Шихта для изготовления сверхтвердого композиционного материала

 

Шихта для изготовления сверхтвердого композиционного материала относится к порошковой металлургии. Шихта содержит в качестве связующего сплав титана с алюминием с добавкой Zr, Mo, V в соотношении, отвечающем составу ВТ-20, и меди при следующем соотношении компонентов: медь 15 - 60 мас.%, сплав Ti, Al, Zr, Mo, V - остальное, а в качестве сверхтвердого порошка шихта содержит смесь порошка кубического нитрида бора с соотношением размеров зерен 1: (1,4 - 8), причем соотношение размеров порошка кубического нитрида бора и порошка связующего составляет 1:(1 - 150), при следующем соотношении компонентов шихты: смесь порошков кубического нитрида бора 50 - 85 мас.%, сплав связующего - остальное. Шихта может быть использована для получения сверхтвердых композиционных материалов, применяемых в машиностроении при производстве лезвийного режущего инструмента. 3 табл.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к составам шихты для получения сверхтвердых материалов в аппаратах высокого давления и температуры, и может найти применение в машиностроении при производстве лезвийного режущего инструмента.

Известен материал по авторскому свидетельству N 633724, класс C 01 B 21/06 от 1978 г. Этот материал состоит из кубического нитрида бора и медно-титановых или медно-циркониевых интерметаллических соединений из группы: Ti₂Cu, TiCu, Ti₂Cu₃, TiCu₃, Zr₂Cu, ZrCu, Zr_2>Cu₃, ZrCu₃ при следующем соотношении компонентов, мас. кубический нитрид бора 65 90, интерметаллические соединения 10 35. Однако этот материал имеет невысокие режущие свойства, например стойкость при точении термически обработанной стали ХВГ HRC 60 составляет 20 25 мин, причем наблюдаются сколы и микротрещины.

Прототипом предлагаемого изобретения является шихта для изготовления сверхтвердого композиционного материала по авторскому свидетельству N 1557949, класс C 04 B 35/58 от 1988 г. Эта шихта состоит из кубического нитрида бора и интерметаллида Ti₃Cu с добавкой 5 20% Al от массы интерметаллида при следующем соотношении компонентов шихты, мас.

кубический нитрид бора 55 70 Ti₃Cu + 5 20% Al 45 30 Композиты, полученные из этой шихты, имеют высокий выход годного (до 80% ) и удовлетворительные режущие свойства. Однако стойкость режущих пластин, полученных из этой шихты при точении термически обработанных сталей, недостаточна, особенно при применении станков с ЧПУ.

Целью предполагаемого изобретения является повышение режущих свойств сверхтвердого композиционного материала.

Поставленная цель достигается тем, что шихта содержит в качестве связующего сплав смеси, включающей Ti, Al с добавкой Zr, Mo, V в соотношении, отвечающем составу ВТ-20 и меди при следующем соотношении компонентов сплава связующего, мас.

медь 15 60 указанная смесь Ti, Al, Zr, Mo, V остальное, а в качестве сверхтвердого порошка шихта содержит смесь порошка кубического нитрида бора с соотношением размеров зерен 1:(1,4 8), причем соотношение размеров порошка кубического нитрида бора и порошка связующего составляет 1:(1 150) при следующем соотношении компонентов шихты, мас.

смесь кубического нитрида бора 50 85 сплав связующего остальное Материал связующего представляет собой сплав меди с металлической композицией из Ti, Al, Zr, Mo, V, взятых в соотношении, отвечающем составу ВТ-20. Связующее на основе соединений Ti с Cu хорошо смачивает поверхность зерен кубического нитрида бора. Связующее на основе сплава Ti, Al, Zr, Mo, V (состава ВТ-20) с медью не только хорошо смачивает поверхность зерен кубического нитрида бора, но и образует более прочные связи, интенсифицируя образование боридов, нитридов и сложных многокомпонентных соединений. Адгезионно-активные Zr, Mo, V, Al и Ti, взаимодействующие с материалом сверхтвердого порошка, образуют сложные многокомпонентные высокотвердые соединения, позволяющие повысить надежность закрепления зерен кубического нитрида бора в связующем, что ведет к повышению механических свойств композитов в целом, и соответственно увеличивает режущие свойства материала. Использование меди в связующем уменьшает хрупкость композитов, предотвращает трещинообразование, что ведет к увеличению процента выхода годных композитов. Таким образом, связующее по предполагаемому изобретению обеспечивает прочную связь кубического нитрида бора за счет адгезионно-активных компонентов сплава и высокую вязкость вследствие низкой химической активности медной компоненты сплава. Практически установлено, что соотношение компонентов сплава связующего должно быть: медь 15 60 мас. смесь Ti, Al, Zr, Mo, V состава ВТ-20 - остальное. Увеличение содержания меди более 60 мас. приводит к ослаблению химической связи зерна кубического нитрида бора со сплавом связующего, а уменьшение содержания меди в сплаве связующего (менее 15 мас.) уменьшает вязкость связующего, тем самым повышает хрупкость композитов, способствует образованию трещин и повышению ломкости при механической обработке композитов. Таким образом, наличие меди в связующем как менее 15 мас. так и более 60 мас. ослабляет режущие свойства композитов, а наличие 40 85 мас. адгезионно-активных металлов Ti, Al, Zr, Mo, V (состава ВТ-20) обеспечивает эффект упрочнения материала связующего.

