Твердый сплав с уменьшенным содержанием карбида вольфрама для изготовления режущего инструмента и способ его получения Российский патент 2023 года по МПК C22C29/04 B22F3/12 C04B35/577 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к твердым сплавам на основе карбонитрида титана, содержащим также карбид вольфрама, карбид тантала и цементирующую связку, обладающим высокими значениями твердости, прочности и износостойкости. Разработанный твердый сплав предполагается использовать в качестве основы режущего инструмента для высокоскоростной лезвийной обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов.

Основными материалами, используемыми для высокоскоростной механической обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов, являются керамические и металлокерамические инструментальные сплавы. Металлокерамический инструмент в разы долговечнее, а также способен работать при более высоких скоростях резания по сравнению с твердосплавным.

Развитие технологий тяжелой обработки и сухого резания связано с твердыми сплавами. Потребность в высокоскоростной обработке вызвана необходимостью в сокращении затрат времени на изготовление изделий, устранении неточностей, возникающих в результате использования ручной финишной обработки, и минимизации производственных затрат. Такая обработка предназначена для обработки твердых материалов (нержавеющие стали, прочные титановые сплавы, инструментальные стали), высокоточных форм и деталей пресс-форм с низкой шероховатостью поверхности. Кроме того, высокоскоростная обработка за счет значительного отвода тепла в стружку обеспечивает высокую эффективность снятия материала, уменьшение времени производства, усилия резания и деформации заготовки. Основная проблема - это износ металлорежущего инструмента, обусловленный высокой скоростью резания. Определяющими характеристиками материала для высокоскоростной обработки металлов являются высокая твердость и абразивостойкость, устойчивость к динамическим нагрузкам и хрупкому разрушению [1].

В настоящее время для высокоскоростной обработки сталей и сплавов используется инструмент из твердого сплава, основу которого составляет карбонитрид титана (TiCN), карбиды тантала (ТаС) и/или ниобия (NbC), а также карбид вольфрама (WC), связанные кобальтом (Со), никелем (Ni) или их комбинациями. Микроструктура подобных спеченных твердых сплавов представляет собой вид ядро-оболочка [2]. Ядра состоят из частично нерастворенных зерен Ti(C,N), на которые в процессе спекания по механизму растворения-осаждения нарастает оболочка из (Ti,W)(C,N). Известно, что в твердых сплавах на основе карбонитрида титана цементирующей фазой является смесь никеля и кобальта [3]. При этом каждый из этих металлов по-своему влияет на физико-механические характеристики спеченного материала. Большинство разработок с целью увеличения высокотемпературной износостойкости твердых сплавов связано с изменением их цементирующей фазы.

Известен композиционный материал в соответствии с изобретением

US 10570486 (В2), в котором твердая фаза, состоящая преимущественно из карбонитрида титана и одного металла из групп IV, V или VI периодической таблицы, имеющих бимодальное распределение по размеру зерна от 0,05 до 2 мкм, с металлосвязкой на основе преимущественно кобальта, образует твердый сплав. Из предложенного твердого сплава изготавливали режущий инструмент, обеспечивающий долговременное резание не труднообрабатываемого материала при невысоких скоростях и подачах [4]. Недостатком данного материала является то, что при переходе к более экстремальным условиям резания или при обработке более труднообрабатываемых материалов может происходить разрушение режущей поверхности инструмента за счет уменьшения прочности преимущественно кобальтовой металлосвязки под воздействием высоких температур в зоне резания.

Известен твердый сплав в соответствии с разработкой US 5314657 (А), в котором использованы нестехиометрические исходные компоненты, в основном нитриды и карбонитриды тугоплавких металлов, подходящий для использования в качестве основы для фрезерных и токарных режущих пластин, обладающий выдающейся вязкостью при резании металла и одновременно очень высокой износостойкостью и сниженной пористостью [5]. Недостатком данного материала является то, что достижение сбалансированных режущих характеристик твердого сплава по данному изобретению можно получить только в очень узком диапазоне составов при определенном сочетании специально синтезированных исходных материалов, что, возможно, скажется на стоимости, и как следствие этого, на доступности режущего инструмента из твердого сплава.

