Твердосплавный инструмент

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению твердосплавного инструмента для холодной и горячей механической обработки. Может использоваться для изготовления режущего инструмента, бурового инструмента и фильер. Инструмент выполнен из твердого сплава, состоящего из монокарбида вольфрама, карбида титана и цементирующей кобальтовой связки. Приповерхностный слой толщиной 3÷15 мкм содержит 50-99,5 мас.% (Ti, W)C. Кристаллические решетки карбидных фаз в приповерхностном слое имеют интегральную разупорядоченность (b/a)_Σ<2. При этом (b/a)_Σ=(b/a)_(Ti,W)C·C_(Ti,W)C+(b/a)_WC·C_WC, где (b/a)_(Ti,W)C - разупорядоченность кристаллической решетки (Ti, W)C; (b/a)_WC - разупорядоченность кристаллической решетки WC; C_(Ti,W)C - концентрация (Ti, W)C, мас.%; C_WC -концентрация WC, мас.%; b=β₂/β₁; a=tgϑ₂/tgϑ₁; β - физическое уширение дифракционной линии; ϑ - угловое положение центра тяжести дифракционной линии; индексы 1 и 2 соответствуют дифракционным линиям, снятым при малых и больших углах дифракции рентгеновских лучей. Полученный инструмент имеет высокий коэффициент стойкости и, следовательно, увеличенный срок службы. 1 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для холодной и горячей механической обработки различных материалов, преимущественно металлов и их сплавов, и может быть выполнено в виде различного типа резцов, сверл, фрез, бурового инструмента, фильер и т.п.

Известен инструмент, выполненный из твердого сплава на основе карбида титана с железной связкой (карбидостали) [1]. Недостатком известного инструмента является его сравнительно низкая износостойкость, что можно объяснить высокой степенью разупорядоченности кристаллической решетки карбида титана.

Известен инструмент, выполненный из твердого сплава на основе монокарбида вольфрама с кобальтовой связкой [2]. Недостатками известного инструмента являются его малые твердость и износостойкость, что можно объяснить высокой степенью разупорядоченности кристаллической решетки монокарбида вольфрама.

Наиболее близким к заявляемому инструменту является инструмент, выполненный из твердого сплава, состоящего из монокарбида вольфрама, карбида титана и цементирующей кобальтовой связки и обладающего повышенной концентрацией сложного карбида (Ti, W)C, достигающей 50-99,5 массовых процентов в приповерхностном слое толщиной 3÷15 мкм [3]. Недостатком известного инструмента является сравнительно малый срок службы, что обусловлено высокой степенью интегральной разупорядоченности карбидов вольфрама и титана.

Заявляемое изобретение направлено на увеличение срока службы инструмента.

Указанный результат достигается тем, что инструмент выполнен из твердого сплава, содержащего монокарбид вольфрама, карбид титана и цементирующую кобальтовую связку и обладающего повышенной концентрацией сложного карбида (Ti, W)C, достигающей 50÷99,5 массовых процентов в приповерхностном слое толщиной 3÷15 мкм, при этом интегральная разупорядоченность (b/а)_Σ кристаллических решеток карбидных фаз - монокарбида вольфрама WC и сложного карбида (Ti, W)C - меньше двух, где (b/а)_Σ=(b/а)_(Ti,W)C·С_{(Ti, W)C}+(b/а)_WC·С_WC, (b/a)_(Ti,W)C - разупорядоченность кристаллической решетки сложного карбида (Ti, W)C, (b/а)_WC - разупорядоченность кристаллической решетки монокарбида вольфрама WC, С_(Ti,W)C - концентрация сложного карбида (Ti, W)C в массовых процентах, С_WC - концентрация монокарбида вольфрама WC в массовых процентах, b=β₂/β₁, а=tgϑ₂/tgϑ₁, β - физическое уширение дифракционной линии, ϑ - угловое положение центра тяжести дифракционной линии, индексы 1 и 2 отвечают дифракционным линиям, снятым при малых и больших углах дифракции рентгеновских лучей на исследуемом образце.

Отличительным признаком заявляемого изобретения является выполнение кристаллических решеток карбидных фаз - монокарбида вольфрама WC и сложного карбида (Ti, W)C - с интегральной разупорядоченностью (b/а)_Σ, меньшей двух, где (b/а)_Σ=(b/а)_{(Ti,W)C ·}C_(Ti,W)C+(b/a)_WC·C_WC, (b/а)_(Ti,W)C - разупорядоченность кристаллической решетки сложного карбида (Ti, W)C, (b/a)_WC - разупорядоченность кристаллической решетки монокарбида вольфрама WC, С_(Ti,W)C - концентрация сложного карбида (Ti, W)C в массовых процентах, С_WC - концентрация монокарбида вольфрама WC в массовых процентах, b=β₂/β₁, а=tgϑ₂/tgϑ₁, β - физическое уширение дифракционной линии, ϑ - угловое положение центра тяжести дифракционной линии, индексы 1 и 2 отвечают дифракционным линиям, снятым при малых и больших углах дифракции рентгеновских лучей на исследуемом образце.

