RU2108404C1 - Superhard composite material - Google Patents

Abstract

FIELD: production of superhard materials in apparatuses with high pressure and temperature; may be used in mechanical engineering in capacity of edges cutting tools. SUBSTANCE: material has cutting layer including, vol.%: cubic boron nitride BN_jph, 30-50; nitrides and borides of titanium and aluminum TiN, TiB₂, AlN, AlB₁₂, 20-55; copper and a series of intermetallic compounds, 15-30; they are the following: copper and titanium CuTi₃, CuTi₂, CuTi; copper and aluminum Cu₉Al₄, Cu₃Al₂, CuAl; titanium and aluminum TiAl, TiAl₃; copper, titanium and aluminum CuAl₄Ti₈, Cu₄Al₇₁Ti₂₅ and heat-exchange layer of hard alloy of composition Ti₅K₆, and cutting layer amounts to 50-85 vol. % and heat-exchange layer, to 501-5 vol.%. EFFECT: higher cutting properties. 2 tbl

Description

Изобретение относится к получению сверхтвердых материалов в аппаратах высокого давления и температуры и может найти применение в машиностроении в качестве лезвийного режущего инструмента. The invention relates to the production of superhard materials in high-pressure and temperature apparatuses and may find application in mechanical engineering as a blade cutting tool.

Известен компактный абразивно-режущий материал "Бормет" по авт. св. N 633724, кл. С 01 В 21/06, 1978. Этот материал состоит из кубического нитрида бора и медно-титановых или медно-циркониевых интерметаллических соединений из группы: Ti₂Cu, TiCu, Ti₂Cu₃, TiCu₃, Zr₂Cu, ZrCu, Zr₂Cu₃, ZrCu₃ при следующем соотношении компонентов, об. %: кубический нитрид бора 65 - 90, интерметаллические соединения 10 - 35. Резцы, изготовленные из этого материала, могут обрабатывать закаленную сталь. Однако режущие свойства этого материала при точении закаленной стали невысоки из-за отсутствия прочных химических связей на границе раздела сверхтвердого порошка со связующим.Known compact abrasive cutting material "Bormet" according to ed. St. N 633724, cl. C 01 B 21/06, 1978. This material consists of cubic boron nitride and copper-titanium or copper-zirconium intermetallic compounds from the group: Ti ₂ Cu, TiCu, Ti ₂ Cu ₃ , TiCu ₃ , Zr ₂ Cu, ZrCu, Zr ₂ Cu ₃ , ZrCu ₃ in the following ratio of components, vol. %: cubic boron nitride 65 - 90, intermetallic compounds 10 - 35. Cutters made from this material can process hardened steel. However, the cutting properties of this material when turning hardened steel are low due to the lack of strong chemical bonds at the interface between the superhard powder and the binder.

Прототипом предлагаемого изобретения является сверхтвердый композиционный материал по авт. св. N 1542071, кл. С 22 С 29/16, В 24 D 3/06, 1988. Этот материал содержит кубический нитрид бора, нитрид титана, диборид титана, интерметаллид меди и титана и медь при следующем соотношении компонентов, об. %: нитрид титана 18 - 36; диборид титана 10 - 18; медь 1,5 - 4,5; интерметаллид меди и титана 0,5 - 1,5; кубический нитрид бора остальное. Резцы, полученные из сверхтвердого композиционного материала, показали приемлемую стойкость при обычном режиме точения термически обработанных сталей с твердостью больше 50 НRC. Однако при сложнопеременных режимах резания, например, высокоскоростном точении с чередующимися циклами термонагружений, резцы из материала прототипа имеют большой относительный износ. The prototype of the invention is a superhard composite material according to ed. St. N 1542071, class C 22 C 29/16, B 24 D 3/06, 1988. This material contains cubic boron nitride, titanium nitride, titanium diboride, copper and titanium intermetallic and copper in the following ratio, vol. %: titanium nitride 18 - 36; titanium diboride 10-18; copper 1.5 - 4.5; copper and titanium intermetallide 0.5-1.5; cubic boron nitride rest. The cutters obtained from the superhard composite material showed acceptable resistance in the usual mode of turning of heat-treated steels with a hardness of more than 50 NRC. However, under difficult-varying cutting conditions, for example, high-speed turning with alternating cycles of thermal loading, cutters made of the material of the prototype have a large relative wear.

