Смешанная оксидно-нитридо-карбидная режущая керамика и способ ее изготовления Российский патент 2024 года по МПК C22C1/10 B22F3/14 C22C29/00 C04B35/01 B23B27/14 

Изобретение относится к изготовлению сверхтвёрдых, высокопрочных, износостойких керамических пластин, для оснащения режущего инструмента для обработки труднообрабатываемых сталей марок 12Х18Н9Т и 14Х17Н2 и труднообрабатываемых сплавов и материалов, а также высокопрочных белых и серых чугунов СЧ18, СЧ20, и др., на металлообрабатывающих станках.

Известны (ГОСТЫ на режущую керамику ВОК-60 ГОСТ 25003-81; ВОК-63, В-3, ВОК-73 ГОСТ19043-80). Известна Монография (авторов: Пучкина В.Н., Корниенко В.Г., Кононенко Т.В. «Повышение технологических режимов на станках с ЧПУ при токарной обработке (методология). Монография Изд. ФГБОУ ВО «КубГТУ», г. Краснодар. 2014, с. 173) и Монография авторов В.Н. Пучкин, В.Г. Корниенко, Т.В. Кащеева, Р.Л. Пломодьяло, А.Д. Лебедь. Изд. ФГБОУ ВО «КубГТУ», г. Краснодар. 2023, с. 540), и Монография авторов В.Н. Пучкин, В.Г. Корниенко, Т.В. Кащеева, Р.Л. Пломодьяло, А.Д. Лебедь. «Исследование сверхтвёрдых пластин из режущей керамики нового состава для оснащения инструмента, применяемого на станках с ЧПУ» Изд. ФГБОУ ВО «КубГТУ», г. Краснодар. 2023, с. 540), в которой проведены исследования сверхтвёрдых пластин из РК, на повышения твёрдости и стойкости сверхтвёрдых пластин в 1,17 раза, а также износостойкости и жаропрочности, ударной вязкости, которые легли в основу настоящей заявки на изобретение, сверхтвёрдых пластин из РК нового предлагаемого состава.

Приводим пример изготовления стандартных пластин.

Выпускаемая отечественная оксидно-карбидная режущая керамика марок ВОК-60, ВОК-63, В-3, ВОК-73 (смешанная, «металлическая», «черная») керамика, состоящая из оксида А1₂0₃ (до 60 %), TiC (до 20-40 %), и других карбидов тугоплавких металлов с некоторыми легирующими добавками. Пластины из оксидно-карбидной керамики получают горячим прессованием в графитовых пресс-формах.

Изготовление стандартных пластин начинают с размола компонентов смеси и приготовления шихты. Затем выполняют смешивание компонентов, мокрый размол приготовленной шихты, сушку, дозирование и горячее прессование. Закончив прессование, разбирают пресс-форму, вынимают спрессованные заготовки и передают их на механическую обработку.

Качество и стабильность стандартных режущих пластин в значительной степени определяются следующими факторами: содержанием карбида титана и оксида алюминия в исходной шихте, временем размола смеси, температурой и временем выдержки при горячем прессовании, давлением прессования.

Твёрдость пластин в стадии поставки, HRA 92...94.

Стойкость стандартных пластин в стадии поставки при резании труднообрабатываемых и жаропрочных сталей марок 12Х18Н10Т, 14Х17Н2 и др. – 25-30 мин.

Механические свойства стандартных пластин в стадии поставки: напряжение изгиба σ_и = 600 МПа; плотность 4,2 г/см3; размер зерна 2-3 мкм; твёрдость HRA 92-94.

Известен способ получения керамической пластины для режущего инструмента (см. патент RU № 2699434 С1, МПК C22C 29/12, B22F 3/16, B23B 27/14, опубл. 05.09.2019); включающий прокаливание глинозема, содержащего α-А1₂О₃ и γ-А1₂О₃, его виброизмельчение, обогащение, сушку с получением оксида алюминия модификации α-Al₂O₃, его смешивание с оксидом кремния, карбидом титана, карбидом вольфрама, оксидом хрома, никелем, молибденом, ниобием и кобальтом, пластификацию и горячее прессование с получением отпрессованной пластины, спекание, отжиг с выдержкой в течение 5-10 минут в области температурного максимума и ее механическую обработку.

