Способ изготовления твердых сплавов на основе карбида вольфрама и сложного карбонитрида циркония-вольфрама

Изобретение относится к производству твердых сплавов и может использоваться для изготовления режущего инструмента с повышенными требованиями по износостойкости. Сложный карбонитрид циркония-вольфрама состава Zr_1-xW_xC_1-yN_y, где х равен 0,2-0,5; у равен 0,3-0,4, синтезируют из смеси карбида вольфрама, карбида циркония и нитрида циркония в среде азота при температуре 1700-1900°С. Готовят шихту, содержащую 87,5-91,0 мас.% смеси карбида вольфрама и сложного карбонитрида циркония-вольфрама и 9,0-12,5 мас.% кобальта. Массовое соотношение карбида вольфрама и сложного карбонитрида циркония-вольфрама 1:3-3:1. Затем осуществляют прессование, сушку и спекание в вакууме при 1420-1460°С. Полученный сплав имеет высокую механическую прочность при сохранении твердости. 1 табл.

 

Изобретение относится к способам изготовления твердых сплавов и может быть использовано преимущественно для производства режущего инструмента с повышенными требованиями по износостойкости при обработке резанием труднообрабатываемых сталей и сплавов.

Известен ряд решений по технологии твердых сплавов с использованием в виде основы или как одного из компонентов карбонитридов переходных металлов, преимущественно титана.

В патенте США №5503653 (опубл. 02.04.96) предлагается твердый сплав на основе карбонитридов TiCN, TiZrCN, карбидов WC, TiZrC и связкой Со и Ni с улучшенной износостойкостью. Помимо карбида вольфрама в состав твердого сплава добавляют карбид молибдена Мо₂С. Указанный сплав обладает хрупкостью и недостаточно высокой прочностью.

В патенте США №5659872 (опубл. 28.07.98) твердый сплав состава (мас.%): 23% TiCN (со средним размером зерна d_cp=0,8-5 мкм), 23% TiZrC, 15% TiZrCN, 18% WC, 5% - Мо₂С (со средним размером зерна d_cp=1 - 2 мкм); связка Со, Ni. Такой сплав имеет хорошее сопротивление износу и коррозионную стойкость, однако, имеет небольшую прочность.

В патенте США №5786076 для сплавов WC - Со рекомендуются карбиды хрома, ванадия, циркония и тантала, кроме того, вводится 1-5 мас.% нитридов (VN, CrN, ZrN и TiN или TiCN), что позволяет повысить вязкость и износостойкость сплава, а также снизить коэффициент трения при обработке резанием металлов и сплавов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ, предложенный в заявке Японии JP 60-224781 А, МПК С22С 1/05; В23Р 15/28; С22С 29/02 (опубл. 09.11.1985), приоритет фирмы «Mitsubishi Metal Corporation», Япония. В указанной заявке предлагается способ изготовления твердого сплава на основе карбида вольфрама и сложного карбонитрида циркония-вольфрама, включающий приготовление шихты, содержащей смесь карбида вольфрама, сложного карбонитрида циркония-вольфрама и кобальт, прессование, сушку и спекание, нанесение однослойного износостойкого покрытия. Инструмент из такого твердого сплава позволяет производить высокоскоростное резание металлов и сплавов.

К недостаткам известного способа относится недостаточно высокая механическая прочность (1900-1950 МПа), что ограничивает области применения режущего инструмента.

Задачей предлагаемого технического решения является увеличение механической прочности твердого сплава при сохранении требуемого уровня твердости.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что предлагается способ изготовления твердого сплава на основе карбида вольфрама и сложного карбонитрида циркония-вольфрама, включающий приготовление шихты, содержащей смесь карбида вольфрама, сложного карбонитрида циркония-вольфрама и кобальт, прессование, сушку и спекание, в котором согласно изобретению предварительно синтезируют сложный карбонитрид циркония-вольфрама состава Zr_1-xW_xC_1-yN_y, где х равен 0,2-0,5; у равен 0,3-0,4, из смеси карбида вольфрама, карбида циркония и нитрида циркония в среде азота при температуре 1700-1900°С, готовят шихту, содержащую 87,5-91,0 мас.% смеси карбида вольфрама и сложного карбонитрида циркония-вольфрама и 9,0-12,5 мас.% кобальта, при массовом соотношении карбида вольфрама и сложного карбонитрида циркония-вольфрама 1:3-3:1, а спекание осуществляют в вакууме при температуре 1420-1460°С.

