СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕЧЕННЫХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПЛАСТИН ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА Российский патент 2023 года по МПК B22F3/12 C22C1/51 B23P15/28 

Область техники.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению спеченных твердосплавных пластин, используемых для изготовления режущего инструмента для фрезерования изделий труднообрабатываемых материалов, в том числе титана и его сплавов.

Уровень техники.

Для высокопроизводительной лезвийной обработки металлов широко используют металлообрабатывающий инструмент с механическим креплением сменных неперетачиваемых пластин, выполненных из твердого сплава на основе карбида вольфрама.

При этом особые требования предъявляются к материалу твердосплавных пластин, используемых при фрезеровании изделий, выполненных из труднообрабатываемых материалов, в том числе из титана и его сплавов.

Известно (см. например, патент US 7537726), что свойства твердых сплавов определяются отношением содержания карбида к содержанию связующего, химическим составом, размером зерен и гранулометрическим составом карбида. Это открывает множество возможностей для согласования свойств твердого сплава с соответствующей областью применения. Однако в настоящее время указанные возможности во многом исчерпаны.

В то же время известен способ изготовления спеченного твердого сплава (см., например, патент РФ 2447169), который включает перемешивание шихты на основе порошков карбида вольфрама фракций до 2 мкм и 4-30 мкм, содержащей порошок кобальта, с пластификатором, последующее прессование и спекание. При этом согласно изобретению планируемые свойства твердого сплава получают за счет определенной технологии его изготовления. В указанном примере повышение эксплуатационных свойств режущего инструмента достигнуто за счет раздельного смешивания с пластификатором шихты на основе карбида вольфрама двух размерных фракций, а затем перемешивание их между собой. При этом шихта фракции до 2 мкм составляет 20-80% общего объема.

Также известен, например, способ изготовления корпусов из цементированного карбида на основе карбида вольфрама и со связующей фазой на основе Со или комбинации Со, Ni и Fe или Ni и Fe (патент US 6878182), включающий мокрое измельчение шихты в спирте, воде или их смеси, порошке и прессовом агенте для образование суспензии, сушку суспензии распылительной сушкой с образованием гранулята, прессование гранулята с образованием тел желаемой формы и размера и их спекание. При этом согласно изобретению для повышения эксплуатационных свойств твердого сплава суспензию готовят так, чтобы она содержала 0,02-0,06 мас. % полиэлектролита на основе полиэтилененимина до суспензии цементированного карбида, содержащей WC и Со с содержанием 1 мас. % от общей массы сырья, содержащего Та, NbC, TiC или их смеси.

Однако, следует заметить, что в известных способах получения твердого сплава с повышенными эксплуатационными свойствами при операциях измельчения карбида вольфрама с добавлением ингибиторов роста зерна не учитывается соотношения объема пульпы и участвующих в измельчении размольных тел. При этом измельчение производится изначально с добавлением кобальта без учета соотношения веса и плотности пульпы и веса размольных тел. В известном способе при смешивании пульпы также не учитываются соотношения ее свободной поверхности, контактирующей с воздухом, и ее площади поверхности, контактирующей с внутренней поверхностью емкости для смешивания.

В тоже время известно, что указанные выше соотношения подчиняются закону масштабирования объектов, известному в виде Закона квадрата - куба, открытому в свое время Галилео Галилеем. Он гласит, что если увеличить размеры объекта без изменения его основной формы в два раза, то площадь его поверхности увеличится в четыре раза, а его объем в восемь раз (см. например, Дж.Б.С. Холдейн О целесообразности размеров. Архивная копия от 22 мая 2021 г. на Waybak Machine),

При этом взаимодействие, в том числе в статике, компонентов шихты, размольных тел, свободных поверхностей шихты с окружающей средой и т.д. кардинально зависит от их соотношения. В частности существенно изменятся, например, теплообмен, химическое взаимодействие компонентов шихты между собой и кислородом воздуха, а также стабильность диспергированной смеси, получаемой в результате размола и смешивания компонентов и т.д. Это в свою очередь оказывает существенное влияние на получение заданных свойств твердого сплава особенно при производстве малых партий твердосплавных пластин, когда указанное соотношение из-за малых объемов обрабатываемой шихты существенно возрастает.