Известен способ получения керамической пластины для режущего инструмента (см. патент RU № 2679264, МПК B23B 27/14, B22F 3/15, C22C 29/12, опубл. 06.02.2019), включающий прокаливание глинозема, его виброизмельчение, обогащение, сушку с получением оксида алюминия модификации α-Аl₂O₃. Полученный оксид алюминия смешивают с легирующими компонентами при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид алюминия 58-60, карбид титана 30-32, оксид хрома 5-7, никель 2-3, молибден 1-2. Далее осуществляют пластификацию и горячее прессование с получением отпрессованной пластины, спекание и отжиг с выдержкой 5-10 мин в области температурного максимума полученной пластины и ее механическую обработку.

Известны пластины из оксидно-карбидной режущей керамики марок ВОК-60, ВОК-63, ВОК-73, ВО-3 и др., выпускаемых нашей отечественной промышленностью ВОК-60 ГОСТ 25003-81 [http://docs.cntd.ru/document/1200009570]; ВОК-71 ГОСТ19043-80 (В. П. Жедь, Г. В. Боровский, Я* А. Музыкант, Г. М. Ипполитов «Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами, и их применение: Справочник» Машиностроение, 1987 год, 320 с.).

Наиболее близким техническим решением является оксидно-карбидная режущая керамика ВОК-60 состоящая из оксида алюминия А1203 (до 60 %), TiC (до 40%), с некоторыми легирующими добавками МgO и ZrO2. Исходным материалом для производства оксидной и оксидно-карбидной керамики в РФ является технический глинозем представляющий собой смесь двух модификаций: – А1₂0₃ с плотностью 3,65 г/см³ и а – А1₂0₃ с плотностью 3,96 г/см³, размер зерна у которой составляет 2…3 мкм, (см. В. П. Жедь, Г. В. Боровский, Я. А. Музыкант, Г. М. Ипполитов «Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами, и их применение: Справочник» Машиностроение, 1987 год, с. 15 – 22).

Недостатком оксидно-карбидной режущей керамики на основе оксида алюминия является хрупкость, низкая износостойкость, корозионностойкость, температуростойкость, и низкая стойкость пластин особенно при обработке труднообрабатываемых сталей марки 12Х18Н9Т и 14Х17Н2, и материалов, (см. Монографию авторов Пучкин В.Н., Корниенко В.Г., Рыжкин А.А., Кащеева Т.В. Пломодьяло Р.Л., Литвинов А.Е., А.Д. Лебедь Исследование работоспособности инструментальных пластин из режущей керамики в технологии автоматизированного производства (методология). Монография Изд. ФГБОУ ВО «КубГТУ», г. Краснодар. 2021. – 281 с).

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления режущей керамики, где пластины из оксидно-карбидной смешанной керамики получают горячим прессованием в графитовых пресс-формах. Пластины применяют для обработки ковких, отбеленных чугунов, термоулучшенных, цементуемых и закаленных на твердость HRC 30...65 сталей (см. табл. 1.4 авторов В. П. Жедь, Г. В. Боровский, Я* А. Музыкант, Г. М. Ипполитов «Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами, и их применение: Справочник» Машиностроение, 1987 год, с. 15 – 22).).

Основными недостатками способа являются:

1. Данный процесс более трудоемок, чем процесс получения оксидной керамики.

2. Пластины применяют для обработки ковких, отбеленных чугунов, термоулучшенных, цементуемых и закаленных на твердость HRC 30…60 сталей

3. Твёрдость стандартных пластин, получаемых данным способом – 94 HRA.

4 Стойкость РК ВОК-60 Т = 25...30 мин, при обработке труднообрабатываемых сталей марки 12Х18Н9Т, и 14Х17Н2.

5. Напряжение у РК ВОК-60 600 МПа.

Техническим результатом предлагаемого решения является:

– повышение межкристаллитной коррозионностойкости, температурной износостойкости, твёрдости, стойкости, пластичности, ударной вязкости и работоспособности пластин из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики ОК60КТZВРК40;

– повышение предела текучести во время горячего прессования и спекания сверхтвёрдых пластин из РК;

− увеличения прочности и твердости пластин.

Сущность изобретения заключается в том, что смешанная оксидно-нитридо-карбидная режущая керамика содержит, оксид кремния, нитрид кремния, карбид кобальта, карбид титана, карбид циркония, карбид вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас. %:

оксид кремния SiO₂ 27 – 30;

нитрид кремния Si₃N₄ 27 – 30;

карбид кобальта Со₂С 9 – 10;

карбид титана TiC 9 – 10;

карбид циркония ZrC 9 – 10;

карбид вольфрама WC 9 - 10.

