Способ получения изделий из счверхтвердого композиционного материала

(1 з) А 1 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССтгг) ОПИСАНИ ОБРЕТЕН к автор ТСЛЬС СцТ с размером частиц 100 - 250 мкм, ипи из сме - си размола предварительно спеченных композитов с 5 - 15 мас%, СцТ или СоТ; режущий спой, попуэченный пропиткой смеси 85 - 97 мас% кубического нитрица бора с 3 - 15 мас% алмаза смесью 75 - 99 мас% СцТ или СцТ с 1 - 25 мас% А 1 или ЬИЧ, и стружколомныи слой, который изготавливают из смеси порошков алмаза, 1 - 25 мас% кубического нитрида бора и 5 - 15 мас% интерметаппида Сформированную в формообразующем вкладыше исходную шихту подвергают воздействию высокого давления и температуры. Стойкость резцов при об - работке стали ХВТ 62 НКС при скорости точения ч = 80 - 100 м/мин, продольной подаче 3 = 0,1 мм/об, глубине точения 1 = 0,5 мм составляет 40 - 45 мин, при обработке стали 35 ХЗНМ при ч: 90 м/мин, 3 = 05 мм/об, 1 = 05 мм составляет 95 - 110 мин,(21) 460115/33(72) Коняев Ю.С.; Ярыкин ЕИ.; Нуждина С.Г; Капустин А.И.; Дульнев Б.В.; Громов А.В.; Погонялин ЮА.; Овчинников АА; Салтыков ВА; Ягудин Г.И. (56) Авторское свидетельство СССР М 155949, кп. С 04 Ь 35/38, 1987.(54) О 10 СОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СЧВЕРХТВЕРДОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА(57) Изобретение касается получения сверхтвердцх материалов в аппаратах высокого давления и температуры Целью изобретения является повышение режущей стойкости. Изделия из сверхтвердого композиционного материала получают трехоюйными: слой подложки, полученный из смеси порошков кубического нитрида бора, 1 - 12 мас% алмаза и 40 - 80 мас% интерметалпидов СцТ илизИзобретение касается получения сверхтвердых материалов в аппаратах высокогодавления и температуры и может найти применение в машиностроении в качестве лезвийного режущего инструмента,Целью изобретения является повышение режущей стойкости.Нв фиг.1-3 показаны пластины композита,В предлагаемом способе укладку исходной шихты композиционного материала выполняют в три слоя: слой подложки,режущий слой и стружколомный слой, т.е.получают композит с переменными физикомеханическими свойствами, основа которого - режущий слой обладает повышеннойизносостойкостью.Пластины, состоящие из несколькихслоев, прочнее цельных из-за наличия виброгасящей подложки, на которой лежит рабочий - режущий слой сверхтвердогокомпозиционного материала, Кроме того,изготовление подложки удешевляет получаемые Композиты, что важно для конкурентоспособности резцов, Наибольшаястепень консолидации слоев композитаполучается при изготовлении подложки иэсмеси компонентов материала режущегослоя или размола композита с металлическим связующим, Это предупреждает образование трещин за счет устранениянапряжений в теле компоэита, приводящихк отсл энию режущего слоя от подложки,Подложку изготавливают из смеси сверхтвердых порошков кубического нитрида бора и элмаза и стружки или порошкаинтерметиллидов СцТэ или СцТ с размерами частиц 100-250 мкм, Для подложки можно испольэовать более дефектные,загрязненные и дешевые исходные сверхтвердые порошки.Наиболее приемлем размер частиц связующего 100-250 мкм, Использование связующего с размером частиц менее 100 мкмбудет увеличивать трудозатраты на иэмельчение интерметаллидов, а более 250 мкм -ослаблять механические свойства материала за счет образования крупных включенийметаллического связующего. Содержаниеметаллического связующего в смеси составляет 40-80 мас,;, наличие менее 40 мас.,связки из СцТ 3 или СцТ повышает стоимость материала компоэита, а более 80мас. значительно понижает жесткостьподложки.Особенно интересна с экономическойточки зрения утилизация отходов композитов и использованных в режущем инструменте пластин. При использовании вкачестве исходной шихты для слоя подлож 40 45 50 Вкладыш выполняют в виде цилиндра с внутренним отверстием. Отверстие может быть круглым, квадратным, трехгранным, ромбическим, т.