Способ изготовления режущего элемента

Способ изготовления режущего элемента

Реферат

 

Способ изготовления режущего элемента, включающий воздействие высокого давления и температуры на расположенные в контакте друг с другом слои металлического связующего, порошка сверхтвердого материала и материала подложки, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационных свойств, в качестве подложки используют смесь алмаза, кубического нитрида бора или их смеси с 35-65% компонентов металлического связующего с температурой плавления на 5-15% выше, чем температура плавления металлического связующего, и размерами частиц 50-600 мкм, а нагрев осуществляют до температуры плавления металлического связующего со скоростью 150-350^oC/с, а затем понижают давление до атмосферного в течение 1-3 с.

Изобретение относится к способам получения режущего инструмента из сверхтвердых композиционных материалов в камерах высоких давлений и температур и может быть использовано в инструментальной промышленности. Целью изобретения является повышение эксплуатационных свойств. Способ изготовления режущего элемента заключается в направленной пропитке под высоким давлением металлическим связующим последовательно двух слоев: слоя порошка сверхтвердого материала (СТМ), преимущественно алмаза, кубического нитрида бора, а также их смеси, и расположенного за ним слоя смеси порошка сверхтвердого материала с частицами металлического компонента, при этом металлическое связующее нагревают до температуры плавления со скоростью 150 - 350^oC/c, выдерживают в состоянии плавления, после чего снижают величину рабочего давления в течение 1 - 3 с с момента отключения источника тепла. Материалом частиц металлического компонента являются сплавы с температурой плавления на 5 - 15% выше, чем у металлического связующего, а количество частиц берут 35 - 65 об.% с размерами частиц 50 - 600 мкм. На фиг. 1 приведена схема осуществления способа. В контейнер из литографического камня 1 помещают токопровод 2 и электронагреватель 3. В образовавшуюся емкость послойно помещают шайбу 4 из металлического связующего, порошок СТМ и смесь порошка СТМ 5 с частицами металлического компонента 6. Слои порошков уплотняют и закрывают крышками 7 и 8. Снаряженный по данной схеме контейнер помещают в камеру высокого давления и температуры. Достигают величины рабочего давления и пропускают электрический ток необходимой мощности через электронагреватель 3 и токопровод 2. Величину электрической мощности берут такой, чтобы металлическое связующее нагревалось до температуры плавления со скоростью 150 - 350^oC/c. Затем производят выдержку в течение 5 - 12 с, после чего отключают электрический ток и снижают давление до атмосферного в течение 1 - 3 с с момента отключения электрического тока. Полученный продукт охлаждают в камере высокого давления и затем извлекают из нее. В момент включения электрического тока происходит интенсивный нагрев и плавление в первую очередь слоя металлического связующего. По мере прогрева порошка СТМ до температуры плавления связующего последнее пропитывает направленно слой порошка СТМ и слой смеси порошка СТМ с частицами металлического компонента. Частицы металлического компонента, температура плавления которых выше на 5 - 15%, чем металлического связующего, также плавятся и участвуют в процессе направленной пропитки слоя подложки. В результате получают режущий элемент, состоящий из двух качественно пропитанных слоев, не имеющих границы раздела. При данной схеме нагрева наиболее плотным становится режущий слой, предназначенный для выполнения основной задачи при работе режущего элемента, а подложка - менее плотная и выполняет вспомогательную конструкционную функцию. Подложка поглощает загрязнения и газообразные продукты, вытесняемые металлическим расплавом из режущего слоя при его пропитке, способствуя тем самым высоким режущим свойством режущего элемента. Толщиной подложки можно варьировать толщину всего режущего элемента в целом. Материалом частиц металлического компонента подложки по предложенному способу являются сплавы с температурой плавления на 5 - 15% выше, чем у металлического связующего. Более легкоплавкие сплавы могут расплавиться или