Керамика горячего прессования для режущего инструмента

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК Ц 1308 С 04 В 35/58 Ср.РР) 13." ". ГГОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕ ПАТЕНТУ О/29-337757076 25577 20.12 51-15 21, 12 ЛР 6Индастриз Лтд 7, Бюл. о Элект 0.04 умит Акио Хара и Судзи 666.798.2 (088.8) Патент США У 3767 ик. 1973. 71, кл ЕССОВАНИЯ тся к област керамически ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(54) КЕРАМИКА ГОРЯЧЕГОДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕН(57) Изобретение относполучения высокотвердых материалов для режущего инструмента. С целью повышения износостойкости инструмента смесь, содержащую 10-80 об.Х нитрида бора кубической или вюртцитной модификации с размером частиц 410 мкм и 20-90 об.7 тугоплавкого карбида и/или нитрида, или бориде, или силицида переходного металла из группы Т 1, 2 г, НГ, Ч, НЬ, Ч, Та, подвергают горячему прессованию. При этом карбид и/или нитрид переходного металла имеет состав МеА +, где Меметалл;А- углерод и/или азот, 1+х 0,97, Прииспользовании температуры 1400- 1600 С и давления 55-60 кбар получают материал твердостью 3400-6000 кг/ммф,т1 з.п. ф-лы, 3 табл 3 ил,1308193 35 40 45 50 55 МеА,р ,1Изобретение относится к областиполучения высокотвердых керамическихматериалов для режущего инструмента.Известен керамический материал наоснове карбида бора кубической модификации и 30 -ного карбида жаропрочного металла (титана, тантала, вольфрама или их смеси) с металлическимсвязующим материалом, причем размерчастиц нитрида бора превышает 80 мкм.Материал имеет структуру, сложеннуюотносительно крупными зернами нитри"да бора, непосредственно связаннымидруг с другом.Материал при его использовании вкачестве режущего инструмента не обладает достаточной стойкостью при резании высокозакаленной стали.Целью изобретения является повышение износостойкости,Поставленная цель достигается засчет того, что керамика горячего прес 1.сования для режущего инструмента,содержащая нитрид бора кубическойили вюртцитной модификации и тугоплавкий карбид и/или нитрид, или борид,или силицид переходного металлаизгруппы: Тх, Ег, НЕ, Ч ЯЬ, Та, И,содержит нитрид бора с размером час. тиц ЫО мкм, диспергированный вматрице тугоплавкого карбида и/илинитрида, или борида, или силицидауказанного переходного металла приследующем соотношении компонентов,об, :Нитрид бора с размером частиц (10 мкм 10-80Тугоплавкий карбид и/илинитрид, или борид,или силицид переходного металла из группы: Тх, Ег, НГ, Ч,ИЬ, Та, У 20-90Кроме того, она содержит карбиди/или нитрид переходного металла состава где Ме - переходный металл;А " С и/или И; 1+х й 0,97.Для того, чтобы придать керамике горячей прессовки на основе кубического ВИ свойства, нужные для инструмента механической обработки,. например для режущего инструмента, необходимым связывающий материал, обладающий более высокой теплопроводностью, теплостойкостью, твердостью, сопротивлением к истиранию, вязкостью, антиреакционностью к обрабатываемой детали, чем указанные известные связующие металлы, такие как кольбат.В изобретении в .качестве связующих материалов, удовлетворяющих укаэанным требованиям, выбраны карбиды,нитриды, карбонитриды, бориды и силициды металлов переходных групп 1 Уа10 (Тз., Ег, НК,), Ча (Ч, ИЬ, Та, У) периодической таблицы, их смеси, а так"же соединения их твердых растворов.Эти соединения обладают главным образом высокими значениями твердости,15 тем ературы сварки и теп опроводно -ти, близкой по величине к теплопроводности металлов.Установлено, что нижний пределсодержания кубического (вюртцитного)20 ВИ составляет 10 . При меньшем егосодержании керамика не проявляет винструменте свойств, присущих кубическому ВМ; при содержании последнего более 80 невозможно получить ма.- териал требуемой структуры,При использовании, например, нитридов состава МеИ +,г (где Ме - Т,Ег, Нй, Ч, ИЬ, Та, И, а х означаетсуществование либо вакансии, либолишнего атома) найдено, что некоторыенитриды со значением х в ограниченном диапазоне (х ( 0,97) проявляют лучшую степень спекания. Тонкий порошок из частиц ВИ в несколько микронили еще меньше содержит сравнительнобольшое количество кислорода, большая часть которого обычно присутствует в виде гидроокиси или т.