Целью предлагаемого изобретения является повышение режущих свойств и расширение технологических возможностей материала. The aim of the invention is to increase the cutting properties and expand the technological capabilities of the material.

Поставленная цель достигается тем, что материал содержит в режущем слое кубический нитрид бора BN_сф, нитрид титана TiN, борид титана TiB₂, интерметаллиды меди и титана CuTi₃, CuTi₂, CuTi, медь и дополнительно нитрид алюминия AlN, борид алюминия AlB₁₂, интерметаллиды меди и алюминия Cu₉Al₄, Cu₃Al₂, CuAl, интерметаллиды титана и алюминия TiAl, TiAl₃ и интерметаллиды меди, титана и алюминия CuAl₂₃Ti₈, Cu₄Al₇₁Ti₂₅ при следующем соотношении компонентов режущего слоя, об.%:
BN_сф - 30 - 50
TiN, TiB₂, AlN, AlB₁₂ - 55 - 20
Cu, CuTi₃, CuTi₂, CuTi, Cu₉Al₄, -
Cu Al₂, CuAl, TiAl, TiAl₃, -
CuAl₂₃Ti₈, Cu₄Al₇₁Ti₂₅ - 15 - 30
и дополнительно материал содержит теплообменный слой из твердого сплава состава Т15К6, а соотношение режущего и теплообменного слоев составляет, об. %:
Режущий слой - 50 - 85
Теплообменный слой - 50 - 15
Композиционный материал по предлагаемому изобретению содержит два слоя: режущий слой, расположенный по периферии композита и теплообменный слой, расположенный в центре композита.This goal is achieved in that the material contains in the cutting layer cubic boron nitride BN _cf , titanium nitride TiN, titanium boride TiB ₂ , copper and titanium intermetallic compounds CuTi ₃ , CuTi ₂ , CuTi, copper and additionally aluminum nitride AlN, aluminum boride AlB ₁₂ , intermetallic compounds of copper and aluminum Cu ₉ Al ₄ , Cu ₃ Al ₂ , CuAl, intermetallic compounds of titanium and aluminum TiAl, TiAl ₃ and intermetallic compounds of copper, titanium and aluminum CuAl ₂₃ Ti ₈ , Cu ₄ Al ₇₁ Ti ₂₅ in the following ratio of components of the cutting layer, about .%:
BN _sf - 30 - 50
TiN, TiB ₂ , AlN, AlB ₁₂ - 55 - 20
Cu, CuTi ₃ , CuTi ₂ , CuTi, Cu ₉ Al ₄ , -
Cu Al ₂ , CuAl, TiAl, TiAl ₃ , -
CuAl ₂₃ Ti ₈ , Cu ₄ Al ₇₁ Ti ₂₅ - 15 - 30
and additionally, the material contains a heat transfer layer of hard alloy composition T15K6, and the ratio of the cutting and heat transfer layers is about. %:
Cutting layer - 50 - 85
Heat transfer layer - 50 - 15
The composite material according to the invention contains two layers: a cutting layer located on the periphery of the composite and a heat transfer layer located in the center of the composite.

