PL248246B1 - Sposób wytwarzania kompozytu na osnowie węglika spiekanego dla narzędzi skrawających - Google Patents

Abstract

Kompozyt zawiera fazę ceramiczną w postaci tlenku glinu w odmianie α-Al2O3 o wielkości ziarna od 0,3 - 0,6 μm w ilości od 5% masy do 15% masy, przy czym faza proszku węglika wolframu i kobaltu WC-Co o wielkości ziarna od 1,5 μm do 5,00 μm stanowi od 85% do 95% masy, przy zawartości kobaltu Co w ilości 10% masy. Sposób wytwarzania kompozytu polega na tym, że do mieszaniny wyjściowej zawierającej od 85% do 95% masy proszku węglika spiekanego typu WC-Co o zawartości kobaltu w ilości około 10% masy, dodaje się proszek tlenku glinu Al2O3 w ilości od 5% masy do 15% masy, przy czym średnia wielkość ziarna proszku WC-Co wynosi od 1,5 do 5,0 μm, a wielkość proszku α-Al2O3 mieści się w przedziale od 0,3 do 0,6 μm, po wstępnym sprasowaniu wypraski poddaje się procesowi spiekania przy temperaturze od 1250°C do 1450°C i ciśnieniu od 1 MPa do 100 MPa.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozytu na osnowie węglika spiekanego dla narzędzi skrawających. Kompozyt należy do grupy materiałów narzędziowych zawierających węglik wolframu WC i kobalt Co.

Węglikami spiekanymi są materiały spiekane, które charakteryzują się wysoką odpornością na pękanie i odpornością na ścieranie, a w ich skład wchodzi jeden lub więcej węglików metali wysokotopliwych stanowiący składnik podstawowy razem z metaliczną fazą wiążącą.

Podstawowym składnikiem węglików spiekanych typu WC-Co jest węglik wolframu WC, który w zależności od producenta i grupy zastosowań materiałowych może stanowić od osiemdziesięciu procent do dziewięćdziesięciu kilku procent wagowej zawartości spieku.

Resztę składu stanowi osnowa, którą jest zazwyczaj kobalt Co. Kobalt charakteryzuje się bardzo dobra zwilżalnością z większością materiałów będących składnikami spiekanych materiałów narzędziowych oraz dość wysoką temperaturą topnienia, która wynosi 1493°C.

Taka charakterystyczna dla węglików spiekanych budowa, która pozwala na występowanie obok siebie ciągliwej fazy wiążącej oraz twardej i kruchej fazy węglikowej umożliwia zespolenie w jednym materiale przeciwstawnych cech, wysokiej odporności na ścieranie i twardości - z wysoką wytrzymałością oraz w miarę dobrą ciągliwością.

W opisie GB 2506287A przedstawiono kompozyt o osnowie WC z dodatkiem AI2O3 oraz Si3N4 w postaci whiskerów wraz z zanieczyszczeniami obecnymi w zastosowanych proszkach. Proporcje masowe prezentowanego kompozytu wynoszą 87%-99% WC, 0,5%-3% AI2O3 oraz 0,5%-10% Si3N4. Do wytworzenia tego kompozytu zastosowano proszki o wielkości cząstek od 0,5 do 10 μm. Mieszanie proszków przeprowadzono w niskoenergetycznym młynie kulowym przy zastosowaniu zawiesiny proszków z użyciem rozpuszczalnika nieorganicznego. Jako metody spiekania zastosowano SPS (Spark Plasma Sintering) lub HP (Hot Pressing).

W opisie CN 104520252 A znajdują się informacje na temat kompozytu o składzie: WC w ilości od 20 do 50% objętościowych, ZrO2 w ilości od 0,1 do 18% objętościowych oraz AI2O3, który stanowi uzupełnienie składu.

Opis JPH 09316589 A dotyczy materiału bez określonego przeznaczenia, do wytworzenia którego zastosowano mieszaninę 10 do 87,5% AI2O3, 10 do 30% Co jako składnika wiążącego oraz WC w ilości od 2,5 do 80%.

Znane są również z opisu SE 530515 C2 narzędzia skrawające, w których ostrze skrawające stanowi płytka wykonana z węglika wolframu WC z naniesioną metodą PVD warstwą. Zastosowano pojedynczą warstwę z tlenków metali, azotków, węglików jak i węglikoazotków o grubości od 0,2 do 5 μm.

