СВЕРХТВЕРДЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1997 года по МПК C22C29/16 B24D3/06 

Изобретение относится к 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" (а.с. N 633724, кл. C OI 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 изобретения является сверхтвердый композиционный материал по а.с. 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 больше 50 HRC. При обработке деталей из стали марки ХВГ твердостью 60 HRC при следующем режиме 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 этот материал имеет недостаточно стабильные режущие свойства и чувствителен к ударным и вибрационным воздействиям.

Целью изобретения является повышение режущих свойств, качества материала и расширение его технических возможностей.

Цель достигается тем, что материал дополнительно содержит стабилизирующий слой и демпфирующий слой, причем материал содержит в режущем слое BN_сф, TiN, TiBN, TiB₂, CuTi₃, CuTi₂, CuTi, Cu₃Ti₂, Cu₂Ti, Cu₃Ti,Cu и дополнительно алмаз и карбид титана TiC при следующем соотношении компонентов, об.

BN_сф 19-70
TiN, TiBN, TiB₂, TiC 60-15
Cu, CuTi₃, CuTi₂, CuTi, Cu₃Ti₂, Cu₂Ti, Cu₃Ti 1-14
Алмаз 20-1
Стабилизирующий слой содержит компоненты режущего слоя с соотношением размеров зерен кубического нитрида бора режущего и стабилизирующего слоев 1 (1,4-20) и дополнительно 0,1-25 об. зерен компонентов с высоким внутренним трением, например, твердый сплав группы ВК.

Композит по изобретению состоит из трех слоев: режущего, стабилизирующего и демпфирующего, т.е. имеет переменные физико-механические свойства. Основа композита режущий слой должен обладать высокой износостойкостью, чему способствуют и стабилизирующий слой, повышающий качество композита, и демпфирующий (виброгасящий) слой, расширяющий технологические возможности материала. Выбор состава материала слоев диктовался как вышеуказанными требованиями, так и необходимостью получения единой неразрывной связи слоев, целостности материала композита.

Режущий слой содержит кубический нитрид бора, алмаз, тугоплавкие соединения титана ( TiN, TiBN, TiB₂, TiC ), медь и интерметаллиды меди и титана. Содержание кубического нитрида бора от 19 до 70 об. обеспечивает высокие режущие свойства сверхтвердого композиционного материала. Практически установлено, что снижение содержания кубического нитрида бора менее 19 об. снижает износостойкость композитов при обработке закаленных сталей, а увеличение содержания кубического нитрида бора выше 70 об. приводит к появлению микровыкрашиваний на режущих кромках пластин из композитов. Содержание тугоплавких соединений титана ( TiN, TiBN, TiB₂, TiC ) от 15 до 60 об. обеспечивает прочную связь зерен кубического нитрида бора со связующим. Экспериментально было установлено, что снижение содержания тугоплавких соединений титана (менее 15 об. ) ухудшает режущие свойства композитов, а увеличение их содержания выше 60 об. способствует повышению хрупкости композитов и соответственно понижению стойкости резцов. Наличие алмаза в композите повышает его твердость, уменьшает затупление режущей кромки, износ передней грани и склонность к свариванию со сбегающей стружкой, особенно при обработке вязких материалов. Содержание алмаза менее 1 об. не оказывает заметного влияния, более 20 об. понижает режущие свойства материала при обработке закаленной стали. Медь и гамма интерметаллидов повышают вязкость и теплопроводность композиционного материала, обеспечивают лучший отвод теплоты в процессе резания, что позволяет увеличить производительность резания. Интерметаллиды выполняют в связующем положительную роль переходного слоя от высокотвердых соединений титана к инертной меди. Содержание меди и ее интерметаллидов менее 1 об. не дает положительного эффекта, более 14 об. нецелесообразно из-за снижения прочности связующего и ослабления режущих свойств композитов при обработке закаленных сталей.

Как известно, режущий клин в инструменте при точении термически обработанных сталей с твердостью выше 50 HRC испытывает большое силовое и высокотемпературное воздействие. Это приводит к преждевременному износу материала режущей пластины в месте контакта с обрабатываемым материалом (истирание режущей кромки, возникновение микротрещин, вырыв зерен BN_сф и другие дефекты режущей кромки). Очевидно, что снижение вышеуказанного воздействия на режущий клин позволяет повысить качество материала, режущие свойства, а также расширить технологические возможности материала. В предложенном материале это достигается при помощи стабилирующего и демпфирующего слоев.

