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

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 сложных карбидов переходных металлов, преимущественно, титана и тантала [Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - М.: Металлургия, 1976. - с.105-160].

В патенте Германии №4423451 предлагается твердый сплав со связкой 5-25 мас.% Со и/или Ni и с 95-75 мас.% карбонитрида, содержащего от 30 до 60 мас.% Ti, от 5 до 25 мас.% W, от 5 до 15 мас.% Та, и дополнительно может содержать Nb, Мо, V, Cr, Hf и/или Zr. При этом соотношение N/(C+N) составляет 0,15-0,7. Недостатком известного способа является низкая прочность сплава.

В патенте России №2040572 с целью повышения эксплуатационной стойкости режущего инструмента при черновом точении предлагается твердый сплав следующего состава (мас.%): 1,2-13,6 Ni; 4,5-24,8 Со; 0,005-3,2 Мо; 0,01-14,7 W; 2,3-30,8 сложного карбонитрида W_xMO_yTi_zTa_kC_dN_e, карбонитрид титана - остальное, при x=0,28-0,91; y=0,005-0,46; z=0,005-0,077; k=0,008-0,255; d=0,34-0,995; e=0,005-0,66; x+y+z=1,0. Сплав имеет следующие механические свойства: σ_изг=1600-2320 МПа, твердость 89,0-92,8 HRA, A_y=0,25-0,78 кг/см². При резании металлов износостойкость повышается в 1,3-6,8 раз. Недостатком сплава является низкая твердость при высоком содержании металл-связки, необходимом для получения большой прочности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ, предложенный в патенте США №6325838, опубликованный 4 декабря 2001 г. (приоритет фирмы "Sandvik AB", Швеция от 3 мая 1999 г.). Для получения твердого сплава, используемого как материал вставки в режущем инструменте для токарной обработки металлов, предлагается использовать карбонитрид титана как основу, содержащую Ti, Та, W, С, N. Соотношение N/(C+N) составляет 0,25-0,50 в мольн. долях. Кроме того, в исходную шихту сплава в качестве металл-связки добавляется кобальт (12-16 мас.%). Предлагаемый по известному способу твердый сплав, содержащий Ti (С, N), WC, ТаС и Со, содержит (% мас.): W - 3,6%, Ti - 35,9%, Та - 4,2%, Со - 12,4% при соотношении N/(C+N)=0,38. Сплав спекали при 1420°С, предел прочности при изгибе составил 1800 МПа, твердость по Виккерсу - 16 ГПа.

К недостаткам этого способа относится недостаточно высокая механическая прочность (1800-1900 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 предлагаемом способе изготовления твердого сплава на основе карбида вольфрама и сложного карбонитрида титана-тантала-вольфрама, включающем введение в исходную шихту кобальта, тонкий помол смеси исходных компонентов, прессование пластифицированной шихты, сушку и спекание заготовок в вакууме при Т=1400-1450°С, предварительно синтезируют сложный карбонитрид титана-тантала-вольфрама с общей формулой Ti_1-x-yTa_yW_xC_1-nN_n, где x=0,2-0,8, y=0,1-0,5 и n=0,2-0,5, из тонкомолотой смеси карбида вольфрама, карбида тантала и нитрида тантала, карбида титана и нитрида титана в среде азота при 1800-2000°С, а в исходную шихту вводят 8-13% мас. кобальта при массовом соотношении карбида вольфрама и сложного карбонитрида 1:4-4:1 соответственно.

Предлагаемые сплавы обладают твердостью по Виккерсу HV=17-18 ГПа, прочностью при изгибе 2000-2400 МПа и высокими показателями режущих свойств.

Примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1.

Предварительный синтез карбонитрида титана-тантала-вольфрама с общей формулой Ti_0,3Ta_0,5W_0,2C_0,5N_0,5 из расчета на 1 кг производится из 253,3 г карбида вольфрама по ТУ 6-09-4694-78, 58,3 г карбида титана по ТУ 6-09-492-75, 60 г нитрида титана по ТУ 6-09-112-75, 187 г карбида тантала по ТУ 6-09-5947-69 и 441,2 г нитрида тантала ТУ 6-09-5897-69 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-тантала-вольфрама с общей формулой Ti_0,1Ta_0,1W_0,8C_0,8N_0,2 из расчета на 1 кг производится из 859,1 г карбида вольфрама по ТУ 6-09-4694-78, 3,3 г карбида титана по ТУ 6-09-492-75, 30,7 г нитрида титана по ТУ 6-09-112-75, 6,7 г карбида тантала по ТУ 6-09-5947-69 и 100,2 г нитрида тантала ТУ 6-09-5897-69 при температуре 2000°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 1450°С. Полученный твердый сплав имеет прочность при изгибе 2000 МПа и твердость по Виккерсу 17 ГПа.

Пример 3.

Предварительный синтез карбонитрида титана-тантала-вольфрама с общей формулой Ti_0,15Ta_0,35W_0,5C_0,65N_0,35 из расчета на 1 кг производится из 559 г карбида вольфрама по ТУ 6-09-4694-78, 25,7 г карбида титана по ТУ 6-09-492-75, 26,7 г нитрида титана по ТУ 6-09-112-75, 82,6 г карбида тантала по ТУ 6-09-5947-69 и 306 г нитрида тантала ТУ 6-09-5897-69 при температуре 1900°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 1425°С. Полученный твердый сплав имеет прочность при изгибе 2400 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 температуры в зоне контакта с режущей кромкой.

Способ изготовления твердого сплава на основе карбида вольфрама и сложного карбонитрида титана-тантала-вольфрама, включающий введение в исходную шихту кобальта, тонкий помол смеси исходных компонентов, прессование пластифицированной шихты, сушку и спекание заготовок в вакууме при Т=1400-1450°С, отличающийся тем, что предварительно синтезируют сложный карбонитрид титана-тантала-вольфрама общей формулы Ti_1-x-yTa_yW_xC_1-nN_n, где х=0,2-0,8, y=0,1-0,5 и n=0,2-0,5, из тонкомолотой смеси карбида вольфрама, карбида тантала, нитрида тантала, карбида титана и нитрида титана в среде азота при 1800-2000°С, а в исходную шихту вводят 8-13 мас.% кобальта при массовом соотношении карбида вольфрама и сложного карбонитрида 1:4-4:1 соответственно.