е. таким, которое соответствует формам многогранных пластин для режущего инструмента. Внутренняя часть формообразующего вкладыша представляет собой рабочий объем.В формообразующий вкладыш на слой подложки помещают слой смеси сверхтвердых порошков кубического нитрида бора и алмаза, Наиболее высокие режущие свойства получают при использовании кубического нитрида бора с размером зерна 5 - 40 мкм. При более коупном зерне кубического нитрида бора режущие свойства композитов понижаются, Нижнее ограничение обуславливается возможность применяемого метода пропитки - при использовании порошка кубического нитрида бора с размером зерна менее 5 мкм технологически сложно полки размола как дефектных композитов, так и использованных резцов, в размол следует добавлять связующее СцТз или СцТ в количестве 5 - 15 мас Это облегчит предварительное прессование слоя подложки, Предварительное формование подложки обеспечивает как наибольшую плотность упаковки, так и возможность получения высоких давлений в аппарате высокого давле ния и температуры, ибо подложка занимает-50 объема и рыхлая засыпка приведет к падению давления в реакционной ячейке.Добавление связующего менее 5 мас, затруднит прессование, а более 15 мас, нецелесообразно, так как ведет к понижению механических свойств композита, например прочности при сжатии. Спрессованный по заданной форме слой подложки размещают в формообразующем вкладыше в контакте с 20 торцовой поверхностью нагревателя.Нагреватель выполняют составным издвух пластин в форме таблеток, выполненных из смеси графита с катлинитом, что обеспечивает более высокую температуру в месте контакта с твердосплавной камерой высокого давления, где максимальный теплоотвод; Выполнение нагревателя в аиде дисков п рессованием значительно проще и экономичнее графитовых стаканчиков и по эволяет упростить технологию.Между пласт инами нагревателя размещают токопроводящий формообразующий вкладыш, который выполняют обычно иэ графита, так как он контактирует (кроме на гревателя) с поверхностью катлинитовогоконтейнера (чечевицей), где теплоотвод минимальный, Токопроводящий формообразующий вкладыш позволяет получать иэделия заданной формы в виде режущих пластин.10 15 20 25 30 35 40 учить приемлемую высоту режущего слоя, Наиболее плотную укладку частиц порошка обеспечивает использование смеси порошков кубического нитрида бора разной зернистости, Добавление алмаза уменьшает затупление режущей кромки, износ передней грани и склонность к свариванию со сбегающей стружкой, особенно при обработке вязких материалов, Добавление менее З,мас.алмаза не оказывает заметного влияния, более 15 мас,ф - понижает режущие свойства материала при обработке закаленной стали.Металлическое связующее берут в виде смеси порошков интерметаллидов СоТз или СцТ с эдгезионно-активными по отношению к кубическому нитриду бора металлами алюминием или марганцем. Это связующее хорошо смачивает кубический нитрид бора и образует с ним прочные химические соединения,Добавление А или Мп менее 1 мас,ф, не влияет на стойкость резцов из композитов, а более 25 мас, приводит к понижению режущих свойств, Металлическое связующее прессуют по форме режущей пластины и располагают в формообразующем вкладыше на слое сверхтвердого порошка,Изготовление стружколомного слоя позволяет увеличить теплопроводность пластины композита (улучшить теплоотвод от режущей кромки) и стойкость против образования "лунок", При отсутствии стружколома резцы из композиционного материала при обработке резанием закаленной стали образуют непрерывную сливную стружку, которая приводит к образованию на режущей кромке пластины проточки, которая приводит к образованию на рабочей поверхности микротрещин, являющихся концентраторами напряжений, и при дальнейшей обработке закаленной стали приводит к разрушению материала - к сколу вершины резца.