Целью настоящего изобретения является создание способа получения спеченных твердосплавных пластин на основе карбида вольфрама для режущего инструмента повышенной стойкости в условиях производства малых партий пластин.

Планируемый технический результат достигается за счет получения и использования в указанном способе хорошо диспергированной стабильной смеси с размерами зерен от 0.8 до 2 мкм, позволяющей повысить прочностные характеристики твердого сплава, что в свою очередь обеспечивает повышение стойкости твердосплавных пластин.

Раскрытие изобретения.

Указанный технический результат достигается посредством совокупности признаков, приведенных в соответствующих пунктах формулы изобретения.

Способ получения спеченных твердосплавных пластин на основе WC для режущего инструмента включает мокрое измельчение компонентов шихты в воде, спирте или их смеси с получением пульпы.

Смешивание пульпы с прессовым агентом для образования диспергированной смеси, сушку диспергированной смеси распылительной сушкой с образованием гранулята, прессование гранулята с формированием пластин заданной формы и размера и их спекание.

Согласно изобретению мокрое измельчение проводят в две стадии, при этом на первой стадии измельчают WC с добавлением ингибитора роста зерна при соотношении объема размольных тел к объему пульпы в диапазоне 1,2 - 3,0, а на второй стадии измельчение осуществляют с добавлением Со при плотности пульпы 3600 - 3800 кг/м³ и отношении веса размольных тел к весу пульпы 2,5 - 6,3.

Далее смешивание пульпы с прессовым агентом осуществляют в емкости при отношении площади поверхности пульпы, контактирующей с поверхностью емкости, к площади свободной поверхности пульпы, контактирующей с воздухом, в диапазоне 2,5 - 5,7 до получения диспергированной смеси с размером зерен 0,8 - 2 мкм.

Согласно одному из предпочтительных исполнений способа в качестве размольных тел используют шаровидные твердосплавные тела.

Согласно другому предпочтительному исполнению способа в качестве ингибитора роста зерна используют ТаС или Cr3C2, или механическую смесь ТаС - NbC.

Подробное описание реализации способа.

В соответствии с предложенным техническим решением способ получения спеченных твердосплавных пластин на основе WC для режущего инструмента включает мокрое измельчение компонентов шихты в воде, спирте или их смеси с получением пульпы.

При этом в соответствии с одним из предпочтительных исполнений способа могут быть использованы шаровидные твердосплавные тела, например, диаметром 8 мм. Они обеспечивают наиболее равномерный размол компонентов шихты с учетом напряженно деформированных состояний элементов получаемого порошка.

Согласно изобретению мокрое измельчение проводят в две стадии, при этом на первой стадии измельчают WC с добавлением ингибитора роста зерна при отношении объема размольных тел (имеется в виду объем всех размольных тел в совокупности) к объему пульпы в диапазоне 1,2 - 3,0.

В соответствии с одним из предпочтительных исполнений способа в качестве ингибитора роста зерна используют ТаС или Cr3C2, или механическую смесь ТаС - NbC.

При этом пределы диапазона отношения объема размольных тел к объему пульпы обусловлены наиболее оптимальным состоянием процесса размалывания компонентов шихты с точки зрения соблюдения температурных режимов, условий механического разрушения (размалывания) ее твердых компонентов, их химического взаимодействия как между собою, так и с элементами воздушной среды.

При этом выбор конкретного показателя указанного выше отношения осуществляется в зависимости от элементного состава конкретного твердого сплава с учетом использования для мокрой среды воды, спирта или их смеси.

