МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЙ РЕЗЕЦ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК C22C29/00 B23P15/28 B22F3/24 

Данная патентная заявка является заявкой, частично продолжающей находящуюся на рассмотрении патентную заявку США №09/543,710 от 24 марта 2000 г. на "Твердосплавный резец и способ его изготовления" (Liu et al.).

Данное изобретение относится к способу изготовления металлокерамического режущего инструмента и также к самому металлокерамическому режущему инструменту.

Имеются металлокерамические (например, материалы на основе карбида вольфрама с кобальтовым связующим) режущие вставки, которые имеют поверхностную зону с неслоистым обогащением связующим, как описано в патенте США № 4610931 (и повторно изданном патенте США № 34180) (Nemeth et al.) и патенте США № 5955186 (Grab).

Патент США № 4548786 (Yohe) раскрывает способ изготовления металлокерамической режущей вставки с поверхностным обогащением связующим, согласно которому депарафинизированная заготовка, не содержащая азот, в процессе нагревания выдерживается в среде с парциальным давлением азота. Патентная публикация РСТ № 98/16665 (Lindkog et al.) раскрывает металлокерамическую режущую вставку с поверхностным обогащением связующим, согласно которому применяют азотную среду для некоторой части способа. Европейский патент № 0569696 (Uchino et al.) относится к металлокерамической режущей вставке, которая содержит цирконий и/или гафний и имеет зону поверхностного обогащения связующим под режущей кромкой. Европейский патент № 0603143 (Gustafson et al.) раскрывает способ получения имеющего покрытие металлокерамического сплава с зоной слоистого обогащения связующим, включающей в себя этап спекания прессованного тела, содержащего азот, в инертной среде (или вакууме), после чего следует этап охлаждения в определенном темпе.

Режущая вставка с покрытием Kennametal KC850 (КС850 - зарегистрированный товарный знак компании Кеннаметал Инк., Лэтроуб, Пенсильвания, США, для режущих вставок) имеет зону слоистого обогащения связующим. Статья Nemeth et al. "The Microstructural Features and Cutting Performance of the High Edge Strength Kennametal Grade KC850", Proceedings of Tenth Plansee Seminar, Reutte, Tyrol, Austria, Metalwerke Plansee A.G. (1981), pages 613-627 описывает режущую вставку марки Кеннаметал KC850. Статья Kobori et al. "Binder Enriched Mayer Formed Near the Surface of Cemented Carbide", Funtai oyobi Funtai Yakin, Vol. 34, No. 3, pages 129-132 (1987) описывает слоистое обогащение связующим.

Другие статьи описывают образование зоны обогащения связующим в металлокерамических твердых сплавах. Эти статьи включают в себя следующие: Schwarzkopf et al., "Kinetics of Compositional Modification of (W, Ti) C-WC-Co Alloy Surfaces", Materials Science and Engineering, A105/106 (1988) pages 225-231, Gustafson et al., "Binder-Phase Enrichment by Dissolution of Cubic Carbides", Int. J. of Refractory Metals & Hard Materials, 12 (1993-1994), pages 129-136, Suzuki et al., "The B-Free Layer Formed Near the Surface of Vacuum-Sintered WC-B-Co Alloys Containing Nitrogen", Nippon Kinzoku Gakkaishi, Vol. 45, No. 1 (1981), pages 95-99; Suzuki et al., "The B-Free Layer Formed Near the Surface of Vacuum-Sintered WC-B-Co Alloys Containing Nitrogen", Transactions of the Japan Institute of Metals, Vol. 22, No. 11 (1981), pages 758-764.

Хотя некоторые из этих статей, патентов и продукций раскрывают или содержат режущие вставки, демонстрирующие соответствующие рабочие показатели, все же имеется необходимость разработки способов (и самой продукции), которые обладают улучшенными свойствами. В связи с этим желательно обеспечить способ (и получаемую с его помощью продукцию), согласно которому спекают заготовку в среде, почти всегда имеющей по меньшей мере парциальное давление, для обеспечения возможности регулирования глубины зоны обогащения связующим. Этот способ обеспечит оптимальное равновесие между прочностью кромки и сопротивлением к деформированию субстрата. Этот способ также обеспечит хорошую консистенцию в глубине зоны обогащения связующим для деталей в течение всего нагревания.

Также желательно было обеспечить способ и получаемую с его помощью продукцию, согласно которому не будет выделения углерода в зоне обогащения связующим, особенно в опорной пластине, имеющей пористость сердцевины свыше С00 согласно нормам ASTM Designation B276-91 (Подтверждены повторно в 1996). Отсутствие этого выделения углерода повысит сцепление покрытия с субстратом.

Целесообразно было получить спеченный металлокерамический твердый сплав, который имеет поверхностную зону неслоистого обогащения связующим (или по существу неслоистое обогащение связующим, которое означает, что обогащение связующим в основном является обогащением неслоистого типа с небольшим или маленьким количеством слоистого обогащения связующим). В этом отношении металлокерамическая (кобальтовая) вольфрамовая твердосплавная опорная пластина, имеющая атомы азота в междоузлиях атомов кобальта, облегчит закалку на твердый раствор. Повышение твердорастворной закалки особо целесообразно для субстрата с основной областью, проявляющей пористость сердцевины свыше С00 согласно ASTM Designation В276-91 (Подтверждены снова в 1996 г.). В этом случае атомный радиус азота (около 0,75 ангстрем) меньше атомного радиуса углерода (около 0,91 ангстрем).

Целесообразно нанесение покрытия, и особенно покрытия, содержащего азот (например, нитрид титана или карбонитрид титана) непосредственно на поверхность субстрата, содержащего азот. В случае нанесения покрытия из нитрида титана на поверхность субстрата с основной областью, проявляющей пористость не выше С00 согласно нормам ASTM Designation B276-91 (Подтверждены снова в 1996 г.), присутствие азота будет содействовать образованию центров кристаллизации нитрида титана. В случае нанесения покрытия из карбонитрида титана на поверхность субстрата с основной областью, проявляющей пористость выше С00 согласно нормам ASTM Designation B276-91 (Подтверждены снова в 1996 г.), присутствие углерода и азота будет содействовать образованию центров кристаллизации карбонитрида титана.

Полагают, что в присутствии дополнительного азота в кобальтовом связующем для (кобальтового) вольфрамового металлокерамического субстрата, который имеет поверхностную зону кобальтового обогащения, имеется повышенное химическое сродство между субстратом и азотосодержащим покрытием, таким как, например, нитрид титана или карбонитрид титана. Полагают, что это повышение химического сродства должно приводить к повышению сцепления покрытия с субстратом.

Полагают, что повышение содержания азота в кобальте вблизи поверхности субстрата должно понизить потенциал образования хрупкой эта-фазы на границе раздела между покрытием и субстратом. Снижение потенциала образования эта-фазы обеспечивает возможность применения субстратов с пониженным содержанием углерода.

Заявители полагают, что повышенное содержание азота в субстрате также уменьшит размер зерен карбида вольфрама. Повышение содержания N/(C+N) приведет к уменьшению размера зерен карбида вольфрама. Содержание фазы карбида вольфрама в микроструктуре должно повышаться до максимума при увеличении отношения N/(C+N).

Также заявители полагают, что будет целесообразно обеспечить спеченный металлокерамический (кобальтовый) вольфрамовый субстрат с повышенным содержанием азота. Повышенное содержание азота должно повысить сцепление между покрытием (особенно таким покрытием, как нитрид титана и карбонитрид титана) с субстратом. Повышенное содержание азота в кобальтовом связующем вблизи поверхности субстрата должно снижать потенциал образования хрупкой эта-фазы на границе между покрытием и субстратом. Повышенное содержание азота должно уменьшать размер зерен карбида вольфрама.

Обычно приходилось использовать разные составы исходного порошка, чтобы получить либо спеченный субстрат с поверхностной зоной обогащения связующим, либо спеченный субстрат, в котором отсутствует поверхностная зона обогащения связующим. Необходимо отметить, что имеет место повышение себестоимости в связи с хранением (и/или изготовлением) двух или более составов исходного порошка по сравнению со стоимостью хранения (и/или изготовления) только одного состава исходного порошка. С производственной точки зрения целесообразно разработать способ, который использует единый состав исходного порошка для избирательного производства либо спеченного субстрата промышленного качества с поверхностной зоной обогащения связующим, либо спеченного субстрата промышленного качества, который не будет иметь поверхностной зоны обогащения связующим.

Согласно одному варианту изобретением является режущая вставка с покрытием, которая включает субстрат на основе карбида вольфрама, который имеет наклонную и боковую поверхности, и режущую кромку на их пересечении. Субстрат с пористостью по норме ASTM Designation В276-91 (Подтверждены повторно в 1996 г.) свыше С00 имеет поверхностную зону неслоистого обогащения связующим, в которой нет выделения углерода. Имеется покрытие, по меньшей мере, на части субстрата.

Еще одним вариантом осуществления данного изобретения является способ изготовления имеющей покрытие режущей вставки на основе карбида вольфрама, согласно которому исходные порошки смешивают, прессуют в первоначальную заготовку и затем депарафинизируют. Депарафинизированную заготовку подвергают нагреванию для спекания, затем спекание выдерживают и осуществляют регулируемое охлаждение; при этом все эти этапы осуществляют в их совокупности в среде с некоторым парциальным давлением, и, по меньшей мере, в течение части продолжительности этапа нагревания для спекания и этапа выдерживания спекания среда содержит парциальное давление азота. Спеченный субстрат затем покрывают одним или несколькими слоями.

Другим вариантом изобретения является металлокерамический твердосплавный субстрат на основе карбида (кобальта) вольфрама, изготовленный путем спекания массы прессованных порошков в среде, содержащей, по меньшей мере, парциальное давление. Субстрат имеет передний угол и боковые поверхности с режущей кромкой на их пересечении. Субстрат имеет зону неслоистого кобальтового обогащения, которая прилегает к, и проходит внутрь от режущей кромки и, по меньшей мере, либо от наклонной поверхности, либо от боковой поверхности к субстрату с основной областью, имеющей пористость свыше С00. Зона кобальтового обогащения не имеет выделение углерода и имеет максимальное приблизительное содержание кобальта между 125 и 300% от общего содержания кобальта.

Еще одним вариантом осуществления данного изобретения является выполнение следующих этапов: спекают прессованную массу исходных порошков в среде, имеющей, по меньшей мере, парциальное давление; при этом исходные порошки содержат следующие компоненты: кобальт, вольфрам, углерод, титан, ниобий и тантал; при этом субстрат содержит: периферическую поверхность, ограниченную наклонной поверхностью, боковой поверхностью и режущей кромкой на пересечении наклонной и боковой поверхностей; при этом субстрат имеет зону неслоистого кобальтового обогащения, которая начинается от прилегания к, и проходит внутрь от режущей кромки и либо от наклонной поверхности, либо от боковой поверхности к основной области; при этом основная область имеет пористость согласно нормам ASTM Designation B 276-91 выше C00; причем зона кобальтового обогащения, по меньшей мере, частично не имеет твердорастворных карбидов и/или твердорастворных карбонитридов; при этом зона кобальтового обогащения не имеет выделения углерода; и зона кобальтового обогащения имеет приблизительное содержание кобальта от 125 до 300% от содержания кобальта в основной области.