Narzędzia skrawające są również przedstawione w opisie WO 2007029017 A1, zgodnie z którym głównym składnikiem materiałów narzędziowych przeznaczonych na ostrza narzędzi skrawających jest WC z dopuszczalną obecnością fazy wiążącej w postaci kobaltu chromu lub niklu. Jako drugą fazę proponuje się możliwość zastosowania węglików, borków lub tlenków metali przejściowych, metali ziem alkalicznych lub tlenku glinu w ilości od 0,0001% do 10% masy. Preferowaną metodą wytwarzania jest spiekanie izostatyczne w wysokiej temperaturze HIP (Hot Isostatic Pressing).

W publikacji autorstwa E.C.S. Tavares, et al. „Mechanical characterization ofalumina-doped tungsten carbide”, Materials Science Forum, 2003, 416-418(1):616-620, DOI:10.4028/www.scientific.net/MSF.416-418.616, przedstawiono pierwsze wyniki uzyskane przez dodanie tlenku glinu do matrycy z węglika wolframu. Materiał WC z 10% mas. kobaltu zmieszano z 5 i 10% mas. AI2O3 w planetarnym młynie kulowym. Następnie próbki o średnicy 10 mm poddano jednoosiowemu prasowaniu na gorąco. Materiał kompozytowy scharakteryzowano za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej, twardości i skaningowej mikroskopii elektronowej. Wyniki wykazały, że dodanie 10% wag. AI2O3 poprawiło wartość twardości matrycy z węglika wolframu.

W publikacji autorstwa Weon-Pil Tai, Tadahiko Watanabe, „Fabrication and Mechanical Properties of AI2O3-WC-Co Composites by Vacuum Hot Pressing”, J. Am. Ceram. Soc., 2005, 81 [6] 1673-76, kompozyty AI2O3-WC-Co zostały wytworzone przez próżniowe prasowanie na gorąco mieszanin proszków AI2O3, WC i kobaltu. Fazy utworzone z dodatkiem WC do 40% wag. to a-AbO3, WC, CO3W3C oraz niewielkie ilości f-Co (kobaltu w kształcie sześcianu ześrodkowanego na powierzchni) i węgla (grafitu); przy zawartości WC >40% wag. nie utworzyły się żadne fazy kobaltu ani węgla. Wraz ze wzrostem zawartości WC tworzyła się bardziej równomiernie rozłożona i połączona matryca WC. Kompozyt 10AI2O3-8OWC-10Co (w % mas.) wykazywał jednocześnie wysoką wytrzymałość na zginanie (1250

MPa), odporność na pękanie (9 MPam^1/2) i twardość (20,6 ± 0,5 GPa). Wysoką wytrzymałość na zginanie przypisywano głównie mniejszej liczbie źródeł pęknięć ze względu na równomiernie rozłożoną i połączoną matrycę WC wraz z mniejszą porowatością. Zwiększona odporność na pękanie była spowodowana głównie ugięciem pęknięć i mostkowaniem pęknięć w jednolicie połączonej matrycy WC. Wysoka twardość wynikała z drobniejszych związków metalicznych WC i wytrącania C03W3C w prawie wszystkich zakresach.

Wszystkie przedstawione powyżej w znanych rozwiązaniach fazy ceramiczne nie spełniają roli substytutów węglika wolframu ani też dodatków podwyższających twardość, a jedynie są dodatkiem do spieków na osnowie WC z różnymi metalicznymi fazami wiążącymi.

Celem wynalazku jest opracowanie składu węglików spiekanych typu WC-Co z dodatkiem tlenkowej fazy ceramicznej, z utrzymaniem wysokich właściwości spiekanych materiałów, takich jak odporność na zużycie ścierne, wytrzymałość, twardość i odporność na pękanie, co pozwoli na wykorzystanie otrzymanego materiału do celów narzędziowych.

Istota sposobu wytwarzania kompozytu według wynalazku polega na tym, że do mieszaniny wyjściowej zawierającej od 85% do 95% masy proszku węglika spiekanego typu WC-Co o zawartości kobaltu w ilości 10% masy, dodaje się proszek a-Al2O3 w ilości od 5% masy do 15% masy, przy czym średnia wielkość ziarna proszku WC-Co wynosi od 1,5 do 5,0 μm, a wielkość proszku a-AbO3 mieści się w przedziale od 0,3 do 0,6 μm, po wstępnym sprasowaniu wypraski poddaje się procesowi spiekania w temperaturze 1250°C pod ciśnieniem od 1 do 100 MPa.