На второй стадии продолжается мокрое измельчение (размалывание) компонентов шихты с добавляют Со. При этом создают плотность пульпы до значения, выбранного из диапазона 3600 - 3800 кГ/м³, а отношение веса размольных тел к весу пульпы до значения, выбранного из диапазона 2,5 -6,3.

При этом пределы указанных диапазонов обусловлены созданием оптимальных условий взаимодействия Со с компонентами шихты, подготовленными с точки зрения механического и химического состояния на первом этапе размалывания в условиях сохранения температурных режимов и условий перемешивания полученной пульпы.

Выбор конкретных значений указанных выше отношений в представленных диапазонах осуществляется также, как и на первом этапе размалывания в зависимости от элементного состава конкретного твердого сплава с учетом использования для мокрой среды воды, спирта или их смеси, а также с учетом процентного содержания добавленного Со.

Далее проводят смешивание пульпы с прессовым агентом в специальной емкости при отношении площади поверхности пульпы, контактирующей с поверхностью указанной емкости, к площади свободной поверхности пульпы, контактирующей с воздухом, выбранному из диапазона 2,5 - 5,7 до получения диспергированной смеси с размером зерен 0,8 - 2 мкм.

При этом пределы указанного диапазона соотношения площадей обусловлен необходимостью поддержания стабильного состояния пульпы с точки зрения температурного режима и химического взаимодействия с компонентами воздушной среды. Указанное соотношение обеспечивается с одной стороны размерами (объемом) и формой специальной емкости, а с другой стороны заполнением этой емкости пульпой. При этом в качестве прессового агента согласно одному из предпочтительных исполнений способа используют полиэтиленгликоль ПЭГ 4000, ПЭГ 5000 или ПЭГ 6000.

Пределы диапазона размеров зерен диспергированной смеси обусловлены требованием к морфологии структуры спеченной твердосплавной пластины. При этом для каждого состава порошка необходим строго определенный размер частиц в пульпе, который ограничен указанными пределами.

Далее осуществляют сушку диспергированной смеси распылительной сушкой для получения гранулята, из которого далее с использованием известной технологии прессуют и спекают тела твердосплавных пластин заданной формы и размера.

При этом следует заметить, что спеченные тела твердосплавных пластин могут быть использованы как в качестве заготовок указанных пластин для дальнейшего шлифования их поверхностей, так и в качестве непосредственно режущих элементов, устанавливаемых на металлорежущий инструмент, например, фрезы.

Примеры использования способа.

По одному из предпочтительных исполнений предложенного способа были изготовлены два состава шихты на основе карбида вольфрама со связующей фазой из кобальта для марок сплавов (СКИФ-М) НСР40Х и НС30Х с последующим изготовлением из них твердосплавных пластин.

Пример 1. На первой стадии осуществляли размол WC с добавлением ингибитора роста зерна ТаС при отношении объема размольных тел к объему пульпы, равном 2,94 и следующем составе компонентов: 2% ТаС, 1,5% водного раствора ингибитора коррозии. 14% водного раствора сажи, остальное - WC. На второй стадии добавляли 11,5% Со по отношению к сухим компонентам и доводили плотность пульпы до 3600 кг/м³. при соотношении веса размольных тел к весу пульпы 6,25. Далее после нескольких часов размола производили выгрузку содержимого в специальную емкость с добавлением заранее растворенного в воде пластификатора при условии отношения площади поверхности пульпы, контактирующей с поверхностью указанной емкости к площади свободной поверхности пульпы, контактирующей с воздухом, равном 2,5. Получали диспергированную смесь с размером зерен 1,2 мкм. Далее осуществляли сушку полученной диспергированной смеси распылительной сушкой с образованием гранулята.