В соответствии с изобретением US 4935057 (А) разработан материал, представляющий собой твердый сплав на основе титана, карбонитрида титана и карбида вольфрама, подверженный минимальному разрушению при операциях прерывистого резания [6]. Предложен способ получения твердого сплава, включающий подготовку порошковой смеси заданного состава, прессование порошковой смеси в сырой компакт и последующее спекание сырого компакта. Подготовка порошковой смеси состоит из нескольких этапов: подготовка первого порошка (TiC, (Ti,Ta)C, TiCN и (Ti,Ta)(C,N)) для получения структуры ядра твердой фазы; подготовка вторых порошков (TiN, ТаС и WC) для получения структуры оболочки, окружающей твердую фазу; подготовка третьего порошка (Со и Ni) для получения металлосвязки; измельчение первого порошка в течение заданного периода времени; последующее добавление второго и третьего порошков к измельченному первому порошку для получения смешанного порошка и его перемешивание в течение заданного периода времени для приготовления порошковой смеси. Заявлен состав твердой фазы от 70 до 95 мас. % и металлосвязки от 5 до 30 мас. %. Образцы из полученного материала спекали при температуре от 1400 до 1500°С в вакууме или при низком давлении азота. Недостатком рассматриваемого способа получения материала является использование двухкомпонентной цементирующей фазы, что приводит к образованию несплошностей микроструктуры спеченного твердого сплава ввиду отсутствия необходимой степени смачивания твердой фазы металлосвязкой.

Известен материал в соответствии с разработкой US 7762747 (В2) на основе карбонитрида титана, имеющий микроструктуру, включающую от 75 до 90 об. % нескольких твердых фаз, остальное связка. Первая твердая фаза имеет структуру, содержащую ядро, которое включает фазу карбонитрида титана, и оболочку, которая включает комплексную карбонитридную фазу, содержащую Ti, W, один или два элемента из Та и Nb, и один или два или более элементов из Zr, V и Mo ((Ti, W, Ta/Nb, Zr/V/Mo)CN). Вторая твердая фаза имеет структуру, содержащую ядро, где ядро и оболочка включают фазы (Ti, W, Ta/Nb, Zr/V/Mo)CN. Третья твердая фаза имеет однофазную структуру, включающую фазу карбонитрида титана. В материале по указанному изобретению связка на основе TiCN, входящая в состав режущей пластины, содержит вольфрамовую компоненту в количестве от 40 до 60% в результате обработки с переменой атмосферы в процессе нагрева при спекании. В итоге высокотемпературная твердость связки повышается, при этом увеличивается износостойкость при высокоскоростном резании, которое сопровождается выделением большого количества тепла [7]. Одновременно с положительным эффектом, который оказывает насыщение металлосвязки вольфрамом, данный процесс может оказывать отрицательное влияние на прочностные характеристики изготавливаемого материала, особенно в части снижения вязкости разрушения, что может привести к сужению области применения режущего инструмента по указанному изобретению. Описанный в вышеуказанном изобретении метод спекания представляется трудоемким, требующим сложного специализированного оборудования.

Наиболее близким к настоящему изобретению техническим решением по материалу и способу его получения является разработка US 5460893 (А), согласно которой способ изготовления износостойкой режущей пластины заключается в смешении материалов в различных сочетаниях, формовании и вакуумно-компрессионном спекании заготовки в специально регулируемой газовой атмосфере [8]. Каждый из различных порошков исходных материалов содержит множество зерен, имеющих средний размер в диапазоне от 0,5 до 2 мкм. Порошки исходных материалов включают порошки карбидов, нитридов и карбонитридов, а также порошки (Ti, Mo)CN, TiCN, Со и Ni. Первая твердая дисперсная фаза имеет по меньшей мере одну из двойной и тройной структур, включающей ядро из твердого раствора карбонитрида титана и по меньшей мере одного элемента из группы, включающей Та, Nb, V, Hf, Zr, W, Mo и Cr. Вторая твердая дисперсная фаза имеет однофазную структуру композитного карбонитрида твердого раствора Ti и по меньшей мере одного элемента из группы, включающей Та, Nb, V, Hf, Zr, W, Mo и Cr. Связующая фаза содержит по меньшей мере один из W, Mo, Cr, Hf, Zr, Ti, Та, Nb и V в количестве не более 40 мас. %, а остаток представляет собой как минимум один из Со и Ni. В упомянутом способе получения материала одним из основных факторов, оказывающих влияние на структуру, физико-механические и эксплуатационные характеристики режущих пластин, является специальная газовая атмосфера в печи при спекании, которая фактически является одним из компонентов сплава. Указанная атмосфера блокирует процесс растворения Ti(C, N) в по крайней мере одной из компонент W, Mo, Cr, Та, Nb, V, Hf и Zr или в металлосвязке. Сырые прессованные компакты нагреваются от комнатной температуры до 1100°С в атмосфере азота при парциальном давлении азота 1,3 Па. Парциальное давление азота повышается до 1,3 кПа и поддерживается на уровне 1,3 кПа в течение периода времени, достаточного для нагрева прессованного компакта от 1100°С до заданной температуры спекания в пределах от 1420 до 1600°С. Нагретый компакт выдерживается при заданной температуре спекания в течение одного часа, а затем охлаждается до комнатной температуры. Недостатками указанного изобретения являются особые требования, предъявляемые к газовой атмосфере, которые усложняют реализацию процесса, а также излишняя пористость полученного материала, подтверждаемая испытаниями. Кроме того, применяемая азотная атмосфера при определенных условиях не гарантирует подавление роста зерна Ti(C, N).