Способ изготовления режущей пластины из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики характеризующийся тем, что смесь оксида кремния, нитрида-кремния, прокаливают при температуре 1900 − 1950 °С, подвергают тонкому виброизмельчению на виброустановке в течение 3,8-5,2 ч до получения зерен размером 0,6-1,0 мкм (до 90-95 %) и сушат. После сушки к основному составу вводят карбид кобальта, карбид титана, карбид циркония, карбид вольфрама, и осуществляют смешивание до их равномерного распределения по объему и образования водной суспензии. В полученную водную суспензию вводят раскисляющие добавки катализаторов в виде оксида магния МgO, оксида кальция СаО, оксида натрия Nа₂O, и подвергают распылительной сушке с получением смеси, после чего полученную смесь прессуют с формированием режущей пластины, подвергают спеканию при температуре 4000-4050 °С в высокотемпературной печи фирмы ERSTEVAK модели VSMA−6611, которая предназначена для спекания металлов и сплавов, развивающая температуру до 4500°С, и кратковременному отжигу с выдержкой 10,0-15,0 минут при температуре = 1900-1950°С и подвергают спечённые пластины механической обработке (шлифованием и полированием граней пластин) с получением шероховатости граней, равной R_a = 0,04-0,06 мкм.

Применяемые катализаторы в процессе спекания пластин и их присутствие при этом способствует спеканию сплава данной пластины, так как карбиды кобальта, титана, циркония и вольфрама тугоплавкие и при подвергаются спеканию при высокой температуре Т = 4000...4050 °С. Для справки карбид титана ТiС имеет температуру плавления Т = 3140°С, карбид кобальта Со₂С имеет температуру плавления Т = 1260°С, карбид циркония имеет температуру плавления Т = 3500°С, карбид вольфрама WC, имеет температуру плавления 2600°С. Поэтому и выбрана рациональная температура спекания Т = 4000°С, а также подобрана высокотемпературная печь фирмы ERSTEVAK модели VSMA-6611, а также для измельчения зернистости структуры сплава пластин и уменьшения зерна сплава для повышения механических свойств пластин, спекание производится с присутствием катализаторов оксида кальция, оксида натрия, оксида магния.

Характеристики химических компонентов :

Оксид кремния SiO₂ ≥ до 30%, – молекулярная масса М = 60,08; Б/ц, плотность ρ = 2,651 Г/см²; температура плавления tпл =1610°С; температура фазового перемещения α→β, 573°С, стандартная молярная теплоёмкость = 44,43 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная; молярная энтропия S° = 41,84 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная молярная энтальпия образования – 910,9 кДж⋅моль^-1, стандартная молярная энергия Гиббса образования = − 856, 7 кДж⋅моль^-1, молярная энтальпия плавления = 8,54 кДж⋅моль^-1 не растворяется в Н₂О (в воде), реагирует c HF.

Нитрид кремния Si₃N₄≥ 30%;– молекулярная масса М = 140,28; Б/ц, гекс плотность ρ = 3,44 Г/см²; температура плавления tпл =1900°С возг; температура фазового перемещния α→β, 573°С, стандартная молярная теплоёмкость = 44,43 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная; молярная энтропия S° = 95,4 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная молярная энтальпия образования – 750,3 кДж⋅моль^-1, стандартная молярная энергия Гиббса образования = –647,7 кДж⋅моль^-1, не растворяется в Н₂О (в воде), расплавляется в щёлочи.

Карбид титана TiC ≥ 20%– молекулярная масса М = 59,91; цвет серый, плотность ρ = 4,92 Г/см²; температура плавления tпл ≈ 3140°С; температура кипения tкип ≈ 4300°С, стандартная молярная теплоёмкость =34,30 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная молярная энтропия S° = 30,3 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная молярная энтальпия образования = – 209 кДж⋅моль^-1, стандартная молярная энергия Гиббса образования = – 294,4 кДж⋅моль^-1, не растворяется в Н₂О (в воде) и в кислотах HCl. H₂SO₄, реагирует с HNO₃ + HF, расплавляется щёлочью.

Карбид вольфрама WC ≥ 10%– молекулярная масса М = 195,86; цвет серо-синий, плотность ρ = 15,7 Г/см²; температура плавления tпл = 2600°С; стандартная молярная теплоёмкость = 35,10 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная молярная энтропия S° = 35 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная молярная энтальпия образования – 41 кДж⋅моль^-1, стандартная молярная энергия Гиббса образования = – 39,5 кДж⋅моль^-1, не растворяется в Н2О (в воде).

Оксид натрия Nа₂O ≥ 3%;– молекулярная масса М = 61,98; Б/ц, плотность ρ = 2,27 Г/см²; стандартная молярная теплоёмкость = –377 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная; молярная энтропия S° = 75,3 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная молярная энтальпия образования – 415 кДж⋅моль^-1, стандартная молярная энергия Гиббса образования = –377 кДж⋅моль^-1, реаг.с водой H₂O.