Изготовление стружколомного слоя позволяет не только увеличить теплопроводность пластины композита, но и позволяет получать дробленую стружку в виде отдельных элементов или коротких спиралей, которая не портит режущую кромку пластины композита, Таким образом, возрастает износостойкость пластин композитов по сравнению со стойкостью аналогичных пластин без стружколомного слоя и, кроме того, пластины из такого композиционного материала могут применяться на станках с ЧПУ при автоматическом производстве, Выбор исходного материала стружколома обуславливался улучшением отвода теплоты от режущей кромки в процессе резания, так как теплопроводность алмаза выше еплои ро вод ности ком пози то в (это поз вол я ет увеличить производительность резания). Применение смеси порошков алмаза и кубического нитридэ бора позволяет увеличить степень консолидации слоев, Добавление кубического нитрида бора в смесь менее 1 мас, не оказывает заметного влияния, а более 25 мас. - нецелесообразно из-за уменьшения теплопроводности стружколомного слоя. Исходную шихту стружколомного слоя прессу 1 от в заготовку заданной формы и располагают в формообразующем вкладыше на слое металлического связующего, Для прессования исходной шихт стружколомного слоя в шихту следует добавлять связующее - интерметаллиды СоТз или СоТ в количестве 5 - 15 мас,7 о,В контакте со стружколомным слоем и формообразующим вкладышем располагают нагреватель.Сформированную заготовку композиционного материала помещают в аппарат высокого давления и температуры и подвергают воздействию высокого давления и температуры, Применение давления более 35 кбэр экономически невыгодно, так как положительный эффект уже достигнут, а срок службы камер высокого давления будет сокращаться, менее 15 кбар - ухудшает качество композиционного материала, Температура процесса 900 - 1100 С определяется температурами плавления интерметаллидов СцТз и СоТ, Нижний предел 900 С обуславливается температурой поя вления жидкой фазы. Поднимать температуру процесса выше 1100 С нецелесообразно, так как температура плавления металлического связующего уже достигнута и дальнейшее повышение температуры будет приводить лишь к уменьшению срока службы камер высокого давления. Выдержка менее 10 с не обеспечивает достаточную высоту и качество пропитки режущего слоя материала, э более 25 с приводит к пережогу материала.П р и м е р 1. В чечевицу камеры высокого давления и т мпературы помещают графитовый форь и.бразующий вкладыш, представляющий собой цилиндр с квадратным отверстием. С одной стороны формообразующего вкладыша помещают нагреватель в аиде таблетки, диаметр которой равен диаметру цилиндра формообразующего вкладыша, выполненный из смеси графита с катлинитом в соотношении 1;1, Подложку выполняют из смеси порошков кубического нитрида бора с размером частиц 20 и 40 мкм, алмаза - с размером частиц 60 мкм и интерметаллида СцТз - с разме 1630238510 ром частиц 100 мкм при содержании в смеси 40 мас.СцТ 1 з, 12 мас.алмаза, остальное кубический нитрид бора; предварительно прессуют при удельном давлении 5 кбар по форме квадрата с размерами, соответствующими размерам квадратного отверстия формообразующего вкладыша, и размещают внутри вкладыша в контакте с торцовой поверхностью нагревателя. Сверхтвердый порошок кубического нитрида бора с размером зерна 5 мкм и 40 мкм (в соотношении 1.3) смешивают с алмазом с размером зерна 60 мкм при содержании в смеси 10 мас, алмаза и помещают на слой подложки. Металлическое связующее берут в виде смеси порошков СцТ 1 з с А 1 в количестве 85 мас.СцТ 1 з+ 15 мас. А 1 прессуют при удельном давлении 5 кбар по форме и размерам квадратного отверстия вкладыша и помещают на сверхтвердый порошок. Стружколомный слой изготавливают из смеси порошка алмаза с размером зерна 60 мкм и с размером зерна 20 мкм и интерметаллида СцТ 1 з, при содержании в смеси 5 мас.интерметаллида СцТ 1 з, прессуют по Форме квадрата с размерами, меньшими размеров отверстия формообразующего вкладыша, и помещают на металлическое связующее.