Способ получения композиционного материала для режущего инструмента

 

Сущность изобретения: твердый сплав перед нанесением покрытия из карбида вольфрама химическим осаждением из парогазовой фазы последовательно обрабатывают сначала в неокисляющей атмосфере, а затем при 1223 - 1423 К в смеси водорода и тетрахлорида титана при их объемном отношении от 20 до 40 в течение времени τ, определяемом из соотношения , где T - температура обработки и C - нормирующий множитель, равный 1 с. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам получения композиционного твердосплавного слоистого материала нанесением покрытия из тугоплавких соединений титана на заготовки из твердых сплавов методом химического осаждения из парогазовой фазы. Известен способ изготовления композиционного твердосплавного слоистого материала, включающий нагрев заготовок из твердого сплава в атмосфере аргона, обработку в смеси хлорида титана и аргона при 500-950^оС и давлении 10^-1-10^-5 мм рт. ст. и осаждение покрытия из карбида титана из газовой смеси, содержащей хлорид титана и аргон, при температуре выше 950^оС. В процессе обработки заготовки в этих условиях происходит взаимодействие твердого сплава с хлором (продукт диспропорционирования хлорида титана) и образование летучих хлоридов вольфрама и кобальта и углерода на поверхности. Недостатком известного способа является низкий уровень эксплуатационной прочности полученного композита, а также недостаточная стабильность. Это связано с недостаточной адгезией покрытия к основе, снижающей эксплуатационную прочность, а также с возможным наличием включений свободного углерода между основой и покрытием, что уменьшает стабильность эксплуатационных свойств. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ получения композиционного твердосплавного слоистого материала, включающий нагрев заготовок в неокисляющей атмосфере со скоростью 50-60 град/мин до температуры осаждения покрытия 1050-1150^оС и выдержку в смеси, содержащей водород, хлорид титана и метан при молярном отношении СН₄/ТiCl₄ = 10-16 и концентрации этих компонентов 7,0-11,2 и 0,7-4,2 об.% соответственно. Недостатком этого способа является низкая стабильность эксплуатационной стойкости (срока службы) полученного композиционного материала в качестве режущего инструмента. Это связано с тем, что поверхность твердосплавной заготовки характеризуется наличием поверхностных дефектов, появляющихся при спекании и не полностью удаленных при шлифовке, жировых пятен, частиц абразива. В случае, если эти дефекты и загрязнения расположены вблизи режущей кромки, то режущая пластина из-за плохой адгезии покрытия обладает аномально низкой эксплуатационной стойкостью. Высокая стабильность эксплуатационной стойкости режущих пластин в связи с развитием автоматизации в металлообработке (внедрение обрабатывающих центров, станков с ЧПУ) приобретает большее значение, чем высокая средняя стойкость. Это связано с тем, что время резания каждой режущей кромкой устанавливается по минимальной стойкости режущей пластины данной партии. Поэтому, если в партии с высокой средней стойкостью имеются пластины с аномально низкой стойкостью, то вся партия будет использована в соответствии с этой низкой стойкостью. Целью изобретения является повышение стабильности эксплуатационной стойкости полученного режущего инструмента из композиционного материала. Поставленная цель достигается тем, что в способе получения композиционного твердосплавного слоистого материала, включающем нагрев твердосплавной заготовки в неокисляющей атмосфере и нанесение износостойкого покрытия химическим осаждением из парогазовой фазы, предлагается перед нанесением покрытия провести обработку заготовки при температуре 150-1150^оС в атмосфере, содержащей водород и тетрахлорид титана при их объемном соотношении, равном 20-40, в течение времени, определяемого из соотношения τ = (1) где τ - время обработки, с; А = 10⁴ К; В = 10³ с; С = 1 с - нормирующий множитель; а = 15,23; b - 10^-2; Т - температура обработки, К. В процессе предлагаемой обработки происходит травление поверхностного дефектного слоя твердосплавной заготовки и удаление загрязнений в результате взаимодействия с хлором и хлоридом водорода - продуктами диспропорционирования и частичного восстановления хлоридов титана. В результате удаления дефектов и загрязнений с поверхности заготовок повышается эксплуатационная стойкость режущих пластин, которые обладали бы аномальной низкой стойкостью, т.