Еще одним вариантом осуществления данного изобретения является имеющая покрытие режущая вставка, которая содержит по существу полностью плотный субстрат, изготовленный спеканием прессованной массы исходных порошков в среде, содержащей парциальное давление азота. Исходные порошки содержат следующие компоненты: связующее, выбранное из одного компонента или нескольких компонентов из числа следующих: кобальт, никель, железо и их сплавы, причем связующее присутствует в приблизительном количестве от 3 вес.% до 12 вес.%; вольфрам - до 95 вес.%; углерод - до 7 вес.%; и до 13 вес.% одного или нескольких компонентов из числа следующих: титан, тантал, ниобий, гафний, цирконий и ванадий. Субстрат имеет передний угол и боковую поверхность, и режущую кромку, являющуюся пересечением переднего угла и боковой поверхности. Субстрат имеет зону неслоистого обогащения связующим по существу единообразной глубины, начинающуюся от прилегания к, и проходящую внутрь от режущей кромки и, от по меньшей мере, либо от наклонной поверхности, либо от боковой поверхности к основной области. Зона обогащения связующим имеет высокое содержание азота, и основная область субстрата имеет высокое содержание азота. Имеется покрытие на режущей кромке и, по меньшей мере, на части либо наклонной поверхности, либо боковой поверхности субстрата или на них обоих.

Еще одним вариантом осуществления данного изобретения является способ изготовления имеющей покрытие металлокерамической твердосплавной вставки, согласно которому: смешивают исходные порошки с образованием смеси исходных порошков; причем порошки содержат следующие компоненты: связующее, выбранное из одного или нескольких следующих компонентов - кобальт, никель, железо и их сплавы, вольфрам, углерод; и из одного или нескольких из следующих компонентов - титан, тантал, ниобий, гафний, цирконий и ванадий; прессуют смесь исходных порошков с получением первоначальной заготовки режущей вставки; депарафинизируют первоначальную заготовку режущей вставки с получением депарафинизированной заготовки режущей вставки, нагревают для спекания депарафинизированную заготовку режущей вставки примерно от максимальной температуры депарафинизации до, по меньшей мере, температуры закрытия пор в среде с первым парциальным давлением азота по существу в течение всего этапа нагревания для спекания, чтобы получить предспеченную заготовку режущей вставки; выдерживают спекание предспеченной заготовки режущей вставки при температуре выдерживания спекания в среде со вторым парциальным давлением азота по существу в течение всего этапа выдерживания спекания, чтобы получить спеченную заготовку режущей вставки, при этом второе парциальное давление азота превышает первое парциальное давление азота; охлаждают спеченную заготовку режущей вставки от температуры спекания до нужной температуры ниже температуры эвтектической смеси, чтобы получить спеченный субстрат режущей вставки, имеющий периферическую поверхность с зоной неслоистого обогащения связующим, начинающейся от прилегания к, и проходящей внутрь к основной области субстрата; и покрывают спеченный субстрат режущей вставки покрытием, содержащим один или несколько слоев, включая основной слой на поверхности субстрата, и при этом основной слой содержит материал, содержащий азот.

Еще одним вариантом осуществления данного изобретения является способ избирательного изготовления либо как бы спеченного субстрата, имеющего поверхностную зону обогащения связующим, либо как бы спеченного субстрата, который не имеет поверхностной зоны обогащения связующим; причем согласно указанному способу: смешивают исходные порошки, не содержащие эффективного количества азота и содержащие сплав связующего, выбранный из одного или нескольких следующих компонентов - кобальт, никель, железо и их сплавы, вольфрам, углерод; и из одного или нескольких из числа следующих компонентов - титан, тантал, ниобий, гафний, цирконий и ванадий; прессуют исходную смесь порошков с получением первоначальной заготовки режущей вставки; депарафинизируют первоначальную заготовку режущей вставки с получением депарафинизированной заготовки режущей вставки; нагревают для спекания депарафинизированную заготовку режущей вставки примерно от максимальной температуры депарафинизации до, по меньшей мере, температуры закрытия пор в среде с первым парциальным давлением азота по существу в течение всего этапа нагревания для спекания, чтобы получить предспеченную заготовку режущей вставки; выдерживают спекание предспеченной заготовки режущей вставки при температуре выдерживания спекания в среде со вторым парциальным давлением азота по существу в течение всего этапа выдерживания спекания, чтобы получить спеченную заготовку режущей вставки; при этом второе парциальное давление азота может быть либо равным, либо меньше первого парциального давления азота; охлаждают спеченную заготовку режущей вставки от температуры спекания до нужной температуры ниже температуры эвтектической смеси, чтобы получить как бы спеченный субстрат режущей вставки, при этом, когда второе парциальное давление азота превышает первое парциальное давление азота, тогда как бы спеченный субстрат режущей вставки не имеет поверхностной зоны обогащения связующим, и когда второе парциальное давление азота равно или меньше первого парциального давления азота, тогда как бы спеченный субстрат режущей вставки имеет поверхностную зону обогащения связующим; и покрывают как бы спеченный субстрат режущей вставки покрытием, содержащим один или несколько слоев.

Ниже приводится краткое описание чертежей, являющихся частью этой патентной заявки:

Фиг.1 - изометрическая проекция конкретного осуществления режущей вставки марки SPGN 432;

Фиг.2 - сечение изображаемой на Фиг.1 режущей вставки по линии 2-2 Фиг.1;

Фиг.3 - изометрическая проекция конкретного осуществления режущей вставки марки SNG 433;

Фиг.4 - сечение режущей вставки Фиг.3 по линии 4-4 Фиг.3;

Фиг.5 - кобальтовый профиль, изображающий концентрацию кобальта относительно среднего содержания кобальта, измеряемую по методу энергорассеивающего рентгеноструктурного линейно-сканирующего анализа (ЭРРС) на выбранных расстояниях в микрометрах от периферической поверхности как бы спеченного субстрата режущей вставки, выполненной согласно приводимому ниже Примеру № 1;

Фиг.6 - фотомикрографический снимок (с 1500-кратным увеличением) микроструктуры вблизи поверхности как бы спеченного субстрата режущей вставки, изготовленной согласно приводимому ниже Примеру № 1; и

Фиг.7 - фотомикрографический снимок (с 1500-кратным увеличением) микроструктуры вблизи поверхности как бы спеченного субстрата режущей вставки, изготовленной согласно приводимому ниже Примеру №6;

Фиг.8 - фотомикрографический снимок (с 1200-кратным увеличением) микроструктуры на углу как бы спеченного субстрата режущей вставки, изготовленной согласно приводимому ниже Примеру №1;

Фиг.9 - фотомикрографический снимок, имеющий указатель расстояния в 10 мкм, изображающий микроструктуру вблизи поверхности как бы спеченного субстрата режущей вставки, изготовленной согласно приводимому ниже Примеру Х207-1;

Фиг.10 - фотомикрографический снимок, имеющий указатель расстояния в 10 мкм, изображающий микроструктуру вблизи поверхности как бы спеченного субстрата режущей вставки, изготовленной согласно приводимому ниже Примеру Х207-2; и

Фиг.11 - фотомикрографический снимок, имеющий указатель расстояния в 10 мкм, изображающий микроструктуру вблизи поверхности как бы спеченного субстрата режущей вставки, изготовленной согласно приводимому ниже Примеру Х207-3.

Обращаясь к чертежам: Фиг.1 иллюстрирует конкретное осуществление многогранной режущей вставки, обозначенной ссылочным обозначением 20. Режущая вставка 20 имеет режущие кромки 22 на стыке (или пересечении) наклонной поверхности 24 и боковых поверхностей 26. Хотя режущая вставка на Фиг.1 является режущей вставкой марки SPGN 432 с хонингованной режущей кромкой, полагают, что данное изобретение включает в себя прочие марки режущей вставки с хонингованными режущими кромками и без них.

Согласно Фиг.2: двумя основными компонентами режущей вставки 20 являются субстрат 30 и покрытие 32, причем покрытие 32 (указанное скобками) может содержать один или несколько слоев. Субстрат 30 имеет наклонную поверхность 36 и боковую поверхность 38, которые пересекаются с образованием режущей кромки (или угла) 40 субстрата. Наклонная поверхность 36 и боковая поверхность 38 содержат периферические поверхности субстрата 30. Субстрат 30 имеет зону обогащения 42 связующим, которая начинается на периферических ее поверхностях и проходит внутрь от наклонной поверхности 36 на расстояние "А" (см. Фиг.2) и от боковой поверхности 38 на расстояние "В". Хотя в конкретном осуществлении согласно Фиг.1 и 2 зона обогащения связующим проходит от периферической поверхности, полагают, что при некоторых обстоятельствах зона обогащения связующим может проходить внутрь, начинаясь вблизи (но не в [например, несколько ниже]) периферической поверхности субстрата.

В конкретном осуществлении согласно Фиг.1 и 2: расстояния "А" и "В" по существу одинаковы, но в зависимости от конкретного применения величина расстояний "А" и "В" возможно не всегда будет одинаковой. Зона обогащения связующим проходит внутрь от режущей кромки на расстояние "С", которое изображено большим, чем либо расстояние "А", либо расстояние "В"; но полагают, что, возможно, это не всегда так. В других обстоятельствах оба расстояния "А" и "В" могут превышать расстояние "С", либо одно из расстояний "А" и "В" может превышать расстояние "С".

Зона обогащения 42 связующим может содержать либо неслоистый тип обогащения связующим, либо по существу неслоистый тип обогащения связующим. По существу неслоистое обогащение связующим означает, что основная часть обогащения является обогащением неслоистого типа с малым наличием слоистого обогащения связующим. Неслоистый тип обогащения связующим является по существу однородным. Неслоистое обогащение связующим отличается от слоистого обогащения связующим, в котором связующее образовано в виде расположенных друг на друге слоев. Слоистое обогащение связующим описывается в упомянутых выше статьях Kobori et al. и Nemeth et al., которые включены в данный документ в качестве ссылки.

Согласно предпочтительному осуществлению субстрат 30 является металлокерамическим твердосплавным материалом на основе карбида вольфрама, содержащим, по меньшей мере, около 70 вес.% карбида вольфрама и, более предпочтительно, по меньшей мере, около 80 вес.% карбида вольфрама. Связующим предпочтительно является кобальт или кобальтовый сплав; но связующее может содержать железо и/или никель и их сплавы. Если связующим является кобальт (или кобальтовый сплав), то предпочтительно концентрация кобальта для субстрата с основной областью, т.е. концентрация кобальта в основной области субстрата приблизительно составляет от 3 вес.% до 12 вес.%. Более предпочтительно, концентрация кобальта для субстрата с основной областью приблизительно равна от 5 вес.% до 8 вес.%. Еще более предпочтительно: концентрация кобальта для субстрата с основной областью приблизительно равна от 5,6 вес.% до 7,5 вес.%. Нужно отметить, что удельное содержание кобальта в режущей пластине будет зависеть от конкретного применения для режущей вставки.