Карбид кобальта Со₂С ≥ 10%– молекулярная масса М = 119,6; плотность ρ = 4,7 Г/см²; температура плавления tпл = 1492°С; стандартная молярная теплоёмкость = 0 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная молярная энтропия S° = 35 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная молярная энтальпия образования – 15,5 кДж⋅моль^-1, стандартная молярная энергия Гиббса образования = – 15,5 кДж⋅моль^-1, не растворяется в Н₂О (в воде).

Оксид магния МgO ≥ 3%;– молекулярная масса М = 40,3; Б/ц, плотность ρ = 3,58 Г/см²; температура плавления tпл =2825°С; температура кипения tкип =3600°С; стандартная молярная теплоёмкость = 37,2 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная; молярная энтропия S° = 27,1 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная молярная энтальпия образования – 601,5 кДж⋅моль^-1, стандартная молярная энергия Гиббса образования = –567 кДж⋅моль^-1, реаг. в солях NH₄, реаг. с кислотами.

Оксида кальция СаО ≥ 1%;– молекулярная масса М = 56,08; Б/ц, плотность ρ = 3,4 Г/см²; температура плавления tпл =2600°С; температура кипения tкип =2850°С; стандартная молярная теплоёмкость = 42 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная; молярная энтропия S° = 38,1 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная молярная энтальпия образования – 635 кДж⋅моль^-1, стандартная молярная энергия Гиббса образования = –604,2 кДж⋅моль^-1, реаг. с кислотами.

Карбид циркония ZrC ≥ 10%– молекулярная масса М = 103,23; цвет тёмно-серый блестящий, плотность ρ = 6,7 Г/см²; температура плавления tпл = 3500°С; стандартная молярная теплоёмкость = 37,90 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная молярная энтропия S° = 33,3 Дж⋅моль^-1⋅K^-1, стандартная молярная энтальпия образования – 206,7 кДж⋅моль^-1, стандартная молярная энергия Гиббса образования = – 197,4 кДж⋅моль^-1, не растворяется в Н₂О (в воде), реагирует с кислотой, расплавляется в щёлочи.

Рассмотрим пример изготовления пластин.

Технологический процесс изготовления предлагаемого состава пластин из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики марки ОК60КТZВРК40.

Изготовление пластин из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики марки ОК60КТZВРК40, для оснащения режущего инструмента осуществляется следующим образом:

Сырье для изготовления пластин из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики марки ОК60КТZВРК40 подвергается испытаниям по следующей технологии, по которой определяется:

– химическая чистота (загрязнение глинозема соединениями Na₂О, СаО недопустимо);

– влажность;

– площадь поверхности зерен, которая характеризует активность материала при спекании и позволяет оценивать предполагаемую зернистость, которая способствует к формированию ОЦК – объёмно-центрированной кристаллической решётки пластин, что способствует уменьшению зерен состава пластины из РК; при этом размер зерна пластин составляет 0,6-1,0 мкм;

– прессуемость (определяется условиями переработки основого состава пластин из РК, оксида кремния SiO₂30%, нитрида кремния Si₃N₄30% и карбидов (химических соединений) вводимых в основной данный состав – Со₂С 10%; ТiC 10%; ZrC 10%, WС 10%);

Структура основного состава SiO₂ + Si₃N₄ = 57-60%.

Структура химических карбидных соединений в сплаве ОК60КТZВРК40 следующие:

Со₂С + ТiC + ZrC + WС = 38-40%

Итого: 100%.

– контроль плотности спекания пластин (плотность пластин, при этом должна составлять составила 6,35 г/см³);

− контроль зернистости пластин, которая должна составлять, 0,6...1,0 мкм.

Отбор сырья для способа получения пластин из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40 производится по следующим критериям по химической чистоте глинозема состоящего из оксида кремния SiO₂, нитрида кремния Si₃N₄, так как могут попасть из глинозема недопустимые оксиды Na₂О, СаО. Кроме того, отбор глинозема Na₂О, СаО производится по влажности, которая также недопустима, так как она влияет на спекаемость пластин. Важен фактор измельчения глинозема, нитрида кремния Si₃N₄ и оксида кремния SiO₂, до 0,6-1,0 мкм. Поверхности размера зерен химических соединений должна составлять 0,6…1,0 мкм, с целью получения мелкозернистой структуры кристаллической решетки прессуемых пластин из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового состава, что также является одним из важных критериев, (т.е. зернистость РК). Зернистость влияет также на плотность пластин и является одним из важных показателей. Чем выше плотность, тем меньше зерно и лучше и прочнее структура кристаллической решетки пластины, которая влияет на основные механические свойства пластин из режущей керамики при их эксплуатации (особенно при резании труднообрабатываемой сталей марки 12Х18Н9Т и 14Х17Н2,).

