Способ изготовления твердого сплава на основе карбида вольфрама и сложного карбонитрида титана-вольфрама

Способ изготовления твердого сплава на основе карбида вольфрама и сложного карбонитрида титана-вольфрама

Реферат

Изобретение относится к производству твердых сплавов инструментального назначения и может быть использовано преимущественно для изготовления режущего инструмента с повышенными требованиями по износостойкости при обработке резанием труднообрабатываемых сталей и сплавов.

Известен ряд решений по технологии твердых сплавов с использованием в виде основы или как одного из компонентов карбонитридов переходных металлов, преимущественно титана.

В заявке Японии №5-37220, принадлежащей корпорации Mitsubishi Materials Со., в качестве основы твердого сплава предлагается использовать 75÷95% сложного карбонитрида (Ti,Me)CN, где Me - металл IV÷VI группы. Пористость такого сплава составляет 0,5-6 об.%, что снижает уровень механических свойств.

В патенте США №4049876 сложный карбонитрид титана-вольфрама (при соотношении W:Ti=0,2:0,8) предварительно синтезируют из смеси оксидов титана и вольфрама в три стадии - при температуре 1600°С в среде азота в течение 1 часа, далее при 1800°С в среде водорода в течение 1 часа и, наконец, при 1500°С в среде азота в течение 1 часа. Химический анализ полученного карбонитрида показал общее содержание углерода 7,78%, 0,50% свободного углерода и кислорода 0,09% и азота 2,7%. Мольное отношение N/(С+N) составило 23,7%. Для получения твердого сплава 40% такого карбонитрида, 52% порошка WC и 8% Со измельчали мокрым способом в течение 96 часов, высушивали и прессовали при давлении 1 т/см², спекали при температуре от 1350 до 1450°С в течение 1 часа в среде азота при давлении 50 мм рт.ст. Полученный сплав обладает прочностью при изгибе 1570 МПа и твердостью по Виккерсу 16 ГПа, что недостаточно для широкого применения такого материала при резании металлов и сплавов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения сплава на основе карбонитрида титана с регулируемой износостойкостью и ударной вязкостью, предложенный в патенте США №6129891 опубликованный 10.10.2000 (приоритет фирмы "Sandvik AB", Швеция от 20 января 1995 г., международная заявка PCT/SE96/00052 от 19 января 1996 г.). В известном способе для получения твердого сплава, используемого как материал вставки в режущем инструменте для токарной обработки металлов, вальцевания и сверления и обладающего оптимальным соотношением между ударной вязкостью и износостойкостью, предлагается использовать карбонитрид титана как основу. Кроме того, в исходную шихту сплава добавляется кобальт (8÷15%), соединения вольфрама - WC и/или (Ti,W)C и (Ti,W)(C,N). Предлагаемый по известному способу твердый сплав содержит, мас.%: WC - 18,1%, TiN - 21,5%, TiC - 43,0%, Co - 17,1%.

Сплав спекали при 1430°С, предел прочности при изгибе составил 1900 МПа, твердость по Виккерсу - 16 ГПа.

К недостаткам известного способа относится недостаточно высокая механическая прочность (1900-2000 МПа), что ограничивает области применения режущего инструмента.

Целью предлагаемого технического решения является увеличение механической прочности твердого сплава при сохранении требуемого уровня твердости.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе изготовления твердого сплава на основе карбида вольфрама и сложного карбонитрида титана-вольфрама, включающем введение в исходную шихту кобальта, тонкий помол смеси исходных компонентов, прессование пластифицированной шихты, сушку и спекание заготовок в вакууме при Т=1420÷1440°С, предварительно синтезируют сложный карбонитрид титана-вольфрама с общей формулой Ti_1-xW_xC_1-yN_y, где x=0,1÷0,7 и y=0,1÷0,5, из тонкомолотой смеси карбида вольфрама, карбида титана и нитрида титана в среде азота при 1800÷1900°С, а в исходную шихту вводят 8÷13 мас.% кобальта при массовом соотношении карбида вольфрама и сложного карбонитрида 1:3÷3:1 соответственно.