Субстрат 30 наиболее предпочтительно также содержит твердорастворные карбиды и/или твердорастворные карбонитриды. В частности, элементы, образующие твердорастворный карбид и/или твердорастворный карбонитрид (например, титан, тантал, ниобий, гафний, цирконий, ванадий), образуют эти твердые растворы друг с другом и/или вольфрамом. Более предпочтительными элементами для образования твердорастворных карбидов и/или твердорастворных карбонитридов являются: титан, тантал и ниобий. Предпочтительно, чтобы суммарное содержание тантала и ниобия составляло приблизительно от 3 вес.% до 7 вес.%, и содержание титана - от 0,5 вес.% до 5 вес.%. Наиболее предпочтительно: суммарное содержание тантала и ниобия составляет приблизительно от 5,0 вес. % до 5,9 вес. %; и содержание титана - от 1,7 вес. % до 2,3 вес. %.

Согласно одному конкретному осуществлению смесь исходных порошков не содержит какое-либо эффективное количество азота; при этом эффективное количество азота является минимальным количеством азота, которое обусловит появление какого-либо измеряемого (или заметного) количества обогащения связующим. Поэтому для данного осуществления единственным источником азота для образования карбонитридов во время спекания и, возможно, присутствующего в как бы спеченном субстрате 30, является азот среды, в которой субстрат находится во время спекания. Но, согласно приводимому ниже еще одному осуществлению азот содержится в исходной смеси порошков.

В зоне обогащения связующим твердорастворные карбиды и/или карбонитриды полностью или, в некоторых случаях, частично отсутствуют, и поэтому карбид вольфрама и кобальт составляют основную часть (или в некоторых случаях - целиком) зоны обогащения связующим. Как правило, считается, что более низкий уровень твердорастворных карбидов и/или карбонитридов приводит к повышению прочности (или ударной вязкости) кромки.

Зона обогащения связующим также обычно не содержит свободный углерод, в том смысле, что отсутствуют углеродные чешуйки (т.е. науглероживания или выделения углерода) в зоне обогащения связующим. Выделение углерода в зоне обогащения связующим может обусловить ухудшение сцепления покрытия с субстратом, и поэтому желательно, чтобы углерод не выделялся.

В зоне обогащения связующим концентрация связующего (например, кобальта или кобальтового сплава) предпочтительно достигает максимального значения, которое находится между, приблизительно, 125 и 300% концентрации связующего в основной области субстрата, т.е. в субстрате с основной областью. Более предпочтительно: диапазон максимального уровня концентрации связующего в зоне обогащения связующим находится в интервале от 125 и 300% концентрации связующего в субстрате с основной областью. Наиболее предпочтительно, диапазон максимального уровня концентрации связующего в зоне обогащения связующим находится в значениях между 200 и 250 вес.% концентрации связующего в субстрате с основной областью.

Зона обогащения связующим предпочтительно начинается на, и проходит внутрь от периферической поверхности(ей) субстрата. Но в некоторых случаях может иметься тонкий слой, прилегающий к периферической поверхности(ям), на которой концентрация связующего снижена (или даже устранена) по причине испарения связующего. В этом случае зона обогащения связующим начинается вблизи периферической поверхности и проходит внутрь от нее. Полагают, что признак, заключающийся в том, что зона обогащения связующим начинается в прилегании к поверхности(ям), означает, что зона обогащения связующим начинается либо на, либо вблизи поверхности(ей).

Толщина зоны обогащения связующим может проходить внутрь, начинаясь на, или вблизи периферической поверхности (например, наклонной поверхности, боковой поверхности, и/или режущей кромки) на расстоянии до 50 мкм. Один предпочтительный диапазон толщины зоны обогащения связующим находится в пределах от около 5 мкм до около 50 мкм. Более предпочтительный диапазон: от около 10 мкм до около 40 мкм, приблизительно. Наиболее предпочтительный диапазон: от около 20 мкм до около 30 мкм, приблизительно. При выборе предпочтительной глубины зоны обогащения связующим обычно исходят из компромисса между сопротивлением деформированию и прочностью кромки субстрата. Прочность кромки повышается, но сопротивление деформированию снижается с увеличением глубины зоны обогащения связующим.

Желательно обеспечить способ изготовления как бы спеченного субстрата режущей вставки, согласно которому будет обеспечена возможность регулировать толщину зоны обогащения связующим. Путем регулирования параметров способа (например, величины парциального давления азота в среде, температуры, длительности) в сочетании с составом исходных порошков можно регулировать глубину зоны обогащения связующим как на плоских поверхностях (например, на наклонной поверхности и на боковой поверхности), так и на режущей кромке(ах) как бы спеченного субстрата режущей вставки.

Путем регулирования параметров способа можно также регулировать глубину зоны обогащения связующим. Также считается, что регулирование параметров способа должно регулировать содержание азота в субстрате. Путем регулирования содержания азота можно обеспечить возможность получения субстрата, который имеет желательное высокое содержание азота в поверхностной зоне обогащения связующим.

В соответствии с изображением на Фиг.1 и 2: с периферической поверхностью субстрата связано твердое покрытие 32, имеющее три слоя. Эти слои содержат основной слой 52, нанесенный непосредственно на периферическую поверхность субстрата, промежуточный слой 54, нанесенный на поверхность основного слоя 52, и внешний слой 56, нанесенный непосредственно на поверхность промежуточного слоя 54. Хотя Фиг.2 иллюстрирует, что каждый из этих слоев имеет разную толщину, нужно отметить, что толщина каждого слоя, конкретное число слоев и состав каждого слоя могут изменяться в зависимости от конкретного применения режущей вставки.

Одно из предпочтительных покрытий содержит: основной слой из карбонитрида титана толщиной 4,5 мкм, который нанесен на поверхность субстрата; промежуточный слой из глинозема (альфа) толщиной 8,5 мкм, нанесенный на поверхность основного слоя; и внешний слой из карбонитрида титана и нитрида титана толщиной 1,5 мкм, нанесенный на поверхность промежуточного слоя; причем все указанные слои нанесены химическим осаждением из паровой фазы (ХОПФ). Еще одно предпочтительное покрытие содержит: основной слой из нитрида титана толщиной 0,5 мкм, нанесенный методом ХОПФ на поверхность субстрата; слой карбонитрида титана толщиной 7 мкм, нанесенный умеренно-температурным ХОПФ (УТ-ХОПФ) на поверхность основного слоя; слой карбонитрида титана толщиной 0,5 мкм, нанесенный ХОПФ на поверхность слоя УТ-ХОПФ из карбонитрида титана; слой глинозема (каппа) толщиной 4 мкм, нанесенный ХОПФ на поверхность ХОПФ-слоя карбонитрида титана; и внешний слой толщиной 1 мкм из нитрида титана, нанесенный ХОПФ на поверхность глиноземного слоя.

Помимо указанных выше составов - приводимые в качестве примера составы этих слоев включают нитрид алюминия-титана, нанесенный физическим осаждением из паровой фазы (ФОПФ), диборид титана, нанесенный ФОПФ, карбид титана и другие материалы, подходящие для использования их в качестве покрытия для режущих пластин. Эти слои покрытия могут наноситься одним или несколькими известными методами, которые включают в себя, без ограничения, методы ФОПФ, ХОПФ и/или УТ-ХОПФ.

Согласно Фиг.2: для режущей вставки 20, используемой во фрезеровании, предпочтительно, чтобы зона обогащения 42 связующим проходила внутрь от переднего угла 36 и боковых поверхностей 38 субстрата 30. Зона обогащения 42 связующим по существу параллельна переднему углу 36 и боковым поверхностям 38 субстрата. Зона обогащения связующим также проходит внутрь от режущей кромки 40 субстрата.

В других применениях, предусматривающих удаление материала, например в токарных работах, предпочтительно, чтобы зона обогащения связующим присутствовала только на поверхности переднего угла субстрата, т.е. зона обогащения связующим проходит только внутрь, начинаясь на, или вблизи поверхности переднего угла субстрата режущей вставки. В этом случае зону обогащения связующим обычно удаляют шлифованием (или аналогичным методом) с других поверхностей (например, боковой поверхности) субстрата режущей вставки после завершения процесса уплотнения.

Обращаясь к Фиг.3 и 4: режущая вставка под общим обозначением 70 имеет четыре боковых поверхности 72, которые пересекаются с одной (верхней) наклонной поверхностью 74 и другой (нижней) наклонной поверхностью с образованием восьми режущих кромок 78. Режущая вставка 70 имеет субстрат под общим обозначением 79 (см. Фиг.4) с периферической поверхностью; при этом периферическая поверхность включает в себя наклонную поверхность 80 и шлифованную боковую поверхность 82. Субстрат 79 имеет внутреннюю основную область 84, которая занимает наибольший объем субстрата 79. Субстрат 79 также имеет зону обогащения 86 связующим, которая проходит внутрь от наклонной поверхности 80 субстрата 79. Какая-либо зона обогащения связующим отсутствует на какой-либо части основной области вблизи боковых поверхностей 82.

Субстрат 79 для режущей вставки 70 имеет по существу тот же состав, что и субстрат 30 первого варианта режущей вставки 20. Уровни обогащения связующим в зоне обогащения 86 связующим по существу те же, что и уровни обогащения связующим в зоне обогащения 42 связующим первого варианта режущей вставки 20. Основная компоновка покрытия, указанная в скобках 90, по существу та же, что и компоновка 32 покрытия для первого варианта режущей вставки 20 - основной слой 92, промежуточный слой 94 и внешний слой 96.

Полагают, что приводимая ниже научная теория, которую можно применить в отношении данного изобретения, не должна сдерживать или ограничивать данное изобретение. Полагают, что глубину зоны обогащения связующим можно прогнозировать, и поэтому регулировать за счет того, что будет учитываться состав исходного порошка и также прочие параметры обработки (например, температура и длительность выдерживания), обеспечивающие среду с заданным парциальным давлением(ями) азота для различных этапов процесса спекания, которые включают в себя этапы нагревания для спекания, выдерживание спекания и регулируемого охлаждения. Величину парциального давления азота в среде для каждого этапа можно определить вычислением по свободной энергии Гиббса. Это вычисление определяет равновесное парциальное давление азота необходимое либо для того, чтобы азот смог диффундировать в заготовку, либо чтобы шло выделение азота из заготовки. Обеспечивая среду с парциальным давлением азота согласно вычислению, стало возможным регулировать количество азота, поступающего в заготовку на этапе нагревания для спекания в процессе спекания, и также регулировать степень выделения азота из заготовки во время этапа выдерживания спекания и регулируемых этапов охлаждения процесса спекания, чтобы по существу регулировать глубину зоны обогащения связующим в спеченном субстрате режущей вставки. Далее следует краткое описание формул, применяющихся для указанного вычисления.

Обращаясь к фундаментальным положениям вычисления, где для всех формул (1)-(8) "Т" - температура в градусах Кельвина;

формула (1) выражает изменение свободной энергии Гиббса для реакции 2TiN=2Ti+N₂:

Формула (2) выражает изменение свободной энергии Гиббса для реакции TiC=Ti+С:

Комбинация этих двух реакций и двух формул дает формулу (3) для выражения изменения свободной энергии Гиббса реакции 2TiC+N₂=2TiN+2С:

Следующая формула (4) выражает условие, при котором реакция 2TiC+N₂+2TiN+2С достигает равновесия:

где К_р - константа равновесия; a_i - активность компонента "i". Данные для ΔG° взяты из текста Kubaschewski et al., "Metallurgical Thermo-Chemistry", 5^th Edition, Pergamon Press (1979).