п, При нагревании этого гидроокисного соедине ия оно расщепляется с образованиемгазов. Если материал, подвергаемыйспеканию, не полностью уплотнен, тоудалить газы из системы не трудно.Однако при спекании под сверхвысокими давлениями, как в изобретении, невозможно удалить газы из системы. Вэтом случае обычно предварительнообезгаживают материал, как известнопо порошковой металлургии, Однако,если при обезгаживании нельзя использовать высокие температуры, как вэтом случае, то возникает проблема.Таким образом, температуры нагреваограничены из-за реконверсии кубического ВИ в форму низкого давления нитрида бора.,Процесс обезгаживания тонкого порошка осуществляют следующим образом.3 13081Сначала удаляют при низких температурах физически адсорбированныегаз и воду, Затем отщепляют химически ацсорбированные газ и гидратыокисей. Наконец остаются окислы. Всилу того, что кубический ВИ стабиленпри температурах ниже 1000 С, егоможно предварительно нагреть хотя быдо этой точки, Поэтому, если предварительная обезгаживающая обработка 10проведена, оставшиеся газовые компоненты находятся в виде окислов. Однако в силу того, что нужно, чтобы прессованная керамика содержала как мож. -но меньше газообразных компонентов, 15предпочтительно удалять воду и водо -род с помощью предварительной обработки.В описанном процессе все материалы по изобретению подвергают обезгаживанию в вакууме при давлении ниже10 мм.рт,ст, при температурах свыше700 С в течение свыше 10 мин.Причины, благодаря которым можнополучить лучшую прессованную керамику при добавлении И 1+д, заключаютсяв следующем,Окислы в виде ВОз существуют наповерхностях порошка кубического ВИдаже после указанной обезгаживающей 30обработки. Когда это ВО,часть Ме,соответствующая ( - х) иэ МеМ 1, вступает в реакцию ВО + 4 Ме-фМеВ + ЗМеО, 35при этом не образуется газ иМе имеет такую же кристаллическую структуру, как и МеИ, посредством чего образуется твердый раствор. Это можетбыть причиной, благодаря которой нитриды Т, 2 г и НГ, изображаемые в виде МеМ г, проявляют более высокуюстепень спекания.Укаэанные соображения применимы45не только к нитридам, но также и ккарбидам формулы МеС+, карбонитридам формулы Ме(С,Б)1, их смесям,а также к соединениям их твердых растворов,50Установлено, что когда соединения .Ть., 7 г, НГ,7, ИЬ и Та, Ю формулИей 4 , МеС.г и Ме(С,И) , имеютзначейия (1+х) мейьше, чем 0,97, онипроявляют отличную степень спекания.Кроме того, получены различныематеРиалы из ТИ 1 х, значение (1+х)в котором изменялось в широких пределах. Каждый иэ материалов смешивали 93 4с кубическим ВИ и спекали при высоких температурах под высоким давлением, чтобы получить керамику горячей прессовки. В результате исследованиясвойств каждой прессованной керамикинайдено, что во всех случаях плотносконцентрированная прессованная керамика обладает высокой твердостью,причем постоянная решетки ТМ в прес-сованной керамике быпа вышее, чем постоянная решетка ТхХ в порошковомматериале.П р им е р 1. Порошок кубического ВМ со средним размером частиц7 мкм и порошок Т 1.Мд , со среднимразмером частицмкм тщательно перемешали при объемном соотношении 60:40в ступке. Порошковую смесь после до -бавления 2 вес.7. камфоры в расчетена полный вес смеси отформовали в необожженную прессовку внешним диаметром 10 мм и высотой 1,5 мм. Необожженную прессовку поместили в капсулуиз нержавеющей стали. Капсулу нагревали при 1100 С в течение 20 мин ввакууме 10 мм рт,ст. для обеэгажифвания в вакуумной печи. Капсулу помещают в аппарат сверхвысокого давления поясного типа, использующегопирофиллит в качестве прессовальнойсреды, а графитовую трубу. - в качестве нагревателя. Пространство междуобразцом и нагревателем заполняютхлористым натрием. Сначала давлениеподнимают до 55 кбар, затем повышаюттемпературу до 1400 С. После подъемав течение 30 мин температуру снижаюти постепенно снимают дваление; чтобыполучить керамику горячей прессовкипо изобретению внешним диаметром 10 мми толщиной 1 мм,Полученную таким образом керамикугорячей прессовки шлифуют алмазнымдиском, чтобы получить плоскую поверхность, которую затем полируют алмазной пастой, В результате рентгенострукторного анализа обнаружено небольшое количество ТВ.