Твердый сплав для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов Российский патент 2024 года по МПК C22C29/08 C22C1/51 B23P15/28 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к твердым сплавам на основе карбида вольфрама со связующим, легированным рением, для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов: сплавов на основе тугоплавких металлов, жаропрочных, коррозионно-стойких сталей и сплавов (группы «М», «S», «Н» по ГОСТР ИСО 513-2019).

Известны твердые сплавы, рекомендуемые ГОСТ 3882-74, для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов. Их назначение и свойства приведены в табл.1 и 2.

Анализ данных табл.2 позволяет сформулировать требования к свойствам твердого сплава для чистовой обработки. Наименьшее значение предела прочности сплавов - 1176 МПа. Этот предел прочности следует признать обеспечивающим предотвращения сколов режущей кромки, которое возможно при меньшей прочности сплава. Т.е. прочность сплава должна быть не менее 1176 МПа, при этом сплав должен обладать максимально достижимой твердостью и, таким образом, износостойкостью, определяющей стойкость инструмента.

Таким образом, для сплавов, предназначенных для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов, должно соблюдаться условие: σ_изг>1176МПа, которое является граничным. Из сплавов для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов, рекомендованных ГОСТ 3882-74, в наибольшей степени этим требованиям отвечает сплав ВК3-М, который при прочности 1176 МПа обладает наибольшей твердостью - 91 HRA. Однако стойкость инструментов из твердых сплавов, рекомендуемых ГОСТ 3882-74, в том числе сплава ВК3-М, при обработке труднообрабатываемых материалов низкая. Это связано низкими температурами разупрочнения, т.е. недостаточной жаропрочностью кобальтовой связки.

Повышение жаропрочности связки и, таким образом, теплостойкости твердого сплава достигается легированием твердого сплава рением. Так, при 800°С твердость сплавов ВК (WC+Co) с 3% Со не превышает 800 HV, (М.Г. Лозинский. Строение и свойства металлов и сплавов при высоких температурах. М., Металлугиздат 1963 536 с), а сплава ВРК15, выпускаемого промышленностью, (85% WC+6%Co+9%Re) ~ 900HV несмотря на меньшее количество твердой и теплостойкой карбидной фазы WC в сплаве ВРК15. Твердые сплавы с кобальт-рениевой связкой применяют для обработки труднообрабатываемых материалов, при этом стойкость инструмента в 2-5 раз выше, чем у сплавов с кобальтовой связкой (A.M. Адаскин, В.Н. Бутрим, А.С. Верещака. Влияние свойств твердого сплава на износостойкость твердосплавного инструмента с покрытием при обработке жаропрочного сплава на основе хром. СТИН 2016. №3. С. 20-24).

Известен твердый сплав, состоящий из WC, либо твердой фазы на основе WC с добавками ТаС (6-7%), NbC (2-2,5%) и TiC (4-4,5%) в количестве 80-95%, Ni: 1-3%, Re: 1-6%, Со остальное, при этом отношение содержания Re к содержанию Ni 0,4-5,0 (патент РФ №2105825, заявка №95109490/02 от 06.06.1995; опубл. 27.02.1998). Недостатком данного твердого сплава является следующее. В указанном патенте не обоснован оптимальный состав связующего, поэтому при его реализации возможны составы с низким содержанием рения (менее 52% масс в связке). Это не позволяет получить высокой жаропрочности связки, теплостойкости твердого сплава и, как следствие, высокой стойкости инструмента при обработке жаропрочных сплавов с чистовыми режимами резания.

Известен твердый сплав на основе карбида вольфрама, в котором количество связующего составляет 4 12 масс. %. Основа связующего - кобальт, в его состав входит также рений в количестве 3-20 масс. %. от массы связующего (WO 2012/053237 Л1, 26.04.2012). Недостатком данного твердого сплава является то, что указанный твердый сплав не обладает высокой жаропрочностью связки и теплостойкостью из-за недостаточного количества рения в связке. Это не позволяет получить высокой жаропрочности связки, теплостойкости твердого сплава и, как следствие, высокой стойкости инструмента при обработке жаропрочных сплавов с чистовыми режимами резания.