Сделав приближение (а_TiN)/(a_TiC)=1 и R=2 калорий/К·моль, и с приведением уравнений (3) и (4), получают уравнение (5):

Из уравнения (5) получают уравнение (6):

В свете следующей формулы (7)

a_N2=P°_N2/P(=1 atm.)=P°_N2 [единицы измерения - атмосферы]

Следующая формула (8) поэтому выражает равновесное парциальное давление:

Это означает, что при определенной температуре можно вычислить константу равновесия К_р. Активность углерода, a_с, в спекаемой металлокерамической твердосплавной заготовке является переменной величиной, но имеет пределы значений от 0,3 до 1, приблизительно. Вычислив равновесные парциальные давления азота в пределах температур от максимальной температуры депарафинизации до температуры выдерживания спекания, будет получена возможность регулирования образования и глубины зоны обогащения связующим, в результате чего способ даст как бы спеченный субстрат режущей вставки с зоной обогащения связующим заранее выбранной глубины.

Способ обычно содержит следующие этапы обработки. Первое, порошковую смесь тщательно смешивают вместе с летучим связующим с помощью окатывания, например. Согласно одному из вариантов: исходный порошок не содержит эффективного количества азота. В другом варианте исходный порошок содержит эффективное количество азота, обычно вводимого в качестве присадки, такой как нитрид титана. Порошковую смесь затем прессуют с получением первоначальной заготовки режущей вставки. Первоначальная заготовка режущей вставки имеет частичную плотность (например, около 55%) и открытую пористость.

Затем первоначальную заготовку режущей вставки депарафинизируют (или обезжиривают) нагреванием (обычно в среде с парциальным давлением водорода или иногда в среде с положительным давлением водорода) от температуры окружающей среды до минимальной температуры депарафинизации, чтобы испарить летучее связующее из заготовки и тем самым получить депарафинизированную заготовку режущей вставки. В этой патентной заявке термин "частичное давление" означает давление меньше атмосферного, и термин "положительное давление" означает давление более одной атмосферы. Хотя эти параметры могут изменяться, но обычный темп нагревания составляет 2,78°С в минуту и обычная температура депарафинизации: около 450°С.

На следующем используемом по необходимости этапе: депарафинизированную заготовку режущей вставки можно выдержать (например, в течение 10 мин) в вакууме при максимальной температуре депарафинизации.

На следующем этапе депарафинизированную заготовку режущей вставки нагревают для спекания за счет нагревания заготовки со скоростью 2,78°С/мин от максимальной температуры депарафинизации и свыше температуры, при которой заготовка закрывает сплошную пористость, и до максимальной температуры спекания, которая обычно равна 1483°С. Хотя определенные параметры зависят от состава исходных порошков (и особенно - уровня углерода и степени присутствия азота в них, если он имеется), но весь, или возможно часть, этапа нагревания для спекания происходит в течение заданного срока в заданном температурном диапазоне в среде с заданным парциальным давлением азота. Парциальное давление азота обычно может находиться в пределах от около 50 мм рт.ст. до 70 мм рт.ст.; но слишком высокое парциальное давление азота может стать причиной того, что излишнее количество газообразного азота будет диффундировать в заготовку, что неблагоприятно скажется на возможности добиться закрытой сплошной пористости. В результате этапа нагревания для спекания депарафинизированная заготовка режущей вставки превращается в предспеченную заготовку режущей вставки, которая содержит азот, обычно в заданном количестве.

Полагают, что за счет нагревания депарафинизированной заготовки режущей вставки в среде с парциальным давлением азота азот может диффундировать в депарафинизированную заготовку режущей вставки при условии наличия как открытой пористости, так и благоприятного градиента концентрации азота между заготовкой и средой, позволяющего эту диффузию. В ходе этапа нагревания для спекания под парциальным давлением азота: азот продолжает диффундировать в массу заготовки режущей вставки. К тому моменту, когда температура достигнет значения, при котором происходит закрытие сплошной открытой пористости в заготовке, содержание азота по существу становится единообразным по всей массе предспеченной заготовки режущей вставки.

В варианте, согласно которому эффективное количество азота отсутствует в исходных порошках, по существу все содержание азота в предспеченной заготовке режущей вставки поступает из среды этапа нагревания для спекания. В варианте, согласно которому смесь исходных порошков содержит эффективное количество азота, только некоторая часть содержащегося в предспеченной заготовке режущей вставки азота поступает из среды этапа нагревания для спекания. Обычно азот образует твердорастворные карбонитриды с образующими карбонитрид элементами, такими как титан, тантал, ниобий, цирконий, гафний и ванадий, которые могут находиться в предспеченной заготовке режущей вставки; при этом титан, тантал и ниобий являются предпочтительными образующими карбонитриды элементами.

Если смесь исходных порошков содержит азот, то возможно, что среда во время этапа нагревания для спекания не будет иметь парциальное давление азота или может иметь парциальное давление азота только для части этого этапа. Но среда должна иметь парциальное давление в течение всего этапа нагревания для спекания, чтобы исключить возможность неуправляемого выделения азота из заготовки.

Существует также возможность регулирования глубины поверхностной зоны обогащения связующим (кобальтом) за счет варьирования скорости линейного изменения в течение этапа нагревания для спекания. Обычно снижение скорости линейного изменения во время этапа нагревания для спекания, осуществляемого под парциальным давлением азота, увеличивает глубину поверхностной зоны обогащения связующим. Повышение скорости линейного изменения во время этапа нагревания для спекания, осуществляемого под парциальным давлением азота, обычно уменьшает глубину поверхностной зоны обогащения связующим (кобальтом).

По завершении этапа нагревания для спекания: предспеченную заготовку режущей вставки выдерживают в спекании; при этом заготовку выдерживают при максимальной температуре спекания в течение заданного срока. В течение всего или, по меньшей мере, части этапа выдерживания спекания среда содержит парциальное давление азота. Во время этапа выдерживания спекания азот в предспеченной заготовке режущей вставки выделяется из заготовки. Полагают, что выделение азота содействует образованию зоны обогащения связующим, начинающейся на (или вблизи) периферической поверхности заготовки и проходящей внутрь к субстрату с основной областью.

Длительность этапа выдерживания спекания, максимальная температура спекания, величина парциального давления азота в течение этапа нагревания для спекания и величина парциального давления азота во время этапа выдерживания спекания могут играть некоторую роль в регулировании глубины зоны обогащения связующим. Результат этапа выдерживания спекания заключается в получении спеченной заготовки режущей вставки, которая имеет зону неслоистого обогащения связующим регулируемой глубины.

Предполагается, что за счет регулирования параметров этапа нагревания для спекания и этапа выдерживания спекания можно также регулировать концентрацию азота в сплошной области и поверхностной зоне обогащения связующим субстрата и также регулировать глубину поверхностной зоны обогащения связующим. Как указывается выше, полагают, что присутствие азота в поверхностной зоне обогащения связующим (кобальтом) обеспечивает определенные преимущества.

Также полагают, что когда предспеченная заготовка режущей вставки достигает жидкой фазы во время этапа выдерживания спекания, заготовку можно подвергнуть процессу спекания под давлением или горячему изостатическому прессованию.

По завершении этапа выдерживания спекания спеченную заготовку режущей вставки обрабатывают на этапе регулируемого охлаждения при заданной скорости охлаждения от максимальной температуры спекания до нужной температуры ниже температуры эвтектической смеси. Во время этапа регулируемого спекания среда не должна быть вакуумом, а должна иметь парциальное давление газа, такого как аргон или азот, чтобы исключить неуправляемое выделение азота. Но предпочтительно, чтобы в течение всего этапа регулируемого охлаждения или его части среда имела парциальное давление азота, которое обычно то же, что и парциальное давление азота в течение этапа выдерживания спекания. Обычный темп охлаждения составляет около 1,0°С/мин, и обычно температура эвтектической смеси равна 1316°С, и обычно нужная температура составляет около 1150°С; при этом нужная температура достигается в конце этапа регулируемого охлаждения.

Полагают, что во время этапа регулируемого охлаждения небольшое количество азота выделяется из субстрата или не выделяется вовсе, и поэтому какого-либо изменения в глубине и величине зоны обогащения связующим быть не должно. Также полагают, что замедленный темп охлаждения (например, около 1°С/мин) позволяет обеспечить единообразную диффузию углерода в зоне обогащения связующим, и поэтому в зоне обогащения связующим выделение углерода (т.е. науглероживания) не происходит. Результатом этапа регулируемого охлаждения является спеченный по существу полностью плотный субстрат режущей вставки.

Затем следует этап печного охлаждения, на котором по существу полностью плотную заготовку режущей вставки подвергают печному охлаждению до температуры окружающей среды. Обычной средой печного охлаждения является гелий.

В некоторых случаях как бы спеченный полностью плотный субстрат режущей вставки шлифуют на одной или на нескольких поверхностях (или участках), чтобы удалить зону обогащения связующим. При этом также, в зависимости от обстоятельств, шлифованную опорную пластину можно подвергнуть тепловой обработке, например вакуумному спеканию или спеканию, т.е. повторному спеканию, в среде, по меньшей мере, с парциальным давлением, таким как парциальное давление азота. Для некоторых марок режущих пластин повторно спеченный субстрат режущей вставки может содержать, по меньшей мере, часть одной или нескольких шлифованных поверхностей (например, боковая поверхность).

Как бы спеченный субстрат режущей вставки или шлифованный (или шлифованный/повторно спеченный или шлифованный/повторно спеченный/шлифованный) субстрат обычно имеет износостойкое покрытие для формирования имеющей покрытие режущей вставки. Способ покрытия может быть одним из известных способов или комбинацией их, включая ХОПФ, ФОПФ, УТ-ХОПФ. Само покрытие может содержать один или несколько слоев разных составов, характеризуемых выше.

Изобретение далее излагается на описываемых ниже примерах. Эти примеры даны исключительно в целях описания. Примеры не предназначаются для ограничения диапазона изобретения, так как концепция и объем изобретения указаны в прилагаемой формуле изобретения.

Для всех примеров, упоминающих микроструктуру, которая имеет зону поверхностного обогащения связующим, нужно отметить, что зона обогащения связующим по существу не имела каких-либо твердорастворных карбидов или твердорастворных карбонитридов, и поэтому карбид вольфрама и кобальт были по существу единственными компонентами зоны обогащения связующим. Помимо этого, свободный углерод отсутствовал, т.е. в зоне обогащения связующим отсутствовало науглероживание или выделение углерода.

Пример 1

Для Примера 1 смесь исходных порошков содержала следующие компоненты: 6 вес.% кобальта, 2,7 вес.% тантала, 2,0 вес.% титана, 0,8 вес.% ниобия и балансом смеси исходных порошков были вольфрам и углерод, причем содержание углерода было отрегулировано до величины 6,18 вес.%. Исходная смесь порошков не содержала азот, за исключением возможных микропримесей. Эти микропримеси были достаточно незначительны (следы), и поэтому исходный порошок не содержал какого-либо эффективного количества азота, причем азот (даже если он присутствовал) в исходном порошке не содействовал в измеримой (или заметной мере) образованию зоны обогащения связующим.

