Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОКСИДНО-КРЕМНИЕВОЙ КАРБИДНОЙ РЕЖУЩЕЙ КЕРАМИКИ НОВОЙ ФРАКЦИИ

Изобретение относится к изготовлению высокопрочных керамических пластин, для оснащения режущего инструмента для обработки труднообрабатываемых сталей и материалов на металлообрабатывающих станков.

Известна и выпускается в РФ [ГОСТЫ на режущую керамику ВОК-60 ГОСТ 25003-81; ВОК-71 ГОСТ19043-80; Кроме ГОСТов Справочник под.ред. Жедь В.П. Режущие инструменты, оснащённые сверхтвёрдыми и керамическими материалами, и их применение: справочник / В.П. Жедь [и др.]. - Москва; Машиностроение, 1987. - 319 с.]

Известен способ получения керамической пластины для режущего инструмента [Патент RU №2699434, МПК C22C 29/12, B22F 3/16, B23B 27/14, опубл. 05.09.2019], включающий прокаливание глинозема, содержащего α-А1₂О₃ и γ-А1₂О₃, его виброизмельчение, обогащение, сушку с получением оксида алюминия модификации α-Al₂O₃, его смешивание с оксидом кремния, карбидом титана, карбидом вольфрама, карбидом бора, оксидом хрома, никелем, молибденом, ниобием и кобальтом, пластификацию и горячее прессование с получением отпрессованной пластины, спекание, отжиг с выдержкой в течение 5-10 минут в области температурного максимума и ее механическую обработку. Обеспечивается улучшение физико-механических характеристик керамической пластины для режущего инструмента.

Известен способ получения керамической пластины для режущего инструмента [Патент RU №2679264, МПК B23B 27/14, B22F 3/15, C22C 29/12, опубл. 06.02.2019], включающий прокаливание глинозема, его виброизмельчение, обогащение, сушку с получением оксида алюминия модификации α-Al₂O₃. Полученный оксид алюминия смешивают с легирующими компонентами при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид алюминия 58-60, карбид титана 30-32, оксид хрома 5-7, никель 2-3, молибден 1-2. Далее осуществляют пластификацию и горячее прессование с получением отпрессованной пластины, спекание и отжиг с выдержкой 5-10 мин в области температурного максимума полученной пластины и ее механическую обработку. Изобретение обеспечивает повышение стойкости полученных керамических пластин при обработке труднообрабатываемых материалов до 35-40 мин, твердость и прочность при изгибе до 990 МПа.

Кроме того, справочная литература:

Меськин В.С, Основы легирования стали Изд. второе, перераб. и доп. М.: Металлургия, 1964. - 684 с.

Пучкин В.Н., Корниенко В.Г., Литвинов А.Е. Схиртладзе А.Г. Физико-химическое исследование режущей керамики при механической обработке труднообрабатываемых сталей на станках с ЧПУ (методология). Монография Изд. ФГБОУ ВО «КубГТУ», г. Краснодар. 2016. Оксидно-карбидная марок ВОК-60, ВОК-63, ВОК-73 (смешанная, «металлическая», «черная») керамика, состоящая из оксида А1₂О₃ (до 60%), TiC (до 20 - 40%), ZrО₂ (до 20 - 40%) и других карбидов тугоплавких металлов с некоторыми легирующими добавками. Пластины из оксидно-карбидной керамики получают горячим прессованием в графитовых пресс-формах. Процесс более трудоемок, чем процесс получения оксидной керамики. Пластины применяют для обработки ковких, отбеленных чугунов, термоулучшенных, цементуемых и закаленных на твердость HRC 30 - 65 сталей.