Режущий слой содержит кубический нитрид бора, бориды и нитриды титана и алюминия TiB₂, TiN, AlB₁₂, AlN, интерметаллиды меди и титана CuTi₃, CuTi₂, CuTi, интерметаллиды меди и алюминия Cu₉Al₄, Cu₃Al₂, CuAl, интерметаллиды титана и алюминия TiAl, TiAl₃, интерметаллиды меди, титана и алюминия CuAl₂₃Ti₈, Cu₄Al₇₁Ti₂₅ и медь. Такой фазовый состав материала обеспечивает как прочный спай зерен кубического нитрида бора со связующии, так и высокую вязкость композиционного материала, что в итоге повышает прочностные свойства композитов и режущие свойства пластин из сверхтвердого композиционного материала. Наличие кубического нитрида бора в количестве от 30 до 50 об. % обеспечивает высокие режущие свойства сверхтвердого композиционного материала. Практически установлено, что содержание кубического нитрида бора менее 30 об. % понижает износостойкость пластин, а содержание выше 50 об.% нецелесообразно, так как положительный эффект достигнут, а дальнейшее увеличение приводит к охрупчиванию материала и к повышению его стоимости. Добавление в состав режущего слоя тугоплавких соединений алюминия AlB₁₂, AlN, обладающих высокой твердостью, повышает твердость и микротвердость связующего, увеличивает стойкость композитов, особенно при обработке закаленных сталей. Содержание тугоплавких соединений TiN, TiB₂, AlN, AlB₁₂ в интервале 20-55 об. % обуславливает прочную связь зерен кубического нитрида бора и соответственно высокие прочностные и режущие свойства материала. Понижение содержания нитридов и боридов TiN, TiB₂, AlN, AlB₁₂ ниже 20 об.% ухудшает режущие свойства - приводит к чрезмерному истиранию резца по задней грани. Увеличение содержания тугоплавких соединений выше 55 об.% повышает хрупкость материала, что приводит в дальнейшем к микровыкрашиванию на режущей кромке пластин из композитов. Режущий слой сверхтвердого композиционного материала содержит также медь и интерметаллиды: меди и титана CuTi₃, CuTi₂, CuTi, меди и алюминия Cu₉Al₄, CuAl, Cu₃Al₂, титана и алюминия TiAl, TiAl₃, меди, титана и алюминия CuAl₂₃Ti₈, Cu₄Al₇₁Ti₂₅. Наличие в большом количестве (15 об.% и более) в режущем слое двойных и тройных интерметаллидов и чистой меди обеспечивает высокую вязкость композиционного материала, высокую теплопроводность режущего слоя композитов, значительно повышает выход годного, что важно в экономическом отношении. Уменьшение содержания выбранной опытным путем совокупности вышеуказанных интерметаллидов и меди ниже 15 об.% ухудшает режущие свойства пластин из композитов, а увеличение их содержания более 30 об. % увеличивает относительный износ резцов. Именно совокупность большого количества выбранного состава двойных и тройных интерметаллидов меди, титана и алюминия с одновременным дополнительным упрочнением связующего тугоплавкими соединениями алюминия (AlN, AlB₁₂) обеспечивает широкие возможности материала по предлагаемому изобретению, высокие режущие свойства композитов при сложнопеременных режимах резания.The cutting layer contains cubic boron nitride, borides and nitrides of titanium and aluminum TiB ₂ , TiN, AlB ₁₂ , AlN, intermetallic compounds of copper and titanium CuTi ₃ , CuTi ₂ , CuTi, intermetallic compounds of copper and aluminum Cu ₉ Al ₄ , Cu ₃ Al ₂ , CuAl titanium and aluminum intermetallic compounds TiAl, TiAl ₃ , copper, titanium and aluminum intermetallic compounds CuAl ₂₃ Ti ₈ , Cu ₄ Al ₇₁ Ti ₂₅ and copper. Such a phase composition of the material provides both a strong junction of grains of cubic boron nitride with a binder and a high viscosity of the composite material, which ultimately increases the strength properties of composites and the cutting properties of wafers made of superhard composite material. The presence of cubic boron nitride in an amount of from 30 to 50 vol. % provides high cutting properties of superhard composite material. It has been practically established that the content of cubic boron nitride is less than 30 vol. % reduces the wear resistance of the plates, and a content above 50% vol. is impractical, since a positive effect is achieved, and a further increase leads to embrittlement of the material and to increase its cost. Adding high hardness to the composition of the cutting layer of refractory aluminum compounds AlB ₁₂ , AlN increases the hardness and microhardness of the binder, increases the resistance of composites, especially when machining hardened steels. The content of refractory compounds TiN, TiB ₂ , AlN, AlB ₁₂ in the range of 20-55 vol. % determines a strong bond of grains of cubic boron nitride and, accordingly, high strength and cutting properties of the material. Lowering the content of nitrides and borides TiN, TiB ₂ , AlN, AlB ₁₂ below 20 vol.% Affects the cutting properties - leads to excessive abrasion of the cutter along the rear face. An increase in the content of refractory compounds above 55 vol.% Increases the brittleness of the material, which subsequently leads to microcracking on the cutting edge of composites. The cutting layer of the superhard composite material also contains copper and intermetallic compounds: copper and titanium CuTi ₃ , CuTi ₂ , CuTi, copper and aluminum Cu ₉ Al ₄ , CuAl, Cu ₃ Al ₂ , titanium and aluminum TiAl, TiAl ₃ , copper, titanium and aluminum CuAl ₂₃ Ti ₈ , Cu ₄ Al ₇₁ Ti ₂₅ . The presence of a large amount (15 vol.% Or more) in the cutting layer of double and triple intermetallic compounds and pure copper provides high viscosity of the composite material, high thermal conductivity of the cutting layer of composites, significantly increases the yield, which is economically important. The decrease in the content of the experimentally selected combination of the above intermetallic compounds and copper below 15 vol.% Affects the cutting properties of the plates of composites, and the increase in their content is more than 30 vol. % increases the relative wear of the incisors. It is the combination of a large number of the selected composition of double and triple intermetallic compounds of copper, titanium and aluminum with simultaneous additional hardening of the binder by refractory aluminum compounds (AlN, AlB ₁₂ ) that provides the wide possibilities of the material according to the invention, high cutting properties of composites under difficult varying cutting conditions.

