СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Советский патент 1994 года по МПК B22F7/00 B22F3/14 B24D3/10 

Изобретение относится к области получения сверхтвердых материалов и может быть использовано при изготовлении деталей аппаратов высокого давления, а также при изготовлении абразивно-режущего инструмента.

Цель изобретения - повышение режущих свойств материала.

Для этой цели сверхтвердый порошок укладывают слоями, причем слой сверхтвердого порошка, находящегося в контакте с металлическим связующим, состоит из порошка кубического бора. Последующий слой - алмазный, т.е. состоит из порошка алмаза. Слои сверхтвердого порошка также укладываются с плотностью, уменьшающейся от поверхности контакта сверхтвердого порошка с металлическим связующим. Ко всем слоям или по крайней мере к одному из них добавляют порошок боридо-, нитридо- или карбидообразующих элементов или соединений на их основе, причем размер частиц порошка добавок составляет от 1/10 до 1/3 размера частиц сверхтвердого порошка.

К сверхтвердому порошку добавляют не только карбидо-, боридо- и нитридообразующие элементы, но и соединения на их основе, что позволяет получить заданный состав материала пропитки - металлического связующего, например, в качестве материала пропитки берут сплав, содержащий 37% Ni и 63% Ti. Температура плавления 1000^оС. В качестве материала добавок берут сплав Ti-Co, содержащий 55% Ti и 45% Co, имеющий температуру плавления 1200^оС. В процессе пропитки сплав обедняется титаном, идет процесс боридо- и нитридообразования, и относительно обогащается никелем. Титан из материала добавок взаимодействует с порошком кубического нитрида бора, обогащая слой, насыщенный никелем, боридами и нитридами титана. Температура плавления материала добавок несколько выше температуры плавления материала пропитки, так как первоначально должно произойти плавление металлического связующего - материала пропитки, а затем плавление материала добавок. При использовании компактов в качестве режущего лезвийного инструмента в виде многослойных пластин при обработке черных металлов стали, чугуна целесообразными оказались пластины, режущая поверхность которых состоит из порошка кубического нитрида бора, а последующий слой - из порошка алмаза. Алмаз обладает самой высокой теплопроводностью из всех известных материалов, вследствие этого последующий алмазный слой будет являться хорошим теплостоком, который не дает возможности перегреваться режущей кромке инструмента. Если композиционный материал будет состоять из слоев двух типов, т.е. один слой - из кубического нитрида бора, другой слой - алмазный, то химический состав добавок будет неодинаков. К слою, состоящему из кубического нитрида бора, добавляют боридо- и нитридообразующие элементы, к слою, состоящему из алмаза, - карбидообразующие элементы. Полученные во время сложных химических превращений карбиды, нитриды и бориды составляют основу матрицы компакта, объединяющей сверхтвердый порошок в единое целое.

Расположение попеременно слоев двух типов позволяет также более равномерно распределить по высоте карбидо-, нитридо- и боридообразующие добавки, что дает возможность увеличить прочность на осевое сжатие в среднем на 10-15% . Слой сверхтвердого порошка, находящийся в контакте с металлическим связующим, может составлять не более трети высоты композиционного материала. Поскольку, как уже говорилось выше, композиционные материалы, будучи твердыми и хрупкими, плохо работают на изгиб при нагрузке и резании, то композиционные материалы, имеющие небольшую высоту, будут легко ломаться. Поэтому необходимо, чтобы полученный компакт имел высоту не менее 6-8 мм, но режущая кромка материала может быть, например, высотой 1-2 мм или же максимально 3 мм, поскольку в процессе резания участвует только этот слой высотой 1-3 мм остальная часть композиционного материала является подложкой.

Предлагаемый способ поясняется чертежом.

