Сверхтвердый композиционный материал

 

Сверхтвердый композиционный материал относится к порошковой металлургии, в частности, к получению сверхтвердых материалов при высоких давлениях и температурах. Сверхтвердый композиционный материал имеет более высокие режущие свойства при обработке сплавов на основе никеля. Материал содержит 18 - 40 об.% кубического нитрида бора, 45 - 80 об.% тугоплавких соединений титана: TiN и/или TiB₂ и/или TiBN, 2 - 15 об.% интерметаллидов меди и титана и/или медь. Материал может быть использован в машиностроении при производстве режущего инструмента. 1 табл.

Предполагаемое изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению сверхтвердых материалов в аппаратах высокого давления и температуры, и может найти применение в машиностроении при производстве лезвийного режущего инструмента.

Известен компактный абразивно-режущий материал "Бормет" по авторскому свидетельству N 633724, кл. C 01 B 21/06 от 1978 г. Этот материал состоит из кубического нитрида бора и меднотитановых или медноциркониевых интерметаллических соединений из группы: Ti₂Cu, TiCu, Ti₂Cu₃, TiCu₃, Zr₂Cu, ZrCu, Zr₂Cu₃, ZrCu₃ при следующем соотношении компонентов, об. кубический нитрид бора 65 90, интерметаллические соединения 10 35. Резцы, изготовленные из этого материала, обрабатывают закаленную сталь HRC 62, давая чистоту обработки по 5 6 классу. Однако этот материал имеет недостаточно высокие режущие свойства, а именно стойкость, из-за отсутствия прочных химических связей на границе раздела сверхтвердого порошка со связующим.

Прототипом предлагаемого изобретения является сверхтвердый композиционный материал по авторскому свидетельству N 1542071, кл. С 22 С 29/16, B 24 D 3/06 от 1988 г. Этот материал содержит кубический нитрид бора, нитрид титана, диборид титана, интерметаллид меди и титана и медь при следующем соотношении компонентов, об. нитрид титана 18 36, диборид титана 10 18, медь 1,5 4,5, интерметаллид меди и титана 0,5 1,5, кубический нитрид бора - остальное. Резцы, полученные из сверхтвердого композиционного материала, показали высокую стойкость при точении термически обработанных сталей с твердостью большей 50 HRC. При обработке деталей из стали марки ХВГ твердостью HRC 60 при следующих режимах резания: скорость точения V 80 100 м/мин, продольная подача S 0,1 мм/об, глубина точения t 0,5 мм, стойкость режущей кромки составляет ≈30 мин. Однако, при обработке сплавов на основе никеля этот материал имеет низкие режущие свойства (возникновение проточек, сколы режущего клина).

Целью предполагаемого изобретения является повышение режущих свойств сверхтвердых материалов при обработке сплавов на основе никеля.

Поставленная цель достигается тем, что материал содержит в качестве тугоплавких соединений титана: TiN и/или TiB₂ и/или TiBN, в качестве интерметаллидов меди и титана: CuTi₃ и/или CuTi₂ и/или CuTi и/или Cu₃Ti₂ и/или Cu₂Ti и/или Cu₃Ti при следующем соотношении компонентов, об.