раньше, или одновременно с металлическим связующим, в результате чего произойдет встречная пропитка двумя расплавами с образованием загрязненной области внутри режущего элемента в месте их встречи. Более тугоплавкие сплавы требуют большого температурного воздействия на исходные материалы, что отрицательно сказывается на свойствах получаемого продукта. Важнейшими технологическими признаками предложенного способа являются режимы нагрева и охлаждения исходных компонентов и получаемого продукта соответственно. Предложенная скорость нагрева исходных компонентов диктуется целесообразностью образования необходимого градиента температуры компонентов в направлении пропитки. Чем выше градиент температуры, тем выше качество пропитки. В этом случае расплавленное металлическое связующее пропитывает слои исходных порошков по мере достижения ими температуры плавления связующего. При чрезмерно высокой скорости нагрева (более 350^oC/c) возможен перегрев СТМ и резкое снижение эксплуатационных свойств режущей пластины. При скорости нагрева менее 150^oC/c слои исходных порошков, предназначенных для пропитки связующим, могут прогреться к началу пропитки практически до одинаковой с ним температуры. В этом случае металлический расплав будет пропитывать порошки менее качественно, так как пропитка будет носить избирательный характер, т.е. расплав будет заполнять предпочтительно наиболее крупные поры. Теплопроводность алмаза по сравнению с кубическим нитридом бора несколько выше, поэтому необходимый градиент температуры слоя алмазосодержащего порошка достигается при более высокой скорости направленного нагрева. Скорость нагрева металлического связующего для алмазосодержащих композиционных материалов предпочтительна в области верхнего предела рекомендуемого интервала, т.е. 250 - 350^oC/c, а для нитридоборосодержащих материалов - в области нижнего предела, т.е. 150 - 250^oC/c. Режим охлаждения получаемого продукта влияет на качество материала с точки зрения его однородности. Трещины, сколы и расслоения - основные виды дефектов продукции, получаемой в аппаратах высокого давления и температуры. Главная причина заключается в том, что практически все виды аппаратов не обеспечивают гидростатичность в области реакционного объема. При снятии величины рабочего давления вещество, передающее давление на получаемый материал, неравномерно деформируется и создает напряжения, которые, суммируясь с собственными термическими напряжениями материала, разрушают готовый продукт. Снятие величины рабочего давления за 1 - 3 с с момента отключения источника тепла позволяет охлаждать получаемый продукт практически при атмосферном давлении. В данном случае на продукт воздействуют только одни напряжения - термические, а действие напряжений при разгрузке камеры сводится к минимуму, так как оно осуществляется в момент, когда получаемый материал находится еще в твердожидком состоянии и лишен практически каких-либо напряжений. Разгрузка камеры быстрее, чем за 1 с, создает вероятность "взрывов" камеры. Если разгрузка происходит медленнее, чем за 3 с, то вероятность трещинообразования увеличивается, так как получаемый материал успевает за это время остыть и кристаллизоваться. При соблюдении указанных требований по данному способу получают режущий элемент с высокими эксплуатационными и прочностными свойствами. Режущий слой его выполнен из сверхтвердого композиционного материала (СКМ), обладающего высокими физико-механическими свойствами. Подложка элемента обладает высокой жесткостью, твердостью и прочностью сцепления с режущим слоем. На фиг. 2 приведена схема режущего элемента, где 9 - режущий слой из СКМ, 10 - подложка из СКМ в виде непрерывного каркаса с включенными в него частицами металлического компонента, 11 - частицы металлического компонента. Прочностные и эксплуатационные свойства режущего элемента во многом зависят от структуры его подложки. Так, частицы металлического компонента подложки должны быть размером от 50 до 600 мкм, а количество их в СКМ подложки должно быть 35 - 65 об.