Пять кг загрузочной порошковой смеси для Примера 1 были помещены в стальной сосуд с внутренним диаметром 7,5 дюйма, высотой 9 дюймов, вместе с 21 кг металлокерамических циклоидов диаметром 5/16 дюйма. Гептан был введен сверху сосуда, и поэтому сосуд был совершенно заполнен. Смесь вращали в течение 45 часов на скорости 52 об/мин при температуре окружающей среды. Смесь затем выгрузили из сосуда и высушили, добавили парафин в качестве летучего связующего, и порошки гранулировали с обеспечением соответствующих свойств текучести. Эти гранулированные порошки затем прессовали с получением первоначальных заготовок режущей (токарной) вставки марки SNG433, т.е. прессованной массы исходных порошков, которые имели частичную плотность и также открытую пористость.

Первоначальные заготовки режущей вставки нагревали (или депарафинизировали) под парциальным давлением газообразного азота от температуры окружающей среды до 450°C с образованием депарафинизированных заготовок режущей вставки. Во время этапа депарафинизации летучее связующее испарялось из первоначальных заготовок режущей вставки.

Депарафинизированные заготовки режущей вставки выдерживали при 450°С в течение 10 мин в вакууме.

После этапа выдерживания в вакууме следовал этап нагревания для спекания, на котором вводили текущий газообразный азот, в результате чего среда имела парциальное давление азота около 70 мм рт.ст. в течение всего времени нагревания депарафинизированных заготовок режущей вставки в темпе 2,78°С/мин от 450°С до максимальной температуры спекания около 1483°С. Депарафинизированные заготовки режущей вставки были превращены в предспеченные заготовки режущей вставки.

После этапа выдерживания спекания выполняли этап нагревания для спекания. В начале этапа выдерживания спекания парциальное давление снизили примерно до 15 мм рт.ст., и температуру поддерживали в значении около 1483°С в течение 90 мин. Предспеченные заготовки режущей вставки были превращены в как бы спеченные заготовки режущей. вставки; при этом эти заготовки были по существу целиком плотными.

После этапа выдерживания спекания выполняли этап регулируемого охлаждения. На этапе регулируемого охлаждения парциальное давление азота сохраняли на величине около 15 мм рт.ст., и как бы спеченные заготовки режущей вставки охлаждали со скоростью около 1,0°С/мин до температуры около 1150°С, что является ниже температуры эвтектической смеси около 1315°С.

Следующий этап заключался в печном охлаждении под парциальным давлением гелия, на котором как бы спеченные заготовки режущей вставки подвергали печному охлаждению до температуры окружающей среды: 38°С. В результате указанных этапов обработки получили как бы спеченную заготовку режущей вставки.

Согласно Фиг.5 и 6: микроструктура как бы спеченного субстрата режущей вставки имела зону по существу неслоистого обогащения связующим, начинающуюся на, и проходящую внутрь от периферической поверхности опорной пластины на расстояние около 30 мкм. В этом отношении обогащение в основном является неслоистым типом обогащения связующим, и имеется небольшой объем слоистого типа обогащения связующим. Обращаясь к профилю кобальта согласно Фиг.5: максимальное содержание кобальта в зоне обогащения связующим было между 200 и 250% от концентрации кобальта массы субстрата. Обращаясь к микрофотографическому снимку Фиг.5: пористость зоны обогащения связующим составляла С00. Пористость для субстрата с основной областью составляла С02.

Согласно Фиг.8: микроструктура угла как бы спеченного субстрата режущей вставки, изготовленного согласно Примеру 1, имела зону по существу неслоистого обогащения связующим (т.е. кобальтом), начинающуюся на, и проходящую внутрь от угла субстрата на расстояние около 20 мкм. Хотя изображаемая на Фиг.8 опорная пластина не является точно такой же, как на Фиг.5 и 6, полагают, что максимальная концентрация кобальта в зоне обогащения связующим должна быть приблизительно между 200 и 250% среднего содержания кобальта.

Пример 1А

Смесь порошков того же состава, что и в Примере 1, была подготовлена, прессована и обработана тем же способом, что и согласно Примеру 1, за исключением того, что на этапе регулируемого охлаждения парциальное давление азота составляло 70 мм рт.ст. Анализ показал наличие зоны по существу неслоистого обогащения связующим, начинающейся на периферической поверхности субстрата и проходящей внутрь на глубину 29 мкм. Кажущаяся пористость зоны обогащения связующим составляла С00 и субстрата с основной областью: С02.

Пример 2

Для Примера 2 первоначальные заготовки режущей вставки были спрессованы из той же смеси порошка, что и в Примере №1, в первоначальные заготовки режущей вставки марки SNG432. Этапы обработки были теми же, что и в способе согласно Примеру 1, - за тем исключением, что этап выдерживания спекания длился 45 мин. Глубина зоны по существу неслоистого обогащения связующим составляла около 23 мкм, и максимальное содержание кобальта в зоне обогащения связующим составляло около 200-250% от содержания кобальта субстрата с основной областью. Пористость зоны обогащения связующим составляла С00 и в основной части субстрата - С02.

Пример 2А

Та же, что и в Примере 2, смесь порошков была подготовлена и обработана так же, как и в Примере 2, за тем исключением, что этап регулируемого охлаждения проводился при парциальном давлении азота, равном 70 мм рт.ст. Зона по существу слоистого обогащения связующим начиналась на, и проходила внутрь от поверхности опорной пластины на глубину около 23 мкм. Кажущаяся пористость зоны обогащения связующим составляла С00 и в субстрате с основной областью - С02.

Примеры 3, 3А и 3В

Для Примеров 3, 3А и 3В первоначальные заготовки режущей вставки были спрессованы из смеси порошков, аналогичной смеси Примера 1. Первоначальные заготовки режущей вставки обрабатывали аналогично способу Примера 1, за исключением того, что среда азота составляла 70 мм рт.ст. в течение этапа нагревания для спекания, этапа выдерживания спекания и этапа регулируемого охлаждения. Для Примеров 3, 3А и 3В каждый из этих как бы спеченных субстратов режущей вставки имел зону по существу неслоистого обогащения связующим, которая начиналась на, и проходила внутрь от периферической поверхности к сплошной опорной пластине на глубину около 10, 10 и 10,4 мкм, соответственно. Для каждого из субстратов пористость зоны обогащения связующим составляла С00 и для субстрата с основной областью - С02.

Примеры 3С и 3D

Порошковую смесь того же состава, что и в Примере 3, приготовили и обработали так же, как в Примере 3, за тем исключением, что скорость регулируемого охлаждения составляла 11,1°С/мин. В Примерах 3С и 3D зона обогащения связующим начиналась на, и проходила внутрь от периферической поверхности на глубину 10 мкм и 13 мкм, соответственно. Для каждого примера кажущаяся пористость зоны обогащения связующим была С00 и в субстрате с основной областью - С02.

Пример 6

Для Примера 6 та же порошковая смесь, что и в Примере 1, была обработана так же, как в Примере 1, с получением как бы спеченного субстрата режущей вставки. Как бы спеченный субстрат режущей вставки шлифовали с получением шлифованных наклонной поверхности и боковых поверхностей. Шлифованные как бы спеченные заготовки режущей вставки повторно спекали в вакууме при температуре 1483°С в течение 45 мин.

Полученным продуктом был повторно спеченный шлифованный субстрат режущей вставки со шлифованными поверхностями. Повторно спеченный шлифованный субстрат режущей вставки имел зону по существу неслоистого обогащения связующим, которая начиналась на, и проходила внутрь от периферии шлифованной поверхности на глубину около 30 мкм. Максимальное содержание кобальта в зоне обогащения связующим составляло, приблизительно, от 200 до 250%. Обращаясь к Фиг.7: фотомикрографический снимок показывает, что пористость зоны обогащения связующим составляла С00 и в субстрате с основной областью - С02.

Примеры с 1057А по 1059С

Дополнительные Примеры 1057А-С, Примеры 1058А-С, Примеры 1059А-С были приготовлены с исходным порошком, аналогичным Примеру 1, при этом уровень углерода в Примерах 1057А-С, 1058А-С и 1059А-С равнялся, соответственно, 6,24; 6,21; и 6,18 вес.%.

Для Примеров 1057А, 1057В, 1058А, 1058В, 1059А и 1059В обработка состояла из следующих этапов: этап депарафинизации с нагреванием со скоростью 2,78°С/мин до 450°С в среде с положительным давлением водорода; нагревание для спекания от 450 до 1483°С в среде парциального давления азота в 15 мм рт.ст. (для Примеров 1057-59А) или под парциальным давлением азота в 70 мм рт.ст. (для Примеров 1057-59В); выдерживание спекания в течение 45 мин при 1483°С в среде парциального давления азота, равного 15 мм рт.ст.; регулируемое охлаждение со скоростью 11,1°С/мин от 1483 до 1149°С в среде парциального давления азота, равного 15 мм рт.ст.; печное охлаждение до температуры окружающей среды. Обработка была той же, за исключением того, что Примеры 1057-59А выполняли этап нагревания для спекания в среде парциального давления азота, равного 15 мм рт.ст., и Примеры 1057-59В выполняли в среде парциального давления азота, равного 70 мм рт.ст. Каждый из Примеров 1057А-1059В имел пористость сердцевины С00. Приводимая ниже Таблица I указывает значения глубины (в мкм) от поверхности зоны неслоистого обогащения связующим.

Таблица IГлубина зоны обогащения связующим для примеров 1057А-1059ВПример1057А1058А1059А1057В1058В1059ВГлубина (мкм)151615222423

Таблица I показывает, что когда этап нагревания для спекания проводили в среде с повышенным парциальным давлением азота (70 мм рт.ст., по сравнению с 15 мм рт.ст.), то имело место увеличение средней глубины зоны обогащения связующим (23 мкм по сравнению с 15,7 мкм).

Примеры 1057С, 1058С и 1059С были обработаны так же, как и в Примерах 1057В-1059В, за тем исключением, что депарафинизация проходила в среде с парциальным давлением водорода, и этап регулируемого охлаждения имел скорость 0,94°С/мин. Приводимая ниже Таблица II указывает глубину обогащения связующим в мкм и пористость субстрата с основной областью. Результаты Таблицы II показывают, что хотя эти различия этих параметров не изменили глубину обогащения связующим, они не привели к стабилизации субстрата с основной областью с пористостью С-типа, полученной на этапе депарафинизации под парциальным давлением водорода.

Таблица IIПористость и глубина обогащения для примеров 1057В-1059СПример1057В1058В1059В1057C1058C1059СГлубина обогащения (мкм)222423242223Пористость сердцевиныC00C00C00C04С02С02

Примеры ТС1198-ТС1211

Шесть дополнительных примеров (ТС1209, ТС1211, ТС1205, ТС1207, ТС1198 и ТС1200) режущих вставок были изготовлены, и их рабочие показатели были проверены по сравнению с режущими вставками, выпускаемыми промышленностью. В каждом из этих примеров исходные порошки были теми же, что и в Примере 1; при этом содержание углерода было отрегулировано согласно приводимой ниже Таблице III.