Пластины резцов при точении термически обработанных сталей на обычных режимах резания испытывают большое силовое и высокотемпературное воздействие. А при сложнопеременных режимах резания, например, при высокоскоростном точении с чередующимися циклами термонагружений, высокотемпературное воздействие на резец приводит к аварийному затуплению или поломкам резца. Наличие в сверхтвердом композиционном материале теплообменного слоя, обладающего высокой теплопроводностью, устраняет или значительно снижает отрицательное воздействие на резец за счет стабильного отвода теплоты в процессе резания, что обеспечивает возможность точения при оптимальной температуре. Теплообменный слой содержит твердый сплав состава Т15К6, то есть включает материал с высокими теплопроводностью и физико-механическими свойствами (табл. 1). Наличие теплообменного слоя в сочетании с тщательно выбранным фазовым составом материала позволяет резцам из этого материала работать при высоких скоростях (более 100 м/мин) с чередующимися циклами термонагружений. Резцы с высокой стойкостью при сложнопеременных режимах резания особенно необходимы в автоматизированном производстве. Кроме того, пластины резцов с теплообменным слоем из сплава состава Т15К6 обеспечивают более плотный контакт пластины с державкой при механическом креплении резца. Наличие теплообменного слоя из твердого сплава состава Т15К6 в композиционном материале значительно удешевляет композиты. Необходимо отметить, что вертикальное (осевое) расположение этого слоя позволяет режущим пластинам из этого материала работать с большой глубиной резания (до 5 мм), что значительно расширяет технологические возможности материала и позволяет использовать материал по предлагаемому изобретению при обработке как закаленных до высокой твердости сталей, так и сталей в состоянии поставки. When turning heat-treated steels during normal cutting conditions, the cutting tool inserts undergo a large force and high temperature effect. And with difficult-changing cutting conditions, for example, with high-speed turning with alternating cycles of thermal loading, high-temperature impact on the cutter leads to emergency blunting or breakage of the cutter. The presence in the superhard composite material of a heat exchange layer with high thermal conductivity eliminates or significantly reduces the negative effect on the cutter due to the stable heat removal during cutting, which allows turning at the optimum temperature. The heat exchange layer contains a T15K6 hard alloy, that is, it includes a material with high thermal conductivity and physicomechanical properties (Table 1). The presence of a heat exchange layer in combination with a carefully selected phase composition of the material allows the cutters of this material to work at high speeds (more than 100 m / min) with alternating cycles of thermal loading. Cutters with high resistance under difficult-varying cutting conditions are especially necessary in automated production. In addition, the plates of the cutters with a heat exchange layer made of an alloy of composition T15K6 provide a more tight contact of the plate with the holder during mechanical fastening of the cutter. The presence of a heat-transfer layer of a T15K6 hard alloy in a composite material significantly reduces the cost of composites. It should be noted that the vertical (axial) arrangement of this layer allows the cutting inserts of this material to work with a large cutting depth (up to 5 mm), which greatly expands the technological capabilities of the material and allows the material of the invention to be used in processing steels hardened to high hardness, and steels are in a state of delivery.