Затем свободный объем между спрессованным стружколомом и формообразующим вкладышем заполняют инертным порошком карбида бора и заполненный формо браэующий вкладыш сверху закрывают нагревателем в форме таблетки с диаметром, равным внешнему диаметру Формообразующего вкладыша, Заполненную чечевицу помещают в аппарат высокого давления и температуры и подвергают действию давления 30 кбар и температуры 1000 ОС, выдерживают при изотермической выдержке 26 с, охлаждают. После снижения давления до атмосферного получают пластину компоэита, представленную на фиг.1. Резцы из этих композитов при. обработке закаленной стали ХВГ 62 НЯС при режиме обработки;глубина точения т - 0,5 мм, продольная подача Я - 0,1 мм/об, скорость точения Ч = =80-100 м/мин показали стойкость 45 мин.,а при обработке стали 35 ХЗ Н М твердостью 40 НВС на режиме резания: глубина точения 1 = 0,5 мм, продольная подача Б = 0,5 мм/об, скорость точения Ч = 90 м/мин показали стойкость 100-1.10 мин.П р и м е р 2. В чечевицу камеры высокого давления и температуры помещают нагреватель и графитовый формообразующий вкладыш, представляющий собой цилиндр с квадратным отверстием (как в примера 1), Подложку выполняют из смесипорошков 15 20 25 30 35 40 45 50 55 кубического нитрида бора с размером зерна 20 мкм, алмаза - с размером зерна 100 мкм и интерметаллида СцТ 1 - с размером частиц 200 мкм при содержании в смеси 80 мас.ф, СцТ 1, 3 мас. алмаза, остальное - кубический нитрид бора, предварительно прессуют по Форме квадрата и размещают внутри формообразующего вкладыша в контакте с торцовой поверхностью нагревателя. Смесь сверхтвердого порошка кубического нитрида бора с размером зерна 40 мкм и порошка алмаза с размером зерна 100 мкм при содержании в смеси 15 мас.3 алмаза помещают на слой подложки. Металлическое связующее берут в виде смеси СцТ 1 с А 1 в соотношении;75 мас. СцТ 1 + 25 мас. А 1, прессуют по Форме и размерам квадратного отверстия формообразующего вкладыша и помещают на сверхтвердый порошок. Стружколомный слой изготавливают иэ смеси порошков алмаза с размером зерна 100 мкм, кубического нитрида бора с размером зерна 20 мкм и интерметаллида СцТ 1 при содержании в смеси 25 мас. кубического нитрида бора, 10 мас. СцТ 1, остальное - алмаз, прессуют по форме квадрата, но с размерами, меньшими размеров квадратно-, го отверстия формообразующего вкладыша, и помещают на металлическое связующее,Затем свободный объем между спрессованным стружколомом и формообразующим вкладышем заполняют порошком карбида бора и сверху заполненный формообразующий вкладыш закрывают нагревателем. Сформированную заготовку композиционного материала помещают в аппарат высокого давления и температуры и подвергают действию давления 35 кбар и температуры 1100 С, выдерживают при изотермической выдержке 10 с,.затем охлаждают. После снижения давления до атмосферного получают пластину компоэита квадратной формы (фиг,1). Резцы из этих композитов при обработке закаленной стали 35 ХЗМ 40 НВС на режиме; 1 = 0,5 мм; 5- =0,5 мм/об, Ч = 90 м/мин показали стойкость 95-100 мин. Стойкость резцов, изготовленных по известному способу, составляет 90 мин.П р и м е р 3. В чечевицу камеры высокого давления и температуры помещают нагреватель и графитовый Формообразующий вкладыш, представляющий собой цилиндр с ромбическим отверстием. Подложку выполняют иэ смеси порошков кубического нитрида бора с размером зерна 20 мкм, 28 мкм и 40 мкм, алмаза с размером зерна 40 мхи и 60 мкм и интерметаллида СцТ 1 з с размером частиц 250 мкм при содержании а смесв 60 мас.ф, СцТ 1 з, 1 мас,оалмаза, остальное -45 50 кубический нитрид бора, предварительно прессуют по форме вкладыша и размещаютвнутри вкладыша в контакте с торцовой поверхностью нагревателя. Сверхтвердый порошок кубического нитрида бора с размером.