Далее осуществляют приготовление шихты.

При помощи дозатора и аналитических весов добавляем в основной состав, который состоит нитрида-кремния Si₃N₄, оксида кремния SiO₂, в процентном содержании небольшие количества химических соединений карбида кобальта Со₂С, карбид титана ТiC, карбид циркония, карбид вольфрама WС, которые способствуют образованию упрочняющих фаз, повышают твёрдость, работоспособность и износостойкость пластин при обработке труднообрабатываемых материалов и сталей марок 12Х18Н9Т, 14Х17Н2, и устойчивость против отпуска, повышают стойкость пластин при механической обработки труднообрабатываемых материалов и сталей марок 12Х18Н9Т, 14Х17Н2, температуростойкость и коррозионную стойкость, ударную вязкость, пластичность пластин, а также облегчающих спекание пластин и тормозит росту зерен в пластинах. При тщательном смешивании данной «массы» в смесителе эти добавки равномерно распределяются по всему объему; получается водная суспензия, которую после введения раскисляющих добавок катализаторов оксида магния МgO, оксида кальция СаО, оксида натрия Nа₂O, для улучшения спекаемости сплава при прессовании подвергают распылительной сушке.

У полученной массы контролируется: химическая чистота; обрабатываемость; плотность; средний диаметр зерен, который должен соответствовать среднему арифметическому значению 0,8мкм, не превышающему 1,0 мкм.

После контроля при положительных результатах можно приступать к прессованию режущих пластин и последующему горячему спеканию.

Основной состав, который состоит из нитрида-кремния Si₃N₄ ≥ 30%, оксида кремния SiO₂ ≥30%, прокаливается до 1900 − 1950 °С и подвергается тонкому виброизмельчению на виброустановке в течение 3,8-5,2 ч до получения зерен размером 0,6-1,0 мкм (до 90-95 % в основной массе) при максимальном среднем размере частиц 0,8 мкм (за данное время происходит измельчение частиц массы не превышающему размера 1,0 мкм).

Полученная масса обогащается и сушится.

Если выйти за пределы указанных рациональных температур 1900 − 1950 °С, будет происходить изменение кристаллической структуры пластин произойдёт рост зерен в сплаве, что приведёт при испытаниях их, к сколу пластин, к трещинам и к хрупкости пластин и затуплению их, при резании труднообрабатываемых материалов и сталей марок 12Х18Н9Т, 14Х17Н2, а также налипание расплавленного металла на обрабатываемую деталь, что ухудшает качество и точность обрабатываемой детали. При этом понижается стойкость режущего инструмента, оснащённого пластинами из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40.

Затем производится пластификация и горячее прессование пластин, из полученной смеси.

Спекаются отпрессованные пластины из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40, при температуре 4000-4050 °С и кратковременном режиме отжига с выдержкой от 10,0-15,0 мин при температуре = 1900-1950°С .

Вследствие того, что указанные температуры плавления и кипения высокие химических соединений (карбидов) в растворе, применены рациональные температурные режимы при прессовании и спекании сверхтвёрдых пластин – это температура спекания сверхтвёрдых пластин РК равная 4000-4050 °С и кратковременном режиме отжига их с выдержкой от 10,0-15,0 мин при температуре = 1900-1950°С .

Далее производится контроль плотности спекания пластин и контроль зернистости пластин.

В заключение производится механическая обработка пластин (шлифованием и полированием граней пластин) с получением шероховатости граней Ra = 0,04-0,06 мкм.

В результате разработки и изготовления пластин повышенной прочности из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40, для оснащения режущего инструмента достигается следующий результат:

– повышена межкристаллитная коррозионная стойкость, температурная износостойкость, твёрдость, стойкость, пластичность, ударная вязкость, а во время испытания пластин повышено качество и точность обработки труднообрабатываемых материалов и сталей марок 12Х18Н9Т, 14Х17Н2, и работоспособность пластин из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики марки ОК60КТZВРК40 в сумме 3,3 раза;

– повышается предел текучести в 1,5 раза и увеличивает прочность и твердость пластин в 1,4 раза, по сравнению со стандартными пластинами из РК марок ВОК-60 ГОСТ 25003-81; ВОК-63, В-3, ВОК-73 ГОСТ19043-80);