Таблица IIIСостав и рабочие показатели примеров ТС1198-ТС1211Пример/компонентТС1209ТС1211ТС1205ТС1207ТС1198ТС1200Содержание углерода, вес.%6,05796,07666,09546,11426,13306,1517Пористость сердцевиныC00C00С02С02С02C04Глубина обогащения (мкм)313129303332Средний срок службы резца (450 фут/мин)306339412434492545Средняя продолжительность срока службы резца (750 фут/мин)484468485381569526

Указанные порошковые смеси были спрессованы в первоначальные заготовки режущей вставки - режущей вставки марки CNMG432-MG. Первоначальные заготовки режущей вставки имели частичную плотность около 55% и имели открытую пористость.

Все первоначальные спрессованные заготовки были обработаны согласно следующим этапам: (1) состоящий из двух частей этап депарафинизации включал в себя: (а) нагревание от 18°С до 400°С со скоростью 2,78°С/мин под парциальным давлением водорода и выдерживание при 400°С в течение 120 мин и (б) нагревание от 400 до 510°С со скоростью 2,78°С/мин под парциальным давлением водорода и выдерживание в течение 120 мин; (2) этап нагревания для спекания включал в себя нагревание от 510°С до 1470°С со скоростью 2,78°С/мин под парциальным давлением азота, равным 70 мм рт.ст.; (3) этап выдерживания спекания при 1470°С в течение 90 мин под парциальным давлением азота в 15 мм рт.ст.; (4) этап регулируемого охлаждения от 1470°С до 1150°С при скорости 0,94°С/мин под парциальным давлением азота в 15 мм рт.ст.; и (5) печное охлаждение от 1150°С/мин до 38°С под парциальным давлением гелия; и (6) нанесение покрытия способом ХОПФ на опорную пластину с получением внутреннего слоя карбонитрида титана толщиной 4,5 мкм, промежуточного слоя глинозема толщиной 8,5 мкм и внешнего слоя карбонитрида титана/нитрида титана толщиной 1,5 мкм. В Таблице III представлена толщина зоны обогащения связующим в мкм от периферической плоской поверхности субстрата, согласно визуальному наблюдению, и пористость субстрата с основной областью, т.е. пористости сердцевины.

В Таблице IV приведены результаты испытания имеющего прорези стального прутка для приводимых в ней Примеров. Таблица IV указывает средний срок службы в мин для токарного испытания имеющего прорези стального прутка, проведенного согласно первому набору параметров, и средний срок службы резца в мин для токарного испытания имеющего прорези стального (AISI 41L50) прутка, проведенного согласно второму набору параметров. Параметры первого испытания включают в себя скорость в футах в минуту, равную 450. Подача была начата при 0,015 дюйм/об и была увеличена до 0,050 дюйм/об с приращениями в 0,005 дюйма/100 ударов. Глубина резания составляла 0,100 дюйма. Токарная обработка была сухой. Параметры второго испытания: скорость -750 фут/мин. Подача была начата при 0,015 дюйм/об и была увеличена до 0,050 дюйм/об с приращениями в 0,005 дюйм/100 ударов. Глубина резания составляла 0,100 дюйма. Токарная обработка была сухой.

Таблица IV также указывает рабочие показатели для двух промышленных марок, которые для этого испытания обозначены как КМТ А и КМТ В. Для режущей вставки КМТ А субстрат имел зону неслоистого кобальтового (связующее) обогащения на глубину около 25 мкм с максимальным содержанием кобальта около 200% от среднего содержания кобальта и имел среднюю пористость А00-В00-С00. Покрытие для режущей вставки КМТ А: основной слой карбонитрида титана толщиной около 2 мкм, промежуточный слой карбида титана около 4 мкм толщиной и внешний слой из глинозема толщиной около 1,5 мкм; при этом все три слоя наносились методом ХОПФ.

Для режущей вставки КМТ В субстрат имел зону слоистого обогащения связующим на глубину 20 мкм, с максимальным содержанием кобальта около 300% от общего среднего содержания и имел среднюю пористость С04-С06. Покрытие режущей вставки КМТ В: основной слой из карбида титана толщиной 4,5 мкм, промежуточный слой карбонитрида титана 3,5 мкм толщиной и внешний слой из нитрида титана толщиной 3 мкм; при этом все три слоя наносились методом ХОПФ.

Таблица IV указывает срок службы и вид отказа для Примеров ТС1209, ТС1211, ТС1205, ТС1207, ТС1198 и ТС1200. Таблица IV указывает среднюю пористость субстрата, результаты в минутах и критерии срока службы резца для каждого из трех отдельных прогонов, и средний срок службы резца в минутах. Токарное испытание было проведено на стальной детали, соответствующей стандарту AISI 4340, на скорости 500 фут/мин; подача составляла 0,014 дюйм/об, глубина резания - 0,100 дюйма и токарная обработка была сухой, т.е. без охладителя. Критериями срока службы резца были: износ боковой поверхности (бп) - 0,015; максимальный износ боковой поверхности (мбп) - 0,030 дюйма; износ вершины (ив) - 0,030 дюйма; глубина выемки резания (гвр) - 0,030; и износ в виде лунки (ил) - 0,004 дюйма.

Таблица IVРезультаты токарных испытаний на стальной заготовке AISI 4340ПримерСплошная ПористостьПрогон 1 (мин)Прогон 2 (мин)Прогон 3 (мин)Средний срок службы резца (мин)ТС1209С0036,1 ив-ил35,0 ив31,8 ив34,3ТС1211С0035,6 бп-ив30,6 ив30,9 ив32,4ТС1205С0235,0 ив31,0 ив30,1 ив32,0ТС1207С0237,7 ив36,1 ив30,5 ив34,8ТС1198С0429,4 ив32,2 мбп30,2 ив30,6ТС1200С0630,1 ив-ил30,2 ив25,8 ив28,7КМТ АА00/В0019,4 ил20,3 ив20,1 ив19,9КМТ ВС08 min17,7 ил16,4 ив18,0 ив17,4

Примеры ТС1247А-ТС1247С

В дополнительных Примерах ТС1247А-ТС1247С, ТС1248А-ТС1248С и ТС1249А-ТС1249С исходные порошковые смеси были подготовлены со следующим содержанием компонентов (вес.%): кобальт - 6,0; тантал - 2,59; титан - 2,00; ниобий - 0,91; и сбалансированные вольфрам и углерод; при этом содержание углерода было отрегулировано таким образом, что Примеры ТС1247А-С, ТС1248А-С и ТС1249А-С имели следующее соответствующее содержание углерода в вес. %: 6,15; 6,10; 6,07. Смесь исходных порошков содержала 0,63 вес. % нитрида титана, что соответствовало 0,5 вес. % содержания титана, и поэтому в исходной смеси порошков этих примеров содержалось эффективное количество азота.

Согласно этим примерам обработка включала следующие этапы: состоящий из двух частей этап депарафинизации под парциальным давлением водорода предусматривал этап нагревания при скорости 5,36°С/мин с температуры окружающей среды до 400°С, затем - выдерживание в течение 30 мин, затем - нагревание от 400 до 510°С со скоростью 5,36°С/мин и затем - выдерживание в течение 15 мин; этап нагревания для спекания от 510 до 1468°С в среде с парциальным давлением азота, равным 70 мм рт.ст.; этап выдерживания спекания при 1468°С в среде с парциальным давлением азота, равным либо 15 мм рт.ст. (Примеры ТС1247А, ТС1248А и ТС1249А), 45 мм рт.ст. (Примеры ТС1247В, ТС1248В и ТС1249В), либо 70 мм рт.ст. (Примеры ТС1247С, ТС1248С и ТС1249С); этап регулируемого охлаждения со скоростью 0,94°С/мин от 1468 до 1149°С (температура ниже температуры эвтектической смеси) в среде, имеющей парциальное давление азота, равное либо 15 мм рт.ст. (Примеры ТС1247А, ТС1248А и ТС1249А), 45 мм рт.ст. (Примеры ТС1247В, ТС1248В и ТС1249В), либо 70 мм рт.ст. (Примеры ТС1247С, ТС1248С и ТС1249С); и этап печного охлаждения в среде гелия от 1149°С до температуры окружающей среды.

Приводимая ниже Таблица V указывает содержание углерода в вес.% смеси исходных порошков, парциальное давление азота (мм рт.ст.) на этапе выдерживания спекания, глубину зоны обогащения связующим в мкм и пористость субстрата с основной областью для Примеров ТС1247, ТС1248 и ТС1249.

Таблица VСвойства примеров ТС1247-49Пример/исходное содержание углерода/парциальное давление азота на этапе выдерживания спеканияГлубина зоны обогащения связующим (мкм)Пористость сердцевиныТС1247А/6,15/15 мм рт.ст.57А04-В00-С06ТС1247В/6,15/45 мм рт.ст.46А04-В00-1-С06ТС1247С/6,15/70 мм рт.ст.39А04-В00-С06ТС1248А/6,10/15 мм рт.ст.54А02-В00-С05ТС1248В/6,10/45 мм рт.ст.43А02-В00-1-С04ТС1248С/6,10/70 мм рт.ст.32А02-В00-С05ТС1249А/6,07/15 мм рт.ст.49А02-В00-1-С02ТС1249В/6,07/45 мм рт.ст.35А02-В00-1-С02ТС1249С/6,07/70 мм рт.ст.28А02-В00-1-С02

Приводимые выше результаты показывают, что для исходной смеси порошков, содержащих некоторое количество азота, повышенное парциальное давление азота на этапе выдерживания спекания приводит к уменьшению глубины зоны обогащения связующим. Эти результаты также показывают, что пористость субстрата с основной областью остается по существу единообразной, несмотря на выполнение этапа выдерживания спекания при разных парциальных давлениях азота. Наконец, эти результаты показывают, что количество углерода смеси исходных порошков влияет на глубину зоны обогащения связующим.

Примеры TC1247D, TC1248D, TC1249D, которые имели тот же состав, что и состав исходной порошковой смеси Примеров ТС1247А, ТС1248А и ТС1249А, соответственно, были обработаны согласно следующим этапам: (1) этап депарафинизации, на котором производят нагревание под парциальным давлением водорода (например, от 5 до 30 мм рт.ст.) от температуры окружающей среды до 593°С и выдерживание в течение 15 мин; (2) нагревание для спекания в вакууме (75 мкм или менее) от 593°С до 1121°С и выдерживание в течение 10 мин; (3) нагревание для спекания еще в вакууме от 1121 до 1288°С и выдерживание в течение 10 мин; (4) нагревание для спекания в среде аргона под давлением 15 мм рт.ст. от 1288 до 1482°С; (5) выдерживание спекания в среде аргона под давлением 15 мм рт.ст. в течение 45 мин при 1482°С; и (6) охлаждение от 1482 до 52°С со скоростью охлаждения, равной 277°С/мин. Таблица VI приводит содержание углерода в вес. % в исходном порошке, глубину зоны обогащения связующим в мкм и среднюю пористость.

Таблица VIСвойства примеров 1247D-1249DПримерСодержание углерода (вес.%)Глубина зоны обогащения связующим (мкм)ПористостьТС12476,1518А04-В00-(≫С08)ТС12486,1016А04-В00-1-С05ТС12496,0716А02-В00-2-СОО

Эти результаты показывают, что когда обработка предусматривает использование вакуума, то глубина зоны обогащения связующим уменьшается по сравнению с обработкой в среде с парциальным давлением азота.

