическое связующее. Затем свободный объем между спрессованным стружколомом и формообразующим вкладышем заполняют порошком карбида бора и сверху располагают нагреватель. Заполненную чечевицу помещают в аппарат высокого давления и температуры и подвергают действию давления 25 кбар и температуры 950^оС, выдерживают при изотермической выдержке 25 с, затем охлаждают. После снижения давления до атмосферного получают пластину композита ромбической формы (фиг.2). Резцы из этих композитов при обработке закаленной стали ХВГ 62HRC показали стойкость 45 мин (при режиме обработки: глубина точения t = 0,5 мм, продольная подача S = 0,1 мм/об, скорость точения V = 80-100 м/мин), при обработке стали 35 ХЗНМ 40 HRC показали стойкость 100-110 мин (при режиме обработки: t = 0,5 мм, S = 0,5 мм/об, V = 90 м/мин). П р и м е р 5. В чечевицу камеры высокого давления и температуры помещают нагреватель и графитовый формообразующий вкладыш в виде цилиндра с внутренним трехгранным отверстием. Подложку выполняют из смеси дефектных композитов и использованных резцов, которые предварительно диспергировали разрушением до размера частиц 60-100 мкм и интерметаллида CuTi с размером частиц 100 мкм при содержании в смеси 5 мас.% CuTi. Подложку предварительно прессуют при удельном давлении 5 кбар по форме вкладыша и размещают внутри формообразующего вкладыша в контакте с торцовой поверхностью нагревателя. Сверхтвердый порошок кубического нитрида бора с размером зерна 5 мкм смешивают с порошком алмаза с размером зерна 20 мкм при содержании в смеси 3 мас. % алмаза и помещают на слой подложки. Металлическое связующее берут в виде смеси CuTi с Mn в количестве 80 мас.% CuTi + 20 мас.% Mn, прессуют по форме трехгранного отверстия вкладыша и помещают на сверхтвердый порошок. Стружколомный слой изготавливают из смеси порошков алмаза с размерами зерна 60 мкм и 20 мкм, кубического нитрида бора с размером зерна 5 мкм и интерметаллида CuTi при содержании в смеси 15 мас.% кубического нитрида бора, 15 мас.% CuTi, остальное - алмаз, прессуют заданной формы и помещают на металлическое связующее. Затем свободный объем между спрессованным стружколомом и формообразующим вкладышем заполняют порошком карбида бора. В контакте с формообразующим вкладышем и стружколомным слоем располагают нагреватель. Заполненную чечевицу, помещают в аппарат высокого давления и температуры и подвергают действию давления 35 кбар и температуры 1100^оС, выдерживают при изотермической выдержке 15 с, затем охлаждают. После снижения давления до атмосферного получают пластину композита трехгранной формы (фиг.3). Резцы из этих композитов при обработке закаленной стали 35 ХЗНМ 40 HRC показали стойкость 95 мин при режиме обработки: t = 0,5 мм, S = 0,5 мм/об, V = 90 м/мин. Композиты, полученные по предлагаемому способу, используются при изготовлении резцов для обработки закаленной стали и обладают более высокой режущей стойкостью. Стойкость резцов при обработке стали ХВГ 62 HRC при следующем режиме работы: скорость точения V = 80-100 м/мин, продольная подача S = 0,1 мм/об, глубина точения t = 0,5 мм составляет, мин: Из известного материала 28-35 Из композитов пред- лагаемого способа 40-45 Стойкость резцов при обработке стали 35 ХЗНМ при режиме резания: V = 90 м/мин, S = 0,5 мм/об, t = 0,5 мм составляет, мин: Из известного материала 70-85 Из композитов пред- лагаемого способа 95-110 Кроме того, преимуществом способа является возможность получения в технологическом процессе пластин композитов с широкой номенклатурой различных форморазмеров, что весьма важно, учитывая трудоемкость механической обработки пластин. Получение композитов квадратными, трехгранными, ромбическими и других форм с размерами, соответствующими международным стандартам, весьма выгодно экономически: понижается расход порошка кубического нитрида бора, значительно уменьшается трудоемкость обработки (только чистовая доводка) композитов, увеличивается выход годных пластин и улучшается их качество (за счет исключения брака при их механической обработке). Композиты можно использовать в качестве резцов на станках с ЧПУ при автоматическом производстве (безлюдная технология), так как наличие стружколомающего уступа позволяет получать стружку в виде отдельных элементов или коротких спиралей. (56) Авторское свидетельство СССР N 1557949, кл. C 04 B 35/58, 1987 (непублик.).

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СВЕРХТВЕРДОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, включающий последовательную укладку режущего слоя, содержащего кубический нитрид бора с размером зерна 5 - 40 мкм и слоя металлической композиции, содержащей интерметаллид CuTi₃ и металл, и последующую обработку давлением 15 - 35 кбар и температурой 900 - 1100^oС в течение 10 - 25 с, отличающийся тем, что, с целью повышения режущей стойкости, предварительно прессуют подложку из смеси порошков, содержащей, мас.%: Интерметаллид CuTi₃ или CuTi с размером частиц 100 - 250 мм 40 - 80 Алмаз 1 - 12
Кубический нитрид бора Остальное
или из 85 - 95 мас. % измельченных отходов изделий из сверхтвердого композиционного материала и 5 - 15 мас.% интерметаллида CuTi₃ или CuTi, на подложке размещают режущий слой, дополнительно содержащий алмаз при соотношении компонентов, мас.%:
Кубический нитрид бора 85 - 97
Алмаз 3 - 15
затем размещают спрессованный слой металлической композиции, содержащей, мас.%:
Интерметаллид CuTi₃ или CuTi 75 - 99
Алюминий или марганец 1 - 25
а на слое композиции размещают спрессованный стружколомный слой, содержащий, мас.%:
Интерметаллид CuTi₃ или CuTi 5 - 15
Кубический нитрид бора 1 - 25
Алмаз Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3