Связующее в виде сплава меди с компонентами состава ВТ-20 целесообразно предварительно подвергать гомогенизирующему отжигу, например, в вакууме 10^-3 10^-6 мм рт.ст. при температуре 0,7 0,9 Т_пл. Гомогенизирующий отжиг в вакууме способствует выравниванию химического состава связки, что соответственно приводит к повышению однородности композита в целом.

Предлагаемая шихта в качестве сверхтвердого порошка содержит смесь порошка кубического нитрида бора с соотношением размеров зерен 1:(1,4 8). Это создает большее количество межчастичных контактов, обеспечивает плотную укладку частиц порошка и лучшее заполнение пор. Соотношение 1:1,4 является минимальным, так как представляет собой балл зерна и уменьшение соотношения вызывает чисто практическую трудность его реализации, а увеличение соотношения более 1:8 ухудшает режущие свойства композитов, полученных из этой шихты, вследствие возникновения большой разницы в объемах режущего элемента, каковым является кубический нитрид бора.

Следует отметить, что лучше использовать предварительно металлизированный порошок кубического нитрида бора. Зерна кубического нитрида бора имеют мельчайшие поры, микротрещины, дислокационные нарушения, которые являются концентраторами напряжений. Металлизация порошков значительно упрочняет зерна за счет цементирующего, залечивающего действия металлического расплава, заполняющего мельчайшие трещины, поры. С целью сохранения фазового состава композитов зерна кубического нитрида бора металлизируют металлами, входящими в состав связующего, а именно Cu, Ti, Al, Zr, Mo, V. Покрытие Ti, Al, Zr, Mo, V лучше залечивает поверхностные дефекты зерен кубического нитрида бора и обеспечивает более прочное адгезионное сцепление металлической пленки с поверхностью зерна, чем медь. Покрытие медью, не образующей химических соединений с кубическим нитридом бора, облегчает возможность перегруппировки зерен кубического нитрида бора при появлении жидкой фазы в направлении их более плотной укладки. Барьерный эффект металлического покрытия, препятствуя контакту зерен кубического нитрида бора, облегчает скольжение частиц порошка относительно друг друга, способствуя их перераспределению, тем самым повышая степень уплотнения. В случае получения композитов методом пропитки металлизация компонентами материала связующего (пропитки) улучшает смачивание, облегчает пропитку и приводит к более равномерному распределению материала связующего по высоте композита. Металлическое покрытие на порошок технологически удобно наносить химическим способом, причем количество покрытия определяется возможностью получения сплошного равномерного покрытия.

Для получения композитов вышеуказанную смесь сверхтвердого порошка либо смешивали с порошком связующего, либо располагали в контакте с порошком связующего (при изготовлении композитов методом пропитки). Композиты по изобретению технологически проще и экономически выгоднее получать при высоких давлениях и температурах методом пропитки сверхтвердых порошков расплавленным металлическим связующим.

Для получения более однородной структуры, обеспечивающей стабильность режущих свойств композитов, сплав связующего измельчают. При этом необходимо руководствоваться не столько степенью измельчения исходных компонентов шихты, а главным образом степенью достигаемой однородности смеси. Соотношение размеров сверхтвердого порошка кубического нитрида бора и порошка связующего в предлагаемой шихте составляет 1:(1 150), т.е. например, при размере порошка кубического нитрида бора 1 мкм допустимые размеры порошка связующего составляют 1 150 мкм. Экспериментально было установлено, что увеличение этого соотношения (более 1:150) ухудшает режущие свойства композитов, уменьшение (менее 1:1) экономически нецелесообразно.

Содержание сверхтвердого порошка в шихте составляет 50 85 мас. остальное порошок связующего. Содержание кубического нитрида бора выше 85% нецелесообразно из-за охрупчивания материала (появление микровыкрашиваний на режущих кромках пластин). Содержание кубического нитрида бора менее 50 мас. ослабляет режущие свойства при обработке сильно закаленных сталей. Содержание сверхтвердого порошка от 50 до 85 мас. обеспечивает высокую износостойкость композитов при обработке закаленных сталей с твердостью 60 HRC.

Шихта по предполагаемому изобретению позволяет в значительной мере реализовать как высокие режущие свойства сверхтвердого порошка кубического нитрида бора, так и достоинства связующего, достаточно прочного (вследствие образования химических соединений адгезионно-активными металлами) и достаточно вязкого (за счет химической инертности меди), что особенно важно для материалов инструментального назначения. Правильный и тщательный подбор дисперсности исходных порошков шихты способствует повышению качества композитов и их режущих свойств.