Нагревание 5821 заготовок режущей вставки одинакового состава, но с разными геометриями и размерами, проводили для определения единообразности обогащения и пористости субстрата с основной областью для заготовок в разных местоположениях нагревания. Состав исходной смеси порошков содержал следующие компоненты, вес. %: 6,00 - кобальт, 2,61 - тантал, 2,00 - титан, 0,88 - ниобий и сбалансированные вольфрам и углерод; при этом содержание углерода отрегулировано равным 6,13 вес. %. Способ включает в себя этапы изготовления субстрата согласно Примерам ТС1198-ТС1211.

Выборка как бы спеченных субстратов режущей вставки в разных местоположениях по всему нагреву показала, что глубина обогащения связующим изменялась только между 23 и 26 мкм, и пористость субстрата с основной областью изменялась только между A00-В00-С04 и А00-В00-С06. Единообразность этих свойств для как бы спеченных субстратов режущей вставки, взятых из разных местоположений по всему нагреву, была очень хорошей.

Для приведенных выше примеров: составы исходных смесей порошков были выражены в вес.% элементов компонентов. Но на практике обычно некоторые элементы присутствуют в виде порошков соединений. Например, порошок карбида вольфрама-титана будет источником вольфрама, титана и углерода в порошковой смеси, карбид тантала-ниобия будет источником тантала, ниобия и углерода в порошковой смеси и металлокерамический порошок карбида (кобальта) вольфрама будет источником вольфрама, карбида и углерода в порошковой смеси.

Как указывалось выше, полагают, что присутствие азота в основной области субстрата и также в поверхностной зоне обогащения связующим обеспечит некоторые преимущества. Заявители не считают себя ограниченными приводимым ниже следующим пояснением одной возможной научной теории, которая может быть применительной к способу получения как бы спеченного металлокерамического твердосплавного (кобальтового) вольфрамового субстрата с поверхностной зоной по существу неслоистого кобальтового обогащения и, видимо, имеет более высокое (или желательно высокое) содержание азота в основной области и в зоне обогащения связующим.

Полагают, что для получения более высокого содержания азота в как бы спеченном субстрате и особенно в поверхностной зоне обогащения связующим: на этапе выдерживания спекания следует поддерживать высокое парциальное давление азота. Это повышенное парциальное давление азота должно исключить или, по меньшей мере, ограничить выделение атомов азота из связующего (например, кобальта).

Активность азота в кобальтовом связующем металлокерамического (кобальтового) вольфрамового твердого сплава можно вычислить по следующим уравнениям:

где p_N2 - парциальное давление азота, К - константа скорости химической реакции и G - свободная энергия Гиббса. При равновесии, когда ΔG=0, К выражается следующим уравнением:

При определенных температурах (Т) спекания, например при температуре этапа выдерживания спекания, активность азота (а_N) определяется парциальным давлением азота. На практике возрастание активности азота от a₁ до а₂ можно определить по росту парциального давления азота от P₁ до Р₂ по следующему уравнению:

Например, при постоянной температуре, для удвоения активности азота обработки, т.е. чтобы отношение (а₂/a₁) равнялось 2, при парциальном давлении азота в 15 мм рт.ст. необходимо повысить парциальное давление азота в четыре раза до 60 мм рт.ст., чтобы удовлетворить уравнению (4А).

Примеры Х207-1 - Х207-3

В Примерах Х207-1 - Х207-3 смесь исходных порошков содержала следующие компоненты, вес. %: 6 - кобальт; 2,7 - тантал; 2,0 - титан; 0,8 - ниобий, и балансом смеси исходных порошков были вольфрам и углерод. В смеси исходных порошков 2 вес.% титана, т.е. около 100% титана, поступили из нитрида титана в исходной смеси порошков, и поэтому исходная смесь порошков содержала эффективное количество азота, при этом азот содействовал образованию зоны обогащения связующим.

Пять кг загружаемой порошковой смеси для Примеров Х207-1 - Х207-3 поместили в стальной сосуд с внутренним диаметром 7,5 дюйма (10,05 см), высотой 9 дюймов (22,9 см), вместе с 21 кг металлокерамических циклоидов диаметром дюйма. Гептан был введен сверху сосуда, и поэтому сосуд был совершенно заполнен. Смесь вращали в течение 40 часов со скоростью 52 об/мин при температуре окружающей среды. Смесь затем выгрузили из сосуда и высушили, добавили парафин в качестве летучего связующего, и порошки гранулировали с обеспечением соответствующих свойств текучести. Эти гранулированные порошки затем прессовали с получением первоначальных заготовок режущей (токарной) вставки марки SNG433, т.е. прессованной массы исходных порошков, которые имели частичную плотность и также открытую пористость.

Общие параметры способа производства согласно Примерам Х207-1 - Х207-3 излагаются ниже.

Для всех Примеров Х207-1 - Х207-3 первоначальные заготовки режущей вставки нагревали (или депарафинизировали) при парциальном давлении газообразного водорода от температуры окружающей среды до, приблизительно, 510°С, чтобы получить депарафинизированные заготовки режущей вставки. Во время этапа депарафинизации летучее связующее испарялось из первоначальных заготовок режущей вставки. Депарафинизированные заготовки режущей вставки выдерживали при температуре около 510°С в течение 10 мин в вакууме.

После этапа выдерживания в вакууме следовало нагревание для спекания, во время которого вводили текущий газообразный азот, в результате чего среда имела парциальное давление азота (т.е. парциальное давление азота при нагревании для спекания [Р1] в Таблице VII) в течение всего времени нагревания депарафинизированных заготовок режущей вставки со скоростью около 2,78°С/мин от 510°С до максимальной температуры спекания около 1468°С. Эти парциальные давления азота при нагревании для спекания (Р1) были разными для этих примеров, а определенные парциальные давления азота представлены в приводимой ниже Таблице VII. Депарафинизированные заготовки режущей вставки были превращены в предспеченные заготовки режущей вставки.

После этапа нагревания для спекания выполняли этап выдерживания спекания. В начале этапа выдерживания спекания повысили парциальное давление азота, и оно оставалось тем же или пониженным до парциальных давлений (Р2) азота выдерживания спекания согласно Таблице VII, и температуру поддерживали в значении около 1468°С в течение, приблизительно, 90 мин. Предспеченные заготовки режущей вставки превращали в как бы спеченные заготовки режущей вставки; при этом эти заготовки были по существу полностью плотными.

После этапа выдерживания спекания выполняли этап регулируемого охлаждения. На этапе регулируемого охлаждения парциальное давление азота поддерживали на величине около 15 мм рт.ст., и как бы спеченные заготовки режущей вставки охлаждали со скоростью около 1,0°С/мин до температуры около 1150°С - ниже температуры эвтектической смеси около 1315°С.

Следующим этапом был этап печного охлаждения под парциальным давлением гелия, на котором как бы спеченные заготовки режущей вставки проходили печное охлаждение до температуры окружающей среды: 38°С. В результате указанных этапов обработки получали как бы спеченный субстрат режущей вставки.

Помимо парциального давления азота при нагревании для спекания и парциального давления азота во время выдерживания спекания (оба в единицах мм рт.ст.) Таблица VII приводит другие свойства, включая пористость основной области субстрата, глубину (в мкм) поверхностной зоны обогащения связующим и максимальный уровень кобальта в поверхностной зоне обогащения связующим. Максимальный уровень кобальта в поверхностной зоне обогащения связующим указан как процентное содержание кобальта в основной области. Пористость основной области определяется согласно нормам ASTM Designation B-276-91 (Повторно утверждены в 1996 г.).

Таблица VIIВыборочные технологические параметры и свойства в примерах №№ Х207-1 - Х207-3Пример/СвойствоХ207-1Х207-2Х207-3Парциальное давление азота на этапе нагревания для спекания (Р1) (мм рт.ст.)151570Парциальное давление азота на этапе выдерживания спекания (Р2) (мм рт.ст.)701515Глубина (мкм) зоны обогащения связующим264265Максимальное содержание кобальта в поверхностной зоне обогащения связующим (прибл. %)˜210˜225˜175Пористость основной областиА02-В00-С00А02-В00-С00А02-В00-С03

Обращаясь к Примерам Х207-1 - Х207-3: очевидно, что глубину поверхностной зоны обогащения связующим можно регулировать путем подбора парциального давления азота на этапе выдерживания спекания и/или парциального давления азота на этапе нагревания для спекания. Следует отметить, что обогащение связующим все же имеет место даже в том случае, когда парциальное давление (Р2) азота на этапе выдерживания спекания в четыре раза выше парциального давления (Р1) азота на этапе нагревания для спекания. Для Примеров Х207-1 - Х207-3 характер обогащения связующим в поверхностной зоне является по существу неслоистым обогащением связующим.

Примеры 1059-4 - 1059-6

В Примерах 1059-4 - 1059-6 имелся тот же состав, что и в Примере 1, за тем исключением, что содержание углерода было отрегулировано равным 6,18 вес.%. Обработка согласно Примерам 1059-4 - 1059-6 проводилась так же, как и в Примерах Х207-1 - Х207-3, соответственно. Таблица VIII представляет парциальное давление (Р1) азота для этапа нагревания для спекания и парциальное давление (Р2) азота для этапа выдерживания спекания и также указывает прочие свойства, включая пористость основной области субстрата, глубину (в мкм) поверхностной зоны обогащения связующим и максимальное количество кобальта в поверхностной зоне обогащения связующим. Максимальное количество кобальта в поверхностной зоне обогащения связующим представлено как процентное содержание кобальта в основной области. Пористость основной области определяется согласно нормам ASTM Designation B-276-91 (Повторно утверждены в 1996 г.).

Таблица VIIIВыборочные технологические параметры и свойства примеров №№ 1059-4 - 1059-6Пример/свойство1059-41059-51059-6Парциальное давление азота на этапе нагревания для спекания (Р1) (мм рт. ст.)151570Парциальное давление азота на этапе выдерживания спекания (Р2) (мм рт. ст.)701515Глубина (мкм) зоны обогащения связующимОтсутствует1622Степень обогащения в зоне обогащения связующимНе измер.Около 180%Около 210%Пористость основной областиА02-В00-С00А02-В00-С00А02-В00-С02

Примеры 1059-4 - 1059-6 демонстрируют, что глубину зоны обогащения кобальтом можно регулировать (т.е. изменять предсказуемым образом) путем регулирования парциального давления азота на этапе нагревания для спекания и/или этапе выдерживания спекания. Помимо этого, эти Примеры 1059-4 - 1059-6 демонстрируют, что как бы спеченные субстраты, которые либо имеют зону обогащения связующим с глубиной, по меньшей мере, 5 мкм, либо не имеют таковой зоны, можно изготовить из исходного порошка одинакового состава. Этот признак способа обеспечивает возможность хранить или изготавливать только одну смесь исходных порошков для получения двух разных как бы спеченных субстратов; при этом один из как бы спеченных субстратов имеет поверхностную зону обогащения связующим, а другие как бы спеченные субстраты не имеют поверхностной зоны обогащения связующим.

