твердосплавный инструмент
Классы МПК: | B23P15/28 режущих инструментов E21B10/46 отличающиеся износостойкими частями, например алмазными вставками C22C29/00 Сплавы на основе карбидов, оксидов, боридов, нитридов или силицидов, например керметы, или других соединений металлов, например оксинитридов, сульфидов |
Автор(ы): | Коршунов Анатолий Борисович (RU), Крысов Георгий Александрович (RU), Иванов Александр Николаевич (RU), Баринов Виктор Георгиевич (RU), Буслов Павел Евгеньевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-03-27 публикация патента:
27.09.2007 |
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению твердосплавного инструмента для холодной и горячей механической обработки. Может использоваться для изготовления режущего инструмента, бурового инструмента и фильер. Инструмент выполнен из твердого сплава, состоящего из монокарбида вольфрама, карбида титана и цементирующей кобальтовой связки. Приповерхностный слой толщиной 3÷15 мкм содержит 50-99,5 мас.% (Ti, W)C. Кристаллические решетки карбидных фаз в приповерхностном слое имеют интегральную разупорядоченность (b/a) <2. При этом (b/a) =(b/a)(Ti,W)C·C (Ti,W)C+(b/a)WC·C WC, где (b/a)(Ti,W)C - разупорядоченность кристаллической решетки (Ti, W)C; (b/a)WC - разупорядоченность кристаллической решетки WC; C (Ti,W)C - концентрация (Ti, W)C, мас.%; C WC -концентрация WC, мас.%; b= 2/ 1; a=tg 2/tg 1; - физическое уширение дифракционной линии; - угловое положение центра тяжести дифракционной линии; индексы 1 и 2 соответствуют дифракционным линиям, снятым при малых и больших углах дифракции рентгеновских лучей. Полученный инструмент имеет высокий коэффициент стойкости и, следовательно, увеличенный срок службы. 1 ил., 3 табл.
Формула изобретения
Инструмент для механической обработки, выполненный из твердого сплава, состоящего из монокарбида вольфрама, карбида титана и цементирующей кобальтовой связки, и имеющий приповерхностный слой, содержащий сложный карбид (Ti, W)C в концентрации 50-99,5 мас.% толщиной 3÷15 мкм, отличающийся тем, что кристаллические решетки карбидных фаз в приповерхностном слое имеют интегральную разупорядоченность (b/а) <2, при этом
(b/a) =(b/a)(Ti,W)C·C (Ti, W)C+(b/a)WC·C WC,
где (b/a)(Ti,W)C - разупорядоченность кристаллической решетки сложного карбида (Ti, W)C;
(b/a) WC - разупорядоченность кристаллической решетки монокарбида вольфрама WC;
C(Ti,W)C - концентрация сложного карбида (Ti, W)C, мас.%;
CWC - концентрация монокарбида вольфрама WC, мас.%;
b= 2/ 1;
a=tg 2/tg 1;
- физическое уширение дифракционной линии;
- угловое положение центра тяжести дифракционной линии;
индексы 1 и 2 соответствуют дифракционным линиям, снятым при малых и больших углах дифракции рентгеновских лучей.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для холодной и горячей механической обработки различных материалов, преимущественно металлов и их сплавов, и может быть выполнено в виде различного типа резцов, сверл, фрез, бурового инструмента, фильер и т.п.
Известен инструмент, выполненный из твердого сплава на основе карбида титана с железной связкой (карбидостали) [1]. Недостатком известного инструмента является его сравнительно низкая износостойкость, что можно объяснить высокой степенью разупорядоченности кристаллической решетки карбида титана.
Известен инструмент, выполненный из твердого сплава на основе монокарбида вольфрама с кобальтовой связкой [2]. Недостатками известного инструмента являются его малые твердость и износостойкость, что можно объяснить высокой степенью разупорядоченности кристаллической решетки монокарбида вольфрама.
Наиболее близким к заявляемому инструменту является инструмент, выполненный из твердого сплава, состоящего из монокарбида вольфрама, карбида титана и цементирующей кобальтовой связки и обладающего повышенной концентрацией сложного карбида (Ti, W)C, достигающей 50-99,5 массовых процентов в приповерхностном слое толщиной 3÷15 мкм [3]. Недостатком известного инструмента является сравнительно малый срок службы, что обусловлено высокой степенью интегральной разупорядоченности карбидов вольфрама и титана.