В качестве основного исходного сырья используют порошок оксида алюминия Al₂O₃ (до 60%), TiC (до 20 - 40%), ZrО₂ (до 20 - 40%) и других карбидов тугоплавких металлов с некоторыми легирующими добавками. Пластины из оксидно-карбидной керамики получают горячим прессованием в графитовых пресс-формах. Процесс более трудоемок, чем процесс получения оксидной керамики. Пластины применяют для обработки ковких, отбеленных чугунов, термоулучшенных, цементуемых и закаленных на твердость HRC 30…65 сталей.

Изготовление пластин начинают с размола компонентов смеси и приготовления шихты. Затем выполняют смешивание компонентов, мокрый размол приготовленной шихты, сушку, дозирование и горячее прессование. Закончив прессование, разбирают пресс-форму, вынимают спрессованные заготовки и передают их на механическую обработку.

Качество и стабильность режущих пластин в значительной степени определяются следующими факторами: содержанием карбида титана и оксида алюминия в исходной шихте, временем размола смеси, температурой и временем выдержки при горячем прессовании, давлением прессования.

Твёрдость пластин в стадии поставки HRA 92-94.

Стойкость пластин в стадии поставки при резании труднообрабатываемых и жаропрочных сталей марок 12Х18Н10Т, 14Х17Н2 и др. - 60 мин.

Механические свойства пластин в стадии поставки: напряжение изгиба = 600 МПа; плотность 4,2 г/см³; размер зерна 2…3 мкм; твёрдость HRA 94.

Недостатками оксидно-карбидной режущей керамики (РК) на основе оксида алюминия являются хрупкость, низкая износостойкость и корозионностойкость, температуростойкость, и стойкость при обработке труднообрабатываемых сталей и материалов.

Наиболее близким по технической характеристике прототипом предлагаемой ОКРК-60 являются пластины из оксидно-карбидной режущей керамики марок ВОК-60, ВОК-63 и др., выпускаемых нашей отечественной промышленностью ВОК-60 ГОСТ 25003-81 [http://docs.cntd.ru/document/1200009570]; ВОК-71 ГОСТ19043-80 [http://docs.cntd.ru/document/1200009409].

Оксидно-карбидная (смешанная, «металлическая», «черная») керамика, состоящая из оксида А1₂О₃ (до 60%), TiC (до 20 - 40%), ZrО₂ (до 20 - 40%) и других карбидов тугоплавких металлов с некоторыми легирующими добавками. Пластины из оксидно-карбидной керамики получают горячим прессованием в графитовых пресс-формах. Процесс более трудоемок, чем процесс получения оксидной керамики. Пластины применяют для обработки ковких, отбеленных чугунов, термоулучшенных, цементуемых и закаленных на твердость HRC 30 - 65 сталей.

Наиболее известными марками керамики этой группы являются отечественная ВОК-60 и зарубежные SHT-1, SH-1, SH-20 («Фельдмюлле»), НС-2 («Ниппон Техникал Керамик»), НРС-А2 («Тошиба Тунгалой»), СС650 («Сандвик Коромант», Швеция) и др.

Недостатками оксидно-карбидной РК на основе оксида алюминия являются: хрупкость, низкая износостойкость и корозионностойкость, температуростойкость, и стойкость при обработке труднообрабатываемых сталей и материалов.

Изготовление пластин из режущей керамики на основе оксида алюминия не требует применения дефицитных материалов, а также уникального или нестандартного технологического оборудования.

В качестве основного исходного сырья используют порошок оксида алюминия Al₂O₃ (до 60%), TiC (до 20 - 40%), ZrО₂ (до 20 - 40%) и других карбидов тугоплавких металлов с некоторыми легирующими добавками. Пластины из оксидно-карбидной керамики получают горячим прессованием в графитовых пресс-формах. Процесс более трудоемок, чем процесс получения оксидной керамики. Пластины применяют для обработки ковких, отбеленных чугунов, термоулучшенных, цементуемых и закаленных на твердость HRC 30 - 65 сталей.

