Изделие, преимущественно режущий инструмент, содержащее спеченную основу из карбида вольфрама и алмазное покрытие

ИЗДЕЛИЕ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО  РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ, СОДЕРЖАЩЕЕ СПЕЧЕННУЮ  ОСНОВУ ИЗ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА И  АЛМАЗНОЕ ПОКРЫТИЕ

Изобретение относится к  изделиям, в частности к режущим  инструментам, содержащим спеченную  основу из карбида вольфрама и  алмазное покрытие. Сущность изобретения: алмазное покрытие получено синтезом в газовой фазе, а основа дополнительно  содержит по крайней мере одно из соединений, выбранных из группы, содержащей карбид, нитрид кремния и бора в количестве 3 - 70 мас. % . Основа может дополнительно содержать одно из следующих соединений: карбид, оксид, нитрид, карбонитрид, карбонат, борид и органическое соединение по крайней мере одного из следующих элементов групп IIa, IIIa, IVa, III в, IY в групп периодической системы элементов в количестве 0,5 - 10 мас. %. 1 с. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к  изделиям, в частности к режущим  инструментам с износостойкими покрытиями.

Сверхтвердый сплав, спеченный  алмаз, кристаллический алмаз используются для изготовления инструментов и  характеризуются высокой твердостью и износостойкостью.

Среди этих материалов алмазные инструменты являются особенно предпочтительными  из-за их высокой твердости и износостойкости.

Прежде в качестве алмазных инструментов использовались инструменты, которые содержат основу, изготовленную  из сверхтвердого сплава или сверхтвердого  металла, на который нанесен спеченный  алмаз или кристаллический алмаз  с помощью припаивания или  другими методами. С другой стороны, недавно было изучено получение покрытого алмазом изделия, которое включает образование алмазной пленки путем наложения на поверхность изделия из сверхтвердого сплава или сверхтвердого металла с использованием техники синтеза алмаза в газовой фазе, такой как CVD-метод и PVD-метод, и были сделаны попытки применить получающееся покрытое алмазом изделие для вышеупомянутых целей.

Поскольку алмаз является наиболее твердым веществом, то алмазная пленка, образованная на поверхности  изделия из сверхтвердого сплава и тому подобное, может быть эффективно использована в качестве покрывающего материала для придания высокой  твердости или износостойкости  изделию, а также в качестве защитной пленки для изделия. Например, когда алмазная пленка образуется на поверхности изготовленного из сверхтвердого сплава, используемого для сверхтвердых инструментов, таких как режущий инструмент и шлифовальный инструмент, могут быть получены еще более качественные сверхтвердые инструменты.

Однако сцепление между  поверхностью сверхтвердого сплава и алмаза обычно плохое, и до сих  пор не было получено используемых на практике инструментов.

Известно спеченное изделие  с алмазным покрытием, основа которого выполнена из сплавов, например: TiC, WC, TiN, WC/TiC, WC/TiN, WC/TiCN [1].

Для улучшения сцепления  между поверхностью сверхтвердого  сплава и алмазом было предложено образовывать промежуточный слой между  сверхтвердым сплавом и алмазом.

Целью изобретения является повышение срока службы изделий  за счет прочного сцепления основы и покрытия.

Согласно изобретению, изделие, преимущественно режущий инструмент, содержит спеченную основу из карбида  вольфрама и алмазное покрытие, причем алмазное покрытие получено синтезом в газовой фазе, а основа дополнительно  содержит по крайней мере одно из соединений, выбранных из группы, содержащей карбид и нитрид кремния и бора в количестве 3-70 мас.%. Основа может дополнительно содержать по крайней мере одно соединение, выбранное из группы, содержащей карбид, оксид, нитрид, карбонитрид, карбонат, борид и органическое соединение по крайней мере одного из элементов IIa, IIIa, IVa, IIIb, IVb групп, например, магний, иттрий, бор, алюминий, титан, цирконий. Также возможно введение в основу по крайней мере одного соединения, выбранного из группы, содержащей оксиды иттрия, алюминия, циркония, магния и нитрид титана.

Механизм сцепления с  алмазной пленкой и значительно  увеличенной стойкости к износу при использовании спеченного изделия, полученного путем спекания определенных компонентов в качестве основы, не является абсолютно ясным в настоящее  время, но, например, основными причинами  могут считаться следующие.

Когда алмазная пленка образуется по методу синтеза в газовой фазе на поверхности вышеупомянутого  спеченного изделия, эта алмазная пленка растет так, что полученный алмаз  образует близкую к непрерывной фазовую структуру с карбидом, только что образованным на поверхности спеченной основы, или карбидом металла или соединением на основе карбида, ранее находившимся на поверхности.