Объемное отношение слоев подобрано экспериментально. Уменьшение содержания режущего слоя менее 50 об.% сужает область использования этих пластин за счет уменьшения глубины резания и снижения производительности обработки. Нижний предел объемного отношения режущего слоя к теплообменному (50 об.%) определяется стремлением к получению после механической обработки композитов с максимальной толщиной режущего слоя и, соответственно, с максимальной глубиной резания пластинами резцов. Превышение верхнего предела режущего слоя (85 об. %) приводит к уменьшению теплоотвода, соответственно к ухудшению режущих свойств и увеличению износа пластин из сверхтвердого композиционного материала, что экономически невыгодно. The volumetric ratio of the layers was selected experimentally. The decrease in the content of the cutting layer of less than 50 vol.% Narrows the area of use of these inserts by reducing the depth of cut and reducing productivity. The lower limit of the volume ratio of the cutting layer to the heat exchange (50 vol.%) Is determined by the desire to obtain, after machining, composites with a maximum thickness of the cutting layer and, accordingly, with a maximum cutting depth of the cutter plates. Exceeding the upper limit of the cutting layer (85 vol.%) Leads to a decrease in heat dissipation, respectively, to a deterioration in cutting properties and increased wear of wafers made of superhard composite material, which is economically disadvantageous.

Пример. В катлинитовый контейнер - чечевицу камеры высокого давления в цилиндрическое отверстие, которое представляет собой реакционный объем, помещают первую - нижнюю пластину нагревателя, выполненную в форме таблетки, диаметр которой равен диаметру отверстия в чечевице. На пластину нагревателя в чечевицу камеры высокого давления помещают токопроводящий формообразующий вкладыш из графита, выполненный в виде цилиндра с внутренним отверстием, соответствующим формам многогранных пластин для режущего инструмента. На нижней пластине нагревателя в центре формообразующего вкладыша в осевом направлении располагают теплообменный слой, выполненный из твердого сплава состава Т15К6. Теплообменный слой изготавливают по конфигурации, соответствующей форме изделия (режущей пластины) либо прессованием из шихты, либо точением из готового (предварительно спеченного) теплопроводящего материала теплообменного слоя. На нижней пластине нагревателя между стержнем теплообменного слоя и формообразующим вкладышем размещают шихту режущего слоя. Сверху на формообразующий вкладыш помещают вторую - верхнюю пластину нагревателя, выполненную в форме таблетки с диаметром, равным внешнему диаметру формообразующего вкладыша. Заполненную чечевицу помещают в аппарат высокого давления и температуры и подвергают воздействию давления приблизительно 30 кБар и температуры, достаточной для расплавления связующего режущего слоя. После изотермической выдержки приблизительно 20 с, понижения давления до атмосферного, а температуры до комнатной, получают композит, имеющий форму изделия. Изменяя количество компонентов режущего слоя, а также соотношение режущего и теплообменного слоев получают составы композитов, представленные в табл. 2. В табл. 2 приведены составы сверхтвердого композиционного материала и относительный износ пластин из композитов в сопоставлении с известным материалом прототипа. Example. In a catlinitic container — lentils of the high-pressure chamber, a first — lower plate of the heater, made in the form of a tablet, the diameter of which is equal to the diameter of the hole in the lentils, is placed in a cylindrical hole, which is a reaction volume, in a cylindrical hole. A conductive mold-forming insert made of graphite made in the form of a cylinder with an internal hole corresponding to the shapes of polyhedral plates for the cutting tool is placed on the heater plate in the lentils of the high-pressure chamber. On the lower plate of the heater, in the center of the forming insert in the axial direction, a heat exchange layer made of a hard alloy of composition T15K6 is arranged. The heat transfer layer is made according to the configuration corresponding to the shape of the product (insert) either by pressing from a charge or by turning from a finished (pre-sintered) heat-conducting material of the heat transfer layer. A charge of the cutting layer is placed on the lower plate of the heater between the core of the heat exchange layer and the forming insert. On top of the forming insert placed the second - upper plate of the heater, made in the form of a tablet with a diameter equal to the outer diameter of the forming insert. The filled lentils are placed in a high-pressure and temperature apparatus and are subjected to a pressure of approximately 30 kbar and a temperature sufficient to melt the bonding cutting layer. After an isothermal exposure of approximately 20 s, a decrease in pressure to atmospheric, and temperature to room temperature, a composite having the shape of an article is obtained. By changing the number of components of the cutting layer, as well as the ratio of the cutting and heat transfer layers, the compositions of the composites are presented, are presented in table. 2. In the table. 2 shows the compositions of superhard composite material and the relative wear of plates made of composites in comparison with the known material of the prototype.