наряду с ку%бическим ВИ и ТИ. Средняя твердостькерамики горячей прессовки составляла 3200 кг/мм (согласно результатаммикротвердометра Викерса) .Керамику горячей прессовки разрезали алмазным резаком на рабочий конец режущего инструмента. Рабочийконец припаяли твердым припоем кстальной основе. В испытаниях по резанию сталь ЗЫ БИСИ 9 твердостью НЕС1308193 54 после термической обработки резали инструментами при следующих условиях; скорость резания 120 м/мин,глубина резания 0,2 мм и подача О, 12мм на оборот. Режущий инструмент цементированного сплава по изобретениюбып способен к непрерывному резаниюв течение 35 мин до того, как ширинаизноса на выступающей поверхностикромки инструмента достигла 0,2 мм,10П р и м е р 2, Порошок кубического ВИ со средним размером частиц4 мкм и порошок Т 1(СО, Мо )ойдо сосредним размером частиц 1 мкм перемешали при объемном соотношении 70::30 и отформовали в керамику горячейпрессовки аналогично примеру 1.Керамику горячей прессовки отшлиФовали алмазным диском и припаялитвердым припоем к цементированному 20карбидному концу фрезеровального инструмента.Для испытания резания отливку изстали ЭЯ РС 25 шириной 80 мм и дли 2 гной 300 мм разрезали в продольномнаправлении цилиндрической фрезой,используя водорастворимое масло длярезки, при условиях: скорость резания 500 м/мин, глубина резания 1 мми подача 2800 мм/мин. Режущий инструмент согласно изобретению смог прорезать 500 проходов.П р и м е р 3, Смесь порошка кубического ВИ со средним размеромчастиц 4 мкм и одного из связующих 35соединений в объемном соотношении,укаэанном в табл.1, отформовали внеобожженную прессовку таким же способом, как в примере 1,Необожженную прессовку затем поместили в молибденовую капсулу и после предварительного нагревания под - вергли спеканию с помощью аппарата сверхвысокого давления, причем темпе- "5 ратуру при спекании поддерживали в течение 20 мин, как и в примере 1,Каждой из указанных керамик прессовки придали плотную структуру, Ра бочий конец режущего инструмента изготовили либо из образца 3, из образца 4 или из образца 5, полученных выше, и для сравнения два режущих инструмента изготовили из керамики горячей прессовки из порошка ТЮ р55 отпрессованного при 1700 С в течение 15 мин под давлением 200 кг/см и иэ цементированного карбида ЛдБ Р 10 соответственно. Испытания резания проводили при условиях: скорость резания 150 м/мин, глубина резания О, 5 мм и подача 0,1 мм на оборот, на стержне из стали ЛЯЯ 45 С, подвергнутой термическому рафинированию, чтобы исследовать шероховатость обработанной поверхности. Все испьггываемые режущие инструменты имели режущую кромку радиусом 0,8 мм. При использовании режущего инструмента образцов 3,4 или 5 согласно изобретению, шероховатость обработанной поверхности составляла 2-3 мкм, но когда испольэовали режущие инструменты из керамики горячей прессовки, состоящей только из ТхМ и пэ обычного цементированного карбида, соответствующего 118 Р 10, то шероховатость быпа в пределах 4 6 и 6 - 12 мкм соответственно.П р и м е р 4. Порошок вюртцитного ВИ, содержащий 0,7 мас,7 кислорода со средним размером частиц менее 2 мкм, полученный так называемым методом ударной волны, смешивали в шаровой мельнице в течение 48 ч с порошком ТМ осо средним размером частиц 1 мкм, содержащим 18, 1 вес.7. азота, в весовом соотношении 60:40, используя ацетон в качестве растворителя. Порошковую смесь отформовали в необожженную прессовку с наружным диаметром 10 мм и толщиной 1,5 мм, а затем ее поместили в железную капсулу в форме цилиндра, снабженного донной частью, Капсулу поместили в вакуумную печь и нагревали при 700 Со в течение 20 мин под. давлением 10мм рт.ст, для ее обеэгаживания.