е. повышается стабильность эксплуатационной стойкости. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Заготовки из твердого сплава изготавливают обычными методами порошковой металлургии (смешиванием порошков карбидов и металла-связки совместным мокрым размолом, формованием и спеканием). После подготовки поверхности (например, виброабразивной обработки, шлифования, обезжиривания и т.п.), заготовки загружают в реактор установки для нанесения покрытий. Заготовки нагревают до температуры обработки и нанесения покрытий (150-1150^оС) в неокисляющей атмосфере (водород, инертный газ). Затем в реактор подают парогазовую смесь, содержащую водород и тетрахлорид титана при их объемном соотношении 20-40. Процесс ведут при атмосферном давлении. В результате выдержки в указанных условиях в течение времени, определяемого из соотношения τ = где τ - время обработки, с;
А = 10⁴К - коэффициент, характеризующий температурную зависимость скорости процесса;
В = 10³ с - константа, учитывающая контролирующее влияние подложки на скорость протекания процесса;
а = 15,23 - эмпирическая безразмерная константа;
b = 10^-2, К - температурно-временной коэффициент;
Т - температура обработки, К, поверхность твердосплавных заготовок освобождается от загрязнений. После этого проводят осаждение износостойкого покрытия - слой или слои карбида, нитрида, карбонитрида титана, оксида, оксинитрида и т.п. (покрытие может быть однослойным или многослойным). Осаждение покрытия проводят в том же реакторе путем выдержки изделий в соответствующей парогазовой смеси. П р и м е р. Заготовка пластин формы 03114-120412 (ГОСТ 19052-80) из твердого сплава марки ВК6 (TiC + 6 мас.% Со) и штабики размерами 5х5х35 мм² нагревали в атмосфере водорода до температуры 900-1200^оС. Затем в реактор подавали газовую смесь, содержащую водород и тетрахлорид титана в различных соотношениях. После выдержки в течение времени, определенного из соотношения (1), в реактор вводили парогазовую смесь для нанесения различных покрытий (TiC, TiCN, TiN). Полученные пластины испытывали при продольном точении стали 50 при скорости резания 200 м/мин и сечении среза S x t = =1 х 0,2 мм²/об. На штабиках определяли предел прочности при изгибе по ГОСТу 20019-74. Условия проведения процесса и полученные результаты приведены в таблице. Коэффициент стойкости определяли как отношение времени резания исследуемой пластины до износа по задней грани 0,5 мм к времени резания эталонной пластиной (прототип). Как видно из данных таблицы, предлагаемый способ позволяет повысить стабильность эксплуатационной стойкости, по сравнению с прототипом γ снижается в среднем в 2-3 раза. Если отношение TiCl₄/H₂ больше 40, то стравливания дефектов не происходит из-за малого количества хлорида и хлорида водорода в атмосфере. В результате стабильность стойкости не возрастает. Если TiCl₄/H₂ < 20, то стабильность стойкости также не возрастает, так как восстановления TiCl₄ не происходит в достаточной степени. Если температура обработки меньше 950оС, то процесса хлорирования дефектного слоя не происходит. В результате повышение стабильности стойкости не имеет места. Если температура больше 1150^оС, то снижается общий уровень К_стиз-за изменений в структуре сплава-основы. Если время обработки меньше, чем рассчитанное по предлагаемой формуле, то процесс очистки поверхности не заканчивается, в результате нет повышения стабильности эксплуатационной стойкости. Если же это время больше расчетного, то происходит снижение как уровня стойкости, так и стабильности из-за образования свободного углерода на поверхности заготовки, т.е. под покрытием.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА, включающий нагрев твредого сплава в неокисляющей атмосфере и нанесение на него карбида титана химическим осаждением из парогазовой фазы, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности эксплуатационной стойкости, перед нанесением карбида титана проводят дополнительную обработку твердого сплава при температуре 1223 - 1423 К в смеси водорода и тетрахлорида титана при их объемном отношении от 20 до 40 в течение времени τ определяемого из соотношения

где T - температура обработки, К;
C - нормирующий множитель, равный 1 с.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---