Стабилизирующий слой содержит все компоненты режущего слоя, что обеспечивает высокую консолидацию этих слоев, единую неразрывную связь с режущим слоем, целостность материала композита. Наибольшая степень консолидации получается при наличии в стабилизирующем слое всех компонентов режущего слоя, хотя количественное содержание этих компонентов в стабилизирующем слое может быть отличным от содержания их в режущем слое. Размер зерен кубического нитрида бора стабилизирующего слоя составляет 1,4-20 от размера зерен кубического нитрида бора режущего слоя. Нижний предел соотношения размеров зерен кубического нитрида бора режущего и стабилизирующего слоев (1,4) обусловлен необходимостью получения капиллярных каналов в стабилизирующем слое большего диаметра. Превышение верхнего отношения (20) нецелесообразно, так как приводит к неоправданному, с экономической точки зрения, завышению стоимости композита. При получении композитов при высоких давлениях и температурах в обычном графитовом нагревателе более легкоплавкие компоненты: интерметаллиды и медь вытесняются из режущего слоя в стабилизирующий. При получении композитов методом направленной пропитки сверхтвердых порошков расплавленных связующим при высоких давлениях и температурах движущийся фронт пропитки будут вытеснять легкоплавкие и инертные, т.е. химически неактивные компоненты связующего, а также газы и шлаки, образующиеся при нагревании и плавлении, из режущего слоя в стабилизирующий, тем самым обогащая режущий слой, контактирующий с материалом пропитки, адгезионно-активными компонентами связующего и соответственно значительно увеличивая содержание тугоплавких соединений титана в режущем слое. Увеличенный размер зерен BN_сф, а соответственно более крупные структуры поры и межзеренные и капиллярные каналы стабилизирующего слоя значительно облегчает задачу перераспределения компонентов двух слоев режущего и стабилизирующего. Материал режущего слоя, обогащенный адгезионно-активными компонентами связующего (бориды, нитриды, карбиды титана) имеет прочную связь зерен кубического нитрида бора; в то время как материал стабилизирующего слоя обогащен легкоплавкими медно-титановыми интерметаллидами и медью, обеспечивающими его высокую вязкость и теплопроводимость. Стабилизирующий слой обеспечивает хороший отвод теплоты из режущего слоя в процессе резания, тем самым значительно понижая высокотемпературное воздействие на режущий клин, а удаление легкоплавких компонентов и примесей из режущего слоя в стабилизирующий будет способствовать повышению качества режущего слоя композиционного материала.

Для увеличения консолидации между стабилизирующим и демпфирующим слоями стабилизирующий слой содержит компоненты демпфирующего слоя, например, зерна твердого сплава группы ВК. Наличие в материале стабилизирующего слоя компонентов режущего и демпфирующего слоев обеспечивает высокую степень консолидации всех слоев композита, предупреждает образование трещин за счет устранения напряжений в теле композита, приводящих к образованию трещин расслаивания и отслоения слоев. Практически установлено, что содержание компонентов демпфирующего слоя в стабилизирующем не должно превышать 25 об. а наличие их не менее 0,1 об. не оказывает положительного влияния.

Демпфирующий слой, состоящий из материала с высоким внутренним трением, например, из твердого сплава группы ВК, позволяет гасить колебания возникающие в процессе резания, тем самым значительно снижая отрицательное воздействие на режущий слой в процессе обработки резанием. Получение в технологическом процессе демпфирующего слоя позволяет достигнуть более качественного оформления опорной поверхности пластины и крепления ее посредством пайки к корпусу инструмента. Наличие демпфирующего слоя удешевляет получаемые композиты, что весьма важно для конкурентоспособности резцов.

Получение трехслойного композита не только удешевляет материал, но и за счет лучшего отвода теплоты в процессе резания позволяет увеличить производимость резания. Отрицательное воздействие больших знакопеременных и вибрационных нагрузок на режущую кромку резца, наблюдающееся в однослойном материале при резании закаленных сталей и вызывающее ускоренный вырыв зерен кубического нитрида бора, в новом материале значительно снижено благодаря наличию стабилизирующего и демпфирующего слоев, что в совокупности с усилением связи зерен кубического нитрида бора со связующим и упрочнением композита повысить стойкость и производительность пластин резцов из нового сверхтвердого материала.