Кубический нитрид бора 40 18 Тугоплавкие соединения титана 45 80 Интерметаллиды меди и титана и/или медь 15 2 Материал по предполагаемому изобретению содержит большое количество (45 80 об.) тугоплавких соединений титана TiN и/или TiB₂ и/или TiBN. Каждое зерно кубического нитрида бора связано прочной химической связью со связующим и покрыто оболочкой из тугоплавких соединений титана. Интерметаллиды меди и титана CuTi₃, CuTi₂, CuTi, Cu₃Ti₂, Cu₂Ti, Cu₃Ti и чистая медь расположены в межзеренных пустотах и структурных каналах. Такой фазовый состав и структура материала обеспечивают как прочный спай кубического нитрида бора со связкой, так и высокую вязкость композиционного материала. Это предотвращает возникновение проточек, приводящих к сколам режущего клина. Как показали исследования режущих свойств сверхтвердого композиционного материала при обработке сплавов на основе никеля, на стойкость режущих пластин заметно влияет как общее содержание тугоплавких компонентов титана в связующем, так и компонент содержащих медь. Экспериментально установлено, что повышение содержания кубического нитрида бора выше 40 об. приводит к сколам режущего клина. Поэтому при увеличении содержания кубического нитрида бора до 40 об. следует в составе связующего иметь большее количество компонент связующего, содержащих медь (до 15 об.). При уменьшении содержания кубического нитрида бора до 18 об. содержание тугоплавких соединений титана можно увеличить до 80 об. а содержание компонентов связующего с медью можно уменьшить до 2 об. Использование большого количества и тугоплавких и медных компонент связующего позволяет повышать скорости резания. Уменьшение содержания кубического нитрида бора менее 18 об. снижает режущие свойства композитов, по-видимому, за счет значительного уменьшения в единице объема кубического нитрида бора, который является режущим элементом.

Предложенный материал позволил увеличить стойкость режущих пластин из композитов при обработке сплавов на основе никеля. Свой вклад в увеличение стойкости внесли и фазовый состав, и подбор количественных соотношений компонентов, и структура материала.

Пример 1.

В аппарат высокого давления и температуры помещают графитовый нагреватель, имеющий форму стаканчика. На дно графитового нагревателя помещают связующее материал пропитки, спрессованный в виде таблетки. На металлическое связующее помещают порошок кубического нитрида бора, а сверху слой изоляции. Заполненный графитовый нагреватель подвергают действию давления ≈30 кбар и температуры 1000-1300^oС. После изотермической выдержки в течение 10 40 с, понижения давления до атмосферного, а температуры до комнатной, получают композит. Изменяя количество кубического нитрида бора и связующего получают составы сверхтвердого композиционного материала, представленные в таблице. В таблице приведены составы сверхтвердого композиционного материала и режущие свойства композитов при обработке сплавов на основе никеля.

Пример 2.

В аппарат высокого давления и температуры помещают графитовый нагреватель. В нагреватель помещают смесь порошков связующего и кубического нитрида бора и подвергают воздействию высокого давления 20 40 кбар и температуры 1000-1300^oC. После изотермической выдержки и понижения давления и температуры получают композит.

Режущие свойства сверхтвердого композиционного материала определяли при обработке сплава на основе никеля на токарно-винторезном станке 16К20 при следующем режиме резания: скорость точения V ≃ 30 м/мин, продольная подача S 0,2 мм/об, глубина точения t 1 мм. Резцы, полученные из сверхтвердого композиционного материала, показали высокую стойкость при обработке сплавов на основе никеля. Они превосходят по стойкости в несколько раз резцы из сверхтвердого материала прототипа. По сравнению с базовым объектом, за который приняты резцы из твердого сплава ВК60М, резцы, изготовленные из сверхтвердого композиционного материала предполагаемого изобретения, обладают более высокой стойкостью при механической обработке сплавов на основе никеля. Кроме того, резцы из нового материала позволяют производить обработку сплавов на основе никеля при скоростях, на ≈20% превышающих скорости при обработке резцами из твердого сплава.

Формула изобретения

Сверхтвердый композиционный материал, содержащий кубический нитрид бора, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тугоплавкие соединения титана, интерметаллиды меди и титана и/или медь, причем в качестве интерметаллидов меди и титана он содержит CuTi₃, и/или CuTi₂, и/или CuTi, и/или Cu₃Ti₂, и/или Cu₂Ti, и/или Cu₃Ti, в качестве тугоплавких соединений титана TiN, и/или TiB₂, и/или TiBN при следующем соотношении компонентов, об.

Кубический нитрид бора 40 18 Тугоплавкие соединения титана 45 80 Интерметаллиды меди и титана и/или медь 2 15