ТВЕРДЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК C22C29/08 

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к твердым сплавам на основе карбида вольфрама, и может быть использовано для изготовления режущего инструмента.

Известен твердый сплав на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой, легированной оксидом Аl₂О₃ с содержанием Аl₂О₃ (0,09-0,1) % (масс.), (5,91-19) % кобальта и (84-80) % WC. По сравнению с базовыми однокарбидными сплавами группы ВК сплавы имеют на 10-15% повышение механической прочности и в 1,5-2,6 раза - повышение стойкости резцов при точении стали 1Х18Н9Т и сплава ХН56ВМКРО. К недостатку следует отнести усложнение технологии производства сплава за счет введения дополнительной операции обработки водных растворов хлоридов кобальта и алюминия с целью получения композиционного порошка, состоящего из кобальта с дисперсным включением оксида алюминия (авт. св. SU №1673622, МПК С22С 29/08, 1991 г.).

Сплав на базе карбида вольфрама (70-85%, масс.) [RU №2338804, МПК С22С 1/08, 2008 г.], содержащий в качестве связки (15-25) % α-Fe (магнитный сплав) или (17-30) % сплава Fe:Ni (немагнитный сплав), хотя и обладает высокой твердостью при сохранении высокой прочности (σ_изг=1300-1480 МПа), может содержать на границах зерен карбида вольфрама η - фазу (Fe₂W₃C), разупрочняющую сплав, особенно в условиях ударных нагрузок.

Известен спеченный твердый сплав на основе карбида вольфрама (масс.% 80-82) со связкой (масс.% 18-20), содержащей (48-50) % молибдена, (1-2) % ниобия, (10-12) % рения и (38-41) % кобальта; сплав обладает высокой прочностью (σ_изг=1950 МПа). Кроме наличия дефицитного рения в связке, сплав содержит в связке повышенное количество молибдена, придающего сплаву, наряду с прочностью, и хрупкость [патент RU №2351676, МПК С22С 29/08, 2009 г.].

Одним из способов улучшения качества твердосплавных материалов на базе карбида вольфрама следует считать введение в кобальтовую связку интерметаллида Ni₃Аl [Масленков С.Б., Горшкова Т.И., Кудинова А.А. и др. Твердые сплавы на основе карбида вольфрама с пластичной модифицированной связкой // Вестник машиностроения, 1994, №10. - С.27-30]. У алюминида никеля Ni₃Аl по сравнению с β - Со - одинаковый тип кристаллической решетки (ГЦК); близкие значения периодов решетки, плотности, твердости и коэффициентов линейного расширения. В результате повышаются прочностные характеристики сплавов с Ni₃Al (σ_изг=1300 МПа), жаростойкость и износостойкость, поэтому сплав WC+10% Ni₃Аl рекомендуется для эксплуатации в условиях высоких температур; для обработки резанием жаропрочных сплавов не применим из-за малого предела прочности на изгиб и на сжатие.

Известны составы твердых сплавов на основе карбида вольфрама, в которых связка из кобальта и рения модифицирована карбидами хрома Сr₃С₂ (0,05-2) % [патент RU №2027791, МПК С22С 29/08,1995 г.], сплав на базе WC, содержащий HfC, Ni, Со, Се, La [патент RU №2012646, МПК С22С 29/08, 1994 г.], а также сплав, имеющий в составе карбидной фазы WC оксид гафния HfO₂ и в качестве связки кобальт, хром и никель [заявка RU №97111541 МПК С22С 29/08, 1999 г.].

Известен вольфрамо-кобальтовый твердый сплав (82,6% WC + 8% Со) с присадками в карбидной связке Сr₃С₂ (0,8%), TiC (1,5%) и 1,5% Мо₂С. Мелкозернистая структура этого сплава (85% карбидных зерен имеют размеры до 1 мкм) при пористости 0,04-0,8 обеспечивает твердость HRA=91,5 и σ_изг=2227 МПа, при этом влияние Мо₂С на свойства твердого сплава не обозначено [Панков B.C., Чувилин A.M., Фальковский В.А. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. - М.: МИСиС, - 2004. - С.261].