В контейнер 1 из катлинита помещают графитовый нагреватель 2. На дно графитового нагревателя укладывают слой 3 металлического связующего. На связующее помещают смесь порошков кубического нитрида бора и материала добавок - слой 4. Над слоем 4 расположен слой, состоящий из алмазного порошка или смеси порошков алмаза и порошков добавок - слой 5. Зернистость слоя 5 иная, чем в слое 4. Плотность укладки порошков сверхтвердых материалов уменьшается от поверхности контакта порошка кубического нитрида бора с металлическим связующим. От стенок графитового нагревателя шихта изолируется тонким слоем слюды 6. От дна нагревателя шихта изолируется слоем 7 порошком гексагонального нитрида бора. Сверху шихта закрывается крышкой 8 из графита.

П р и м е р 1. В контейнер 1 помещают нагреватель 2. На дно укладывают слой 3 металлического связующего. Связующее - сплав, состоящий из 37% Ni и 63% Ti. На связующее сверху укладывают слой 4, представляющий собой смесь порошка кубического нитрида бора ЛПМ 20/14 зернистостью 20 мкм и порошка сплава Ti-Co (55% Ti и 45% Co) зернистостью 5 мкм. Слой 5, который укладывают над слоем 4, представляет собой смесь алмазного порошка АСМ 60/40 зернистостью 60 мкм и порошка титана зернистостью 20 мкм. Высота слоя 4 составляет 1/6 высоты заготовки. От стенок нагревателя шихта изолируется слоем слюды 6, от дна - слоем 7 нитрида бора. Сверху шихта закрывается крышкой 8 из графита. Давление 25 кбар, температура 1200^оС. Полученный композиционный материал испытывался на режущую стойкость. Время резания резцами из данного компакта стали ШХ 15 (HRC 60 ед.) до переточки составляло 120 мин.

Режим резания следующий: Скорость резания V 80-140 м/мин. Подача S 0,12-0,25 мм/об. Глубина резания t 1-3 мм. Чистота обрабатываемой поверхности ( ▿ ) 2,5-0,63. Абразивная стойкость 36 тыс.ед. Высота полученного компакта 7 мм.

П р и м е р 2. То же, что в примере 1, только после слоя 3 металлического связующего следует слой 4, представляющий собой смесь порошка кубического нитрида бора ЛПМ зернистостью 60 мкм и порошка сплава Ti-Co (55% Ti и 45 Сo) зернистостью 5 мкм. Слой 5 - алмазный, состоящий из смеси порошка алмаза ACM зернистостью 50 мкм и порошка титана зернистостью 5 мкм. Высота слоя 4 составляет 1/3 высоты заготовки. Давление 40 кбар, температура 1300^оС. Полученный композиционный материал испытывался на режущую стойкость. Время резания стали 5ХНМ (HRC 55 ед.) до переточки 140 мин при тех же режимах резания. Чистота обрабатываемой поверхности 2,5-0,63. Высота компакта 10 мм.

П р и м е р 3. То же, что в примере 1, только высота слоя 4 составляет 1/10 высоты заготовки. Давление 30 кбар, температура 1300^оС. Время резания стали ШХ 15 (HRC 60 ед.) до переточки 130 мин. Режим резания тот же. Чистота обрабатываемой поверхности 2,5-0,63. Высота компакта 10 мм.

Высота слоя кубического нитрида бора составляет от 1/3 до 1/10 высоты заготовки сверхтвердого компакта.

Получать компакты с высотой режущего слоя более 1/3 высоты получаемого компакта нет необходимости, так как это приведет к излишнему расходу порошка кубического нитрида бора. Если слой кубического нитрида бора составляет более 1/3 высоты получаемых компактов, то это приведет к затруднению процесса равномерного пропитывания порошка кубического нитрида бора сплавом по всей высоте, получаемые компакты будут очень неоднородны по свойствам по высоте, что значительно ухудшает режущие свойства компактов. Если взять высоту слоя кубического нитрида бора более 1/3, например, высота слоя кубического нитрида бора составила 1/2 высоты получаемого компакта, режущая стойкость получаемого компакта составила 80 мин при тех же режимах резания, а абразивная стойкость 32-33 тыс.ед. Режущий слой не может быть менее 1/10 высоты получаемого компакта, так как если взять режущий слой менее 1/10 высоты получаемого компакта, то он будет довольно тонким и будет преждевременно изнашиваться. Кроме того, этот тонкий слой будет сильно отличаться по плотности от последующего алмазного слоя, так как не будет постепенного перехода по плотности на границе двух слоев, слоя кубического нитрида бора и алмазного, что приведет к отслаиванию алмазного слоя.