Заявляемое изобретение направлено на увеличение срока службы инструмента.
Указанный результат достигается тем, что инструмент выполнен из твердого сплава, содержащего монокарбид вольфрама, карбид титана и цементирующую кобальтовую связку и обладающего повышенной концентрацией сложного карбида (Ti, W)C, достигающей 50÷99,5 массовых процентов в приповерхностном слое толщиной 3÷15 мкм, при этом интегральная разупорядоченность (b/а) кристаллических решеток карбидных фаз - монокарбида вольфрама WC и сложного карбида (Ti, W)C - меньше двух, где (b/а) =(b/а)(Ti,W)C·С (Ti, W)C+(b/а)WC·С WC, (b/a)(Ti,W)C - разупорядоченность кристаллической решетки сложного карбида (Ti, W)C, (b/а) WC - разупорядоченность кристаллической решетки монокарбида вольфрама WC, С(Ti,W)C - концентрация сложного карбида (Ti, W)C в массовых процентах, СWC - концентрация монокарбида вольфрама WC в массовых процентах, b= 2/ 1, а=tg 2/tg 1, - физическое уширение дифракционной линии, - угловое положение центра тяжести дифракционной линии, индексы 1 и 2 отвечают дифракционным линиям, снятым при малых и больших углах дифракции рентгеновских лучей на исследуемом образце.
Отличительным признаком заявляемого изобретения является выполнение кристаллических решеток карбидных фаз - монокарбида вольфрама WC и сложного карбида (Ti, W)C - с интегральной разупорядоченностью (b/а) , меньшей двух, где (b/а) =(b/а)(Ti,W)C ·C (Ti,W)C+(b/a)WC·C WC, (b/а)(Ti,W)C - разупорядоченность кристаллической решетки сложного карбида (Ti, W)C, (b/a) WC - разупорядоченность кристаллической решетки монокарбида вольфрама WC, С(Ti,W)C - концентрация сложного карбида (Ti, W)C в массовых процентах, СWC - концентрация монокарбида вольфрама WC в массовых процентах, b= 2/ 1, а=tg 2/tg 1, - физическое уширение дифракционной линии, - угловое положение центра тяжести дифракционной линии, индексы 1 и 2 отвечают дифракционным линиям, снятым при малых и больших углах дифракции рентгеновских лучей на исследуемом образце.
Установлено, что если интегральная разупорядоченность кристаллических решеток карбидных фаз (Ti, W)C и WC больше двух, то увеличение срока службы инструмента практически не заметно. Значение интегральной разупорядоченности, меньшее двух, обеспечивает достижение заявленного результата.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом и нижеследующим описанием.
На чертеже приведено схематическое изображение инструмента. 1 - инструмент, 2 - приповерхностный слой, обогащенный сложным карбидом (Ti, W)C.
На чертеже схематично представлен поперечный разрез твердосплавного инструмента 1, иллюстрирующий расположение обогащенного сложным карбидом (Ti, W)C слоя 2 на его поверхности. Твердосплавный инструмент закрепляется в основании известным образом, образуя устройство, которое в целом может являться резцом, сверлом, фрезой, фильерой, протяжкой и т.п. В частном случае таким основанием может служить зажимной патрон станка, в котором закрепляется твердосплавный инструмент (резец, сверло, развертка, метчик и т.п.).
Работа инструмента не описывается, так как он не содержит движущихся узлов и деталей.
Обогащенный сложным карбидом (Ti, W)C приповерхностный слой инструмента и интегральная разупорядоченность в нем монокарбида вольфрама WC и сложного карбида (Ti, W)C, меньшая двух, создаются термообработкой. Готовое изделие из твердого сплава, получаемое известными методами порошковой металлургии, подвергают нагреву до температуры, подбираемой экспериментально, превышающей температуру стационарного спекания изделия в присутствии жидкой фазы [4] (высокотемпературная обработка (ВТО)). Время выдержки при подобранных температурах также подбирается экспериментально. Уменьшение интегральной разупорядоченности монокарбида вольфрама и сложного карбида титана и вольфрама до значений, меньших двух, происходит вследствие нагрева твердого сплава до высоких температур. Степень разупорядоченности монокарбида вольфрама и сложного карбида (Ti, W)C регистрируется методом рентгеновской дифрактометрии.