– повышены физико-химические свойства смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40 по сравнению с оксидно-карбидной РК марки ВОК-60, выпускаемой нашей отечественной промышленностью, в 1,053 раза;

– увеличена стойкость смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40, при резании труднообрабатываемых сталей марок 12Х18Н10Т, 40Х13, 14Х17Н2 и сплавов, а также высокопрочных и серых чугунов СЧ18, СЧ20, и др, до 180-210 мин по сравнению с оксидно-карбидной РК марки ВОК-60, выпускаемой нашей отечественной промышленностью, которая составляет не более 25-30 мин, в зависимости от режимов резания, в 7,0 раз, с;

– установлены температурные режимы резания при обработке труднообрабатываемых материалов и сталей 12Х18Н10Т, 40Х13, 14Х17Н2 и сплавов, а также высокопрочных и серых чугунов СЧ18, СЧ20, др., и термодинамические закономерности режимов этого процесса; расширен интервал температур резания в зоне резания при обработки труднообрабатываемых сталей «заготовка-инструмент» до 700°С, при которой сохраняется режущие свойства инструмента, оснащённого пластинами из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40, при этом не ухудшается качество и точность обрабатываемой детали и не происходит затупление режущего инструмента при резании; а также установлены рациональные режимы резания при обработки труднообрабатываемых материалов и сталей 12Х18Н10Т, 40Х13, 14Х17Н2 и сплавов рациональные режимы резания равны V= 97-104 м/мин; S = 0,07-0,097 мм/об; t = 0,1-0,3 мм., при которых износостойкость РИ, оснащённого пластинами из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40, при обработки труднообрабатываемых, сталей с использованием новой СОТС с присадками по патенту КубГТУ № 2101333 со массовым составом: муравьиная кислота 12-13%; малеиновая кислота 8-9%; фумаровая кислота 7-8%; янтарная кислота 8-9%; фураноны 35-36%, остальное - вода, будет максимальны и предназначены для чистовой обработки на станках с ЧПУ.

Для экспериментальной проверки заявляемых пластин из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40 были изготовлены стандартные образцы пластин габаритом 10×10×4,5 мм, для оснащения резцов и испытаны на токарно-винторезном станке с ЧПУ мод. 16К20-Ф3.

Затем была произведена обработка валов из труднообрабатываемой стали марки 12Х18Н10Т Ø50 на длину 100мм резцами, оснащёнными пластинами из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40 и резцами, оснащёнными пластинами из оксидно-карбидной режущей керамики марки ВОК-60 на основе оксида алюминия (стандартных пластин ВОК-60).

При этом стойкость резцов, оснащённых пластинами из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40, составляет до 180-210 мин, стойкость пластин получилась самая высокая 180-210 здесь все верно, это 5 вариант в таблице, если этот вариант должен быть в другом месте таблицы, то можно поменять местами, а резцов, оснащённых пластинами из оксидно-карбидной режущей керамики марки ВОК-60 на основе оксида алюминия, составляла 35-40 мин. Таким образом стойкость резцов, оснащённых пластинами из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40, была приблизительно 4,2 раза выше резцов, оснащённых стандартными пластинами из оксидно-карбидной режущей керамики марки ВОК-60 на основе оксида алюминия.

Данная разработка и изготовления пластин из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40 SiO₂ ≥ 30%, Si₃N₄ ≥ 30%, Со₂С ≥ 10%, ТiC ≥ 10; ZrC ≥ 10; WС ≥ 10%; для оснащения режущих инструментов внедрена на ООО «МАПП» (Общество с ограниченной ответственностью Механизация, автоматизация производственных процессов), при обработке валов из труднообрабатываемой сталей 12Х18Н10Т и 14Х17Н2. Применение пластин из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики, при обработке валов повысило качество и точность обрабатываемых деталей, что удовлетворяет техническим и потребительским свойствам изделий. Повысилась производительность механической обработки валов, что дало экономию на предприятии ООО «МАПП» около 240 тыс. рублей. по сравнению с применением твёрдосплавного вольфрамосодержащего РИ марок Р6М5, Р9, Р18. Также внедрены пластины из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40, для оснащения РИ, при обработки валов и шестерён из труднообрабатываемых сталей 12Х18Н10Т, 14Х17Н2 и серого чугуна СЧ18 на Армавирском электромеханическом заводе» ОАО «ЭЛТЕЗА», экономический эффект составил − 250 тыс. руб.