Техническим результатом изобретения является:

- повышение межкристаллитной коррозионностойкости, температурной износостойкости, пластичности, ударной вязкости и работоспособности пластин из оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики ОКРК-60;

- повышения предела текучести во время горячего прессования и спекания пластин;

- увеличения прочности и твердости пластин;

- улучшения физико-химических свойств физических: - пластичности, ударной вязкости, прочности, плотность; средний диаметр зерен, химических: с введением в основную фракцию SiO₂ ≥ 60%, следующих химических соединений - ZrC ≥ 3%; TiC ≥ 30%; WC ≥ 5%; N ≥ 2%, которые способствуют образованию упрочняющих фаз, растворению аустенита повышают твёрдость и устойчивость против отпуска, жаропрочность и коррозионную стойкость, а также облегчающих спекание и тормозящих рост зерен до 60% Si оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики нового химического состава ОКРК-60;

- увеличения стойкости пластин из оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики нового химического состава ОКРК-60, при резании труднообрабатываемых, жаропрочных, аустенитных сталей 12Х18Н10Т, 40Х13, 14Х17Н2 и др.;

- установление температурных режимов резания при обработки труднообрабатываемых аустенитных сталей 12Х18Н10Т, 40Х13, 14Х17Н2 и др., а также термодинамических закономерностей и режимов этого процесса, что увеличивает температурный интервал в зоне резания инструмент-заготовка до 600°С при резании труднообрабатываемых сталей и материалов в результате чего сохраняются режущие свойства режущего инструмента, оснащённого пластинами из режущей керамики новой фракции и сохранность самой пластины при установленных температурах резания;

- определение рациональных режимов резания, при которых износостойкость режущего инструмента, оснащённого пластинами из оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики нового химического состава ОКРК-60, при обработке труднообрабатываемых, жаропрочных, аустенитных сталей с использованием новой СОТС с присадками по патенту КубГТУ № 2101333 со следующим массовым составом: муравьиная кислота 12…13%; малеиновая кислота 8…9%; фумаровая кислота 7…8%; янтарная кислота 8…9%; фураноны 35…36%, остальное - вода, будет максимальна.

Рациональными режимами резания при обработке труднообрабатываемых, жаропрочных, аустенитных сталей приняты в результате испытаний скорость V = 97…110 м/мин; подача S = 0,07…0,097 мм/об; глубина резания t = 0,1…0,5 мм. При установленных рациональных режимах резания стойкость режущего инструмента, оснащённого пластинами из режущей керамики новой фракции, максимальна и достигает до Т = 180 мин.

Технический результат достигается за счет того, что по способу изготовления оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики новой фракции добавляют при помощи дозатора и аналитических весов в основную фракцию диоксида кремния химические соединения ZrC; TiC; WC и в жидком состоянии азот, тщательно смешивают до равномерного распределения массы по всему объему и образования водной суспензии, которую после введения связующих веществ подвергают распылительной сушке, затем технологический процесс приготовления прерывается, и у полученной массы контролируются химическая чистота, обрабатываемость, плотность, средний диаметр зерен, который должен соответствовать среднему арифметическому значению, не превышающему 1,5 мкм, далее прессуют режущие пластины с последующем горячем спеканием, дополнительно оксид кремния прокаливается до температуры 1700-1750°С и подвергается тонкому виброизмельчению на виброустановке в течение 2,5-3,0 ч, полученную массу обогащают и сушат, смешивают полученные массы, производят пластификацию и горячее прессование пластин из полученной смеси, производят контроль плотности спекания пластин и зернистости пластин, в заключение производят механическую обработку пластин с получением шероховатости граней Ra = 0,08-0,16 мкм, причем спекают отпрессованные пластины при температуре 3900-3950°С и кратковременном режиме отжига с выдержкой от 10,0-15,0 мин при температуре = 1600-1650°С, а процентное соотношение химического соединения следующее:

оксид кремния ≥ 60%,

карбид циркония ≥ 3%,

карбид титана ≥ 30%,

карбид вольфрама ≥ 5%,

азот ≥ 2%.