зерна 20 мкм и 28 мкм смешивают с порошком алмаза с размерам зерна 40мкм и 60 мкм при содержании в смеси 3 мас. алмаза и помещают на слой подложки, Металлическое связующее берут в виде смеси СцТ 3 с А в количестве 99 мас,СцТз+ 1 мас. А, прессуют по форме отверстия формообразующего вкладыша и помещают на сверхтвердый порошок. Стружкаломныйслой изготавливают из смеси порошка алмаза с размерами зерна 40 мкм и 60 мкм, кубического нитрида бора с размером зерна 20 мкм и с размером зерна 28 мкм и интерметаллида СцТз при содержании в смеси 1 мас. кубического нитрида бора, 5 мас.,ь СцТз, остальное - алмаз, прессуют и помещают на металлическое связующее, Затем свободный объем между спрессованнымстружколомом и формообразующим вкладышем заполняют порошком карбида бора и сверху закрывают нагревателем,Сформированную заготовку кампаэита помещают в аппарат высокого давления и температуры и подвергают действию давления 15 кбар и температуры 900 С, выдерживают при изотермической выдержке 20 с, затем охлаждают. После снижения давления до атмосферного получают пластинукампозита рамбическай формы (фиг.2), Резцы иэ этих композитов при обработке зэка- ленной стали ХВГ 62 НВС при режиме обработки: т = 0,5 мм, Я = 0,1 мм/аб, Ч = =80 - 100 м/мин показали стойкость 40 мин.П р и м е р 4, В чечевицу камеры высокого давления и температуры помещают нагреватель и в контакте с ним графитовый Формообразующий вкладыш, представляющий собой подложку с рамбическим.отверстием. Подложку выполняют из смеси размола дефектных композитов и использованных резцов и интерметаллида СцТз с размером частиц 250 мкм при содержании в смеси 15 мас,% СцТз. Подложку предварительно прессуют па форме вкладыша и размещают внутри вкладыша в контакте с торЦовой поверхностью нагревателя. Сверхтвердый порошок кубического нитрида бора с размером зерна 14 мкм и 20 мкмсмешивают с порошком алмаза с размеромзерна 40 мкм и 60 мкм при содержании всмеси Б вес. алмаза и помещают на слойподложки. Металлическое связующее берут .е виде смеси СцТз с А в количестве 85мас. СцТ)з + 15 мас, А 1, прессуют поформе отверстия вкладыша и помещают на 1015 2025 3035 40 сверхтвердый порошок, Стружкаломный слой изготавливают из смеси порошков алмаза с размером зерна 40 мкм и 60 мкм и интерметаллида СоТз при содержании в смеси 10 мас, СцТ 3. прессуют заданной формы и помещают на металлическое связующее. Затем свободный объем между спрессованным стружкаломом и формообразующим вкладышем заполняют порошкам карбида бора и сверху располагают нагреватель, Заполненную чечевицу помещают в аппарат высокого давления и температуры и подвергают действию давления 25 кбар и температуры 950 С, выдерживают при изотермическай выдержке 25 с, эате.охлаждают, После снижения давления до атмосферного получают пластину компазита ромбической формы (фиг,2). Резцы иэ этих компоэитов при обработке закаленной стали ХВГ 62 НВС показали стойкость 45 мин (при режиме обработки; глубина точения 1 = 0,5 мм, продольная подача Я - 0,1 мм/об, скорость точения Ч = 80-100 м/мин), при обработке стали 35 ХЗНМ 40 НЯС показали стойкость 100 - 110 мин (при режиме обработки: т = 0,5 мм. Я = 0,5 мм/об, Ч = 90 м/мин),П р и м е р 5. В чечевицу камеры высокого давления и температуры помещают нагреватель и графитовый формообразующий вкладыш в виде цилиндра с внутренним трехгранным отверстием, Подложку выполняют из смеси дефектных компоэитов и использованных резцов, которые предварительно диспергировали разрушением до размера частиц 60 - 100 мкм и интерметаллида СцТ с размером частиц 100 мкм при содержании в смеси 5 мас. СоТ 1, Подложку предварительна прессуют при удельном давлении 5 кбар по форме вкладыша и размещают внутри формообразующего вкладыша в контакте с торцовой поверхностью нагревателя, Сверхтвердый порошок кубического нитрида бора с размсром зерна 5 мкм смешивают с парашкам алмаза с размерам зерна 20 мкм при содержании в смеси 3 мас,оь алмаза и помещают на слой подложки, Металлическое связующее бер т в виде смеси СцТ с Мп в количестве 80 мас,о СоТ + 20 мас. Мп, прессуют по форме трехгранного отверстия вкладыша и помещают на сверхтвердый порошок. Стружкаломный слой изготавливают из смеси порошков алмаза с размерами зерна 60 мкм и 20 мкм, кубического нитрида бора с размером зерна 5 мкм и интерметаллида СцТ при содержании в смеси 15 мас. кубического нитрида бора, 15 мас. Оь СцТ. остальное - алмаз, прессуют заданной формы и помещают на металлическое связующее.