Известен твердый сплав, содержащий рений, кобальт и карбид вольфрама следующего состава, % масс.: Re: 2-9%, Со: 3-9%, WC: 82-95%, сохраняющий твердость при нагреве до высоких температур (патент SU 616814 А1). Недостатком данного твердого сплава является следующее. В указанном патенте не определен оптимальный состав связующего, поэтому при его реализации возможны составы с низким содержанием рения (менее 52% масс в связке), например сплав состава 95%WC: 2% Re, 3% Со (содержание рения в связке 40%), или сплав состава 89% WC; 2% Re, 9% Со (содержание рения в связке 18%). Это не позволяет получить высокой жаропрочности связки, теплостойкости твердого сплава и, как следствие, высокой стойкости инструмента при обработке жаропрочных сплавов с чистовыми режимами резания.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа твердый сплав для обработки резанием труднообрабатываемых материалов, содержащий карбид вольфрама (WC) и связующее состава 52 55% рения (Re), остальное кобальт (Со) (Патент РФ №2521747, заявка №2012153429/02 от 12.12.2012; опубл. 10.07.2014, бюл. №19). В указанном патенте обоснован оптимальный состав связующего: 52-55 масс. % Re, остальное Со. Поэтому сплавы с указанным составом связующего обладают высокой теплостойкостью. В прототипе рассмотрен сплав (не включенный в отличительную часть формулы) состава 88%WC+(6,4% Re+5,6% Со).

Недостатком прототипа, в том числе технической проблемой, является невозможность обеспечения высокой стойкости инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов с чистовыми режимами резания. Это связано с тем, что в рассмотренных выше патентах, а также в прототипе, не установлены связи между составом сплава и его свойствами; не установлен состав сплава для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов.

В основу заявленного изобретения положен технический результат -повышение стойкости инструмента при чистовой обработке труднообрабатываемых материалов за счет использования инструмента из твердого сплава с кобальт-рениевой связкой с твердостью не менее 91HRA и пределом прочности при изгибе не менее 1176МПа.

Технический результат обеспечивается тем, что в твердом сплаве для обработки резанием труднообрабатываемых материалов, содержащем карбид вольфрама (WC) и связующее состава 52-55% рения (Re), остальное кобальт (Со) для чистовой обработки предел прочности при изгибе (σ_изг) и твердость (Н) сплава количественно связаны с объемным содержанием связующего (V_св) и/или карбидной фазы (V_K), определяющими состав сплава, следующими соотношениями:

σ_изг=53,0V_cв[% объемн.]+936,3=53(100-V_к) [% объемн.]+936,3 [МПа];

H=-0,419V_cв[% объемн.]+93,67=-0,419(100-V_к) [% объемн.]+93,67 [HRA],

при этом для обеспечения твердости не менее 91 HRA и предела прочности при изгибе не менее 1176 МПа, сплав содержит 6% масс связующего. Изобретение поясняется:

1. Обработкой экспериментальных данных для сплавов с оптимальным содержанием рения в связующем (табл.3) с использованием приложения Microsoft Office Excel, 2016. В результате были установлены количественные зависимости предела прочности при изгибе (σ_изг) и твердости (Н) от объемного содержания связующего (V_cв) и/или карбидной фазы (V_к);

2. Математическим обоснованием функциональной связи между составом сплава и объемным содержанием связки и карбидной фазы (формулы 1-7);

3. Алгоритмом разработки состава сплава с заранее заданными свойствами;

4. Примерами реализации изобретения: разработкой сплава с заранее заданной твердостью и пределом прочности при изгибе, сравнением свойств разработанного сплава и прототипа, стойкостными испытаниями режущего инструмента - табл. 4-7.

Твердый сплав для обработки резанием труднообрабатываемых материалов содержит карбид вольфрама (WC) и связующее состава 52-55% рения (Re), остальное кобальт (Со), при этом для чистовой обработки предел прочности при изгибе (σ_изг) и твердость (Н) сплава количественно связаны с объемным содержанием связующего (V_cв) и/или карбидной фазы (V_к), определяющими состав сплава, следующими соотношениями:

σ_изг=53,0V_св[% объемн.]+936,3=53(100-V_к) [% объемн.]+936,3 [МПа], R²=0,997 (1); H=-0,419V_cв[% объемн.]+93,67=-0,419(100-V_к) [% объемн.]+93,67 [HRA], R²=0,976 (2),

а для обеспечения твердости не менее 91 HRA и предела прочности при изгибе не менее 1176МПа, сплав содержит 6% масс. связующего.