Выбранный интервал высоты слоя кубического нитрида бора от 1/3 до 1/10 высоты получаемого компакта наиболее точно учитывает все особенности происходящих процессов при получении данного компакта и позволяет получить композиционный материал с высокими абразивными и режущими свойствами.

Размеры частиц добавок составляют от 1/10 до 1/3 размера частиц порошка кубического нитрида бора. Если взять размер частиц порошков добавок менее 1/10, то процесс пропитывания порошков будет затруднен вследствие того, что мелкодисперные порошки с размерами частиц менее 3 мкм представляют собой пыль, которую очень трудно пропитать металлическими сплавами, в результате свойства компакта резко ухудшаются.

Брать же размер части порошков добавок более 1/3 нет необходимости, так как размер пор теоретически составляет от 1/5 до 1/3 зернистости порошка. Если взять размер порошков добавок более 1/3, то возможно, что поры в порошке кубического нитрида бора останутся незаполненными, что приведет к снижению плотности, прочности, а следовательно, режущих и абразивных свойств получаемых компактов.

Так, например, если взять размер частиц порошка добавок менее 1/10, например, 1/15 часть от зернистости порошка кубического нитрида бора, то режущая стойкость получаемых компактов значительно уменьшится и составит 40-60 мин, абразивная стойкость 25-28 тыс.ед. Если же взять размер частиц порошка добавок более 1/3, например, 1/2 часть от зернистости порошка кубического нитрида бора, это также ухудшит свойства получаемых компактов, режущая стойкость составит 50-60 мин, абразивная 25-27 тыс.ед.

Таким образом, для получения композиционного материала, обладающего высокими абразивными и режущими свойствами, необходимо увеличить диапазон размеров по зернистости порошка добавок. Это дает возможность получить беспористый композиционный материал, увеличить его прочность, твердость. Расположение слоев двух разных типов в контакте друг с другом позволяет повысить теплопроводность получаемых композиционных материалов, используемых в режущем инструменте.

Расположение слоев твердосплавного порошка по высоте так, как указано в данном способе, дает возможность получить композиционный материал, в котором его режущая кромка, т.е. рабочая часть материал, составляет не более 1/3 высоты получаемого компакта. Это улучшает качество получаемых компактов, увеличивает их стойкость при резании.

По данному способу были получены компакты, у которых абразивная стойкость 35-36 тыс.ед. против 33-35 тыс.ед. по известному способу.

Режущая стойкость компактов по прототипу составляет 100 мин при резании стали ШХ 15 (HRC-60 ед. ). Режущая стойкость компактов по предложенному способу 120 мин. Режимы резания стали по прототипу и предложенному способу одинаковы: V 80-140 м/мин, S 0,1-0,2 мм/об, t 1-3 мм. (56) Авторское свидетельство СССР N 597159, кл. B 24 D 3/06, 1978.

Авторское свидетельство СССР N 841174, кл. B 22 F 3/14, 1979.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий воздействие высокого давления и температуры на сверхтвердый порошок, содержащий карбидо-, боридо- или нитридообразующие элементы или соединения на их основе и металлическое связующее, отличающийся тем, что, с целью повышения режущих свойств материалов, слой кубического нитрида бора размещают в контакте с металлическим связующим, содержащим добавки нитридо- и боридообразующих элементов с размером частиц от 1/10 до 1/3 размера частиц кубического нитрида бора, затем в контакте со слоем кубического нитрида бора размещают слой алмазного порошка с карбидообразующими добавками с размером частиц от 1/10 до 1/3 размера частиц алмазного порошка, слои сверхтвердых порошков укладывают с плотностью, уменьшающейся от поверхности контакта кубического нитрида бора с металлическим связующим, причем высота слоя кубического нитрида бора составляет от 1/3 до 1/10 высоты заготовки сверхтвердого компакта.