За счёт спекания отпрессованных сверхтвёрдых пластин из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОК60КТZВРК40, при рациональной температуре 4000-4050 °С, так как карбид циркония имеет температуру плавления Т = 3500°С, поэтому и выбрана рациональная температура спекания, а также лучшей спекаемости измельчённой фракции шихты и уменьшения зернистости структуры сплава пластин, и уменьшения размера зерна сплава до 0,6-1,0 мкм по сравнению с стандартными пластинами из РК марки ВОК-60, изготовленных по ГОСТ 25003-81., в которых размер зерна составляет 2-3 мкм, и для повышения механических свойств сверхтвёрдых пластин, и для хорошей спекаемости сверхтвёрдых пластин. А также для повышения механических свойств пластин, применяется кратковременный отжига с выдержкой от 10,0-15,0 мин при температуре = 1900-1950°С. При спекании сверхтвёрдых пластин применяем высокотемпературную печь фирмы ERSTEVAK модели VSMA−6611, которая предназначена для спекания металлов и сплавов, развивающая температуру до 45000°С.

После прессования и спекания пластин нового состава достигнута твёрдость пластин – 99,6 HRA, что в 1,053 по сравнению с стандартными пластинами из РК марки ВОК-60, изготовленных по ГОСТ 25003-81. Получаемые предложенным методом сверхтвёрдые пластины с применением рациональных температур при спекании и тонкому виброизмельчению на виброустановке в течение 3,8-5,2 ч до получения зерен размером 0,6-1,0 мкм; в результате этого повышается стойкость сверхтвёрдых пластин до 210 мин.

В результате прессования и спекания сверхтвёрдых пластин повышены механические свойства пластин и РК:

- плотность спекания пластин составила 6,35 г/см³ достигнута за счёт подготовки шихты и подвергнутой её тонкому виброизмельчению на виброустановке в течение 3,8-5,2 ч до получения зерен размером 0,6-1,0 мкм, то есть мелкозернистой структуры пластин, что повышает твёрдость, износостойкость и корозионностойкость пластин, которая также способствует к формированию ОЦК – объёмно-центрированной кристаллической решётки пластин, что способствует уменьшению размера зерен состава сверхтвёрдых пластин из РК нового состава, при этом размер зерна пластин составляет 0,6...1,0 мкм, которое уменьшает размер зерна фракции сверхтвёрдых пластин нового состава, что повышает механические свойства пластин их работоспособность, износостойкость, твёрдость, стойкость, ударную вязкость.

Напряжение сверхтвёрдых пластин из РК после прессования и спекания составило −990 МПа, а напряжение напряжение сжатия 5500 МПа. Даже незначительное повышения механических свойств нового состава сверхтвёрдых пластин из РК после прессования и спекания, ведёт к повышению стойкости сверхтвёрдых пластин из РК на 30 мин, а это в масштабах производства при обработки труднообрабатываемой сталей марки 12Х18Н9Т и 14Х17Н2, − значительно. Для справки стандартные пластины марок ВОК-60, ВОК-63, ВО-3 и другие имеют стойкость при резании труднообрабатываемой сталей марки 12Х18Н9Т и 14Х17Н2, не превышают 25-30 мин (согласно исследованиям, см. Пучкин В.Н. Повышение работоспособности токарных резцов, оснащённых режущей керамикой, при точении труднообрабатываемых сталей: Автореф. дис…канд. техн. наук. Ростов-на-Дону, 2009. - 20 с. (ДГТУ). Также см. Монография авторов Пучкин В.Н., Корниенко В.Г., Литвинов А.Е. Схиртладзе А.Г. Физико-химическое исследование режущей керамики при механической обработке труднообрабатываемых сталей на станках с ЧПУ (методология). Монография Изд. ФГБОУ ВО «КубГТУ», г. Краснодар. 2016.).

Механическая обработка сверхтвёрдых пластин после прессования и спекания (шлифованием и полированием граней пластин) с получением шероховатости граней Ra = 0,04-0,06 мкм, повышает качество и точность обработки труднообрабатываемой сталей марки 12Х18Н9Т и 14Х17Н2, на 1,33 раза.

Твёрдость сверхтвёрдых пластин из РК нового состава после прессования и спекания, составляет около HRA 99,6 увеличена в 1,06 по сравнению с стандартными пластинами марок ВОК-60, ВОК-63, В-3, ВОК-73 по ГОСТ 25003-81, которая составляет HRA 92-94.

Составы сырья для изготовления пластин и физико-механические показатели изделий представлены в таблице.