Приведем характеристики химических компонентов.

SiO₂ ≥ 60%; (оксид кремния) - молекулярная масса М = 60,08; Б/ц, плотность ρ = 2,32 Г/см²; температура плавления t_пл =1730°С; температура фазового перемещения α→β, 242°С, стандартная молярная теплоёмкость С0_р=44,18 Дж × моль^-1 × K^-1, стандартная молярная энтропия S0 = 42,7 Дж × моль^-1 × K^-1, стандартная молярная энтальпия образования – 908,3 кДж × моль^-1, стандартная молярная энергия Гиббса образования = -854,2 кДж × моль^-1, молярная энтальпия плавления кДж × моль^-1 не растворяется в Н₂О (в воде).

ZrC ≥ 3%; (карбид циркония) - молекулярная масса М = 103,23; цвет тёмно-серый блестящий, плотность ρ = 6,7 Г/см²; температура плавления tпл ≈3500°С; температура кипения tкип ≈ 5100°С, стандартная молярная теплоёмкость С0_р=37,90 Дж × моль^-1 × K^-1, стандартная молярная энтропия S0 = 33,3 Дж × моль^-1 × K^-1, стандартная молярная энтальпия образования – 206,7 кДж × моль^-1, стандартная молярная энергия Гиббса образования = -197,4 кДж моль^-1, не растворяется в Н₂О (в воде).

TiC ≥ 30% (карбид титана) – молекулярная масса М = 59,91; цвет серый, плотность ρ = 4,92 Г/см²; температура плавления tпл ≈ 3140°С; температура кипения tкип ≈ 4300°С, стандартная молярная теплоёмкость С0_р=34,30 Дж × моль-1 × K^-1, стандартная молярная энтропия S0 = 24,7 Дж × моль-1 × K^-1, стандартная молярная энтальпия образования – 209 кДж × моль^-1, стандартная молярная энергия Гиббса образования = -205,7 кДж × моль^-1, не растворяется в Н₂О (в воде) и в кислотах HCl. H₂SO₄, реагирует с HNO₃ + HF, расплавляется щёлочью.

WC ≥ 5% (карбид вольфрама) – молекулярная масса М = 195,86; цвет серо-синий, плотность ρ = 15,7 Г/см²; температура плавления tпл = 2600°С; стандартная молярная теплоёмкость С0р=35,10 Дж × моль^-1 × K^-1, стандартная молярная энтропия S0 = 35 Дж × моль^-1 × K^-1, стандартная молярная энтальпия образования – 41 кДж × моль^-1, стандартная молярная энергия Гиббса образования = -39,5 кДж × моль^-1, не растворяется в Н₂О (в воде).

N ≥ 2%; – азот, молекулярная масса М = 28,01 г/л; бесцвет. газ или жидкий, плотность ρ = 1,2506 Г/см²; жидкий р = 0,808-196 Г/л, температура плавления tпл = -210°С; температура кипения tкип = - 195,8°С, критическая температура tкр = -149,90°С, критическое давление ркр = 3,906 МПа для газа, ркр = 0,304 МПа для жидкого, стандартная молярная теплоёмкость С0р=29,10 Дж × моль^-1 × K^-1, стандартная молярная энтропия S0 = 199,9 Дж × моль^-1 × K^-1, стандартная молярная энтальпия образования 0 кДж × моль^-1, стандартная молярная энергия Гиббса образования = 0 кДж × моль^-1, молярная энтальпия испарения 5,59 кДж × моль^-1, показатель преломления n = 1,00052825.

Исп. литер.: В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. Краткий химический справочник. Изд. 3-е, Перераб. и доп. Под общей редакцией д.х.н. А.А. Потехинаи к.т.н. А.И. Ефимова. Ленинград «Химия» Ленинградское отделение 1991г. - 432 с.

Рассмотрим пример изготовления пластин.

