RU2185930C1

RU2185930C1 - Method for obtaining superhard composite material based on cubic boron nitride for cutting tools

Info

Publication number: RU2185930C1
Application number: RU2001117735A
Authority: RU
Inventors: В.А. Пастунов; В.В. Калошин; Д.Л. Гурьев
Original assignee: АО "Центральный научно-исследовательский технологический институт"
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2002-07-27

Abstract

FIELD: powder metallurgy. SUBSTANCE: method involves placing cubic boron nitride powder on substrate of hard alloy; providing hot pressing under pressure of 40-60 kbar corresponding to thermodynamic resistance of cubic boron nitride; heating to temperature of 1,400-1,700 C; holding under pressure; reducing pressure to atmospheric pressure value and withdrawing substrate. Thickness of substrate does not exceed 0.25h, where h is thickness of composite material. Prior to hot pressing procedure, compressed pellet of working layer burden is preliminarily placed in lower part of graphite heater, and powdered hard alloy with grain size of up to 315 micron is spilled onto burden pellet. Hard alloy based on cobalt-bound tungsten carbide is used as substrate. Method allows high-quality caking of cubic boron with adhesion substrate layer to be produced and may be used in instrument making for furnishing with cutting tools operating under conditions of continuous and interrupted cutting of hard steel, cast iron, hard alloys and other difficult-to-cut materials. EFFECT: increased yield and provision for stable characteristics of cutting tool. 3 cl, 3 ex

Description

Изобретение относится к получению сверхтвердых композиционных материалов, которые могут найти применение в инструментальном производстве для оснащения лезвийных инструментов, работающих в условиях непрерывного и прерывистого (с ударом) резания закаленных сталей, чугунов, твердых сплавов и других труднообрабатываемых материалов. The invention relates to the production of superhard composite materials that can be used in tool production for equipping blade tools working in the conditions of continuous and intermittent (with impact) cutting of hardened steels, cast irons, hard alloys and other difficult to process materials.

Известен способ получения двухслойной пластины на основе режущего слоя из кубического нитрида бора (КНБ) горячим прессованием смеси на нижний слой (подложку) из металлокерамического материала, содержащего ряд металлов или соединений (Акцептированная заявка Японии 1-23241, М. кл.⁴ В 23 В 17/14, 1989).A known method of obtaining a two-layer plate based on a cutting layer of cubic boron nitride (CBN) by hot pressing the mixture onto the lower layer (substrate) of a cermet material containing a number of metals or compounds (Accepted application of Japan 1-23241, M. class. ⁴ V 23 V 17/14, 1989).

Недостатком двухслойной пластины по данному изобретению является возникновение высоких напряжений при горячем прессовании на границе между слоями за счет разности коэффициентов термического расширения материалов подложки и режущего слоя, а также разных модулей упругости слоев, что приводит к значительному проценту дефектных пластин с трещинами. The disadvantage of the two-layer plate according to this invention is the occurrence of high stresses during hot pressing at the interface between the layers due to the difference in the thermal expansion coefficients of the substrate materials and the cutting layer, as well as different elastic moduli of the layers, which leads to a significant percentage of defective plates with cracks.

Известен способ получения сверхтвердого композиционного материала, принятый нами в качестве прототипа, в котором смесь микропорошка кубического нитрида бора с покрытием нитридом и боридом титана укладывают на пластину из твердого сплава типа ВК8 и спекают (патент РФ 2147972, М.кл.⁷ В 22 F 3/14, 1999 г.).A known method of producing superhard composite material, adopted by us as a prototype, in which a mixture of micropowder of cubic boron nitride coated with nitride and titanium boride is laid on a plate made of carbide type VK8 and sintered (RF patent 2147972, Mcl ⁷ V 22 F 3 / 14, 1999).

Недостатком прототипа является получение неоднородных по структуре заготовок, что приводит к большому разбросу их режущих свойств и значительной выбраковке инструмента. The disadvantage of the prototype is to obtain a heterogeneous structure of the workpieces, which leads to a large spread of their cutting properties and significant rejection of the tool.