Таблица

Составы сырья для изготовления пластин из РК и их химико-механические свойства

№ Состава
РК оксид кремния оксид алюминия Нитрид кремния Карбид циркония Карбид титана Карбид вольфрама Карбид кобальта Твёрдость, HRA Стойкость, мин Напряжение изгиба
МПа Напряжение сжатия Плотность
г/см³ Размер зерна мкм 1 26 31 12 12 11 11 96 60-90 600 4900 5,5 2 2 27 30 11 10 9 9 97 100-120 800 5000 6,2 1,5 3 28 28 11 10 10 10 98,8 170-180 950 5100 7,75 0,9 4 30 27 9 9 9 9 98,5 170-200 980 5000 7.65 1.2 5 30 30 10 10 10 10 99 180-210 990 5500 6,35 0,6−1,0 Наиболее
близкий аналог
ВОК-60* 60 - - 40 - - 94 25 –30 600 4800 4,2 2...3

*- оксидно-карбидная режущая керамика ВОК-60(см. В. П. Жедь, Г. В. Боровский, Я. А. Музыкант, Г. М. Ипполитов «Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами, и их применение: Справочник» Машиностроение, 1987 год, 320 с.) стр. 15-22.

Оксид магния, оксид кальция и оксид натрия не входят в состав, а служат для улучшения спекаемости сплава при прессовании и измельчению зерна сплава кристаллической его решётки они учувствуют лишь в процессе ее изготовления, проще говоря, они сгорают при высокой температуре и отделяются в виде шлака. Раскисляющие катализаторы необходимы для улучшения процесса спекания уже присутствующих в составе компонентов. Конечное изделие не содержит выше приведенных оксидов.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению режущей пластины из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики. Может использоваться для оснащения режущего инструмента для обработки труднообрабатываемых сталей марок 12Х18Н9Т и 14Х17Н2 и труднообрабатываемых сплавов и материалов, а также высокопрочных белых и серых чугунов на металлообрабатывающих станках. Смешанная оксидно-нитридо-карбидная режущая керамика содержит, мас. %: оксид кремния SiO₂ 30, нитрид кремния Si₃N₄ 30, карбид кобальта Со₂С 10, карбид титана TiC 10, карбид циркония ZrС 10, карбид вольфрама WC 10. Смесь оксида кремния и нитрида кремния прокаливают при температуре 1900-1950°С и подвергают тонкому виброизмельчению в течение 3,8-5,2 ч. Затем основной состав смешивают с карбидом кобальта, карбидом титана, карбидом вольфрама и карбидом циркония до равномерного распределения по объему, вводят раскисляющие добавки катализаторов и подвергают распылительной сушке. Полученную смесь прессуют с формированием режущей пластины, затем спекают при температуре 4000-4050°С и подвергают кратковременному отжигу с выдержкой 10,0-15,0 мин при температуре 1900-1950°С. Механическую обработку спеченных пластин проводят с получением шероховатости граней Ra = 0,04-0,06 мкм. Обеспечивается повышение межкристаллитной коррозионностойкости, температурной износостойкости, твердости, стойкости, пластичности, ударной вязкости и работоспособности, увеличение прочности и твердости. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

1. Смешанная оксидно-нитридо-карбидная режущая керамика, содержащая карбид титана, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит оксид кремния, нитрид кремния, карбид кобальта, карбид вольфрама и карбид циркония, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

оксид кремния SiO₂ 30 нитрид кремния Si₃N₄ 30 карбид кобальта Со₂С 10 карбид титана TiC 10 карбид циркония ZrС 10 карбид вольфрама WC 10

2. Способ изготовления режущей пластины из смешанной оксидно-нитридо-карбидной режущей керамики по п. 1, характеризующийся тем, что основной состав в виде смеси оксида кремния и нитрида кремния прокаливают при температуре 1900-1950°С, подвергают тонкому виброизмельчению на виброустановке в течение 3,8-5,2 ч до получения зерен размером 0,6-1,0 мкм в количестве 90-95 % и сушат, после сушки к основному составу вводят карбид кобальта, карбид титана, карбид вольфрама и карбид циркония и осуществляют смешивание до их равномерного распределения по объему и образования водной суспензии, в полученную водную суспензию вводят раскисляющие добавки катализаторов в виде оксида магния МgO, оксида кальция СаО, оксида натрия Nа₂O, и подвергают распылительной сушке с получением смеси, после чего полученную смесь прессуют с формированием режущей пластины, затем спекают при температуре 4000-4050°С и подвергают кратковременному отжигу с выдержкой 10,0-15,0 мин при температуре = 1900-1950°С, после чего осуществляют механическую обработку спеченных пластин путем шлифования и полирования граней пластин с получением шероховатости граней, равной Ra = 0,04-0,06 мкм.