Изготовление пластин из оксидно-кремниевой режущей керамики нового химического состава марки ОКРК-60, для оснащения режущего инструмента состоит из следующих методов и операций:

Сырье для изготовления пластин из оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики нового химического состава марки ОКРК-60 подвергается испытаниям по следующей технологии, по которой определяется:

- химическая чистота (загрязнение глинозема соединениями Na₂О, СаО недопустимо);

- влажность;

- площадь поверхности зерен, которая характеризует активность материала при спекании и позволяет оценивать предполагаемую зернистость;

- прессуемость (определяется условиями переработки глинозема);

- контроль плотности спекания пластин;

- контроль зернистости пластин.

Далее осуществляют приготовление шихты.

При помощи дозатора и аналитических весов добавляем в основную фракцию SiO₂ 60%, в процентном содержании небольшие количества химических соединений WC 5%, ZrC 3%; TiC 30% и азота N 2%; которые способствуют образованию упрочняющих фаз, повышают твёрдость и устойчивость против отпуска, жаропрочность и коррозионную стойкость, ударную вязкость, пластичность пластин, а также облегчающих спекание и тормозящих рост зерен. При тщательном смешивании данной «массы» в смесителе эти добавки равномерно распределяются по всему объему; получается водная суспензия, которую после введения связующих веществ подвергают распылительной сушке. Затем технологический процесс приготовления прерывается, и у полученной массы контролируется: химическая чистота; обрабатываемость; плотность; средний диаметр зерен, который должен соответствовать среднему арифметическому значению, не превышающему 1,5 мкм.

После контроля при положительных результатах можно приступать к прессованию режущих пластин и последующему горячему спеканию.

Оксид кремния SiO₂ прокаливается до 1650-1750°С и подвергается тонкому виброизмельчению на виброустановке в течение 2,5-3,0 ч до получения частиц размером 0,8…1,5 мкм (до 90…95 % в основной массе) при максимальном размере частиц 2 мкм. Полученная масса обогащается и сушится.

Если выйти за пределы указанных рациональных температур 1650-1750°С, будет происходить изменение кристаллической структуры пластин произойдёт рост зерен в сплаве, что приведёт при испытаниях к сколу пластин, к трещинам и к хрупкости пластин и затуплении, при резании труднообрабатываемых сталей, а также налипание расплавленного металла на обрабатываемую деталь, что ухудшает качество и точность обрабатываемой детали. При этом понижается стойкость режущего инструмента, оснащённого пластинами из режущей керамики новой фракции ОКРК-60.

В основную массу сухого порошка из оксида-кремния (SiO₂ ≥ 60%) вводим химические соединения в следующей пропорции WC ≥ 5%, ZrC ≥ 3%; TiC ≥ 30% и азота N ≥ 2%. Затем производится пластификация и горячее прессование пластин, из полученной смеси.

Спекаются отпрессованные пластины из оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики марки ОКРК-60, при температуре 3850-3900°С и кратковременном режиме отжига с выдержкой от 10,0-15,0 мин при температуре 1600-1650°С.

Вследствие того, что указанные температуры плавления и кипения высокие химических соединений (карбидов) в растворе, применены рациональные температурные режимы при прессовании и спекании пластин

Производится контроль плотности спекания пластин и контроль зернистости пластин.

В заключение производится механическая обработка пластин с получением шероховатости граней Ra = 0,08-0,16 мкм.