Известно, что значительный рост размера зерна карбонитрида титана в процессе спекания приводит к снижению физико-механических свойств. Особые преимущества дает формирование микроструктуры материала на основе мелкодисперсных зерен. Добавление молибдена в фиксированном количестве в твердый сплав на основе карбонитрида титана приводит к увеличению смачиваемости твердой керамической фазы связующей фазой и снижает растворимость Ti(C, N) в металлической связке, что в свою очередь сдерживает рост зерна карбонитрида титана. Поскольку недостаточное смачивание способствует появлению агломератов карбидной фазы и крупных зерен, добавление молибдена в определенном количестве позволит улучшить относительную плотность, стойкость к пластической деформации и прочность сплава [2].

Задачей настоящего изобретения является получение спеченного твердого сплава на основе карбонитрида титана, содержащего также карбиды вольфрама и тантала и металлосвязку, обладающего большей износостойкостью по сравнению с существующими твердыми сплавами. Разработанный материал предполагается использовать в качестве основы режущего инструмента для высокоскоростной лезвийной обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов. Способ получения разрабатываемого материала должен обеспечивать возможность организации крупносерийного производства режущего инструмента на его основе.

Указанная задача решается путем создания твердого сплава на основе карбонитрида титана в количестве 45-65 мас. %, карбида вольфрама 15-25 мас. %, карбида тантала в количестве 3-5 мас. % и цементирующей связки в количестве 17-25 мас. % с содержанием в ней молибдена от 20 до 50 мас. %. Данный диапазон содержания молибдена обусловлен тем, что при дальнейшем его увеличении свыше 50 мас. % наблюдается тенденция роста твердости при снижении трещиностойкости, а при снижении менее 20 мас. % не обеспечивается желаемое сдерживание роста зерен TiCN [9].

Для создания материала с требуемыми характеристиками предложен способ получения, включающий стадии подготовки исходных компонентов шихты и их смешивания, формования полученной шихты и спекания сформованных заготовок. Шихта для получения компактных образцов готовится методами порошковой металлургии, которые представляют собой мокрый размол порошков карбонитрида титана и карбида тантала до получения среднего размера зерна 2,5 мкм, мокрый размол порошка карбида вольфрама до получения среднего размера зерна 0,5 мкм и их смешение в шаровой мельнице с порошками кобальта, никеля и молибдена с получением среднего размера зерна 1,5 мкм. Для обеспечения необходимой прочности прессовой заготовки в ее состав вводится полимерное связующее на основе раствора полиэтиленгликоля в этиловом спирте.

В предлагаемом материале, представляющем собой спеченный твердый сплав, который содержит карбонитрид титана, карбиды вольфрама и тантала в качестве основы, а также кобальт, никель и молибден в качестве цементирующей фазы, технический эффект достигается за счет особой организации микроструктуры, состоящей из ядра карбонитрида титана и оболочки, представляющей собой металлосвязку сложного состава и включающей в себя растворенные в цементирующей фазе карбиды тугоплавких металлов, которые значительно повышают физико-механические характеристики и эксплуатационные свойства материала при высоких температурах во время высокоскоростной обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов. Структура типа ядро-оболочка характеризуется оптимизированными по размеру и концентрации упрочняющими включениями увеличенной твердости, которая достигается как за счет карбидной составляющей, так и цементирующей связки с добавкой молибдена в ее состав.

