Способ изготовления алмазно-абразивного инструмента на карбидосодержащих металлических связках

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА НА КАРБИДОСОДЕРЖАЩИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СВЯЗКАХ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Баран Анатолий Александрович Беляев Андрей Васильевич Звонарев Евгений Владимирович Талако Татьяна Леонидовна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) 1. Способ изготовления алмазно-абразивного инструмента на карбидосодержащих металлических связках, включающий смешивание порошков компонентов связки, введение в состав шихты связки алмазного порошка, прессование заготовки инструмента и ее последующее спекание под давлением, отличающийся тем, что карбиды металлов вводят в состав шихты связки в виде композиционного порошкового материала, при получении которого смесь частиц карбидов металлов и хотя бы одного из металлов связки, взятого в количестве не менее 25 об. , нагревают выше температуры плавления металла. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют композиционный порошковый материал, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Изобретение относится к технологиям инструментального производства, в частности к способам изготовления алмазно-абразивного инструмента на металлических связках. Известен ряд технических решений получения алмазно-абразивного инструмента металлических связках, в состав которых помимо металлических элементов включают тугоплавкие износостойкие соединения - карбиды, бориды, нитриды и др. При больших массовых долях последних основным технологическим методом получения инструмента 6535 1 на таких связках является метод пропитки медью либо сплавами на ее основе прессовки из более тугоплавких элементов и соединений 1, 2, что ограничивает его область применения, так как требуется использовать либо природные, либо дорогостоящие термостойкие синтетические алмазы. При меньших массовых долях износостойких соединений возможно получение инструмента на таких связках с использованием метода горячего прессования либо спекания под давлением или с последующей допрессовкой порошковых заготовок. Однако такие методы 3, 4 характеризуются также высокими температурами спекания и усилиями допрессовки либо сложным составом связки и технологией ее получения 5. Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является решение 6, согласно которому исходные порошки компонентов связки смешивают в шаровой мельнице, приготовленную шихту связки смешивают с алмазами и прессуют в заготовки инструмента, которые подвергают спеканию с приложением усилия допрессовки 250-300 кгс/см 2. Недостатками данного способа являются необходимость обеспечения высоких температур спекания при использовании композиций с массовой долей карбидов более 10 , необходимость приложения высокого давления допрессовки, что ведет к низкой стойкости графитовой оснастки для спекания, невозможность использования составов с более высокими, чем указанные в данном техническом решении, массовыми долями карбидов (18 мас. ) вследствие разупрочнения связки. Задачей изобретения является расширение технологических возможностей способа изготовления инструмента из карбидосодержащих алмазно-металлических композиций при спекании под давлением за счет снижения температуры спекания и давления допрессовки. Одновременно достигается и другой технический результат - повышение содержания карбидной составляющей и обеспечение высоких прочностных свойств связки. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления алмазно-абразивного инструмента на карбидосодержащих металлических связках, включающем смешивание порошков компонентов связки, введение в состав шихты связки алмазного порошка, прессование заготовки инструмента и ее последующее спекание под давлением, карбиды металлов вводят в состав шихты связки в виде композиционного порошкового материала,при получении которого смесь частиц карбидов металлов и хотя бы одного из металлов связки, взятого в количестве не менее 25 об. , нагревают выше температуры плавления металла. При этом используют композиционный порошковый материал, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Такой подход к процессу изготовления инструмента позволяет устранить недостатки известных способов, обусловленные тем, что тугоплавкие износостойкие соединения плохо смачиваются расплавами на основе легкоплавких металлов (олова, цинка, свинца и др.),наиболее часто используемых в составах большинства подвергаемых дополнительному уплотнению металлических связок для обеспечения процесса жидкофазного спекания. Использование в составах связок инструмента таких элементов обусловлено необходимостью получения высокоплотных композиций при температурах ниже температур разупрочнения и графитизации алмазных порошков, составляющих для синтетических алмазов нормальной термостойкости 950-1000 С. Плохая смачиваемость тугоплавких износостойких соединений расплавами на основе легкоплавких металлов (температура плавления меньше 1000 С) ведет к тому, что положительный эффект от введения стойких к абразивному истиранию соединений в состав композиции нивелируется снижением прочностных и вязкостных свойств связки из-за создания дополнительной пористости в зонах контакта износостойкое соединение - расплав на основе легкоплавкого металла (металлов). И чем больше вводится таких износостойких соединений в связку, тем ниже ее упомянутые характеристики и, как следствие,эксплуатационные характеристики самого инструмента. Так что технология, базирующаяся 2 6535 1 на спекании под давлением, оказывается эффективной лишь при введении в состав связок небольших количеств износостойких соединений, что не всегда обеспечивает достаточный уровень эксплуатационных свойств при резании высокопрочных либо высокоабразивных материалов. Улучшение смачивания может быть достигнуто повышением температуры спекания, однако этот прием требует использования термостойких либо природных алмазных порошков. Предлагаемое решение позволяет существенно улучшить процессы уплотнения композиционных связок, включающих легкоплавкие элементы, что достигается существенным уменьшением площади контакта износостойкое соединение - расплав на основе легкоплавких элементов, заменяя его контактом с металлическим элементом либо сплавом, обладающим хорошей растворимостью с легкоплавкими элементами и их расплавами либо способностью образовывать химические либо интерметаллические соединения. В свою очередь металлические элементы для получения композиционного порошкового материала выбирают из ряда тех, расплавы которых имеют низкий угол смачивания (менее 90 град.) и соответственно хорошую смачиваемость износостойких соединений, в частности никель, кобальт, железо, марганец, медь и др. Процесс получения композиционного порошкового материала проводят, обеспечивая нагрев металла (металлов) с хорошей смачиваемостью износостойкого соединения до температуры расплавления металла (металлов), что обусловливает получение прочного соединения между компонентами порошка, т.