Затем свободный объем между спрессованным стружколомом и формообразующим вкладышем заполняют порошком карбида бора, 8 контакте с формообразующим вкладышем и стружколомным слоем располагают нагреватель. Заполненную чечевицу, помещают в аппарат высокого давления и температуры и подвергают действию давления 35 кбар и температуры 1100 С, выдерживают при изотермической выдержке 15 с, затем охлаждают. После снижения давления до атмосферного получают пластину композита трехгранной формы (фиг.3). Резцы из этих композитов при обработке закаленной стали 35 ХЗНМ 40 НВС показали стойкость 95 мин при режиме обработки; т 0,5 мм, Я - 0,5 мм/об, Ч = 90 м/мин,Композиты, полученные по предлагаемому способу, используются при изготовлении резцов для обработки закаленной стали и обладают более высокой режущей стойкостью.Стойкость резцов при обработке стали ХВГ 62 НВС при следующем режиме работы: скорость точения Ч = 80-100 м/мин, п родольная подача Я = 0,1 мм/об, глубина точения т - 0,5 мм составляет, мин; Из известного материалаИ з комп озито в и редлагаемого способа Ф о рмул а изобретения СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СВЕРХТВЕРДОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, включающий последовательную укладку режущего слоя, содержащего кубический нитрид бора с размером зерна 5 - 40 мкм и слоя металлической композиции, содержащей интерметаллид СиТз и металл, и последующую обработку давлением 15 - 35 кбар и температурой 900 .1100 Т н течение 10 - 25 с, отличающийся тем, что, с целью повышения режущей стой ости, предварительно прессуют подложку из смеси порошков, содержащей,мас.%:Интерметаллид СцТз илиСиТ с размером частиц 100250 мм Алмаз 1-12 Кубический нитрид бора Остальноеили из 85 - 95 мас,% измельченных отходов изделий из сверхтвердого композиСтойкость резцов при обработке стали35 ХЗНМ при режиме резания: Ч 90 м/мин,5 = 0,5 мм/об, 1 = 0,5 мм составляет, мин:Иэ известного материала 70-855 Иэ композитов предлагаемого способа 95 - 110Кроме того, преимуществом способа является воэможность получения в технологическом процессе пластин компоэитов с10 широкой номенклатурой различных форморазмеров, что весьма важно, учитывая трудоемкость механической обработкипластин. Получение композитов квадратными, трехгранными, ромбическими и других15 форм.с размерами, соответствующими международным стандартам, весьма выгодноэкономически: понижается расход порошкакубического нитрида бора, значительноуменьшается трудоемкость. обработки(толь 20 ко чистовая доводка) композитов, увеличивается выход годных пластин и улучшаетсяих качество (за счет исключения брака приих механической обработке). Композитыможно использовать в качестве резцов на25 станках с ЧПУ при автоматическом производстве (безлюдная технология), так как наличие стружколомающего уступа позволяетполучать стружку в виде отдельных элементов или коротких спиралей.30 (56) Авторское свидетельство СССРч. 1557949, кл. С 04 В 35/58, 1987 (непублик.),ционного материала и 5 - 15 мас. интерметаллида СцТц или СцТ, на подложке размещают режущий слой, дополнительно содержащий алмаз при соотношении компонентов, мас.%:Кубический нитрид бора 85-97 Алмаз 3- 15затем размещают спрессованный слойметаллической композиции, содержащей, 45 мас %Интерметаллид СцТвз илиСцТ 75- 99 Алюминий или марганец 1-2550 а на слое .композиции размещают спрессованный стружколомный рлой, содержащий, мас.,: Интерметаллид СиТз или СцТ 5-15 Кубический нитрид бораАлмаз