RU176379U1 - Cutting insert - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к обработке резанием в машиностроении, в частности, к металлорежущему инструменту, который содержит режущую пластину. Для повышения износостойкости и сопротивляемости хрупкому разрушению режущая пластина, содержащая основу из спеченного твердого сплава и нанесенный на него износостойкий слой из наноструктурнных карбидов вольфрама с размером зерен 20-50 нм, содержит мягкий слой из ниобия и верхний износостойкий слой из наноструктурных нитридов ниобия.The invention relates to machining in mechanical engineering, in particular to a metal cutting tool that contains a cutting insert. To increase the wear resistance and resistance to brittle fracture, a cutting insert containing a base of sintered hard alloy and a wear-resistant layer of nanostructured tungsten carbides with a grain size of 20-50 nm deposited on it contains a soft layer of niobium and an upper wear-resistant layer of nanostructured niobium nitrides.

Решаемая задача - совершенствование режущих пластин для обработки резанием широкого круга материалов путем увеличения прочности режущих кромок.The task at hand is the improvement of cutting inserts for cutting a wide range of materials by increasing the strength of the cutting edges.

Технический результат - повышение износостойкости режущих пластин при механообработке.EFFECT: increased wear resistance of cutting inserts during machining.

Этот технический результат достигается тем, что режущая пластина, содержащая основу из твердого спеченного сплава, нанесенный на нее нижний износостойкий слой из наноструктурных частиц карбида вольфрама, содержит мягкий слой из ниобия и верхний износостойкий слой из наноструктурного нитрида ниобия. Мелкозернистый верхний слой из наноструктурных частиц нитрида ниобия обладает высокой микротвердостью и пластичностью по сравнению с карбидами вольфрама. Мягкий слой из чистого ниобия обладает прочным сцеплением с карбидом вольфрама и верхним наноструктурным слоем. Это позволяет повысить прочность режущих кромок и проводить обработку широкого круга обрабатываемых материалов (закаленных сталей, титановых сплавов и т.д.) при высоких скоростях резания как при непрерывном, так и прерывистом резании.This technical result is achieved in that a cutting insert containing a base of hard sintered alloy, a lower wear-resistant layer of nanostructured particles of tungsten carbide deposited on it, contains a soft layer of niobium and an upper wear-resistant layer of nanostructured niobium nitride. The fine-grained upper layer of nanostructured particles of niobium nitride has a high microhardness and ductility compared to tungsten carbides. A soft layer of pure niobium has strong adhesion to tungsten carbide and the upper nanostructured layer. This allows you to increase the strength of the cutting edges and to process a wide range of processed materials (hardened steels, titanium alloys, etc.) at high cutting speeds both in continuous and intermittent cutting.

Преимущество предлагаемой режущей пластины, состоящей из верхнего слоя из карбидов вольфрама с размером зерен 20...50 нм, обусловлена хорошим сочетанием его микротвердости и пластичности. Поэтому ее режущие кромки лучше сопротивляются как хрупкому выкрашиванию, так и износу.The advantage of the proposed insert, consisting of an upper layer of tungsten carbides with a grain size of 20 ... 50 nm, is due to a good combination of its microhardness and ductility. Therefore, its cutting edges better resist both brittle chipping and wear.

Description

Полезная модель относится к обработке резанием в машиностроении, в частности, к металлорежущему инструменту, который содержит режущую пластину. Для повышения износостойкости и сопротивляемости хрупкому разрушению режущая пластина, содержащая основу из спеченного твердого сплава и нанесенный на него износостойкий слой из наноструктурных карбидов вольфрама с размером зерен 20-50 нм, содержит мягкий слой из ниобия и верхний износостойкий слой из наноструктурных нитридов ниобия.The utility model relates to machining in mechanical engineering, in particular, to a metal cutting tool that contains a cutting insert. To increase the wear resistance and resistance to brittle fracture, a cutting insert containing a base of sintered hard alloy and a wear-resistant layer of nanostructured tungsten carbides with a grain size of 20-50 nm deposited on it contains a soft layer of niobium and an upper wear-resistant layer of nanostructured niobium nitrides.

Известны различные марки твердого сплава для изготовления режущих пластин (Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. — М.: Металлургия, 1976 — 528 с.).There are various grades of hard alloy for the manufacture of cutting inserts (Tretyakov V.I. Fundamentals of metal science and the technology of production of sintered hard alloys. - M .: Metallurgy, 1976 - 528 S.).