Известно, что можно получать однофазный твердый раствор через совместное осаждение солей вольфрама и молибдена и вести переработку по схеме «оксид - металл - карбид». При спекании W и Мо с углеродом, кроме карбидной фазы (W, Мо)С, появляется вторая карбидная фаза (W, Mo₂)C на основе Мо₂С, которая ухудшает свойства сплава. Сплав содержит 10% кобальтовой связки, а состав карбидной фазы изменяется в таких пределах: W - от 80% (ат) до 30% (ат), а Мо - от 20 до 70% (ат) [Панков B.C., Чувилин A.M., Фальковский В.А. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. - М.: МИСиС, - 2004. - с.283].

Наиболее близким по выполнению является сплав на основе карбида вольфрама, содержащий 3,0-20,0 мас.% связки, в состав которой входят 20-75 мас.% Со, до 5 мас.% Мо, до 5 мас.% Fe и др. [(патент GB №1085041, С22С 29/06, 1967 г.]. Если связка составляет 20% от состава сплава, то в структуре твердого сплава кобальта может содержаться (4-15) %, молибдена - до 1% и железа - до 1%. При содержании в сплаве связки в объеме 3% эти цифры соответственно будут равны: (0,6-2,25) % - для кобальта, до 0,15% для молибдена и до 0,15% - для железа.

Твердость опытных сплавов колеблется в пределах HRA=93,2-94,0, а σ_изг=195-90 кг/мм²: [состав WC+(Co, Cr, Ni, W, С, В, Тi)]; для сплавов WC+(Co, Cr, Ni, W, С, В, V, Zr, Nb) - HRA=93,6-93,8, σ_изг=108-130 кг/мм, однако прочность сплавов на изгиб остается недостаточно высокой.

Техническим результатом изобретения является повышение твердости и, как следствие, износостойкости твердого сплава на основе карбида вольфрама.

Технический результат достигается тем, что твердый сплав на основе карбида вольфрама и кобальтовой связки, модифицированной железом и медью, содержит компоненты при следующем их соотношении, мас.%:

кобальт 3,5-5,3 железо 1,4-3,2 медь 0,8-1,0 карбид вольфрама остальное

Отличием предлагаемого сплава от прототипа является наличие в нем меди вместо молибдена и увеличенное содержание железа.

Технический результат достигается также тем, что твердый сплав на основе карбида вольфрама и кобальтовой связки, модифицированной молибденом и титаном, содержит компоненты при следующем их соотношении, мас.%:

кобальт 5,1-5,6 молибден 1,8-2,5 титан 0,5-0,8 карбид вольфрама остальное

Отличием предлагаемого сплава от прототипа является наличие в нем титана вместо железа и увеличенное содержание молибдена.

Способ получения сплава заключается в перемешивании компонентов, последующей их сушке, прессовании и спекании.

Ниже приведены примеры осуществления изобретения.

Пример 1.

Получены и испытаны опытные партии сплавов на основе карбида вольфрама с разным количеством в связке кобальта, железа и меди. Процесс приготовления твердосплавных смесей WC+(Co + Fe + Сu) осуществляется в соответствии с базовой технологией производства изделий из сплава ВК8 (WC - 92 мас.% и Со - 8 мас.%) и заключается в:

- смешивании порошков карбида вольфрама и компонентов связки с одновременным размолом в жидкой среде (дистиллированная вода) в шаровых мельницах;

- сушке смеси в атмосфере водорода и просеве твердосплавной смеси;

- замешивании смеси с растворенным в бензине синтетическим каучуком и сушке смеси до полного высыхания;

- прессовании полученной смеси в штабики по ГОСТ 20019-74 и в пластины формы 02271 по ГОСТ 25395-90;

- спекании изделий в атмосфере водорода (по режиму для сплава ВК8) и при температурах 1420°С и 1540°С.

В опытных твердых сплавах содержание железа варьировалось в пределах 1,4-5,0% мас., содержание меди 0,8-1% масс, а содержание кобальта 1,5-5,6% масс. Физико-механические свойства сплавов системы WC - (Со - Fe - Сu) представлены в таблице 1 (партия 1), где для сравнения приводится требование ТУ для сплава ВК8.

Работоспособность опытных сплавов проверялась при продольном точении резцами с пластинами формы 0227 по методике СТП 19.0-6-88. «Сплавы твердые порошковые и керамика. Изделия для режущего инструмента. Методика испытания режущих свойств», М.: ВНИИТС, 1988.