Кроме того, поскольку спеченная  основа представляет собой спеченную  основу, содержащую два или более  соединений металла, спеченная основа имеет мелкие неровности на поверхности  или поверхностные поры, и алмазная пленка образуется таким образом, что  мелкие частицы алмаза попадают в  неровности или поры, и в результате этого спеченная основа более  прочно связана с алмазной пленкой, чем обычный сверхтвердый сплав.

В добавление к этому, поскольку  спеченное изделие, используемое в  настоящем изобретении в качестве основы, представляет собой керамический сверхтвердый материал, не содержащий ни один из таких металлов, как Co, Ni, Fe и тому подобное, ни их сплавы, спеченное изделие имеет меньший коэффициент теплового расширения, чем обычный сверхтвердый сплав карбид вольфрама - Co, и имеет достаточно малое остаточное напряжение тепловой усадки, и, кроме того, не происходит диффузии углерода.

Таким образом, алмазная пленка с высокими эксплуатационными качествами образуется на поверхности спеченного изделия, может быть устойчивой и  ее трудно отделить.

Спеченное изделие, используемое в настоящем изобретении, относится  к сверхтвердому материалу на основе карбида (цементированный карбид) и он сам по себе имеет высокую  твердость и износостойкость  подобно обычному сверхтвердому  сплаву. Однако, поскольку покрытое алмазом спеченное изделие, соответствующее настоящему изобретению, изготавливается путем формования алмазной пленки по методу синтеза в газовой фазе на поверхности спеченной основы, которая представляет собой вышеупомянутый сверхтвердый материал, это изделие является сверхтвердым изделием или материалом, имеющим прекрасные поверхностные характеристики, такие как более высокая твердость и износостойкость, и, кроме того, имеет длительный срок службы.

Способ изготовления спеченного изделия не имеет особых ограничений. Если необходимо, полученное спеченное  изделие может быть обработано для  придания ему необходимой формы.

Покрытое алмазом спеченное  изделие, соответствующее настоящему изобретению, заметно превосходит  обычные покрытые алмазной (тонкой) пленкой сверхтвердые сплавы, в особенности, в части сцепления между алмазной пленкой и спеченной основой.

В связи с этим покрытое алмазом спеченное изделие, соответствующее  настоящему изобретению, может быть с успехом использовано в качестве режущих инструментов, таких как  сверла, торцовые фазы и режущие  инструменты; сверхтвердых инструментов, износостойких инструментов и износостойких  изделий, таких как штамп, вытяжной штамп, метчик, шаблон и головки соединительных инструментов.

П р и м е р 1. Смесь, содержащая 94% по всему WC, имеющего диаметр частиц, равный 1,2 мкм, 5% по весу SiC, имеющего диаметр частиц, равный 0,6 мкм, и 1% по весу ZrO₂, имеющей диаметр частиц, равный 0,5 мкм, в качестве сырых материалов для спеченной основы подвергалась спеканию с помощью HIP (горячего изостатического прессования: величина давления 2000 кг/см², время прессования 24 ч, температура прессования 1800^оС) для получения спеченного изделия JIS SPGN 422.

Алмазная пленка с толщиной около 2 мкм была образована на поверхности  вышеупомянутой спеченной основы с  помощью известного микроволнового плазменного CVD-метода при следующих  условиях: частота 2,45^.10⁹ Гц; мощность 400 Вт; температура спеченной основы 900^оС; время 1 ч; давление 40 мм рт. ст. (5332 Па).

Являющаяся сырым материалом газообразная смесь (CO:7 об.%); расход CO 7 см³/с; расход H₂ 93 см³/с.

Затем полученное покрытое алмазом спеченное изделие было использовано в качестве сверхтвердого инструмента и с помощью его разрезался алюминиевый сплав, содержащий 8% по весу Si.

Материал, подвергаемый разрезанию: алюминиевый сплав (АС4С-Т6); скорость резания 800 м/мин; время резания 10 мин; подача 0,1 мм/оборот; глубина резания 0,25 мм; смазка при резании: водная смазочно-охлаждающая  эмульсия.

В результате было обнаружено, что покрытое алмазом спеченное  изделие, использованное для резания, не подвергалось износу по поверхности  ни со стороны переднего, ни со стороны  заднего угла резца при осуществлении  резания в течение 10 мин или  менее.

П р и м е р 2-6. Покрытое алмазом спеченное изделие было изготовлено таким же образом, что и в примере 1, за исключением того, что [WC/SiC (SiC в форме порошка 8% по весу и SiC в нитевидной форме 2% по весу)], [WC/Si₃N₄ (10% по весу)] [WC/B₄C (10% по весу) [WC/Si₃N₄ (5% по весу); Y₂O₃ (2% по весу)] и [WC/SiC (5% по весу); TiN (3% по весу)] были, соответственно, использованы в качестве сырых материалов для спеченной основы, и такое покрытое алмазом спеченное изделие подвергалось таким же испытаниям по резанию, что и в примере 1.