Установлено, что если интегральная разупорядоченность кристаллических решеток карбидных фаз (Ti, W)C и WC больше двух, то увеличение срока службы инструмента практически не заметно. Значение интегральной разупорядоченности, меньшее двух, обеспечивает достижение заявленного результата.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом и нижеследующим описанием.

На чертеже приведено схематическое изображение инструмента. 1 - инструмент, 2 - приповерхностный слой, обогащенный сложным карбидом (Ti, W)C.

На чертеже схематично представлен поперечный разрез твердосплавного инструмента 1, иллюстрирующий расположение обогащенного сложным карбидом (Ti, W)C слоя 2 на его поверхности. Твердосплавный инструмент закрепляется в основании известным образом, образуя устройство, которое в целом может являться резцом, сверлом, фрезой, фильерой, протяжкой и т.п. В частном случае таким основанием может служить зажимной патрон станка, в котором закрепляется твердосплавный инструмент (резец, сверло, развертка, метчик и т.п.).

Работа инструмента не описывается, так как он не содержит движущихся узлов и деталей.

Обогащенный сложным карбидом (Ti, W)C приповерхностный слой инструмента и интегральная разупорядоченность в нем монокарбида вольфрама WC и сложного карбида (Ti, W)C, меньшая двух, создаются термообработкой. Готовое изделие из твердого сплава, получаемое известными методами порошковой металлургии, подвергают нагреву до температуры, подбираемой экспериментально, превышающей температуру стационарного спекания изделия в присутствии жидкой фазы [4] (высокотемпературная обработка (ВТО)). Время выдержки при подобранных температурах также подбирается экспериментально. Уменьшение интегральной разупорядоченности монокарбида вольфрама и сложного карбида титана и вольфрама до значений, меньших двух, происходит вследствие нагрева твердого сплава до высоких температур. Степень разупорядоченности монокарбида вольфрама и сложного карбида (Ti, W)C регистрируется методом рентгеновской дифрактометрии.

Твердосплавный инструмент с уменьшенным значением интегральной разупорядоченности монокарбида вольфрама и сложного карбида (Ti, W)C закрепляется в основании известными методами и полученное устройство для обработки материалов (инструмент, оснастка) используется по назначению.

Проверка достижения заявленного технического результата осуществлялась следующим образом. После термообработки пластины из твердого сплава Т15К6 (состав в массовых процентах: WC - 79, TiC - 15, Со - 6) исследовались методом рентгеновской дифрактометрии [5]. Для исследования монокарбида вольфрама WC использовались линии 10.1 (ϑ₁=24,39°) и 11.2 (ϑ₂=49,42°), для исследования двойного карбида (Ti, W)C использовались линии 200 (ϑ₁=21,01°) и 400 (ϑ₂=45,60°). Применялось излучение CuKα. После рентгеновских исследований пластины из твердого сплава Т15К6 использовались для изготовления резцов для токарной обработки.

Производственные испытания с целью определения срока службы резцов осуществлялись на СП "Пигма-Kennametal". Испытания опытной партии неперетачиваемых режущих пластин KNUX 190810 из твердого сплава Т15К6 производства КЗТС проведены на токарно-винторезном станке с ЧПУ модели 16К20Ф3. Обрабатывались различные детали для горного инструмента, изготовленные из стали 30ХГСА. Режимы резания: скорость резания V=90 м/мин, подача S=0,3 мм/об, глубина резания t=3 мм.

Результаты рентгеновских измерений представлены в таблице 1, а производственных испытаний - в таблице 2. В таблице 3 сопоставлены результаты рентгеновских измерений и производственных испытаний.

Из табл.1 следует, что основной вклад в интегральную разупорядоченность (b/а)_Σ вносит разупорядоченность сложного карбида (Ti, W)C как вследствие ее большей величины по сравнению с разупорядоченностью монокарбида вольфрама, так и почти на порядок большей концентрацией (Ti, W)C (84,2÷89,2 мас.% по сравнению с 8,5÷12,4 мас.%).

Из табл.2 вытекает, что время работоспособности термообработанных пластин колеблется в широких пределах, изменяясь от 114 до 858 мин, что меньше и больше времени работоспособности базовой пластины, равного 213 мин.

Наибольший интерес для практических применений представляют данные табл.3, в которой сопоставлены значения интегральной разупорядоченности (b/а)_Σ со значениями коэффициента стойкости K_{СТ ВТО} термообработанных пластин, определяемого по формуле

где t_Р - время работоспособности базовой пластины, t_{Р ВТО} - время работоспособности пластины, подвергнутой высокотемпературной обработке (ВТО).

Из табл.3 очевидно, что чем больше (b/а)_Σ, тем меньше коэффициент стойкости термообработанных пластин. Данное утверждение целиком выполняется в случае коэффициентов стойкости 1-го лезвия. В случае 2-го лезвия для больших значений (b/а)_Σ, близким к двум, это утверждение несправедливо. Однако для коэффициентов стойкости как первого, так и второго лезвий и среднего значения коэффициента стойкости двух лезвий справедливо другое положение, являющееся основным положительным результатом заявляемого изобретения: при значениях (b/а)_Σ, больших двух, значения К_СТ. меньше двух (К_СТ=0,53÷1,62), что либо не имеет особого практического значения (К_СТ=1,57÷1,62), либо бессмысленно (К_СТ=1,08), либо просто вредно (К_СТ=0,53).