Пример 2. На первой стадии осуществляли размол WC с добавлением ингибитора роста зерна (механической смеси TaC-NbC) при соотношении объема пульпы и размольных тел, равном 1,19 и следующем составе компонентов: 2% TaC-NbC, 1,5% водного раствора ингибитора коррозии. 14% водного раствора сажи, остальное - WC. На второй стадии добавляли 10% Со по отношению к сухим компонентам и доводили плотность пульпы до 3700 кг/м³. при соотношении веса размольных тел к весу пульпы 2,53. Далее после нескольких часов размола производили выгрузку содержимого в специальную емкость с добавлением заранее растворенного в воде пластификатора при условии отношения площади поверхности пульпы, контактирующей с поверхностью указанной емкости, к площади свободной поверхности пульпы, контактирующей с воздухом, равном 5,4. Получали диспергированную смесь с размером зерен 0,9 мкм. Далее осуществляли сушку полученной диспергированной смеси распылительной сушкой с образованием гранулята.

Далее из полученного (пример 1 и 2) гранулята с применением известных технологий были изготовлены твердосплавные пластины BDMT10T308ER (СКИФ-М) и подвергнуты испытаниям на стойкость. Эти пластины устанавливали в гнезда торцовой фрезы и закрепляли крепежным винтом.

Далее устанавливали фрезу в шпиндель фрезерного станка мод. ФП-27ТС и фрезеровали в однозубом режиме по плоскости поверхность заготовки из титанового сплава ВТ22 с подачей СОЖ на следующих режимах резания: При этом стойкость одной режущей кромки при износе по задней поверхности 0,44 мм составила 51,3 мин., что существенно выше стойкости режущих пластин из твердого сплава, полученного по обычной технологии.

Таким образом, использование описанного выше способа позволило получить твердосплавные режущие пластины повышенной стойкости.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению спечённых твердосплавных пластин, используемых для изготовления режущего инструмента. Компоненты шихты подвергают мокрому измельчению в воде, спирте или их смеси в две стадии с получением пульпы. На первой стадии измельчают WC с добавлением ингибитора роста зерна при соотношении объема размольных тел к объему пульпы в диапазоне 1,2-3,0. На второй стадии измельчение осуществляют с добавлением Со при плотности пульпы 3600-3800 кг/м³ и отношении веса размольных тел к весу пульпы 2,5-6,3. Полученную пульпу смешивают с прессовым агентом в емкости при отношении площади поверхности пульпы, контактирующей с поверхностью емкости, к площади свободной поверхности пульпы, контактирующей с воздухом, в диапазоне 2,5-5,7 до получения диспергированной смеси с размером зерен 0,8-2 мкм. Диспергированную смесь подвергают сушке распылением с образованием гранулята, затем прессуют с формированием пластин и спекают. Обеспечивается повышение прочностных свойств и стойкости твердосплавных пластин. 2 з.п. ф-лы, 2 пр.

1. Способ получения спеченных твердосплавных пластин на основе WC для режущего инструмента, включающий мокрое измельчение компонентов шихты в воде, спирте или их смеси с получением пульпы, смешивание пульпы с прессовым агентом для образования диспергированной смеси, сушку диспергированной смеси распылительной сушкой с образованием гранулята, прессование гранулята с формированием пластин заданной формы и размера и их спекание, отличающийся тем, что мокрое измельчение проводят в две стадии, при этом на первой стадии измельчают WC с добавлением ингибитора роста зерна при соотношении объема размольных тел к объему пульпы в диапазоне 1,2-3,0, а на второй стадии измельчение осуществляют с добавлением Со при плотности пульпы 3600-3800 кг/м³ и отношении веса размольных тел к весу пульпы 2,5-6,3, а смешивание пульпы с прессовым агентом осуществляют в емкости при отношении площади поверхности пульпы, контактирующей с поверхностью емкости, к площади свободной поверхности пульпы, контактирующей с воздухом, в диапазоне 2,5-5,7 до получения диспергированной смеси с размером зерен 0,8-2 мкм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве размольных тел используют шаровидные твердосплавные тела.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве ингибитора роста зерна используют ТаС или Cr₃C₂, или механическую смесь ТаС-NbC.