Обезгаженный продукт поместили в аппарат сверхвысокого давления поясного типа с пирофиллитом в качестве прессовальной среды и графитовой трубкой в качестве нагревателя, причем зазор между образцом и нагревателем был заполнен хлористым натрием. Сначала давление повысили до 55 кбар, затем подняли температуру и удерживали ее при 1200 С в течение 30 мин. После этого температуру понизили и постепенно убрали давление, получив керамику горячей прессовки по изобретению. Полученная таким образом керамикагорячей прессовки после шлифованияалмазным кругом быпа отполированапритиркой алмазной пастой. Твердостьпо Викерсу притертой поверхности прес130819 20 сованной керамики составляла400 кг/ммг. Рентгенострукный анализ притертой поверхности дает .слабые пики,. которые можно приписать Т 1 Вг наряду с пиками, соответствующими вюртцитному ВМ и твердому раствору Тд(М,0).П р и м е р 5, Тот же самый порошок вюртцитного ВМ, который исполь. зован в примере 4, смешали с одним 10 из связующих соединений в определенном объемном соотношении и отформовали в керамику горячей прессовки по изобретению, имеющую плотную стру. ктуру, поддерживая величины темпера туры и давления в течение 30 мин.Затем измерили твердость керамики горячей прессовки. Результаты приведены в табл.2. 1(Т о,в, Таад (С о, ) Мо, )о,зП р и м е р Ь. Тот же самый порошок вюртцитного ВМ, который использовали в примере 3, смешали с порошком ТдС, в объемном соотношении, ука занном в табл.3,На фиг.1 показаны. результаты измерения с помощью рентгеноструктурного анализа постоянных решетки ТМ в кера 35 миках горячей прессовки, которые получали под давлением 55 кбар при различных температурах посредством смешивания 60 об порошкового кубического ВМ, имеющего частицы трех раз- О личных размеров, и 40 об.ТМ (содержание азота 17,4% в ТМ), имеющего средний размер частиц 1 мкм. На фиг.1 светлыми квадратами показана керамика кубического ВМ при использовании частиц со средним размером 1 мкм, светлыми треугольниками -3 мкм, а светлыми кружками. -5 мкм, линией А показаны постоянные решетки керамики из одного Т 1 М о , а линиеи" 50Б - постоянная решетки порошкового материала ТЮ 072Постоянная решетки материала Т 1 М составляла 4,232 1, в товремя как в прессованной керамике кубического ВМ и Т 1 М Ог постоянныерешетки ТдМ (в качестве матрицы для кубического ВМ) были больше и имели 3 8более высокое значение, чем максимальное значение для Т 1 М+, Причина,из-эа которой изменяется постояннаярешетки в прессованной керамике поизобретению, заключается в следующем. Известно, что существует большое, количество атомных пустот в Т 1 и М формулы ТМ 1+ даже в том случае, если ТМр является стехиометрическим соединением Т 1 МО 7 г 9 испольэуемый для получения экспериментальных результатов на фиг.1, имеет большее количество атомных пустот М, чем Т 1, в которых также должны находиться атомные пустоты. На фиг.1 кривой А показаны постоянные кристаллической решетки прессованных керамик, которые получали спеканием порошкового ТМО 7 г, не содержащего кубического ВМ под давлением 55 кбар при различных температурах. В этом случае постоянные решетки ТдМ также становятся выше, чем в порошковом материале ТМ, из-эа обработки высокой температурой и давлением. Поэтому чем выше степень атомной пустоты, тем меньше постоянная решетки кристалла. Изменение степени атомной пустоты может происходить из-эа движения атомных пустот в пределах кристаллической решетки под действием обработки высокими температурами и давлением, посредством чего степень пустоты уменьшается до некоторой величины, определяемой температурой и давлени-ем, что было с Тд 0 с такой же кристаллической структурой, как и ТЮ,Таким образом, каждая точка, нанесенная на фиг, 1, является значением измерения керамики горячей прессовки, которая была плотно сконцентрирована и обладала высокой твердостью, В измеренном диапазоне постоянные решетки Т 1 М в керамиках горячей прессовки по изобретению выше постоянных кристаллической решетки как порошкового материала Т 1 М, так и керамики, состоящей только из ТМ;При этом чем выше температура спекания, тем больше постоянная решетки,которая обычно достигает постоянного значения, и чем мельче размер частиц используемого порошкового материала кубического ВМ, тем больше постоянная решетки при низких температурах. Это объясняется тем, что,вовремя спекания части, сравнительнообогащенной Т 1, в порошковом матери1308193 10На фиг,2 показана изностойкость режущего инструмента с керамикой но 1 лученной по изобретению, на фиг.