Двухслойная режущая пластина

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Ракицкая Людмила Иосифовна Аниченко Николай Георгиевич Игнатенко Олег Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Двухслойная режущая пластина, содержащая сверхтвердый слой из кубического нитрида бора и спеченный с ним слой подложки из металла или твердого сплава, отличающаяся тем, что отношение толщины сверхтвердого слоя к толщине слоя подложки находится в пределах от 5 до 20, причем толщина слоя подложки составляет не менее 0,03-0,05 мм. Изобретение относится к области производства режущего инструмента для обработки закаленных сталей, пластмасс, керамики и других труднообрабатываемых материалов. Известна режущая пластина, состоящая из двух слоев режущего слоя из кубического нитрида бора и слоя подложки из твердого сплава 1. Недостатком данной режущей пластины является частое отделение слоя подложки от слоя кубического нитрида бора, происходящее как при пайке, так и при эксплуатации вследствие существенного различия коэффициентов термического расширения слоев. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является режущая пластина, состоящая из слоя спеченного порошка кубического нитрида бора либо из слоя спеченной смеси порошков кубического нитрида бора и алмаза, связанных между собой при помощи сплавов алюминия с кобальтом, хромом, марганцем, железом или ванадием и образующего режущий слой, толщиной в пределах 0,05-1,5 мм скрепленного с металлической массой, служащей подложкой, состоящей из твердого спеченного металла,толщиной в пределах 1,27-3,2 мм. Спекание режущей пластины ведут в условиях одновременного воздействия на слои температуры 1300-1600 С, давления 4,0-6,0 ГПа в течение 3-60 мин 2. Недостатком данной режущей пластины является то, что при толщинах слоя подложки 1,27-3 мм, состоящей из спеченного твердого металла, и толщинах слоя сверхтвердого материала 0,05-1,5 мм нагревание пластины, которое происходит в процессе резания либо 16844 1 2013.02.28 при пайке ее к державке, приводит к возникновению сильных напряжений в месте соединения слоев, связанных со значительной разницей коэффициентов термического расширения слоев. Напряжения, возникающие в режущей пластине, приводят к образованию микротрещин в слое сверхтвердого материала, если этот слой тонок (0,05-0,3 мм) по отношению к слою подложки (1,27-3 мм), либо к раскалыванию пластины, или расслаиванию слоев, если толщины слоев сравнимы. Кроме того, в процессе спекания двух разнородных материалов на границе их контакта также возникают напряжения, которые приводят к раскалыванию пластины при извлечении ее из камеры высокого давления. Задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационных свойств двухслойной режущей пластины за счет устранения причин, приводящих к образованию микротрещин, расслаиванию и раскалыванию, возникающих при нагревании либо в процессе синтеза. Поставленная задача решается тем, что в двухслойной режущей пластине, содержащей сверхтвердый слой из кубического нитрида бора и спеченный с ним слой подложки из металла или твердого сплава, отношение толщины сверхтвердого слоя к толщине слоя подложки находится в пределах от 5 до 20, причем толщина слоя подложки составляет не менее 0,03-0,05 мм. Новым, по мнению авторов, является то, что отношение толщины сверхтвердого слоя к толщине слоя подложки находится в пределах от 5 до 20, причем толщина слоя подложки составляет не менее 0,03-0,05 мм. Сущность изобретения заключается в том, что благодаря уменьшению толщины подложки по отношению к толщине режущего сверхтвердого слоя удается снизить напряжения, возникающие при нагреве либо в процессе синтеза в месте соединения слоев. Рассматривая двухслойную режущую пластину как пластину из скрепленных разнородных материалов, провели расчеты напряжений, возникающих в ней при нагревании. Максимальные силы напряжения, возникающие при нагреве в месте соединения двух слоев из разнородных материалов, выражаются формулой 11(12),3 2 2(311 )(111 ), 11 , 11 ,2 2 2 411 (11 )(111 ) 2 2 и 2 - коэффициенты линейного расширения слоя сверхтвердого материала и слоя подложки соответственно, 1 и Е 2 - их модули упругости, 1 и 2 - их толщины. Для известной режущей пластины значение 1 лежит в пределах от 1,2 до 0,1. Если слой сверхтвердого материала выполнен из кубического нитрида бора , а подложка из карбида вольфрама , силы напряжения, возникающие при нагревании до температуры 900 С, будут 68 кг/мм 2 для 11,2 и 122,5 кг/мм 2 для 10,1. В случае режущей пластины, изготовленной в соответствии с