е. соединения с высокими значениями работы адгезии. Предложенный технологический прием позволяет существенно расширить технологические возможности способа изготовления алмазно-абразивного инструмента на базе операции спекания под давлением для большинства известных составов понизить температуру спекания при достижении таких же физико-механических характеристик, что для ряда составов позволит использовать алмазные синтетические порошки обычной термостойкости, увеличить возможную долю карбидной составляющей в составах связок без снижения их прочностных свойств, а это позволяет использовать такие связки в более тяжелых условиях резания. При этом доля материала-связки должна быть не менее 25 об.- при меньшем количестве более одной трети поверхности синтезированных карбидных зерен оказывается свободной, что в итоге не обеспечивает существенного эффекта повышения адгезии таких карбидных зерен в основном материале связки. Одним из вариантов реализации способа может явиться использование для получения композиционного порошкового материала метода СВС, обеспечивающего в процессе протекания реакции синтеза температуры выше температур плавления участвующих металлических материалов, являющихся связующими. Примеры выполнения способа приведены ниже. Пример 1. Изготавливали образцы инструмента по известному способу смешивали порошки компонентов связки в следующем массовом соотношении- 12 ,- 1,6 , 2 - 2 ,СоС 2 - 0,2 , 32 - 16 ,- остальное прессовали и спекали заготовки под давлением при температуре 990 С. Полученные образцы имели прочность на изгиб 695 МПа, ударную вязкость 3,7 Дж/см 2 и при резании малокварцевого гранита показали удельный расход алмазов 1,8 карат/м 2. При реализации способа с выполнением спекания образцов того же состава с температурой на 20 С ниже, т.е. 970 С процесс доуплотнения затруднялся, появлялась дополнительная пористость, что ведет к снижению физико-механических характеристик связки и эксплуатационных характеристик инструмента (удельный расход - 2,5 карат/м 2). При введении на стадия шихтоприготовления увеличенной до 20 мас.доли карбидов и спекании при 990 С наблюдалась аналогичная картина, удельный расход составил 2,2 карат/м 2. 3 6535 1 Изготовление образцов инструмента указанного выше состава по предложенномуспособу отличалось введением карбидов хрома при шихтоприготовлении в состав шихты связки в виде композиционного порошкового материала, включающего карбид хрома и никель, объемная доля которого составила 35 от массы карбида хрома, а также проведением спекания при температуре 950 С. Карбидосодержащий порошковый материал был получен предварительно методом СВС, обеспечивающим разогрев реакционной смеси порошков до температуры плавления никеля. Изготовленные данным способом образцы имели среднюю прочность связки на изгиб 811 МПа, ударную вязкость 6,4 Дж/см 2,удельный расход алмазов в инструменте 1,6 карат/м 2. Помимо более высоких физикомеханических и эксплуатационных характеристик инструмента его изготовление по предложенному способу позволяет использовать для изготовления инструмента среднепрочные алмазы (АС 50 - АС 80) нормальной термостойкости, в то время как при изготовлении по известному способу предпочтительным является применение термостойких алмазных порошков. При выполнении способа с использованием композиционных порошковых материалов с объемной долей никеля на уровне 18-25 получены показатели удельного расхода 1,82 и 1,73 карат/м 2 соответственно, т.е. с уменьшением связующего материала в композиционном карбидосодержащем материале положительный эффект снижается и становится малозначимым при доле металла менее 25 об. . Дополнительно выполняли изготовление образцов инструмента по предложенному способу с проведением спекания при температуре 990 С. При этом были получены образцы требуемой пористости и прочности с увеличенной до 26 массовой долей карбида хрома, что позволило эффективно использовать полученный инструмент для обработки наиболее труднообрабатываемого гранита, а также высокопрочного бетона, где изготовленный по известному способу инструмент имел удельный расход в 1,23-1,35 раза ниже. Пример 2. Изготавливали отрезной инструмент по известному способу, включающему смешивание порошковых компонентов состава- 20 ,- 11 ,- 1,8 ,- 0,4 ,- 0,3 ,32 - 16 ,- 8 ,- остальное, смешивание полученной шихты связки с алмазной составляющей, прессование и спекание при температуре 1050 С под давлением. Полученные при этом образцы имели следующие средние параметры прочность на изгиб 918 МПа,ударную вязкость 4,9 Дж/см 2. Удельный расход алмазов при резании данным инструментом базальта составил 2,1 карат/м 2. Инструмент приведенного выше состава по предложенному способу включал введение в состав шихты связки компонентов 32,ив виде порошкового композиционного материала, предварительно полученного методом СВС. При этом получить высокоплотную алмазно-металлическую композицию с физикомеханическими характеристиками не ниже достигаемых по известному способу удается при температуре спекания 970 С, что дает возможность для изготовления инструмента использовать синтетические алмазы вместо природных при достижении тех же значений стойкости инструмента. Источники информации 1. А.с. СССР 865645, МПК 724 3/06, 1981. 2. А.с. СССР 1050859, МПК 724 3/06, 1983. 3. А.с. СССР 852525, МПК 724 3/06, 1981. 4. А.с. СССР 1006196, МПК 724 3/06, 1983. 5. А.с. СССР 1085796, МПК 724 3/06, 1984. 6. А.с. СССР 1088919, МПК 724 3/06, 1984 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.