З влйяние содержания ВИ плотной модификации на время, в течение которого керамика изнашивается на определенную величину.Таким образом, содержание ВИ в пределах 10-80% является областью повышенной износостойкости. Формула изобретения 1. Керамика горячего прессования для режущего инструмента, содержащая нитрид. бора кубической или вюртцитной модификации и тугоплавкий карбид и/или нитрид, или борид, или силнцид переходного металла из группы: Т, 2 г, НЕ, Ч, ИЬ, Та, У, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повышения износостойкости, она содержит нитрид бора с размером частиц ( 10 мкм, диспергированный в матрице тугоплавкого карбида и/или нитрида, или борида, или силицида указанного переходного металла при следующем соотношении компонентов, об.%:Нитрид бора с размером частиц 10 мкм 10"80 Тугоплавкий карбиди/или нитрид,или борид,или силицид переходного металла изгруппы Т 1, Ег, НГ,Ч, ИЬ, Та, И 20-902, Керамика по п,1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что она содержиткарбид и/или нитрид переходного металла состава1 еА 1 э65 Зб 30 70 40 1300 9але ТдИ,1+образуется ТдВ или ТВ при реакции ТИ 1 и ВИ, который яв 1 йхляется твердым компонентом прессованной керамики по изобретению, и в то же время И в ВИ диффундирует в 5ФТИ матрицы, заполняя атомные пустоты, сравнительно обедненные И в ТИ . В этом случае, если используют более мелкий порошок кубического ВИ, становится больше площадь кон- такта с порошком Т 1 И 1+, что способствует указанной реакции при низких температурах. Согласно изобретению при реакции на поверхностях контакта между частицами ТИ и кубическо 1+Хго ВИ, являющегося твердым компонен" том, можно получить очень твердую, плотно сконцентрированную прессованную керамику, в которой частицы кубического ВИ крепко связаны вместе матрицей кристаллов ТИ.Используя порошковые материалы ТИх с различными значениями (1+х), найдейо, что температурные условия, в которых можно получить плотно скон 25 центрированную керамику, сдвигаются в сторону более высоких значений по мере того, как.значение (1+х) становится больше. Причина состоит в том, что уменьшается сравнительный избыток Тх, который участвует в реакции с частицами кубического ВИ, а также степень атомной пустоты И по мере того, как значение (1+х) становится больше. 35Однако если спекание осуществляют в устройстве сверхвысокого давления, как в изобретении, наиболее предпочтительно проводить процесс при более низких температурах, так как в этом случае можно продлить срок службы устройства и уменьшить взаимодействие керамики горячей прессовки с окружающим материалом.Указанные результаты можно, кроме ТдИ,1, применить к Т(С,И),Давление, Температура, кбар С1308193 12 Образец Связ бический Соста об. 1100 35 гУО,В 9 Зг 1400 Зд 160 35 аСов 5 2 гВ 2 а б л и ц Образец вление 06.% Состав 3000 1300 1300 г"о,9 з 3100 40 400 00 140 40 20 00 200 60 60 0,9 150 2-00(т,ко) С 4 140 000 140 140 700 Связующие соединен ВЙМр зртд(с,и)"тес,и)2 тр)с 3 Т 1,та)(С,Н) 3 щие соединения 1 8513 1308193 Таблица 3 20 3100 1400 60 ба 60 3200 1400 6 б 30 3500 1400 60 40 бв 1500 3800 60 бг 1500 4500 60 60 6 д 70 4900 1500 60 бе 60 5300 1600 80 6 з 6000 1600 60 90 ФО 1000 ИОО ЙОО %500 ФООТемпература спвкания "О)Юе, Ф Образец Вюртцит ный ВИ,об.Е1308193 5 10 Ю Л 7 Ю Время рюания мин,) Риа Е фй 7 ЗР ФО бО ЮСодержание бюрцитного ЮЯ ооземРвй %,lАЫ У Н,СоболеваданичК оставителехред М.Х р Т.Кол едактор М,Келемеш Заказ 1 б 44 ИИПИ Гпо дел3035, М д. 4 ска Производственно-полиграфическое предприятие, г,ужгород, ул.Проектная,4ЯО оо Тираж 588ударственного км изобретений исква, Ж, Рау Подписмитета СССРоткрытий