предлагаемой конструкцией,значение 1 находится в пределах от 5 до 20, и соответственно, силы напряжения, возникающие в месте соединения двух слоев при нагревании до 900 С будут 43 кг/мм 2 для 15,21,8 кг/мм 2 для 20,38,2 кг/мм 2 для 10,28,3 кг/мм 2 для 115,что ниже предела прочности кубического нитрида бора на изгиб. Как следует из приведенных расчетов, предлагаемая конструкция позволяет снизить напряжения, возникающие в двухслойной режущей пластине при ее нагревании от 1,6 раза до 3 раз по сравнению с наиболее оптимальным отношением толщины слоя сверхтвердого материала и слоя подложки (11,5 мм, 21,2 мм, 11,2), приведенных для известной режущей пластины. Для выяснения вопроса о наличии и характере внутренних напряжений, возникающих на границе между слоями сверхтвердого материала и подложки в процессе спекания, было проведено рентгенографическое исследование ряда образцов с различным соотношением толщины подложки к толщине сверхтвердого материала. Учитывая то, что наибольшей чувствительностью к напряжениям обладают дифракционные линии, расположенные на 2 16844 1 2013.02.28 больших углах рассеивания, изучалась линия (331)(213630) и линия карбида вольфрама, расположенная в интервале углов 2150-159. Дифрактограммы указанных линий, полученные соответственно от образцов с соотноше 3 1 и 11 , показали, что ширина дифракционных линии для рассматриванием емых образцов неодинакова. По мере увеличения толщины подложки ширина дифракционных линий обеих фаз ( и ) возрастает, свидетельствуя тем самым о росте внутренних напряжений в образце. Таким образом, полученные результаты позволяют заключить, что проведение синтезана подложках значительной толщины сопровождается образованием напряжений (по типу термических) в образцах, приводящих к раскалыванию или расслоению по границе раздела фаз. Ниже приведены примеры изготовления двухслойной режущей пластины. Пример 1. Из гексагонального нитрида бора прессуют заготовку режущего слоя диаметром 6 мм и толщиной 2 мм. Затем в нагреватель, спрессованный из графита, насыпают порошок материала подложки из расчета, чтобы после спекания его толщина составляла 0,1 мм. Сверху располагают заготовку, насыпают графит и спрессовывают. Полученный блок помещают в контейнер. Контейнер устанавливается в аппарате высокого давления и подвергается воздействию давления 7,0 ГПа и температуры 2000 С в течение 15 с. Полученная двухслойная режущая пластина содержит сверхтвердый слой из кубического нитрида бора,образовавшегося в результате фазового превращения гексагонального нитрида бора в кубическую модификацию, и имеет толщину 1,3 мм. Толщина режущего слоя составляла 1,2 мм,а толщина подложки 0,1 мм. Пример 2. На заготовку, спрессованную из гексагонального нитрида бора диаметром 6 мм и толщиной 2 мм, методом электронного распыления в вакууме наносилась пленка вольфрама толщиной 0,05 мм. Затем заготовку помещали в графитовый нагреватель, размещенный в контейнере. Контейнер устанавливался в аппарат высокого давления и температуры. После воздействия на заготовку давления 7,0 ГПа и температуры 2000 С в течение 15 с была получена двухслойная режущая пластина толщиной 1,2 мм. Ниже в таблице приведены результаты сравнительных испытаний резцов, изготовленных из известных и предлагаемых двухслойных режущих пластин. Износостойкость определялась при точении закаленной стали ШХ-15 ( 62-64) по износу задней кромки до достижения значений износа 0,4 мм. Аномально большой износ в первом случае, приведенном в таблице, вызван тем, что слой сверхтвердого материала (СТМ) содержит много микротрещин и износ осуществляется за счет выкрашивания отдельных частиц сверхтвердого материала в процессе резания. Состав пластины Колраскол раскол во толщиили распод- испы 1 на слоя толщина при слаива СТМ лож- таний 1 подложки синтение при 2 СТМ, (ММ) ка зе 1, (мм) 2 пайке 16844 1 2013.02.28 Как видно из таблицы брак в случае получения и эксплуатации известных пластин составляет 20-30 , в то время, как в случае использования предлагаемых пластин брак составляет 5 . Таким образом, использование предложенных двухслойных режущих пластин позволяет значительно удешевить изделия за счет выхода годных пластин и также за счет увеличения эксплуатационных качеств. Кроме того, использование тонкой подложки снижает расход дефицитного материала (карбида вольфрама), так, в среднем на 1000 двухслойных режущих пластин расходуется всего 70 г порошка карбида вольфрама,в то время как в известном изделии на 1000 пластин расходуется от 1 до 1,5 кг. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4