Кроме того, технический эффект достигается предложенным способом получения материала, представляющим собой смешение посредством метода порошковой металлургии компонентов различной дисперсности, предварительно размолотых отдельными операциями. Подготовленная таким способом шихта компактируется в заготовки необходимой формы, которые далее подвергаются вакуумно-компрессионному спеканию. При этом цементирующая связка, в состав которой входит молибден, обеспечивает формирование необходимой микроструктуры в заявляемом материале, а давление от 5 до 10 МПа, при котором происходит спекание сформованных заготовок, обеспечивает получение материала с низкой пористостью.

Предлагаемое изобретение является новым, имеет изобретательский уровень, применимо в промышленных масштабах. Изобретение может быть реализовано при использовании оборудования, применяемого в настоящее время в твердосплавной промышленности.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к спеченным твердым сплавам на основе карбонитрида титана для изготовления режущего инструмента. Может использоваться для изготовления сменных многогранных пластин для высокоскоростной лезвийной обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов и иных износостойких изделий. Твердый сплав содержит, мас. %: карбонитрид титана 45-65, карбид вольфрама 15-25, карбид тантала 3-5, цементирующая связка 17-25. Содержание молибдена в цементирующей связке составляет от 20 до 50 мас. %, а массовое соотношение Co:Ni находится в пределах от 1:0,6 до 1:0,9. Для получения заготовки режущего инструмента из твердого сплава осуществляют мокрый размол порошков тугоплавких компонентов, при этом проводят совместный размол карбонитрида титана и карбида вольфрама и отдельно размалывают карбид вольфрама. Затем смешивают полученные порошки с порошками кобальта, молибдена и никеля в заданном количестве, формуют и проводят вакуумно-компрессионное спекание. Также охарактеризована смесь для получения твердого сплава. Обеспечиваются высокие физико-механические и эксплуатационные характеристики режущего инструмента. 3 н. и 3 з.п. ф-лы.

1. Твердый сплав на основе карбонитрида титана для режущего инструмента, содержащий карбонитрид титана, карбид вольфрама, карбид тантала и цементирующую связку на основе кобальта, отличающийся тем, что цементирующая связка дополнительно содержит молибден и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %:

карбонитрид титана 45-65 карбид вольфрама 15-25 карбид тантала 3-5 цементирующая связка 17-25,

при этом содержание молибдена в цементирующей связке составляет от 20 до 50 мас. %, а массовое соотношение Co:Ni находится в пределах от 1:0,6 до 1:0,9.

2. Твердый сплав по п. 1, отличающийся тем, что его микроструктура содержит зерна карбонитрида титана, окруженные оболочкой из (Ti,W,Ta)(C,N) и связанные кобальт-никель-молибденовой цементирующей связкой.

3. Смесь порошков для получения твердого сплава по п. 1, содержащая порошки карбонитрида титана, карбида вольфрама, карбида тантала и цементирующую связку, содержащую порошок кобальта, отличающаяся тем, что цементирующая связка дополнительно содержит порошки молибдена и никеля при следующем соотношении компонентов, мас. %:

карбонитрид титана 45-65 карбид вольфрама 15-25 карбид тантала 3-5 цементирующая связка 17-25

4. Способ получения заготовки режущего инструмента из твердого сплава на основе карбонитрида титана, полученного из смеси порошков по п. 3, характеризующийся тем, что осуществляют совместный мокрый размол порошков карбонитрида титана и карбида тантала, отдельно проводят мокрый размол порошка карбида вольфрама, полученные после размола порошки смешивают с порошками кобальта, никеля и молибдена, формуют заготовки режущего инструмента и спекают сформованные заготовки.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что мокрый размол порошков карбонитрида титана и карбида тантала проводят в шаровых мельницах до получения среднего размера зерна приблизительно 2,5 мкм, мокрый размол порошка карбида вольфрама проводят до получения среднего размера зерна приблизительно 0,5 мкм, а смешивание с порошками кобальта, никеля и молибдена осуществляют в шаровой мельнице в среде, исключающей окисление.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что заготовки спекают в вакуумно-компрессионной печи при давлении от 5 до 10 МПа при температуре 1560°C.