Задачей настоящего изобретения является получение сверхтвердого композиционного материала для двухслойных пластин режущего инструмента, обладающего высокой износостойкостью. The objective of the present invention is to obtain an ultrahard composite material for two-layer inserts of a cutting tool having high wear resistance.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе получения сверхтвердого композиционного материала на основе кубического нитрида бора для режущих инструментов, путем размещения порошка кубического нитрида бора на подложке из твердого сплава, горячего прессования под давлением 40-60 кбар, соответствующем термодинамичесой устойчивости кубического нитрида бора, и нагреве до 1400-1700^oС, выдержки под давлением с последующим снижением давления до атмосферного и извлечения заготовки, толщина подложки не превышает 0,25 h, где h - толщина композиционного материала, перед горячим прессованием в нижней части графитового нагревателя помещают предварительно спрессованную таблетку из шихты рабочего слоя материала, а сверху на таблетку насыпают порошкообразный твердый сплав зернистостью до 315 мкм, в качестве материала подложки выбирают твердый сплав на основе карбидов вольфрама на кобальтовой связке.The solution to this problem is provided by the fact that in the method for producing a superhard composite material based on cubic boron nitride for cutting tools, by placing cubic boron nitride powder on a hard alloy substrate, hot pressing under a pressure of 40-60 kbar corresponding to the thermodynamic stability of cubic boron nitride, and heating to 1400-1700 ^o C, holding under pressure, followed by lowering the pressure to atmospheric and removing the workpiece, the thickness of the substrate does not exceed 0.25 h, where h is the thickness and a composite material, before hot pressing, a pre-pressed tablet is placed from the charge of the working layer of material in the lower part of the graphite heater, and a powdery hard alloy with a grain size of up to 315 μm is poured onto the tablet, and a tungsten carbide carbide based on a cobalt bond is selected as the substrate material.

Предлагаемое соотношение толщин подложки и двухслойной пластины 0,25h, где h - толщина двухслойной пластины, позволяет скомпенсировать разницу линейных изменений рабочего слоя и металлокерамической подложки, возникающую в результате изменений температуры и давления в процессе горячего статического прессования за счет разрыва сплошности менее прочного слоя подложки. В результате образуется подложка с трещинами, что не ухудшает ее адгезионных свойств по отношению к припоям. Сохраняются также прочностные характеристики рабочего слоя на поверхности, сопряженной с адгезионноактивным тонким слоем подложки. В прототипе толщина подложки составляет в несколько раз большую величину (около 0,8 h), что не обеспечивает оптимальной сопряженности слоев по показателям сцепляемости, прочности и др. The proposed ratio of the thicknesses of the substrate and the two-layer plate is 0.25h, where h is the thickness of the two-layer plate, allows you to compensate for the difference in linear changes in the working layer and the ceramic-metal substrate, resulting from changes in temperature and pressure during hot static pressing due to the continuity gap of the less durable substrate layer. As a result, a substrate with cracks forms, which does not impair its adhesive properties with respect to solders. The strength characteristics of the working layer on the surface associated with the adhesive-active thin layer of the substrate are also preserved. In the prototype, the thickness of the substrate is several times larger (about 0.8 h), which does not provide optimal contiguity of the layers in terms of adhesion, strength, etc.

В качестве материала подложки в двухслойной пластине выбирается материал, обеспечивающий прочную связь рабочего слоя, например твердый сплав на основе карбидов вольфрама на кобальтовой связке. На границе между твердосплавной подложкой и КНБ возникает зона диффузионного взаимодействия, ширина и свойства которой зависят от условий спекания. As the substrate material in the two-layer plate, a material is selected that provides strong bonding of the working layer, for example, a tungsten carbide carbide based on a cobalt bond. At the boundary between the carbide substrate and the CBN, a diffusion interaction zone arises, the width and properties of which depend on the sintering conditions.

Торцы пластины шлифуют на алмазном круге до шероховатости не хуже 0,63 мкм. Поверхность шлифа исследуют с помощью оптического микроскопа на трещиноватость. The ends of the plate are ground on a diamond wheel to a roughness of no worse than 0.63 microns. The surface of the thin section is examined using an optical microscope for fracturing.

В приводимых ниже примерах использовался унифицированный нагреватель. Высота и диаметр реакционной ячейки были постоянными, опрессовка исходной шихты осуществлялась с одинаковым усилием. The examples below used a unified heater. The height and diameter of the reaction cell were constant; pressure testing of the initial charge was carried out with the same effort.