В результате было обнаружено, что ни со стороны переднего угла, ни со стороны заднего угла резца  не было износа поверхности у всех покрытых алмазом изделий в течение 10 мин резания или менее.

П р и м е р ы 7-13 и сравнительные примеры 1-2. Спеченные изделия были изготовлены таким же образом, что и в примере 1, за исключением того, что смеси, имеющие такие составы, как показано в таблице, были использованы в качестве сырых материалов для спеченных основ.

Алмазная пленка с толщиной около 12 мм была образована на поверхности  вышеупомянутых спеченных основ  с помощью известного микроволнового плазменного CVD-метода при следующих  условиях; частота 2,45 10⁹ Гц; мощность 450 Вт; температура подложки 1000^оС; время 5 ч; давление 40 мм рт. ст. (5332 Па).

Являющаяся сырым материалом газообразная смесь (CO:15 об.%); расход CO 15 см³/с; расход H₂ 85 см³/с.

Затем покрытое алмазом спеченное  изделие было использовано в качестве сверхтвердого инструмента и с помощью него разрезался алюминиевый сплав, содержащий 12% по весу Si при следующих условиях.

Материал, подвергаемый разрезанию: алюминиевый сплав (АС8А-Т6); скорость резания 600 м/мин; подача 0,1 мм/оборот; глубина  резания 0,25 мм.

Время (время резания), требуемое  для отслаивания алмазной пленки от покрытого алмазом спеченного изделия, измерялось для получения  результатов, которые представлены в таблице. Режущая кромка покрытых алмазом спеченных изделий во всех примерах расплавлялась с трудом даже после того, как происходило  отслоение пленки.

Формула изобретения

1. ИЗДЕЛИЕ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО  РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ, СОДЕРЖАЩЕЕ  СПЕЧЕННУЮ ОСНОВУ ИЗ КАРБИДА  ВОЛЬФРАМА И АЛМАЗНОЕ ПОКРЫТИЕ, отличающееся тем, что, с целью  повышения срока службы изделия  за счет прочного сцепления  основы и покрытия, изделие содержит  алмазное покрытие, полученное синтезом  в газовой фазе, а основа дополнительно содержит по крайней мере одно из соединений, выбранных из группы, содержащей карбид и нитрид кремния и бора в количестве 3 - 70 мас.%.

2. Изделие по п.1, отличающееся  тем, что основа дополнительно  содержит по крайней мере одно  соединение, выбранное из группы, содержащей карбид, оксид, нитрид, карбонитрид, карбонат, борид и органическое соединение по крайней мере одного из элементов IIа, IIIа, IVа, IIIв, IVв групп Периодической системы элементов в количестве 0,5 - 10 мас.%.

3. Изделие по п.1 или  2, отличающееся тем, что основа  содержит по крайней мере одно соединение, выбранное из группы, содержащей карбид, оксид, нитрид по крайней мере одного из элементов из группы, содержащей Mg, Y, B, Al, Ti, Zr.

4. Изделие по п.1 или  2, отличающееся тем, что основа  содержит по крайней мере одно соединение, выбранное из группы, содержащей Y₂O₃, Al₂O₃, ZrO₂, TiN, MgO.

КОМПОЗИЦИОННОЕ  ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ

(57) Реферат:

Использование: композиционное электрохимическое покрытие никель-бор-ультрадисперсный алмаз с повышенной микротвердостью может быть использовано в машиностроении с целью продления срока использования деталей в узлах машин, механизмов, пресс-форм. Светло-матовое покрытие имеет значение микротвердости 15 23 ГПа при следующем соотношении компонентов, мас. бор 0,2 3,2; ультрадисперсный порошок алмаза 0,1 2,6; никель - остальное.

Изобретение относится к  гальванотехнике и может быть использовано в машиностроении, приборостроении  и других отраслях промышленности с  целью продления срока использования  деталей в узлах машин, механизмов, а также пресс-форм, обладающих повышенной микротвердостью.

Наиболее перспективны с  этой точки зрения никелевые покрытия с включениями дисперсной фазы. По значениям микротвердости покрытия не уступают покрытиям хромом, а с экологической точки зрения предпочтительны.

Известно композиционное алмазно-никелевое покрытие, композиционное никелевое покрытие с ультрадисперсным порошком диборида циркония.

Наиболее близким к  изобретению по технической сущности и достигаемому результату является композиционное алмазно-никелевое  покрытие толщиной 13-25 мкм, содержащее в качестве матрицы 90-93 мас. никеля с добавкой 7-10 мас. фосфора и диспергированные в матрице частицы порошка синтетического алмаза размером 0,1-10 мкм в количестве до 50 об.