Предлагаемые сплавы обладают твердостью по Виккерсу Hv=16÷18 ГПа, прочностью при изгибе 2200÷2800 МПа и высокими показателями режущих свойств.

Предлагаемое техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1.

Предварительный синтез карбонитрида титана-вольфрама с общей формулой Ti_0,9W_0,1C_0,5N_0,5 из расчета на 1 кг производится из 262,7 г карбида вольфрама по ТУ 6-09-4694-78, 321,7 г карбида титана по ТУ 6-09-492-75 и 415,6 г нитрида титана по ТУ 6-09-112-75 при температуре 1800°С в среде азота. Шихта твердого сплава состоит из одной части карбида вольфрама по массе и трех частей сложного карбонитрида, дополнительно содержит 13 мас.% кобальта. Температура спекания в вакууме 1400°С. Полученный твердый сплав имеет прочность при изгибе 2200 МПа и твердость по Виккерсу 16 ГПа.

Пример 2.

Предварительный синтез карбонитрида титана-вольфрама с общей формулой Ti_0,3W_0,7C_0,9N_0,1 из расчета на 1 кг производится из 882,9 г карбида вольфрама по ТУ 6-09-4694-78, 77,2 г карбида титана по ТУ 6-09-492-75 и 39,9 г нитрида титана по ТУ 6-09-112-75 при температуре 1900°С в среде азота. Шихта твердого сплава состоит из трех частей карбида вольфрама по массе и одной части сложного карбонитрида, дополнительно содержит 8 мас.% кобальта. Температура спекания в вакууме 1440°С. Полученный твердый сплав имеет прочность при изгибе 2400 МПа и твердость по Виккерсу 17 ГПа.

Пример 3.

Предварительный синтез карбонитрида титана-вольфрама с общей формулой Ti_0,6W_0,4C_0,7N_0,3 из расчета на 1 кг производится из 681,7 г карбида вольфрама по ТУ 6-09-4694-78, 156,6 г карбида титана по ТУ 6-09-492-75 и 161,7 г нитрида титана по ТУ 6-09-112-75 при температуре 1850°С в среде азота. Шихта твердого сплава состоит из одной части карбида вольфрама по массе и одной части сложного карбонитрида, дополнительно содержит 10,5 мас.% кобальта. Температура спекания в вакууме 1430°С. Полученный твердый сплав имеет прочность при изгибе 2800 МПа и твердость по Виккерсу 18 ГПа.

Данные по физико-механическим показателям твердых сплавов по примерам 1-3 и по прототипу приведены в таблице.

Заявляемый способ позволяет получать высокопрочный и твердый материал для изготовления режущего инструмента, обладающего пониженной адгезией к обрабатываемому материалу и, как следствие, снижением температура в зоне контакта с режущей кромкой.

№ примера	Значения коэффициентов x и y в формуле сложного карбонитрида Ti1-xWxC1-yNy	Температура синтеза сложного карбонитрида, °С	Соотношение WC/сл. карбонитрид в твердом сплаве	Содержание кобальта в твердом сплаве, мас.%	Темпера тура спекания твердого сплава, °С	Предел прочности при изгибе, МПа	Твердость по Виккерсу, ГПа
	x	y
1	0,1	0,5	1800	1:3	13	1420	2200	16
2	0,7	0,1	1900	3:1	10,5	1440	2400	17
3	0,4	0,3	1850	1:1	8	1430	2800	18
прототип	-	-	-	-	17,1	1430	1900	16

Способ изготовления твердого сплава на основе карбида вольфрама и сложного карбонитрида титана-вольфрама, включающий введение в исходную шихту кобальта, тонкий помол смеси исходных компонентов, прессование пластифицированной шихты, сушку и спекание заготовок в вакууме при Т=1420-1440°С, отличающийся тем, что предварительно синтезируют сложный карбонитрид титана-вольфрама общей формулы Ti_1-xW_xC_1-yN_y, где х=0,1-0,7 и y=0,1-0,5, из тонкомолотой смеси карбида вольфрама, карбида титана и нитрида титана в среде азота при 1800-1900°С, а в исходную шихту вводят 8-13 мас.% кобальта при массовом соотношении карбида вольфрама и сложного карбонитрида 1:3-3:1 соответственно.