Пример 1.

В аппарат высокого давления и температуры помещают графитовый нагреватель, имеющий форму стаканчика. Внутреннюю поверхность графитового нагревателя изолируют от содержимого слоем слюды или гексагонального нитрида бора. На дно графитового нагревателя помещают связующее, спрессованное в виде таблетки из порошка сплава связующего сплав меди и металлической композиции состава ВТ-20 (т.е. алюминий 5,5 7,5% цирконий 1,5 2,5% молибден 0,5 - 2,0% ванадий 0,8 1,0% прочие С, Fe, Si и др. до 0,3% остальное титан). На металлическое связующее помещают смесь порошка кубического нитрида бора. На кубический нитрид бора помещают слой изоляции из порошка карбида бора. Заполненный графитовый нагреватель подвергают действию давления ≈ 30 кБар и температуры, достаточной для расплавления связующего, 1000 - 1300^oC. После изотермической выдержки в течение 15 35 с, понижения давления до атмосферного, а температуры до комнатной получают композит. Изменяя количество кубического нитрида бора от 50 до 85 мас. а соответственно, связующего от 50 до 15 мас. изменяя состав связующего от 15 до 60 мас. меди, остальное металлическая композиция состава ВТ-20, а также соотношение размеров зерен порошка кубического нитрида бора (1:1,4 1:8) и соотношение размеров порошка кубического нитрида бора и порошка связующего от 1:1 до 1:150, получают составы шихты, представленные в таблице.

В табл.1 3 приведены составы предложенной шихты для изготовления сверхтвердого композиционного материала и режущие свойства композитов, полученных из этой шихты.

Пример 2.

В аппарат высокого давления и температуры помещают графитовый нагреватель. В графитовый нагреватель помещают смесь порошка связующего (приготовленного из сплава меди с металлической композицией состава ВТ-20) и порошка кубического нитрида бора (представляющего собой смесь порошков с соотношением размеров зерен от 1:1,4 до 1:8), причем соотношение размеров порошка кубического нитрида бора и порошка связующего составляет 1:(1 150). Соотношение компонентов связующего и шихты, как в примере 1. Заполненный графитовый нагреватель подвергают действию давления (≈30 кБар) и температуры ≈ 1200^oC. После изотермической выдержки и понижения давления и температуры получают композит.

Режущие свойства сверхтвердого композиционного материала определяли при обработке стали ХВГ HRC 60 на токарно-винторезном станке 16К20 при следующем режиме резания: скорость точения V 80 100 м/мин, продольная подача S 0,1 мм/об, глубина точения t 0,5 мм. Продольное точение осуществлялось без применения СОЖ. Износ пластин по задней поверхности измеряли на микроскопе МИМ-2.

Как следует из данных, приведенных в таблицах, предложенная шихта для изготовления сверхтвердого композиционного материала обеспечивает в сравнении с шихтой известного состава повышение стойкости резцов из сверхтвердого композиционного материала на 25% Композиты, полученные из предлагаемой шихты изобретения, показали высокие режущие свойства при точении термически обработанных сталей с твердостью 60 HRC. По сравнению с базовым объектом, за который приняты резцы ТЗОК4, резцы из композитов, полученных из предлагаемой шихты, обладают значительно более высокой стойкостью. При обработке стальных деталей из ХВГ твердостью HRC 60 резцами из сплава ТЗОК4 при скорости точения V 80 100 м/мин, продольной подаче S 0,1 мм/об, глубине точения t 0,5 мм стойкость режущей кромки не превышает 5 мин. Резцы, полученные из шихты прототипа, показали стойкость ≈35 мин. Резцы из композитов, полученных из предлагаемой шихты, при тех же режимах резания показали стойкость до 45 мин. Поскольку стойкость резцов, полученных из предлагаемой шихты при обработке закаленных сталей с твердостью HRC 60 на 25% выше стойкости резцов из шихты прототипа, то использование предложенной шихты экономически целесообразно.

Формула изобретения

Шихта для изготовления сверхтвердого композиционного материала, содержащая сверхтвердый порошок кубического нитрида бора и металлическое связующее, отличающаяся тем, что в качестве связующего она содержит сплав титана с алюминием с добавкой Zr, Mo, V в соотношении, отвечающем составу ВТ-20 и меди при следующем соотношении компонентов, мас.

Медь 15 60 Сплав Ti, Al, Zr, Mo, V Остальное
в качестве сверхтвердого порошка она содержит смесь порошка кубического нитрида бора с соотношением размеров зерен 1 (1,4-8), причем соотношение размеров порошка кубического нитрида бора и порошка связующего составляет 1 (1-150), при следующем соотношении компонентов, мас.

Смесь порошков кубического нитрида бора 50 85
Сплав связующего Остальное