Твердосплавный инструмент с уменьшенным значением интегральной разупорядоченности монокарбида вольфрама и сложного карбида (Ti, W)C закрепляется в основании известными методами и полученное устройство для обработки материалов (инструмент, оснастка) используется по назначению.
Проверка достижения заявленного технического результата осуществлялась следующим образом. После термообработки пластины из твердого сплава Т15К6 (состав в массовых процентах: WC - 79, TiC - 15, Со - 6) исследовались методом рентгеновской дифрактометрии [5]. Для исследования монокарбида вольфрама WC использовались линии 10.1 ( 1=24,39°) и 11.2 ( 2=49,42°), для исследования двойного карбида (Ti, W)C использовались линии 200 ( 1=21,01°) и 400 ( 2=45,60°). Применялось излучение CuK . После рентгеновских исследований пластины из твердого сплава Т15К6 использовались для изготовления резцов для токарной обработки.
Производственные испытания с целью определения срока службы резцов осуществлялись на СП "Пигма-Kennametal". Испытания опытной партии неперетачиваемых режущих пластин KNUX 190810 из твердого сплава Т15К6 производства КЗТС проведены на токарно-винторезном станке с ЧПУ модели 16К20Ф3. Обрабатывались различные детали для горного инструмента, изготовленные из стали 30ХГСА. Режимы резания: скорость резания V=90 м/мин, подача S=0,3 мм/об, глубина резания t=3 мм.
Результаты рентгеновских измерений представлены в таблице 1, а производственных испытаний - в таблице 2. В таблице 3 сопоставлены результаты рентгеновских измерений и производственных испытаний.
Из табл.1 следует, что основной вклад в интегральную разупорядоченность (b/а) вносит разупорядоченность сложного карбида (Ti, W)C как вследствие ее большей величины по сравнению с разупорядоченностью монокарбида вольфрама, так и почти на порядок большей концентрацией (Ti, W)C (84,2÷89,2 мас.% по сравнению с 8,5÷12,4 мас.%).
Из табл.2 вытекает, что время работоспособности термообработанных пластин колеблется в широких пределах, изменяясь от 114 до 858 мин, что меньше и больше времени работоспособности базовой пластины, равного 213 мин.
Наибольший интерес для практических применений представляют данные табл.3, в которой сопоставлены значения интегральной разупорядоченности (b/а) со значениями коэффициента стойкости K СТ ВТО термообработанных пластин, определяемого по формуле
где tР - время работоспособности базовой пластины, tР ВТО - время работоспособности пластины, подвергнутой высокотемпературной обработке (ВТО).
Из табл.3 очевидно, что чем больше (b/а) , тем меньше коэффициент стойкости термообработанных пластин. Данное утверждение целиком выполняется в случае коэффициентов стойкости 1-го лезвия. В случае 2-го лезвия для больших значений (b/а) , близким к двум, это утверждение несправедливо. Однако для коэффициентов стойкости как первого, так и второго лезвий и среднего значения коэффициента стойкости двух лезвий справедливо другое положение, являющееся основным положительным результатом заявляемого изобретения: при значениях (b/а) , больших двух, значения КСТ . меньше двух (КСТ=0,53÷1,62), что либо не имеет особого практического значения (К СТ=1,57÷1,62), либо бессмысленно (К СТ=1,08), либо просто вредно (КСТ =0,53).
Итак, при выполнении условия: (b/а) <2, среднее значение стойкости пластины , т.е. увеличивается более, чем вдвое, время работоспособности термообработанной пластины по сравнению с базовой пластиной.