Предлагаемые сплавы обладают твердостью по Виккерсу Hv=18-20 ГПа, прочностью при изгибе 2000-2200 МПа и высокими показателями режущих свойств.

Предлагаемое техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1.

Предварительный синтез карбонитрида состава Zr_0,65W_0,35C_0,65N_0,35 производится при температуре 1800°С в среде азота. Шихта твердого сплава состоит из трех частей карбида вольфрама по массе и одной части сложного карбонитрида, и содержит 9,0 мас.% кобальта. Температура спекания в вакууме 1440°С. Полученный твердый сплав имеет прочность при изгибе 2200 МПа и твердость по Виккерсу 20 ГПа.

Пример 2.

Предварительный синтез карбонитрида состава Zr_0,5W_0,5C_0,7N_0,3 производится при температуре 1900°С в среде азота. Шихта твердого сплава состоит из одной части карбида вольфрама по массе и одной части сложного карбонитрида, и содержит 10,5 мас.% кобальта. Температура спекания в вакууме 1420°С. Полученный твердый сплав имеет прочность при изгибе 2100 МПа и твердость по Виккерсу 19 ГПа.

Пример 3.

Предварительный синтез карбонитрида состава Zr_0,8W_0,2C_0,6N_0,4 производится при температуре 1700°С в среде азота. Шихта твердого сплава состоит из одной части карбида вольфрама по массе и трех частей сложного карбонитрида, и содержит 12,5 мас.% кобальта. Температура спекания в вакууме 1460°С. Полученный твердый сплав имеет прочность при изгибе 2000 МПа и твердость по Виккерсу 18 ГПа.

Указанные примеры приведены в таблице. В таблице приведены также примеры (4, 5) вне заявляемой области и пример по способу-прототипу.

Заявляемый способ позволяет получать высокопрочный и твердый материал для изготовления режущего инструмента, обладающего пониженной адгезией к обрабатываемому материалу и, как следствие, снижением температуры в зоне контакта с режущей кромкой.

Таблица
№ примера	Значения коэффициентов х и у в формуле сложного карбонитрида Zr1-xWxC1-yNy	Температура синтеза сложного карбонитрида, °С	Соотношение WC/сл. карбонитрид в твердом сплаве	Содержание кобальта, мас.%	Температура спекания твердого сплава, °С	Предел прочности при изгибе, МПа	Твердость по Виккерсу, ГПа
x	y
1	0,35	0,35	1800	3:1	9,0	1440	2200	20
2	0,5	0,3	1900	1:1	10,5	1420	2100	19
3	0,2	0,4	1700	1:3	12,5	1460	2000	18
4*	0,1	0,5	2000	4:1	13,0	1400	1400	14
5*	0,6	0,2	1600	1:4	8,0	1480	1300	15
Прототип	WC - 40 мас.% ZrN - 27 мас.% ZrC - 30 мас.%			3,0	1440	1950	17
* - Примеры вне заявляемой области

Способ изготовления твердого сплава на основе карбида вольфрама и сложного карбонитрида циркония-вольфрама, включающий приготовление шихты, содержащей смесь карбида вольфрама, сложного карбонитрида циркония-вольфрама и кобальт, прессование, сушку и спекание, отличающийся тем, что предварительно синтезируют сложный карбонитрид циркония-вольфрама состава

Zr_1-xW_xC_1-yN_y,

где х = 0,2-0,5;

у = 0,3-0,4,

из смеси карбида вольфрама, карбида циркония и нитрида циркония в среде азота при температуре 1700-1900°С, готовят шихту, содержащую 87,5-91,0 мас.% смеси карбида вольфрама и сложного карбонитрида циркония-вольфрама и 9,0-12,5 мас.% кобальта при массовом соотношении карбида вольфрама и сложного карбонитрида циркония-вольфрама 1:3-3:1, а спекание осуществляют в вакууме при температуре 1420-1460°С.