Износостойкость пластины исследовалась при прерывистом точении закаленной до твердости 62 HRC инструментальной легированной стали марки ХВГ. В качестве критерия износа принималась ширина фаски износа по задней поверхности 0,3 мм. Режущие вставки имели следующие геометрические параметры: главный угол в плане φ = 45^°, вспомогательный угол в плане φ₁ = 15^°, радиус при вершине R= 0,6-0,8 мм, передний угол γ = 0^°, задние углы α = α₁ = 10^°. Скорость резания V=100 м/мин, подача S=0,03 мм/оборот, глубина резания 0,2 мм. Эксперименты проводились на цилиндрических образцах диаметром 75-80 мм длиной 350 мм с одним прямоугольным пазом шириной 6 мм.The wear resistance of the plate was studied with intermittent turning of tool alloy steel HVG hardened to a hardness of 62 HRC. As a criterion for wear, the width of the bevel of the wear along the rear surface of 0.3 mm was taken The cutting inserts had the following geometric parameters: the main angle in the plane φ = 45 ^° , the auxiliary angle in the plane φ ₁ = 15 ^° , the radius at the apex R = 0.6-0.8 mm, the rake angle γ = 0 ^° , the rear angles α = α ₁ = 10 ^° . Cutting speed V = 100 m / min, feed S = 0.03 mm / revolution, cutting depth 0.2 mm. The experiments were carried out on cylindrical samples with a diameter of 75-80 mm 350 mm long with one rectangular groove 6 mm wide.

Проведенные патентные исследования и анализ известных технических решений позволяет сделать вывод, что в настоящее время отсутствуют известные технические решения со сходными отличительными признаками. Следовательно, предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна". Conducted patent research and analysis of known technical solutions allows us to conclude that currently there are no known technical solutions with similar distinctive features. Therefore, the proposed technical solution meets the criteria of the invention of "novelty."

Пример 1. Example 1

В нижнюю часть графитового нагревателя размещали 0,3 г порошкообразного твердого сплава ВК-6, сверху засыпали шихту рабочего слоя. Получена путем прессования партия из 9 поликристаллов при давлении 40-50 кбар, температуре 1400-1700^oС, выдержки под давлением с последующим снижением давления до атмосферного и извлечения заготовки. Количество спеков без трещин рабочего слоя - 4 шт.0.3 g of powdered VK-6 hard alloy powder was placed in the lower part of the graphite heater, and the charge of the working layer was poured on top. Obtained by pressing a batch of 9 polycrystals at a pressure of 40-50 kbar, a temperature of 1400-1700 ^o C, holding under pressure, followed by lowering the pressure to atmospheric and removing the workpiece. The number of cakes without cracking the working layer - 4 pcs.

Пример 2. Example 2

В нижнюю часть графитового нагревателя размещали предварительно спрессованную таблетку из шихты рабочего слоя толщиной 5 мм. Сверху засыпали порошкообразный твердый сплав ВК-8 (толщина слоя 1 мм). Получена партия из 10 пластин. Количество спеков без трещин рабочего слоя - 9 шт. A pre-pressed tablet from a charge of the working layer with a thickness of 5 mm was placed in the lower part of the graphite heater. Powdered hard alloy VK-8 was poured on top (layer thickness 1 mm). Received a batch of 10 plates. The number of cakes without cracking the working layer - 9 pcs.

Пример 3. Example 3

В нижнюю часть графитового нагревателя размещали предварительно спрессованную таблетку из шихты рабочего слоя толщиной 3 мм. Сверху засыпали порошкообразный твердый сплав ВК-8 зернистостью 315/40 (толщина слоя 3 мм). Получено 10 пластин при условиях примера 1. Количество спеков без трещин на рабочем слое - 5 шт. A pre-pressed tablet from a charge of a working layer of 3 mm thickness was placed in the lower part of the graphite heater. Powder hard alloy VK-8 with a grain size of 315/40 (layer thickness 3 mm) was poured on top. Received 10 plates under the conditions of example 1. The number of cakes without cracks in the working layer - 5 pcs.

Преимуществом заявленного способа является значительный выход (более 70%) высококачественных спеков КНБ с адгезионноактивным слоем подложки, что обеспечивает стабильные свойства работы режущего инструмента. An advantage of the claimed method is a significant yield (more than 70%) of high-quality CBN cakes with an adhesive-active substrate layer, which ensures stable properties of the cutting tool.

Claims

1. A method of producing a superhard composite material based on cubic boron nitride for cutting tools, comprising placing a powder of cubic boron nitride on a carbide substrate, hot pressing under a pressure of 40-60 kbar corresponding to the thermodynamic stability of cubic boron nitride, and heating to 1400-1700 ^o C, under pressure, followed by exposure to the atmospheric pressure reduction and recovery of the workpiece, characterized in that the substrate thickness is less than 0,25 h, where h - the thickness of the composite materi a.

2. The method according to p. 1, characterized in that before hot pressing in the lower part of the graphite heater a pre-pressed tablet is placed from the charge of the working layer of material, and a powdery hard alloy with granularity up to 315 microns is poured on top of the tablet.

3. The method according to p. 1, characterized in that as a substrate, choose a solid alloy based on tungsten carbides on a cobalt bond.