Технология изготовления пластин состоит в следующем. Смесь порошков из карбидов вольфрама, либо карбидов вольфрама и карбидов титана размером 0,5... 3 мкм с кобальтом по массе от 6% до 15% подвергают прессованию в виде режущих пластин различной формы (треугольной, пятигранной, шестигранной, ромбической), а затем спекают в печи в среде водорода, либо вакуумной печи при температуре 1350... 1480° С. После спекания пластины подвергают алмазной обработке.The manufacturing technology of the plates is as follows. A mixture of powders of tungsten carbides, or tungsten carbides and titanium carbides with a size of 0.5 ... 3 μm with cobalt by weight from 6% to 15% is pressed into various forms of cutting inserts (triangular, pentahedral, hexagonal, rhombic), and then sintered in a furnace in a hydrogen medium, or in a vacuum furnace at a temperature of 1350 ... 1480 ° C. After sintering, the plates are subjected to diamond processing.

Недостатком такого вида режущих пластин является их низкая износостойкость при высоких скоростях резания.The disadvantage of this type of cutting inserts is their low wear resistance at high cutting speeds.

Известна пластина твердосплавная с неоднородным фазовым составом (патент РФ на полезную модель № 4497, В23 В27/00, опубл. 16.07.1997). Пластина твердосплавная с неоднородным фазовым составом для механического закрепления, состоящая из трехфазного сплава или состава: карбид титана 2-5 %, карбид вольфрама 70-88 %, карбид тантала и ниобия 0-6 %, кобальт 5-10 %, на поверхности пластины образован двухфазный слой карбида вольфрама - кобальта толщиной 5-40 мкм, кристаллы карбида и вольфрама, в котором располагаются базисной гранью параллельно поверхности.Known carbide plate with an inhomogeneous phase composition (RF patent for utility model No. 4497, B23 B27 / 00, publ. July 16, 1997). A carbide plate with a non-uniform phase composition for mechanical fastening, consisting of a three-phase alloy or composition: titanium carbide 2-5%, tungsten carbide 70-88%, tantalum and niobium carbide 0-6%, cobalt 5-10%, formed on the surface of the plate a two-phase layer of tungsten carbide - cobalt with a thickness of 5-40 microns, crystals of carbide and tungsten, in which the base face is parallel to the surface.

Однако в процессе резания кобальт быстро изнашивается, зерна карбидов обнажаются и выкрашиваются из-за трения с обрабатываемым материалом, что приводит к быстрому износу режущих кромок и снижает износостойкость режущих пластин, особенно при прерывистом резании закаленных сталей и чугунов, а также при точении титановых сплавов. Кроме того, трудно добиться параллельного расположения базисных граней кристаллов карбида вольфрама.However, during cutting, cobalt wears out quickly, carbide grains are exposed and crumble due to friction with the processed material, which leads to rapid wear of the cutting edges and reduces the wear resistance of cutting inserts, especially during intermittent cutting of hardened steels and cast irons, as well as during turning of titanium alloys. In addition, it is difficult to achieve a parallel arrangement of the base faces of tungsten carbide crystals.

Известна слоистая режущая пластина (Лавриненко В.И., Ващенко А.И., Лежук И.В., Златко А.А., Беляев А.В. Исследование структуры и обрабатываемости слоистой режущей керамики // Сверхтвердые материалы, 1987, № 4, с. 57-61), где верхний слой 2...3 мм выполнен из смеси карбидов титана и окиси алюминия, нижняя часть 2...4 мм из твердого сплава, содержащего карбид вольфрама и связующую фазу кобальт от 10 до 20% по массе. Слоистые пластины четырех либо трехгранной формы прессуют и подвергают спеканию в вакуумной печи при температуре 1350... 1480° С. После спекания пластина подвергается алмазной обработке.Known laminated cutting insert (Lavrinenko V.I., Vashchenko A.I., Lezhuk I.V., Zlatko A.A., Belyaev A.V. Study of the structure and machinability of laminated cutting ceramics // Superhard materials, 1987, No. 4 , pp. 57-61), where the upper layer of 2 ... 3 mm is made of a mixture of titanium carbides and aluminum oxide, the lower part is 2 ... 4 mm of a hard alloy containing tungsten carbide and a cobalt binder phase of from 10 to 20% by weight. Laminated plates of four or trihedral shapes are pressed and subjected to sintering in a vacuum oven at a temperature of 1350 ... 1480 ° C. After sintering, the plate is subjected to diamond processing.

Данная режущая пластина характеризуется высокой износостойкостью при обработке закаленных сталей либо серых и ковких чугунов при высоких скоростях резания. Однако такие режущие пластины показывают низкую работоспособность, т.е. износостойкость при прерывистом резании закаленных сталей и чугунов, а также при точении титановых сплавов и ряда других материалов из-за хрупкого выкрашивания, что вызывает быстрый износ режущих кромок.This cutting insert is characterized by high wear resistance when machining hardened steels or gray and malleable cast irons at high cutting speeds. However, such cutting inserts show poor performance, i.e. wear resistance during intermittent cutting of hardened steels and cast irons, as well as during turning of titanium alloys and a number of other materials due to brittle chipping, which causes rapid wear of the cutting edges.