Примеры Нагревания 1723 и Нагревания 1660

Шесть примеров Нагревания 1723 даны в Таблице IX. Эти примеры Нагревания 1723 были обработаны так же, как и в Примере 1, за тем исключением, что парциальное давление азота на этапе нагревания для спекания составляло 70 мм рт.ст.; парциальное давление азота на этапе выдерживания спекания равнялось 15 мм рт.ст.; скорость на этапе нагревания составляла 1,11°С/мин. Состав примеров Нагревания 1723 был тем же, что и в Примере 1, за тем исключением, что содержание углерода в каждом примере было отрегулировано до значений, указываемых в таблице IX.

Примеры TC1206/RH-1723 и TC1199/RH-1723 содержали как бы спеченные субстраты, которые имели, по меньшей мере, одну поверхность, отшлифованную перед спеканием. Свойства зоны обогащения связующим определялись по этой шлифованной поверхности.

Таблица IX, приводимая ниже, указывает глубину обогащения кобальтом в мкм; пористость основной области субстрата определялась согласно ASTM Designation B276-91 (Повторно утверждены в 1996 г.), значение магнитного насыщения (гаусс*см³/г), коэрцитивную силу (Н_c) в эрстедах и плотность материала в г/см³.

Таблица IXСвойства примеров нагревания 1723 (Р1=70 мм рт.ст.; Р2=15 мм рт.ст.; скорость нагревания для спекания=1,11°С/мин)Пример (вес.% углерода)Глубина кобальтового обогащенияПористостьМагнитное насыщение (гаусс*см³/г)H^c (эрстед)Плотность (г/см³)ТС1205-1723 (6,0954)40А02-С00-1-С019,515714,01ТС1207-1723(6,1142)43А02-В00-С029,416214,01ТС1198-1723(6,1330)40А02-В00-1-С039,615113,99ТС1200-1723(6,1517)40А02-В00-(С03)С059,614913,98TC1206/R
Н-172345А02-В00-С039,514713,99TC1199/R
Н-172343А02-В00-С059,515113,98

Шесть примеров Нагревания 1660 были обработаны так же, как и Примеры Нагревания 1723, за тем исключением, что скорость для этапа нагревания для спекания составляла 5°С/мин. Примеры TC1206/RH-1660 и TC1199/RH-1660 содержали как бы спеченные субстраты, которые имели, по меньшей мере, одну поверхность, шлифованную перед спеканием. Свойства зоны обогащения связующим определялись по этой шлифованной поверхности. Таблица X, приводимая ниже, указывает глубину обогащения кобальтом в мкм, пористость основной области субстрата согласно нормам ASTM Designation B276-91 (Повторно утверждены в 1996 г.), значение магнитного насыщения (гаусс*см³/г), коэрцитивную силу (H_c) в эрстедах и плотность материала в г/см³.

Таблица ХСвойства примеров нагревания 1660Пример (вес.% углерода)Глубина кобальтового обогащения (мкм)ПористостьМагнитное (гаусс*с м³/г) насыщениеH_c (эрстед)Плотность (г/см³)ТС1205-1660(6,0954)29C009,515914,00ТС1207-1660(6,1142)30(С02)С039,515814,00ТС1198-1660(6,1517)33(С03)С059,715313,98ТС1200-1660(6,1517)32(С05)С069,715013,96ТС1206/
RH-166032С029,416514,01ТС1199/
RH-166033С059,615813,98

Из примеров нагревания 1723 и нагревания 1660: следует, что скорость на этапе нагревания для спекания влияет на глубину обогащения связующим, когда этап нагревания для спекания выполняют при парциальном давлении азота. Для всех примеров: глубина кобальтового обогащения увеличивалась в случае с меньшей скоростью (1,11°С/мин по сравнению с 2,78°С/мин) на этапе нагревания для спекания.

Примеры Нагревания 1724

Шесть примеров Нагревания 1724 были обработаны так же, как и Примеры Нагревания 1660, за тем исключением, что парциальное давление азота во время этапа выдерживания спекания составляло 1,5 мм рт.ст. Примеры TC1206/RH-1724 и TC1199/RH-1724 содержали как бы спеченные субстраты, которые имели, по меньшей мере, одну поверхность, шлифованную перед процессом спекания. Свойства зоны обогащения связующим определялись по этой шлифованной поверхности. Таблица XI, приводимая ниже, указывает глубину обогащения кобальтом в мкм, пористость основной области субстрата определялась согласно нормам ASTM Designation B276-91 (Повторно утверждены в 1996 г.), значение магнитного насыщения (гаусс*см³/г), коэрцитивную силу (H_с) в эрстедах и плотность материала в г/см³.

Таблица XIСвойства примеров нагревания 1724Пример (вес.% углерода)Глубина кобальтового обогащения (мкм)ПористостьМагнитное насыщение (гаусс*с м³/г)H_c (эрстед)Плотность (г/см³)ТС1205-1724(6,0954)43А02-В00-С09,215614,04ТС1207-1724(6,1142)43А02-С00-С008,916214,05ТС1198-1724 (6,1330)39А02-В0О-С09,015514,02ТС1200-1724(6,1517)43А02-В00-C039,215014,00ТС1206/
RH-172457А02-В00-C038,914814,03ТС1199/
RH-172460А02-В00-1-С03(С05)8,915114,02

Сравнение примеров Нагревания 1724 - Примеров Нагревания 1660 демонстрирует, что глубина зоны обогащения связующим может увеличиваться при снижении парциального давления азота на этапе выдерживания спекания.

Из изложенного выше описания следует, что разработан применимый способ изготовления режущей вставки и также сама режущая вставка. Путем расчета равновесного парциального давления азота при разных температурах обеспечивается возможность регулирования глубины зоны обогащения связующим, которая формируется в металлокерамическом твердосплавном как бы спеченном субстрате режущей вставки. Обеспечивается также возможность исключения выделения углерода в зоне обогащения связующим за счет применения этапа регулируемого охлаждения. Обеспечивается также изготовление субстрата режущей вставки с единообразной средней пористостью.

Путем вычисления активности азота на этапе нагревания для спекания и этапе выдерживания спекания обеспечивается возможность регулирования глубины зоны обогащения связующим. Далее полагают, что обеспечивается возможность регулирования (например, повышения) содержания азота в как бы спеченном субстрате, содержащем основную область и зону обогащения связующим. Как бы спеченный субстрат, имеющий нужное высокое содержание азота, имеет атомы азота, присутствующие в междоузлиях атомов кобальта, и это обстоятельство должно способствовать твердорастворной закалке, особенно для субстрата, который вместе с основной областью имеет пористость свыше С00 по нормам ASTM Designation B276-91 (Повторно утверждены в 1996 г.).

Полагают, что как бы спеченный субстрат, который имеет основную область с пористостью не выше С00 согласно нормам ASTM Designation B276-91 (Повторно утверждены в 1996 г.) и зону обогащения связующим с желательно высоким содержанием азота, содействует образованию центров кристаллизации нитрида титана при применении нитрида титана в качестве слоя на поверхности субстрата. Как бы спеченный субстрат, который имеет основную область с пористостью свыше С00 согласно нормам ASTM Designation B276-91 (Повторно утверждены в 1996 г.) и зону обогащения связующим с желательным высоким содержанием азота, должен содействовать образованию центров кристаллизации карбонитрида титана при применении карбонитрида титана в качестве слоя на поверхности субстрата.

Полагают, что использование дополнительного азота в кобальтовом связующем должно повышать химическое сродство между субстратом и содержащим азот покрытием, таким как, например, нитрид титана или карбонитрид титана. Увеличение содержания азота в кобальте вблизи поверхности субстрата должно снижать потенциал образования хрупкой эвтектической фазы в межсоединении между покрытием и субстратом.

Полагают, что повышенное содержание азота в субстрате также должно привести к уменьшению размера зерен в карбиде вольфрама. Повышение содержания N/(C+N) должно привести к уменьшению размера зерен в карбиде вольфрама. Содержание фазы карбида вольфрама в микроструктуре должно увеличиться до максимума при увеличении отношения N/(C+N).

Все патенты, патентные заявки, статьи и прочие указанные здесь документы включены в данную заявку в качестве ссылки.

Прочие осуществления данного изобретения могут стать очевидными для специалистов данной области техники по изучении описания или при осуществлении раскрываемого здесь изобретения. Подразумевается, что описание и излагаемые здесь примеры являются только иллюстративными, и концепция и объем изобретения определены в приводимой ниже формуле изобретения.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению металлокерамических режущих инструментов. Твердосплавная режущая вставка с покрытием, содержащая подложку, полученную прессованием исходных порошков с последующим спеканием в среде с равновесным парциальным давлением азота, необходимым для получения заданной глубины зоны, обогащенной связующим. Исходные порошки содержат вольфрам, углерод, связующее, включающее по меньшей мере один из элементов: кобальт, никель, железо или их сплавы, и по меньшей мере один компонент из группы: титан, тантал, ниобий, гафний, цирконий и ванадий. Подложка имеет наклонную поверхность, боковую поверхность и режущую кромку, находящуюся на пересечении наклонной и боковой поверхностей. Подложка содержит зону, обогащенную связующим, с неслоистым типом обогащения, и не имеющую выделений углерода. Зона, обогащенная связующим, начинается около режущей кромки и наклонной и/или боковой поверхности и проходит к основной области подложки. Основная область подложки имеет пористость выше С00 в соответствии с нормами ASTM Designation В 276-91. На режущую кромку и, по меньшей мере, на часть наклонной и/или боковой поверхности подложки нанесено покрытие. Техническим результатом является возможность регулирования глубины зоны обогащения связующим, исключение выделения углерода в обогащенной связующим зоне, повышение прочности соединения покрытия и подложки. 6 н. и 55 з.п. ф-лы, 11 табл., 11 ил.

1. Твердосплавная режущая вставка с покрытием, содержащая подложку, полученную прессованием исходных порошков с последующим спеканием и имеющую наклонную поверхность, боковую поверхность и режущую кромку, находящуюся на пересечении наклонной и боковой поверхностей, при этом подложка содержит зону, обогащенную связующим, с неслоистым типом обогащения, начинающуюся около режущей кромки и наклонной и/или боковой поверхности и проходящую к основной области подложки, а на режущую кромку и, по меньшей мере, на часть наклонной и/или боковой поверхности подложки нанесено покрытие, отличающаяся тем, что исходные порошки содержат вольфрам, углерод, связующее, включающее по меньшей мере один из элементов: кобальт, никель, железо или их сплавы, и по меньшей мере один компонент из группы: титан, тантал, ниобий, гафний, цирконий и ванадий, при этом подложка спечена в среде с равновесным парциальным давлением азота, необходимым для получения заданной глубины зоны, обогащенной связующим, содержит зону, обогащенную связующим и не имеющую выделений углерода, а основная область подложки имеет пористость выше С00 в соответствии с нормами ASTM Designation B276-91.2. Режущая вставка по п.1, отличающаяся тем, что исходные порошки содержат кобальт, вольфрам, углерод, титан, тантал и ниобий.3. Режущая вставка по п.1, отличающаяся тем, что основная область подложки имеет пористость не менее С00 или не менее C08 в соответствии с нормами ASTM Designation B276-91.4. Режущая вставка по п.1, отличающаяся тем, что исходные порошки содержат, вес.%:

Кобальт3-12ТанталДо 12НиобийДо 6ТитанДо 10ВольфрамДо 95УглеродДо 7