%. Частицы металлического компонента, внедренные в сверхтвердый композиционный материал подложки, в подавляющем большинстве случаев разобщены, поэтому СКМ подложки представляет собой непрерывный каркас и коэффициент термического расширения подложки близок к режущему слою. Эти частицы придают подложке ударную вязкость, а также выполняют роль наполнителя, позволяющего экономить СТМ в менее ответственной части режущего элемента. Нижний предел частиц по размеру (50 мкм) обусловливается тем, что частицы меньшего размера образуют с СКМ подложки более напряженный монолит с большим коэффициентом термического расширения, чем у режущего слоя, что ведет к увеличению напряжений в пограничных слоях режущего элемента. Верхний предел частиц по размеру (600 мкм) ограничен заметным снижением прочности подложки. Рекомендуемое содержание частиц металлического компонента в подложке (35 - 65 об.%) объясняется тем, что при содержании менее 35 об.% мала эффективность их действия как наполнителя и релаксатора напряжений, а при содержании более 65 об.% наблюдается значительное уменьшение жесткости и прочности подложки, так как происходит нарушение непрерывности каркаса из СКМ. Совокупность требований, изложенных в предложенном способе, обеспечивает получение режущего элемента с высокими эксплуатационными и прочностными свойствами. Подложка у данного режущего элемента имеет твердость HRC 58 - 68 для нитридоборосодержащего СКМ и HRA 65 - 80 для алмазосодержащего СКМ. Надежность крепления подложки к режущему слою, а также его высокие режущие свойства позволяют данному режущему элементу успешно конкурировать с лучшими видами отечественных инструментальных материалов. Так, режущий элемент, изготовленный по предложенному способу на базе порошка синтетического алмаза, превосходит по износостойкости известные металлокерамические твердые сплавы при обработке резанием стеклопластиковых материалов в 10 - 15 раз при одновременном увеличении скорости резания в 1,2 - 1,5 раза. Кроме того, по производительности обработки стеклопластиковых материалов он превосходит инструмент из алмазного синтетического поликристаллического материала (АСПК) в 1,6 - 1,8 раза за счет увеличения глубины резания. Режущий элемент, изготовленный на базе порошка кубического нитрида бора, превосходит по износостойкости металлокерамические твердые сплавы при обработке резанием низко- и среднезакаленных сталей в 5 - 10 раз (в зависимости от марки стали), а при обработке чугунов - в несколько десятков раз. Пример 1. В объем реакционной ячейки помещают послойно шайбу из металлического связующего массой 0,8 г из сплава титан-медь-кобальт (25% меди и 20% кобальта) с температурой плавления 935^oC, слой порошка кубического нитрида бора (зернистость 14 - 20 мкм, масса 1,7 г) и слой смеси массой 3,0 г порошка кубического нитрида бора и частиц титаномедного сплава (20% меди) в пропорции 2: 3, что составляет 55% сплава по объему. При этом величина частиц сплава составляет 360 мкм и температура плавления его 1100^oC, что выше на 15% по сравнению с металлическим связующим. Частицы сплава слоя равномерно размещены в порошке кубического нитрида бора и частично или полностью изолированы друг от друга этим порошком. Слой уплотняют и закрывают металлической и графитовой крышками. Снаряженный контейнер помещают в камеру высокого давления (порядка 15 кбар) и включают электрический ток. Величина электрической мощности должна быть такой, чтобы плавление слоя металлического связующего началось через 4 с с момента включения электрического тока, что соответствует скорости его нагрева до плавления 220^oC/c. Выдерживают при этой мощности 10 с, в результате чего расплавом металлического связующего направленно пропитывают слой порошка кубического нитрида бора, формируя режущий слой в виде сверхтвердого композиционного материала, затем расплав поступает в слой смеси, где он так же пропитывает порошок кубического нитрида бора, огибая частицы металлического компонента и формируя таким образом сверхтвердый композиционный материал подложки в виде каркаса. Этот каркас непрерывный, так как частицы металлического компонента в различной мере изолированы друг от друга сверхтвердым композиционным материалом. В процессе нагрева (в завершающей его фазе) частицы металлического компонента также плавятся и частично участвуют в процессе пропитки и формирования