В результате разработки и изготовления пластин повышенной прочности из оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики нового химического состава, для оснащения режущего инструмента достигается следующий результат:

- повышена межкристаллитная коррозионностойкость, температурная износостойкость, пластичность, ударная вязкость и работоспособность пластин из оксидно-кремниевой режущей керамики ОКРК-60 в 2,5 раза;

- повышается предел текучести в 1,21 раза и увеличивает прочность и твердость пластин в 1,05 раза;

- улучшены физико-химические свойства оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики марки ОКРК-60 нового химического состава по сравнению с оксидно-карбидной РК марки ВОК-60, выпускаемой нашей отечественной промышленностью и зарубежной;

- увеличена стойкость оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики марки ОКРК-60 нового химического состава, при резании труднообрабатываемых сталей 12Х18Н10Т, 40Х13, 14Х17Н2 и др., до 150 мин по сравнению с оксидно-карбидной РК марки ВОК-60, выпускаемой нашей отечественной промышленностью, которая составляет 25-30 мин, в зависимости от режимов резания;

- установлены температурные режимы резания при обработке труднообрабатываемых сталей 12Х18Н10Т, 40Х13, 14Х17Н2 и др., а также термодинамические закономерности и режимы этого процесса; расширен интервал температур резания в зоне резания при обработки труднообрабатываемых сталей «заготовка-инструмент» до 600°С, при которой сохраняется режущие свойства инструмента, оснащённого пластинами из режущей керамики новой фракции, при этом не ухудшается качество и точность обрабатываемой детали и не происходит затупления режущего инструмента;

- определены рациональные режимы резания, при которых износостойкость РИ, оснащённого пластинами из оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики марки ОКРК-60 нового химического состава, при обработки труднообрабатываемых, жаропрочных аустенитных сталей с использованием новой СОТС с присадками по патенту КубГТУ №2101333 со следующим массовым составом: муравьиная кислота 12…13%; малеиновая кислота 8…9%; фумаровая кислота 7…8%; янтарная кислота 8…9%; фураноны 35…36%, остальное - вода, будет максимальны.

Для экспериментальной проверки заявляемых пластин из оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики марки ОКРК-60 нового химического состава были изготовлены стандартные образцы пластин габаритом 10×10×4,5 мм, для оснащения резцов.

Затем была произведена обработка валов из труднообрабатываемой стали марки 12Х18Н10Т ∅50 на длину 100мм резцами, оснащёнными пластинами из оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики марки ОКРК-60 и резцами, оснащёнными пластинами из оксидно-карбидной режущей керамики марки ВОК-60 на основе оксида алюминия.

При этом стойкость резцов, оснащённых пластинами из оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики марки ОКРК-60, составляла 140…150 мин, а резцов, оснащённых пластинами из оксидно-карбидной режущей керамики марки ВОК-60 на основе оксида алюминия, составляла 30…37 мин. ТО стойкость резцов, оснащённых пластинами из оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики марки ОКРК-60, была в 4,1 раза выше резцов, оснащённых пластинами из оксидно-карбидной режущей керамики марки ВОК-60 на основе оксида алюминия.

Данная разработка и изготовления пластин из оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики ОКРК-60 нового химического состава SiO₂ ≥ 60%, 2%, азота ZrC ≥ 3%; TiC ≥ 30%; WC ≥ 5%; для оснащения режущих инструментов внедрена на ООО «МАПП» (Общество с ограниченной ответственностью Механизация, автоматизация производственных процессов), при обработке валов из труднообрабатываемой стали 12Х18Н10Т. Применение пластин из оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики ОКРК-60, при обработке валов повысило качество и точность обрабатываемых деталей, что удовлетворяет техническим и потребительским свойствам изделий. Повысилась производительность механической обработки валов, что дало экономию на предприятии ООО «МАПП» 294 тысяч руб. по сравнению с применением твёрдосплавного вольфрамосодержащего РИ. Также внедрены пластины из оксидно-кремниевой карбидной режущей керамики ОКРК-60, для оснащения РИ, при обработке валов и шестерён из труднообрабатываемых аустенитных сталей 12Х18Н10Т, 14Х17Н2 и серого чугуна СЧ18 на Армавирском машиностроительном заводе» филиала Открытого акционерного общества «Новозыбковского машиностроительного завода» в г. Армавире 250 тысяч руб.