Обрабатываемый материал - чугун СЧ25, режимы резания: V=2,9 м/с; t=1·10^-3 м; S=0,2·10^-3 м/об; геометрия резцов: γ=0; α=8°; φ=45°; λ=0, допускаемый износ по задней поверхности - h₃=0,8 мм.

Из представленных данных видно, что при содержании Fe в пределах % масс 1,4-3,2, Сu в пределах 0,8-1,0% масс и Со в пределах 3,5-5,3% масс твердость и коэффициент износостойкости возрастают по сравнению со сплавом ВК8. Получено увеличение стойкости в 1,7-1,8 раза (Т=1420°) и в 1,5-1,9 раза (Т=1540°).

Пример 2

Получены и испытаны аналогично примеру 1 опытные партии сплавов на основе карбида вольфрама с разным количеством в связке кобальта, молибдена и титана.

В опытных твердых сплавах содержание кобальта варьировалось в пределах 3,4-5,6% масс, содержание молибдена 1,8-2,7% масс, а содержание титана 0,5-0,8% масс. Физико-механические свойства сплавов системы WC - (Со - Мо - Ti) представлены в таблице 1 (партия 2).

Из представленных данных видно, что при содержании Мо в пределах % масс. 1,8-2,5, Ti в пределах 0,5-0,8% масс. и Со в пределах 5,1-5,6% масс. твердость и коэффициент износостойкости возрастают по сравнению со сплавом ВК8. Получено увеличение стойкости в 1,4-1,85 раза (Т=1420°) и в 1,8-2,0 раза (Т=1540°). Получено повышение твердости на 3 единицы HRA для Т=1540° и одинаковая твердость со сплавом ВК8 для Т=1420°. При повышении содержания Мо более 3% сплав имеет большую хрупкость и более низкий коэффициент стойкости по сравнению со сплавом ВК8.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить твердость пластин твердого сплава и, как следствие, стойкость режущего интрумента.

Таблица 1. №№ партий №№ сплава Химический сосав, мас.% Физико-механические свойства при температурax спекания WC Co Mo Fe Сu Ti O₂ 1540°С 1420°С ρ г/см σ_изг МПа HRA Коэр. сила Э Кт ρ г/см³ σ_изг МПа HRA Коэр. сила Э Кт 1 1.1 92,6 1,52 - 5,03 0,82 - 0,35 14,44 913 90,1 160 1,4 13,46 873 85,6 162 1,1 1.2 92,54 3,41 - 3,23 0,82 - 0,28 14,54 814 90,6 211 1,5 13,89 791 87,3 207 1,8 1.3 92,45 5,3 - 1,43 0,82 - 0,2 14,76 1505 90,0 116 1,9 14,49 1293 89,0 112 1,7 2 2.1 91,9 5,65 1,84 - - 0,61 0,16 14,21 1354 91,9 210 2,0 13,0 804 87,0 231 1,85 2.2 91,6 5,10 2,69 - - 0,61 0,17 14,10 1288 91,7 229 1,8 13,19 912 88,0 248 1,4 2.3 90,62 3,44 5,44 - - 0,6 0,20 13,26 646 88,4 234 X 13,4 422 73,7 214 0,9 Твердые ТУ для ВК8 (Т=1420°С) 92 7,5-8,0 - не более - - не более 14,5-14,8 ≥1700 ≥88,0 100-180 ≥1,0           0,3 0,5

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к твердым сплавам на основе карбида вольфрама. Может использоваться для изготовления режущего инструмента. Твердый сплав содержит, мас.%: кобальт 3,5-5,3; железо 1,4-3,2; медь 0,8-1,0; карбид вольфрама - остальное. Твердый сплав содержит, мас. %: кобальт 5,1-5,6; молибден 1,8-2,5; титан 0,5-0,8; карбид вольфрама - остальное. Сплав обладает высокой твердостью и износостойкостью. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 2 пр.

1. Твердый сплав на основе карбида вольфрама, характеризующийся тем, что он содержит карбид вольфрама и кобальтовую связку, модифицированную железом и медью, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
кобальт 3,5-5,3 железо 3,2-1,4 медь 0,8-1,0 карбид вольфрама остальное

2. Твердый сплав на основе карбида вольфрама, характеризующийся тем, что он содержит карбид вольфрама и кобальтовую связку, модифицированную молибденом и титаном, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
кобальт 5,1-5,6 молибден 1,8-2,5 титан 0,5-0,8 карбид вольфрама остальное