слоя подложки. По истечении времени выдержки при заданной электрической мощности выключают электрический ток и снижают величину рабочего давления до атмосферного в течение 1,5 с с момента отключения электрического тока. Далее контейнер охлаждают в течение 30 с и извлекают из него полученный спек. Спек может иметь со стороны режущего слоя остаток металлического связующего, который удаляют шлифовкой. Получают режущий элемент марки "Ниборит" для скоростной обработки резанием сталей твердостью в интервале HRC 38 - 58 (V=150 м/мин и более). В отличие от известного способа скоростная обработка данного режущего элемента обеспечивается за счет большей жесткости подложки и более качественной пропитки режущего слоя. Пример 2. Объем реакционной ячейки заполняют по примеру 1, но частицы сплава для подложки берут размером 600 мкм в пропорции к порошку кубического нитрида бора 3:1, что составляет 65% сплава по объему, и сплавом частиц является титаномеднокобальтовый сплав (10% меди и 15% кобальта) с температурой плавления 982^oC, которая на 5% выше температуры плавления металлического связующего (935^oC). Нагревают таким образом, чтобы плавление металлического связующего началось через 6 с с момента включения электрического тока, что соответствует скорости нагрева до плавления 150^oC/c. Выдерживают при этой мощности 14 с и снижают величину рабочего давления до атмосферного в течение 1 с с момента отключения электрического тока. Получают режущий элемент марки "Ниборит" для обработки чугунов в условиях ударных нагрузок. Пример 3. В объем реакционной ячейки помещают металлическое связующее - шайбу из меднотитанового сплава (55% титана) с температурой плавления 990^oC и массой 1,1 г и слой порошка синтетического алмаза зернистостью 7 - 10 мкм и массой 1,6 г. Далее помещают слой смеси массой 2,8 г порошка алмаза зернистостью 20 - 28 мкм с частицами меднотитанового сплава (80% титана), температура плавления которого 1100^oC, т.е. на 10% выше, чем у связующего. При этом величина частиц этого сплава составляет 50 мкм и количество их берут в массовой пропорции с порошком 1:1, что составляет по объему 35% сплава. Нагревают таким образом, чтобы плавление металлического связующего началось через 3 с с момента включения электрического тока, что соответствует скорости нагрева до плавления 350^oC/c. Выдерживают 6 с и снижают величину рабочего давления в течение 4 с с момента отключения электрического тока. Получают режущий элемент марки "Алмет" для токарной и фрезерной обработки стеклопластиковых материалов, которые не обрабатываются режущими элементами, изготовленными по известному способу. Пример 4. Объем реакционной ячейки заполняют по примеру 3, но слой порошка сверхтвердого материала берут в соотношении синтетический алмаз зернистостью 7 - 10 мкм 20% и кубический нитрид бора зернистостью 28 - 40 мкм 80%, а порошок сверхтвердого материала в смеси с частицами металлического компонента берут также в соотношении синтетический алмаз зернистостью 7 - 10 мкм 20% и кубический нитрид бора зернистостью 28 - 40 мкм 80%. Нагревают металлическое связующее до его плавления со скоростью нагрева 190^oC/c в течение 5 с, выдерживают 12 с и снижают величину рабочего давления в течение 2 с. Получают режущий элемент марки "Ниборит", предназначенный для обработки резанием углепластиковых материалов. Известным способом не предусмотрено получение подобных материалов.

Формула изобретения

Способ изготовления режущего элемента, включающий воздействие высокого давления и температуры на расположенные в контакте друг с другом слои металлического связующего, порошка сверхтвердого материала и материала подложки, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационных свойств, в качестве подложки используют смесь алмаза, кубического нитрида бора или их смеси с 35-65% компонентов металлического связующего с температурой плавления на 5-15% выше, чем температура плавления металлического связующего, и размерами частиц 50-600 мкм, а нагрев осуществляют до температуры плавления металлического связующего со скоростью 150-350^oC/с, а затем понижают давление до атмосферного в течение 1-3 с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2