Количественные зависимости предела прочности при изгибе (σ_изг) и твердости (Н) от объемного содержания связующего (V_св) и/или карбидной фазы (V_к) установлены в результате корреляционного анализа экспериментальных данных, представленных в таблице 3, с использованием приложения Microsoft Office Excel, 2016 с высокой степенью достоверности (коэффициент корреляции R²>0,9; формулы 1, 2).

Объемное содержание связки (V_cв) и карбидной фазы (V_к) функционально связаны с составом сплава.

Пусть «m» - масса сплава; «а» и «b» - содержание (масс. %) карбидной фазы и связки, соответственно; «ρ_к» и «ρ_св»- плотность карбидной фазы и связки (г/см³), тогда:

При известном составе сплава V_cв и V_к определяются решением следующей системы уравнений:

Следовательно:

Решение обратной задачи, а именно по известным (вычисленным) значениям V_cв и V_к определение состава сплава. Массовое содержание карбидной фазы (а) и связки (b) определяется решением следующей системы уравнений:

Следовательно:

В отличие от известных аналогов, включая прототип, установленная в изобретении функциональная связь между составом сплава и его свойствами, позволила разработать состав твердого сплава с заранее заданными свойствами

Для определения свойств можно использовать и V_св, и V_к, для расчетов использовали V_cв.

Разработка состава твердого сплава с заранее заданными свойствами (алгоритм) осуществляется следующим образом:

- задается необходимый уровень предела прочности или твердости;

- определяется расчетное объемное содержание связки V_cвp (формула 1 или 2).

- по вычисленному содержанию V_cвp определяется расчетная массовая доля связки (b_p), (формула 6) (при определении «b_р» принимаем наиболее экономичный состав связки 52%Re+48%Co, ρ_св=15,2 г/см³):

- назначается фактическое массовое округленное содержание связки (b_факт) (без учета сотых долей процента из технологических соображений: для упрощения расчета состава и приготовления шихты для спекания);

- устанавливается массовая доля карбидной фазы: а_факт=100-b_факт;

- назначается фактический состав связки, в которой содержание рения составляет 52-55%;

- рассчитывается фактическое объемное содержание связки - V_cв. _факт, (формула 4),

- рассчитывается заданные предел прочности (формула 1) или твердость (формула 2) для разработанного сплава.

- производится сравнение расчетных и фактических данных твердости (прочности).

Примеры реализации изобретения.

При разработке состава твердого сплава для чистовой обработки необходимо соблюдение условия: σ_изг>1176МПа (исходя из рекомендаций ГОСТ 3882-74), и максимально возможная твердость, для обеспечения высокой износостойкости инструмента. Сплав с твердостью 92 HRA рекомендовать к использованию нельзя. Расчетное объемное содержание связки для сплава такой твердости ~ 4% (3,98% по расчету - ф-ла 2). Предел прочности сплава: 1148 [МПа]<1176 МПа (ф-ла 1), т.е. ниже рекомендуемого ГОСТ 3882-74. Назначаем твердость сплава 91 HRA -максимальную, регламентируемую ГОСТ 3882-74 (см. табл. 2).

Пример 1.

Разработка сплава WC+(Re+Co) с содержанием Re в связке 52-55% масс и твердостью 91 HRA.

1. Для твердости 91 HRA объемное содержание связки расчетное: V_cвp=6,37% объемн. (ф-ла 2).

2. Массовое содержание связки (из расчета содержания рения в связке 52%): b_р=6,18 (формула 6)

3. Принимаем b=6% масс.; 3,2% Re, 2,8% Со; ρ_св=15,35 г/см³).

Состав сплава: 94% WC, 3,2% Re, 2,8% Со (содержание Re в связке 53,3% масс., т.е. в пределах 52-55% масс.);

4. V_{cв факт}=6,1% объемн. (формула 4)

5. Расчетные значения:

- твердость сплава 91,1 HRA (формула 2);

- предел прочности 1259,6 МПа (формула 1).

Фактические значения твердости и прочности экспериментального сплава и погрешности относительно заданного значения твердости (91 HRA) и рассчитанного предела прочности (1259 МПа) приведены в табл.4 и 5.

Получено надежное совпадение расчетных данных и практических результатов.

Пример 2. Испытания режущего инструмента.

При высокой теплостойкости разработанный сплав обладает твердостью не менее 91 HRA - максимальной по ГОСТ 3882-74, и прочностью 1250 МПа выше минимальной, рекомендуемой ГОСТ 3882-74 (см. табл. 2). Сравнительные свойства и разработанного сплава и показанного в прототипе приведены в табл. 6.