Прототипом для данной полезной модели является режущая пластина, содержащая основу из спеченного твердого сплава и верхний износостойкий слой из наноструктурных карбидов вольфрама с размером зерен 20-50 нм (патент RU 111471 U). Наноструктурный слой из карбидов вольфрама позволяет повысить износостойкость твердосплавной пластины (основы), особенно при точении титановых сплавов. Однако недостатком данной пластины является хрупкость износостойкого слоя, а следовательно, режущих кромок из карбидов вольфрама, что ограничивает применение пластин на операциях прерывистого резания и железосодержащих сталей и сплавов.The prototype for this utility model is a cutting insert containing a base of sintered hard alloy and an upper wear-resistant layer of nanostructured tungsten carbides with a grain size of 20-50 nm (patent RU 111471 U). The nanostructured layer of tungsten carbides can increase the wear resistance of the carbide plate (base), especially when turning titanium alloys. However, the disadvantage of this plate is the fragility of the wear-resistant layer, and therefore, the cutting edges of tungsten carbides, which limits the use of plates in the operations of interrupted cutting and iron-containing steels and alloys.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением. These shortcomings are eliminated by the proposed solution.

Решаемая задача - совершенствование режущих пластин для обработки резанием широкого круга материалов путем увеличения прочности режущих кромок.The problem to be solved is the improvement of cutting inserts for cutting a wide range of materials by increasing the strength of cutting edges.

Технический результат - повышение износостойкости режущих пластин при механообработке.EFFECT: increased wear resistance of cutting inserts during machining.

Этот технический результат достигается тем, что режущая пластина, содержащая основу из твердого спеченного сплава, нанесенный на нее нижний износостойкий слой из наноструктурных частиц карбида вольфрама, содержит мягкий слой из ниобия и верхний износостойкий слой из наноструктурного нитрида ниобия. Мелкозернистый верхний слой из наноструктурных частиц нитрида ниобия обладает высокой микротвердостью и пластичностью по сравнению с карбидами вольфрама. Мягкий слой из чистого ниобия обладает прочным сцеплением с карбидом вольфрама и верхним наноструктурным слоем. Это позволяет повысить прочность режущих кромок и проводить обработку широкого круга обрабатываемых материалов (закаленных сталей, титановых сплавов и т.д.) при высоких скоростях резания как при непрерывном, так и прерывистом резании.This technical result is achieved in that a cutting insert containing a base of hard sintered alloy, a lower wear layer of nanostructured particles of tungsten carbide deposited on it, contains a soft layer of niobium and an upper wear layer of nanostructured niobium nitride. The fine-grained upper layer of nanostructured particles of niobium nitride has a high microhardness and ductility compared to tungsten carbides. The soft layer of pure niobium has strong adhesion to tungsten carbide and the upper nanostructured layer. This allows you to increase the strength of the cutting edges and to process a wide range of processed materials (hardened steels, titanium alloys, etc.) at high cutting speeds both in continuous and intermittent cutting.

Основу режущей пластины изготавливают из порошков карбида вольфрама, либо карбидов вольфрама и карбидов титана размером 0,5-3 мкм с кобальтом по массе 6-12%, с верхним слоем из наноструктурных частиц карбида вольфрама и совместным прессованием в виде режущих пластин различной формы (треугольной, пятигранной, шестигранной, ромбической). Пластины помещают в печь, и спекают в среде водорода либо в вакуумной печи при температуре 1350-1489° С и подвергают алмазной обработке. Затем пластины помещают в камеру вакуумно-плазменной установки типа Булат либо магнетронную установку, и осаждают мягкий слой из ниобия и твердый износостойкий нитрид ниобия.The base of the cutting insert is made of tungsten carbide or tungsten carbide and titanium carbide powders of 0.5-3 microns in size with cobalt by weight of 6-12%, with an upper layer of nanostructured tungsten carbide particles and combined pressing in the form of cutting inserts of various shapes (triangular , pentahedral, hexahedral, rhombic). The plates are placed in a furnace, and sintered in a hydrogen medium or in a vacuum furnace at a temperature of 1350-1489 ° C and subjected to diamond processing. Then the plates are placed in the chamber of the Bulat vacuum-plasma installation or magnetron installation, and a soft layer of niobium and a hard wear-resistant niobium nitride are deposited.

Пример реализации режущей пластины.An example implementation of a cutting insert.

