Твердый сплав для получистовой 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 получистовой 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 получистовой обработки труднообрабатываемых материалов. Их назначение и свойства приведены в табл. 1 и 2.

При получистовой обработке причиной отказа инструмента может быть повышенный износ (характерно для чистовой обработки) или сколы режущей кромки (характерно для черновой обработки). Для твердого сплава необходимо сочетание сопротивления изнашиванию и сколам режущей кромки, т.е. необходимо задать граничные значения и прочности, и твердости. Анализ данных табл. 2 позволяет сформулировать требования к свойствам твердого сплава для получистовой обработки. Наименьшее значение предела прочности сплавов (σ_изг) ^- 1274 МПа (см. табл. 2). Такое значение предела прочности следует признать обеспечивающим предотвращение сколов режущей кромки, которое возможно при меньшей прочности сплава. Твердость сплава (Н) должна быть не менее 89 HRA (см. табл. 2), при меньшей твердости вероятен повышенный износ инструмента. Таким образом, для сплавов, предназначенных для получистовой обработки труднообрабатываемых материалов, должны соблюдаться условия: σ_изг≥1274 МПа, H≥89HRA.

Стойкость инструментов из твердых сплавов, рекомендуемых ГОСТ 3882-74, при обработке труднообрабатываемых материалов низкая. Это связано с 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 6% Со не превышает 650 HV, с 8% Со менее 600 HV (М.Г. Лозинский. Строение и свойства металлов и сплавов при высоких температурах. - М.: Металлургиздат, 1963. - 536 с.), тогда как сплава ВРК15 (85% WC+6%Co+9%Re), выпускаемого промышленностью, ~900HV, несмотря на меньшее количество твердой и теплостойкой карбидной фазы WC в сплаве ВРК15 (85% WC, а в сплавах ВК6 и ВК8 94 и 92% WC, соответственно). 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 хрома. 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 получистовыми 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 А1, 26.04.2012). Такой 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 получистовыми 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 получистовыми 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 получистовыми 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 получистовой обработки труднообрабатываемых материалов.

В основу заявленного изобретения положен технический результат - повышение стойкости инструмента при получистовой обработке труднообрабатываемых материалов за счет использования инструмента из твердого сплава с кобальт-рениевой связкой с пределом прочности при изгибе не менее 1274 МПа и твердостью не менее 89 HRA.

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 получистовой обработки предел прочности при изгибе (σ_изг) и твердость (Н) 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[% объемн]+936,3=53(100-V_к) [% объемн]+936,3 [МПа];

H=-0,419V_св[% объемн]+93,67=-0,419(100-V_к) [% объемн]+93,67 [HRA], при этом для обеспечения предела прочности при изгибе не менее 1274МПа и твердости не менее 89 HRA сплав содержит 8,5% 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_св) 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 получистовой обработки предел прочности при изгибе (σ_изг) и твердость (Н) сплава количественно связаны с объемным содержанием связующего (V_св) и/или карбидной фазы (V_к), определяющими состав сплава, следующими соотношениями:

а для обеспечения предела прочности при изгибе не менее 1270 МПа и твердости не менее 89 HRA сплав содержит 8,5% 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, приведенных 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_св) 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_св и V_к определяются решением следующей системы уравнений:

Следовательно:

Решение обратной задачи, а именно по известным (вычисленным) значениям V_св 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 пользоваться и V_св, и V_к, для расчетов использовали V_св.

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_свp (формула 1 или 2).

- по вычисленному содержанию V_свр 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_{св. 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 получистовой обработки требуется, чтобы: σ_изг≥1270 МПа, H≥89 HRA (исходя из рекомендаций ГОСТ 3882-74). Соблюдение условия σ_изг≥1270 МПа необходимо для предотвращения сколов режущей кромки инструмента, при этом сплав должен обладать максимальной твердостью для обеспечения высокой износостойкости инструмента. В соответствии с ГОСТ 3882-74 максимальная твердость сплавов для получистовой обработки 90 HRA (см. табл. 2). Это значение принято для сплава, предназначенного для получистовой обработки труднообрабатываемых материалов.

Пример 1.