Более высокая твердость определила повышение стойкости инструмента из разработанного сплава по сравнению с прототипом.

Эффективность разработанного сплава оценивали при точении жаропрочного сплава ХН77ТЮР в сравнении с соответствующими сплавами аналогичного назначения по ГОСТ 3882-74 (ИСО 513-75), включая прототип (табл. 7). Провели расширенные испытания: не только прототипа и разработанного сплава, но также сплава ВРК15, производимого промышленностью и ВК3-М, рекомендованного ГОСТ 3882-74.

Инструмент - резцы, со сменными пластинками 12,7x12,7x4,75 мм (SNUN 0363 по ISO 03111; ГОСТ 19042-80).

Критерий отказа инструмента - величина фаски износа задней поверхности (h₃). h₃=0,3 мм для чистовой обработки (В.И. Баранчиков, А.С.Тарапанов, Г.А. Харламов. Обработка специальных материалов в машиностроении. Справочник. М. Машиностроение. 2002. 264 с). Глубину резания (t, мм) и подачу (S мм/об) для чистовой обработки назначали по справочнику (Баранчиков В.И., Тарапанов А.С, Харламов Г.А. «Обработка специальных материалов в машиностроении». Справочник. М. Машиностроение. 2002. 264 с); скорость резания варьировали в пределах 20-40 м/мин.

Стойкость инструментов из сплавов с кобальт-рениевой связкой выше, чем из сплавов типа ВК3-М (ГОСТ 3882-74), последний практически не работоспособен при скорости резания 40 м/мин. Изобретение - сплав, состав которого разработан на базе обоснованных и заранее заданных свойств, показал лучшие результаты, стойкость в 1,4-1,7 раза выше, чем инструментов из известных сплавов с вольфрам-рениевой связкой.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле изобретения, обеспечивает получение заявленного технического результата - повышение стойкости инструмента при чистовой обработке труднообрабатываемых материалов за счет использования инструмента из твердого сплава с кобальт-рениевой связкой с твердостью не менее 91 HRA и пределом прочности при изгибе не менее 1176 МПа.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

• объект из области порошковой металлургии, а именно твердых сплавов на основе карбида вольфрама со связующим, легированным рением, при осуществлении заявленного технического решения предназначен для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов за счет получения твердости не менее 91 HRA и предела прочности при изгибе не менее 1176 МПа;

• для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

• объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, по мнению заявителя, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к твердым сплавам на основе карбида вольфрама со связующим, легированным рением, для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов. Может использоваться для обработки сплавов на основе тугоплавких металлов, жаропрочных, коррозионно-стойких сталей и сплавов. Твердый сплав для обработки резанием труднообрабатываемых материалов содержит карбид вольфрама и 6 мас. % связующего, содержащего 52-55 мас. % рения, остальное кобальт. Твердость сплава составляет не менее 91 HRA, предел прочности при изгибе не менее 1176 МПа. Предел прочности при изгибе и твердость количественно связаны с объемным содержанием связующего (V_св) и/или карбидной фазы (V_к) следующими соотношениями: σ_изг=53,0V_св [об. %]+936,3=53(100-V_к) [об. %]+936,3 [МПа], H=-0,419V_св [об. %]+93,67=-0,419(100-V_к) [об. %]+93,67 [HRA]. Обеспечивается повышение стойкости инструмента при чистовой обработке труднообрабатываемых материалов. 7 табл., 2 пр.

Твердый сплав на основе карбида вольфрама для чистовой обработки резанием труднообрабатываемых материалов, содержащий карбид вольфрама и связующее, содержащее 52-55 мас. % рения, остальное кобальт, отличающийся тем, что он содержит 6 мас. % связующего и имеет твердость (Н) не менее 91 HRA и предел прочности при изгибе (σ_изг) не менее 1176 МПа, при этом предел прочности при изгибе (σ_изг) и твердость (Н) твердого сплава количественно связаны с объемным содержанием связующего (V_св) и/или карбидной фазы (V_к), определяющими состав сплава, следующими соотношениями:

σ_изг=53,0V_св [об. %]+936,3=53(100-V_к) [об. %]+936,3 [МПа];

H=-0,419V_св [об. %]+93,67=-0,419(100-V_к) [об. %]+93,67 [HRA].