Режущие свойства определяли при обработке закаленной высокотвердой вольфрамосодержащей стали при высокоскоростном точении с чередующимися циклами термонагружений. Износ пластин по задней поверхности измеряли на микроскопе МИМ-10. Как следует из приведенных в табл.2 данных предложенный сверхтвердый композиционный материал обеспечивает в сравнении с известным материалом (прототипом) значительное уменьшение относительного износа: резцы, полученные из материала прототипа, показывают относительный износ h₃/L приблизительно 0,04; резцы полученные из материала по предлагаемому изобретению, показывают относительный износ h₃/L = 0,002-0,005.The cutting properties were determined during the treatment of hardened high-hardness tungsten-containing steel at high speed turning with alternating cycles of thermal loading. The wear of the plates along the rear surface was measured using a MIM-10 microscope. As follows from the data in table 2, the proposed superhard composite material provides, in comparison with the known material (prototype), a significant reduction in relative wear: cutters obtained from the material of the prototype show a relative wear of h ₃ / L of approximately 0.04; the cutters obtained from the material of the invention show a relative wear of h ₃ / L = 0.002-0.005.

Повышение режущей способности инструмента, расширение его технологических возможностей и понижение его себестоимости обеспечивают высокую степень конкурентоспособности режущих пластин из предлагаемого материала. Increasing the cutting ability of the tool, expanding its technological capabilities and lowering its cost price provide a high degree of competitiveness of cutting inserts from the proposed material.

Claims (1)

Сверхтвердый композиционный материал, включающий режущий слой, содержащий кубический нитрид бора BN_с ф, нитрид титана TiN, борид титана TiB₂, интерметаллиды меди и титана CuTi₃, CuTi₂, CuTi и медь, отличающийся тем, что он дополнительно содержит теплообменный слой из твердого сплава Т15К6, причем режущий слой дополнительно содержит нитрид алюминия AlN, борид алюминия AlB_1 2, интерметаллиды меди и алюминия Cu₉Al₄, Cu₃Al₂, CuAl, интерметаллиды титана и алюминия TiAl, TiAl₃ и интерметаллиды меди, титана и алюминия CuAl_2 3Ti₈, Cu₄Al_7 1Ti_2 5 при следующем соотношении компонентов, об.%:
BN_с ф - 30 - 50
TiN, TiB₂, AlN, AlB_1 2 - 55 - 20
Cu, CuTi₃, CuTi₂, CuTi, Cu₉Al₄ Cu₃Al₂, CuAl, TiAl, TiAl₃, CuAl_2 3, Ti₈, Cu₄Al_7 1 Ti_2 5 - 15 - 30
а соотношение режущего и теплообменного слоев составляет, об.%:
Режущий слой - 50 - 85
Теплообменный слой - 50 - 15аA superhard composite material comprising a cutting layer containing cubic boron nitride BN _{with f} , titanium nitride TiN, titanium boride TiB ₂ , copper and titanium intermetallic compounds CuTi ₃ , CuTi ₂ , CuTi and copper, characterized in that it further comprises a solid heat transfer layer T15K6 alloy, the cutting layer additionally containing aluminum nitride AlN, aluminum boride AlB _{1 2} , intermetallic compounds of copper and aluminum Cu ₉ Al ₄ , Cu ₃ Al ₂ , CuAl, intermetallic compounds of titanium and aluminum TiAl, TiAl ₃ and intermetallic compounds of copper, titanium and aluminum CuAl _{8 March 2} Ti, Cu ₄ Al _{7 January} Ti _{May 2} with the following ratio comp nents, vol.%:
BN _{with f} - 30 - 50
TiN, TiB ₂ , AlN, AlB _{1 2} - 55 - 20
Cu, CuTi ₃ , CuTi ₂ , CuTi, Cu ₉ Al ₄ Cu ₃ Al ₂ , CuAl, TiAl, TiAl ₃ , CuAl _{2 3} , Ti ₈ , Cu ₄ Al _{7 1} Ti _{2 5} - 15 - 30
and the ratio of the cutting and heat transfer layers is, vol.%:
Cutting layer - 50 - 85
Heat transfer layer - 50 - 15a

Images