Разработка сплава WC+(Re+Co) с содержанием Re в связке 52-55% масс и твердостью 90 HRA.

1. Для твердости 90 HRA объемное содержание связки расчетное: V_свр=8,76% объемн. (ф-ла 2).

2. Массовое содержание связки (из расчета содержания рения в связке 52%): b_р=8,5 (формула 6)

3. Принимаем b=8,5% масс; 4,5% Re, 4,0% Со; ρ_св=15,31 г/см³). Состав сплава: 91,5% WC, 4,5% Re, 4,0% Со (содержание Re в связке 52,9% масс, т.е. в пределах 52-55% масс);

4. V_{cв факт}=8,7% объемн (формула 4)

5. Расчетные значения:

- твердость сплава 90,02 HRA (формула 2);

- предел прочности 1397,4 МПа (формула 1).

Фактические значения твердости и прочности экспериментального сплава и погрешности относительно заданного значения твердости (90 HRA) и рассчитанного предела прочности (1397,4 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 90 HRA - максимальной по ГОСТ 3882-74, и прочностью 1400 МПа выше минимальной, рекомендуемой ГОСТ 3882-74 (см. табл. 2). Сравнительные свойства разработанного сплава и показанного в прототипе приведены в табл. 6.

Более высокая твердость определила повышение стойкости инструмента из разработанного сплава по сравнению с прототипом, твердость которого меньше, регламентируемой ГОСТ 3882-74.

Эффективность разработанного сплава оценивали при точении жаропрочного сплава ХН77ТЮР. Провели расширенные испытания: не только прототипа и разработанного сплава, но также сплавов ВК6-ОМ и ВК10-ХОМ с кобальтовой связкой, предназначенных для получистовой обработки по ГОСТ 3882-74, и сплава ВРК15 с кобальт-рениевой связкой, производимого промышленностью.

Инструмент - резцы, со сменными пластинками 12,7×12,7×4,75 мм (SNUN 0363 по ISO 03111; ГОСТ 19042-80).

Критерий отказа инструмента - величина фаски износа задней поверхности (h₃). h₃=0,5 мм для получистовой 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 получистовой 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 с кобальтовой связкой, в том числе мелкозернистых (ГОСТ 3882-74) ВК6-ОМ и ВК10-ХОМ. Эти сплавы практически не работоспособны при скорости резания 40 м/мин. Изобретение - сплав, состав которого разработан на базе обоснованных и заранее заданных свойств, показал лучшие результаты, стойкость в 1,3-1,8 раза выше, чем инструментов из известных сплавов с вольфрам-рениевой связкой, включая прототип.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле изобретения, обеспечивает получение заявленного технического результата - повышение стойкости инструмента при получистовой обработке труднообрабатываемых материалов за счет использования инструмента из твердого сплава с кобальт-рениевой связкой с твердостью не менее 89 HRA и пределом прочности при изгибе не менее 1274 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 получистовой обработки труднообрабатываемых материалов за счет получения твердости не менее 89 HRA и предела прочности при изгибе не менее 1274 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 получистовой обработки труднообрабатываемых материалов. Может использоваться для обработки сплавов на основе тугоплавких металлов, жаропрочных, коррозионно-стойких сталей и сплавов. Твердый сплав на основе карбида вольфрама для получистовой обработки резанием труднообрабатываемых материалов, содержащий карбид вольфрама и 8,5 мас.% связующего, содержащего 52-55 мас.% рения, остальное кобальт. Твердость (Н) сплава составляет не менее 89 HRA, предел прочности при изгибе (σ_изг) не менее 1274 МПа. Предел прочности при изгибе и твердость 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 получистовой обработке труднообрабатываемых материалов. 7 табл., 2 пр.

Твердый сплав на основе карбида вольфрама для получистовой обработки резанием труднообрабатываемых материалов, содержащий карбид вольфрама и связующее, содержащее 52-55 мас.% рения, остальное кобальт, отличающийся тем, что он содержит 8,5 мас.% связующего и имеет твердость (Н) не менее 89 HRA и предел прочности при изгибе (σ_изг) не менее 1274 МПа, при этом предел прочности при изгибе (σ_изг) и твердость (Н) сплава 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].