Пример. В аппарат высокого давления и температуры помещают графитовый нагреватель, имеющий форму стаканчика. На дне графитового нагревателя располагают режущий слой или в виде смеси всех компонентов связующего и сверхтвердых порошков алмаза и кубического нитрида бора, или в виде смеси только компонентов связующего, на которую помещают смесь сверхтвердых порошков кубического нитрида бора и алмаза. Сверху на шихту режущего слоя помещая шихту стабилизирующего слоя. На смесь компонентов стабилизирующего слоя помещают шихту демпфирующего слоя. Заполненный графитовый нагреватель подвергают действию давления ≈30 кбар и температуры ≈1200^oC. После изотермической выдержки ≈30 с, понижения давления до атмосферного, а температуры до комнатной получают композит. Изменяя количество компонентов режущего слоя получают составы материала, представленные в таблице. В таблице приведены также режущие свойства пластин, полученных из композитов этих составов.

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 таблицы, предложенный сверхтвердый композиционный материал обеспечивает в сравнении с известным материалом высокие режущие свойства при точении термически обработанных сталей с твердостью 60 HRC. По сравнению с базовым объектом, за который приняли резцы Т30К4, резцы из композитов, полученных из предлагаемого материала, обладают значительно более высокой стойкостью. При обработке стальных деталей из ХБГ твердостью HRC 60 резцами из сплава Т30К4 стойкость режущей кромки не превышает Т 3 мин при тех же режимах резания ( V 80-100 м/мин, S 0,1 мм/об, t 0,5 мм). В то время как резцы из предложенного материала показали стойкость 60-65 мин, резцы, полученные из материала-прототипа, показали стойкость до 30 мин. Поскольку резцы, полученные по изобретению при обработке закаленных сталей с твердостью HRC 60, превышают по стойкости резцы из материала-прототипа (и из твердого сплава Т30К4), то применение резцов из композитов изобретения дает экономический эффект.

Резцы, полученные из предложенного материала, имеют не только высокую стойкость, но и высокую стабильность режущих свойств как партии резцов, так и одной пластины при многократной переточке. Еще одно преимущество предложенного композиционного комбинированного материала заключается в том, что демпфирующий слой позволяет осуществлять пайку пластины к корпусу инструмента, что обеспечивает возможность получения резцов не только с механическим креплением пластин, но и с припаянными пластинами, что, естественно, расширяет технологические возможности предложенного материала. Кроме того, предложенный материал дешевле материала-прототипа.

Сверхтвердый композиционный материал с высокими режущими свойствами при обработке закаленных сталей. Сущность: материал содержит три слоя - режущий, стабилизирующий и демпфирующий, причем режущий слой содержит кубический нитрид бора, алмаз, тугоплавкие соединения титана, интерметаллиды и медь при определенном их соотношении, стабилизирующий слой содержит компоненты режущего и демпфирующего слоев, а демпфирующий слой содержит материал с высоким внутренним трением. Материал может быть использован при изготовлении лезвийного режущего инструмента. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Сверхтвердый композиционный материал, включающий режущий слой, содержащий кубический нитрид бора BN_с ф и металлическую связку, отличающийся тем, что он дополнительно содержит стабилизирующий слой и демпфирующий слой, причем режущий слой дополнительно содержит алмаз и тугоплавкие соединения титана TiN, TiBN, TiB₂, TiC, а в качестве металлической связки медь и интерметаллиды меди и титана CuTi₃, CuTi₂, CuTi, Cu₃Ti₂, Cu₂Ti, Cu₃Ti при следующем соотношении компонентов, об.

Кубический нитрид бора BN_с ф 19 70
Тугоплавкие соединения титана TiN, TiBN, TiB₂, TiC 15 60
Медь и интерметаллиды меди и титана CuTi₃, CuTi₂, CuTi, Cu₃Ti₂, Cu₂Ti, CuTi 1 14
Алмаз 1 20
стабилизирующий слой содержит компоненты режущего слоя с соотношением размеров зерен кубического нитрида бора режущего и стабилизирующего слоев 1 1,4 20,0 и дополнительно 0,1 25,0 об. зерен компонентов демпфирующего слоя, а демпфирующий слой содержит порошковый материал с высоким внутренним трением.