Осуществляли точение титанового сплава ВТ5 при скоростях резания V = 30...80 м/мин, глубине резания t = 2 мм и подаче – S = 0,2 мм/об. Режущими пластинами с толщиной наноструктрным слоем из карбидов вольфрама толщиной h = 2 мкм и основы из твердого сплава ВК8 (92% WC и 8% Со) с нанесенным мягким слоем из ниобия толщиной h = 1мкм и наноструктурного нитрида ниобия толщиной h = 4 мкм.The VT5 titanium alloy was turned at cutting speeds V = 30 ... 80 m / min, cutting depth t = 2 mm and feed rate S = 0.2 mm / rev. Cutting plates with a nanostructured layer of tungsten carbide thickness h = 2 μm and a base made of hard alloy VK8 (92% WC and 8% Co) with a soft layer of niobium with a thickness of h = 1 μm and nanostructured niobium nitride with a thickness of h = 4 μm.

Одновременно проводили резание титанового сплава и режущей пластиной, выполненной по прототипу, т.е. пластиной, состоящей из верхнего наноструктурного слоя карбидов вольфрама толщиной h = 2 мкм и основы из твердого сплава ВК8 (92% WC и 8% Со).At the same time, titanium alloy was cut with a cutting insert made according to the prototype, i.e. a plate consisting of an upper nanostructured tungsten carbide layer with a thickness of h = 2 μm and a base of VK8 hard alloy (92% WC and 8% Co).

Результаты стойкостных испытаний в минутах в таблице. При этом пластины подвергали износу по заданной поверхности h_з = 0,4 мм режущей кромки четырехгранной пластины размером 4,7x4,7 мм и толщиной 4 мм.Persistence test results in minutes in the table. When this plate was subjected to wear for a given surface h = 0.4 mm _of the cutting edge plate tetrahedral size 4,7x4,7 mm and 4 mm thick.

Вид пластиныPlate view Стойкость, мин (V= 30 м/мин)Resistance, min (V = 30 m / min) Стойкость, мин (V= 60 м/мин)Resistance, min (V = 60 m / min) Стойкость, мин (V= 80 м/мин)Resistance, min (V = 80 m / min) Предлагаемая режущая пластина:
Верхний слой –
NbN-4 мкм +1 Nb+2 мм из наноструктурных частиц карбидов вольфрама +2 мм твердый сплав из WC 92% и Co-8%Suggested insert:
Upper layer -
NbN-4 μm +1 Nb + 2 mm from nanostructured particles of tungsten carbides + 2 mm carbide from WC 92% and Co-8% 2323 1212 88 Прототип:
Верхний слой – 2 мм из наноструктурных частиц карбидов вольфрама +2 мм твердый сплав из WC 92% и Co-8%Prototype:
Top layer - 2 mm from nanostructured particles of tungsten carbides + 2 mm carbide from WC 92% and Co-8% 1010 4four 22

По результатам испытаний режущих пластин, приведенных в таблице, видно, что предлагаемая режущая пластина, содержащая в верхнем слое наноструктурные нитриды ниобия и мягкий слой, позволяет повысить износостойкость в среднем в 3 раза по сравнению с известной режущей пластиной (прототипом). Аналогичные результаты получены и при точении титанового сплава ВТ20.According to the test results of the cutting inserts shown in the table, it can be seen that the proposed cutting plate containing nanostructured niobium nitrides and a soft layer in the upper layer allows to increase the wear resistance by an average of 3 times compared with the known cutting insert (prototype). Similar results were obtained when turning VT20 titanium alloy.

Преимущество предлагаемой режущей пластины, состоящей из верхнего слоя из карбидов вольфрама с размером зерен 20...50 нм, обусловлена хорошим сочетанием его микротвердости и пластичности. Поэтому ее режущие кромки лучше сопротивляются как хрупкому выкрашиванию, так и износу.The advantage of the proposed insert, consisting of an upper layer of tungsten carbides with a grain size of 20 ... 50 nm, is due to a good combination of its microhardness and ductility. Therefore, its cutting edges better resist both brittle chipping and wear.

Claims (1)

Режущая пластина, содержащая основу из спеченного твердого сплава и нанесенный на нее износостойкий слой из наноструктурного карбида вольфрама с размером зерен 20-50 нм толщиной 2 мкм, отличающаяся тем, что она снабжена слоем ниобия толщиной 1 мкм, расположенным на упомянутом износостойком слое, и расположенным на нем верхним износостойким слоем из наноструктурного нитрида ниобия толщиной 4 мкм.A cutting insert containing a base of sintered hard alloy and a wear-resistant layer of nanostructured tungsten carbide with a grain size of 20-50 nm with a thickness of 2 μm deposited on it, characterized in that it is equipped with a niobium layer with a thickness of 1 μm located on said wear-resistant layer and located on it an upper wear-resistant layer of nanostructured niobium nitride 4 μm thick.