Таблица 1 Результаты рентгеновских измерений пластин KNUX 190810 из твердого сплава Т15К6 производства КЗТС после высокотемпературной обработки | |||||
№ пл-ны | (b/a)(Ti,W)C | C(Ti,W)C, мас.% | (b/а)WC | CWC, мас.% | (b/а) =(b/a)(Ti,W)C·C (Ti,W)C +(b/a)WC ·СWC |
1 | 1,550 | 86,5 | 1,055 | 10,6 | 1,457 |
2 | 1,936 | 85,2 | 1,262 | 11,0 | 1,788 |
3 | 1,992 | 84,2 | 1,152 | 12,4 | 1,820 |
4 | 2,107 | 85,7 | 1,242 | 11,3 | 1,946 |
5 | 2,128 | 88,6 | 1,365 | 8,6 | 2,003 |
6 | 2,208 | 86,5 | 1,109 | 10,6 | 2,027 |
7 | 1,998 | 85,7 | 1,124 | 10,3 | 1,828 |
8 | 1,992 | 85,0 | 1,159 | 11,7 | 1,829 |
9 | 1,917 | 86,3 | 1,117 | 10,4 | 1,771 |
10 | 2,399 | 86,0 | 1,247 | 10,3 | 2,192 |
11 | 2,169 | 86,8 | 1,188 | 9,6 | 1,997 |
12 | 2,091 | 89,2 | 1,277 | 8,5 | 1,974 |
Таблица 2 Результаты производственных испытаний пластин KNUX 190810 из твердого сплава Т15К6 производства КЗТС после высокотемпературной обработки | |||||
№ пл-ны | Наименование обрабатываемой | Количество обработанных деталей | Время работоспособности пластины t P, мин | ||
детали | 1 лезвие | 2 лезвие | 1 лезвие | 2 лезвие | |
1 | G60KB90 | 150 | 140 | 858 | 801 |
2 | RG52D | 160 | 160 | 568 | 568 |
3 | G50-16S | 160 | 160 | 522 | 522 |
4 | L36G-16S | 130 | 230 | 364 | 644 |
5 | G60KB90 | 60 | 20 | 343 | 114 |
6 | G50EDC-19,5 | 125 | 125 | 334 | 334 |
Базовая | RG52D | 60 | 60 | 213 | 213 |
Таблица 3 Сопоставление результатов рентгеновских измерений и производственных испытаний пластин KNUX 190810 из твердого сплава Т15К6 производства КЗТС после высокотемпературной обработки | |||||
№ пл-ны | (b/а) | Наименование обрабатываемой детали | Коэффициент стойкости | ||
1-го лезвия КСТ1 | 2-го лезвия КСТ2 | ||||
1 | 1,457 | G60KB90 | 4,03 | 3,76 | 3,90 |
2 | 1,788 | RG52D | 2,66 | 2,66 | 2,66 |
3 | 1,820 | G50-16S | 2,45 | 2,45 | 2,45 |
4 | 1,946 | L36G-16S | 1,70 | 3,02 | 2,36 |
5 | 2,003 | G60KB90 | 1,62 | 0,53 | 1,08 |
6 | 2,027 | G50EDC-19,5 | 1,57 | 1,57 | 1,57 |
Источники информации
1. Гуревич Ю.Г., Нарва В.К., Фраге Н.П. Карбидостали. М.: Металлургия, 1988. 142 с.
2. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976, 528 с. С.21-125.
3. Устройство для обработки твердых материалов. Пат. РФ на изобретение №2178012 от 10.01.2002 г. Патентообладатель - Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В.Ломоносова. Авторы: Коршунов А,Б., Бажинов А.Н., Рябов В.Н. и др. (Прототип).
4. Способ упрочнения изделий из карбидосодержащих сплавов. Пат. РФ на изобретение №2181643 от 27.04.2002 г. Патентообладатель - Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М.В.Ломоносова. Авторы: Коршунов А.Б., Бажинов А.Н., Рябов В.Н. и др.
5. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографичесий и электронно-оптический анализ. Учебное пособие для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: МИСиС, 2002. - 360 с.
Класс B23P15/28 режущих инструментов
Класс E21B10/46 отличающиеся износостойкими частями, например алмазными вставками
Класс C22C29/00 Сплавы на основе карбидов, оксидов, боридов, нитридов или силицидов, например керметы, или других соединений металлов, например оксинитридов, сульфидов