Итак, при выполнении условия: (b/а)_Σ<2, среднее значение стойкости пластины , т.е. увеличивается более, чем вдвое, время работоспособности термообработанной пластины по сравнению с базовой пластиной.

Таблица 1 Результаты рентгеновских измерений пластин KNUX 190810 из твердого сплава Т15К6 производства КЗТС после высокотемпературной обработки
№ пл-ны	(b/a)(Ti,W)C	C(Ti,W)C, мас.%	(b/а)WC	CWC, мас.%	(b/а)Σ=(b/a)(Ti,W)C·C(Ti,W)C +(b/a)WC·СWC
1	1,550	86,5	1,055	10,6	1,457
2	1,936	85,2	1,262	11,0	1,788
3	1,992	84,2	1,152	12,4	1,820
4	2,107	85,7	1,242	11,3	1,946
5	2,128	88,6	1,365	8,6	2,003
6	2,208	86,5	1,109	10,6	2,027
7	1,998	85,7	1,124	10,3	1,828
8	1,992	85,0	1,159	11,7	1,829
9	1,917	86,3	1,117	10,4	1,771
10	2,399	86,0	1,247	10,3	2,192
11	2,169	86,8	1,188	9,6	1,997
12	2,091	89,2	1,277	8,5	1,974

Таблица 2 Результаты производственных испытаний пластин KNUX 190810 из твердого сплава Т15К6 производства КЗТС после высокотемпературной обработки
№ пл-ны	Наименование обрабатываемой	Количество обработанных деталей	Время работоспособности пластины tP, мин
	детали	1 лезвие	2 лезвие	1 лезвие	2 лезвие
1	G60KB90	150	140	858	801
2	RG52D	160	160	568	568
3	G50-16S	160	160	522	522
4	L36G-16S	130	230	364	644
5	G60KB90	60	20	343	114
6	G50EDC-19,5	125	125	334	334
Базовая	RG52D	60	60	213	213

Таблица 3 Сопоставление результатов рентгеновских измерений и производственных испытаний пластин KNUX 190810 из твердого сплава Т15К6 производства КЗТС после высокотемпературной обработки
№ пл-ны	(b/а)Σ	Наименование обрабатываемой детали	Коэффициент стойкости
1-го лезвия КСТ1	2-го лезвия КСТ2
1	1,457	G60KB90	4,03	3,76	3,90
2	1,788	RG52D	2,66	2,66	2,66
3	1,820	G50-16S	2,45	2,45	2,45
4	1,946	L36G-16S	1,70	3,02	2,36
5	2,003	G60KB90	1,62	0,53	1,08
6	2,027	G50EDC-19,5	1,57	1,57	1,57

Источники информации

1. Гуревич Ю.Г., Нарва В.К., Фраге Н.П. Карбидостали. М.: Металлургия, 1988. 142 с.

2. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976, 528 с. С.21-125.

3. Устройство для обработки твердых материалов. Пат. РФ на изобретение №2178012 от 10.01.2002 г. Патентообладатель - Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В.Ломоносова. Авторы: Коршунов А,Б., Бажинов А.Н., Рябов В.Н. и др. (Прототип).

4. Способ упрочнения изделий из карбидосодержащих сплавов. Пат. РФ на изобретение №2181643 от 27.04.2002 г. Патентообладатель - Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В.Ломоносова. Авторы: Коршунов А.Б., Бажинов А.Н., Рябов В.Н. и др.

5. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографичесий и электронно-оптический анализ. Учебное пособие для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: МИСиС, 2002. - 360 с.

Инструмент для механической обработки, выполненный из твердого сплава, состоящего из монокарбида вольфрама, карбида титана и цементирующей кобальтовой связки, и имеющий приповерхностный слой, содержащий сложный карбид (Ti, W)C в концентрации 50-99,5 мас.% толщиной 3÷15 мкм, отличающийся тем, что кристаллические решетки карбидных фаз в приповерхностном слое имеют интегральную разупорядоченность (b/а)_Σ<2, при этом

(b/a)_Σ=(b/a)_(Ti,W)C·C_{(Ti, W)C}+(b/a)_WC·C_WC,

где (b/a)_(Ti,W)C - разупорядоченность кристаллической решетки сложного карбида (Ti, W)C;

(b/a)_WC - разупорядоченность кристаллической решетки монокарбида вольфрама WC;

C_(Ti,W)C - концентрация сложного карбида (Ti, W)C, мас.%;

C_WC - концентрация монокарбида вольфрама WC, мас.%;

b=β₂/β₁;

a=tgϑ₂/tgϑ₁;

β - физическое уширение дифракционной линии;

ϑ - угловое положение центра тяжести дифракционной линии;

индексы 1 и 2 соответствуют дифракционным линиям, снятым при малых и больших углах дифракции рентгеновских лучей.