Po wytworzeniu kompozytu według wynalazku przeprowadzono badania jego właściwości. Na otrzymanych spiekach kompozytowych zmierzono wybrane właściwości fizyczne, mechaniczne oraz tribologiczne, pozwalające na określenie przydatności spieku do zastosowania go jako materiał narzędziowy. Dla wytworzonych kompozytów na osnowie węglika spiekanego typu WC-Co z dodatkiem tlenku glinu zmierzono: gęstość pozorną, twardość Vickersa HV30, moduł Younga, liczę Poissona, odporność na pękanie powierzchniowe Kic(hv) oraz współczynnik tarcia. Dla badanych próbek uzyskano zadawalające wyniki z pomiarów, które różnią się w zależności od ilości dodawanego a-Al2O3.

Twardość Vickersa mieści się w zakresie od 1478 HV do 1559, moduł Younga 474 GPa do 528 GPa, odporność na pękanie powierzchniowe od 10,0 MPam^1/2 do 12,5 MPam^1/2 oraz gęstość od 12,4 g/cm³ do 10,1 g/cm³. Należy przy tym podkreślić, że spiek z czystego tlenku glinu charakteryzuje się dużą kruchością i jego odporność na pękanie jest niska (około 3,0 MPam^1/2; zaś twardość Vickersa uzyskanego kompozytu znacznie przewyższa twardość badanych węglików spiekanych bez dodatku tlenku glinu. Współczynnik tarcia uzyskany dla węglików spiekanych dodatkiem AI2O3 nie różni się w znaczący sposób od wyników uzyskanych dla spieku WC-Co i niezależnie od ilości dodatku tlenku glinu utrzymuje się na poziomie ~0,3. Dodatek a-AbO3 w ilości 5% nie wpłynął na wskaźnik zużycia dysku w próbie tribologicznej, w przypadku 10% i 15% widoczny jest wzrost zużycia dysku, jest to jednak nadal wynik na dobrym poziomie. Odporność na pękanie powierzchniowe zmniejsza się ze wzrostem udziału tlenku glinu lecz otrzymane wartości utrzymują się na wysokim poziomie.

Wprowadzenie fazy ceramicznej w postaci odmiany tlenku glinu pozwala nie tylko na zwiększenie twardości kompozytu ale również prowadzi do zmniejszenia udziału węglika wolframu WC przy zachowaniu takiej zwiększonej twardości kompozytu. Zatem częściowe zastąpienie WC przez (a-AbO3 jest korzystne również ze względów ekonomicznych.

Uzyskany kompozyt będzie miał zastosowanie jako materiał narzędziowy z przeznaczeniem na ostrza narzędzi skrawających.

Przykład

Przygotowano mieszaninę 90% masy proszku węglika spiekanego typu WC-Co o zawartości kobaltu w ilości 10% masy z dodatkiem 10% proszku a-Al2O3. Średnia wielkość ziarna (mediana) proszku WC-Co wynosiła 2,44 μm, a rozwinięcie powierzchni 1,113 m²/g zaś proszku (a-AbO3 mieściła się w przedziale od 0,3 do 0,6 μm. Po wstępnym sprasowaniu wypraski poddawano procesowi spiekania przy temperaturze 1250°C i ciśnieniu 35 MPa. Otrzymano kompozyt o twardości Vickersa 1508 HV30, gęstości pozornej 11,46 g/cm³, module Younga 506 GPa, liczbie Poissona 0,23 i odporności na pękanie powierzchniowe Kic(hv) wynoszącą 11,3 MPam^1/2. Współczynnik tarcia uzyskany dla pary kompozyt WC-Co z dodatkiem 10% masy a-AbO3 kulka z WC nie różni się w znaczący sposób od wyników uzyskanych dla spieku WC-Co i wynosi ~0,3.

Claims (1)

1. Sposób wytwarzania kompozytu na osnowie węglika spiekanego, stanowiącego materiał narzędziowy, zwłaszcza do wytwarzania narzędzi skrawających, zawierającego spiekany węglik wolframu WC i metaliczną fazę wiążącą w postaci kobaltu Co, znamienny tym, że do mieszaniny wyjściowej zawierającej od 85 do 95% mas. proszku węglika spiekanego typu WC-Co o zawartości kobaltu w ilości 10% mas., dodaje się proszek a-Al2O3 w ilości od 5 do 15% mas., przy czym średnia wielkość ziarna proszku WC-Co wynosi do 1,5 do 5,0 μm, a wielkość proszku a-Al2O3 mieści się w przedziale od 0,3 do 0,6 μm, po wstępnym sprasowaniu wypraski poddaje się procesowi spiekania w temperaturze 1250°C pod ciśnieniem od 1 do 100 MPa.