Композиционная керамическая шихта для изготовления инструмента и способ ее получения

(54) КОМПОЗИЦИОННАЯ КЕРАМИЧЕСКАЯ ШИХТА ДЛЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии (ВУ)(72) Автор Судник Лариса Владимировна (ВУ)(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии (ВУ)1. Композиционная керамическая шихта ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ инструмента, включающая СВЕрХТВЕрДОЕ ЗЕРНО, наполнитель, содержащий ОКСИД алюминия ИЛИ карбид КрЕМНИЯ И КЕрамическую СВЯЗКУ, СОДЕРЖЗЩУЪО ГЛИНу И СТЕКЛОКОМПОНЕНТУ, ОТЛИЧЯЮЩЗЯСЯ ТЕМ, ЧТО ДОПОЛНИТЕЛЬНО В качестве СВЯЗУЮЩЕГО СОДЕРЖИТ КОЛЛОИДНЫЙ раствор диоксида КрЕМНИЯ ПрИ СЛЕДУЪОЩЕМ СООТНОШЕНИИ КОМПОНЕНТОВ, мас. 22. Способ получения композиционной керамической шихты по п. 1, включающий измельчение наполнителя, смешивание наполнителя со сверхтвердь 1 ми зернами, обработку смеси коллоидным раствором диоксида кремния, введение глины и стеклокомпоненты,гомогенизацию смеси, ее термообработку при температуре 450-550 С и диспергирование.Известна масса для инструмента, содержащая абразив и стеклокерамическую связку на основе глины и измельченного стекла 1. Процесс изготовления инструмента из этой массы характеризуется низким выходом годных изделий, связанным с высокой адгезией массы к металлической прессформе, а также высокой температурой спекания, что приводит к повышенным энергозатратам.Наиболее близкой по составу к заявляемой является масса, содержащая бой абразивных изделий, глину формовочную, бой строительного стекла, борную кислоту, временное связующее, холестериловый эфир каприновой кислоты и калий-натрий виннокислый 2. Однако данная шихта не решает проблемы быстрого выхода из строя применяемых прессформ, что связано с адгезией применяемой шихты к материалу прессформ и быстрой изнашиваемостью при трении компонентов шихты о стенки прессформы. Кроме того, известные массы могут применяться лишь при производстве абразивного инструмента, т.к. при их использовании невозможно достичь высокой плотности материала.Наиболее близким по способу подготовки шихты является способ, описанный при рассмотрении технологических решений получения абразивных материалов на стеклосвязках, при котором смешивают измельченное стекло со сверхтвердь 1 ми зернами, нагревают до температуры размягчения связки, охлаждают и затем дробят 3. По этому способу не гарантировано отсутствие микротрещин между покрытием и сверхтвердым зерном,а также не решается задача получения высокоплотного лезвийного инструмента.Задача изобретения - создание шихты для получения широкого класса инструментов,включающих сверхтвердую составляющую и керамическую связку.Технический результат изобретения - получение инструмента требуемой плотности,снижение энергозатрат на спекание и увеличение стойкости используемой оснастки за счет снижения трения компонентов шихты о стенки прессформ. Кроме того, достигаются дополнительные технические эффекты обеспечение требуемой пористости и увеличение предела прочности на изгиб готового инструмента.Указанный технический результат достигается тем, что композиционная керамическая шихта для изготовления инструмента, включающая сверхтвердую составляющую, наполнитель и керамическую связку, содержащую глину и стеклокомпоненту, дополнительно содержит коллоидный раствор диоксида кремния при следующем соотношении компонентов, мас.Процесс изготовления композиционной керамической шихты включает смешивание компонентов шихты, термообработку, при этом сверхтвердое зерно и наполнитель предварительно обрабатывают коллоидным раствором диоксида кремния. Затем шихту подвергают термообработке при температурах, превышающих температуру размягчения стеклокомпоненть 1, но ниже температуры превращения сверхтвердых зерен.В качестве глины использовались глины Белоруссии, имеющие в составе до мас. 556 О 5102 1115 А 1203 511 136203 4,95,2 Са 0 2,73,3 М 30 остальное - прочие различные примеси.Стеклокомпонента содержала не менее 75 5102 и смесь оксидов 1 Та 20, Са 0, М 30,А 1203.Технология получения шихты для изготовления инструмента заключалась в следующем. Вначале смешивали сверхтвердые зерна, наполнитель и коллоидный раствор диоксида кремния, ультрадисперсные частицы которого вследствие высокой активности покрывают тонким слоем дисперсные компоненты, заполняя все имеющиеся поверхностные дефекты частиц, затем добавляются стеклокомпонента и глина, компоненты вновь тщательно перемешиваются. Полученная смесь подвергается термообработке при температурах, значительно превышающих температуру размягчения связки, но ниже температуры превращения сверхтвердой компоненты. При этом связка образует на них оболочку. Полученные конгломераты диспергируются до образования композиционных агрегатов, состоящих из 25 тугоплавких или сверхтвердых зерен, покрытых оболочкой диоксида кремния. Технологический процесс получения шихты осуществляется в следующей последовательности размол исходных дисперсных компонентов, обработка коллоидным раствором диоксида кремния, гомогенизация полученной смеси, введение стеклокомпоненть 1, нагрев, охлаждение, кратковременный размол.Для получения тонкого слоя диоксида кремния на компонентах шихты использовали коллоидный раствор диоксида кремния системы 51(0 С 2 Н 5)4 - Н 20 - НС 1. Данным раствором обрабатывали компоненты шихты в течение 40 мин при перемешивании в лопастном смесителе со скоростью 200 об/мин. Начальная температура обработки 20 С, конечная 255 С. Затем смесь высушивали при температуре 60 С в течение 30 мин, перемешивали со стеклокомпонентой И глиной и нагревали до температуры 450-550 С. Названный диапазон температур ниже температуры превращения алмаза и выше температуры размягчения стеклокомпоненты, выступающей в роли стеклосвязки. Диспергирование смеси осуществлялось также в лопастном смесителе при 200 об/мин в течение 2 ч.При этом наполнитель (карбид кремния или оксид алюминия) измельчается в аттриторе до степени, определяемой видом изготавливаемого инструмента (при абразивном варианте возможно использование порошков фракций 520 мкм 3, при лезвийном инструменте не более 3 мкм). Измельченный наполнитель перемешивается со сверхтвердой составляющей и обрабатывается коллоидным раствором диоксида кремния в количестве для абразива - до 5,5 , для лезвийного инструмента не более 1,7 . Смесь гомогенизируется в баночном смесителе (4 ч), затем вводится стеклокомпонента (в случае изготовления абразивного инструмента) в виде измельченного оконного стекла. Смесь снова гомогенизируется (2 ч) в баночном смесителе, а затем нагревается в среднем до температуры 450-550 С и диспергируется до образования конгломератов, состоящих из 2-3 зерен сверхтвердой составляющей или наполнителя, покрытых 5102. Полученная шихта формуется и спекается по названным выше технологиям при изготовлении высокоплотного лезвийного инструмента - с применением высоких давлений при повышенных температурах при изготовлении абразивного инструмента используется статическое полусухое прессование.Абразивные изделия изготавливали следующим образом. Шихту на временном связующем, в качестве которого использовали 5 -ный водный раствор поливинилового спирта, помещали в прессформу и прессовали при нагрузке 5300 кГс. Отпрессованные заготовки подвергали сушке при температуре 70 С в течение 2 ч, а затем спекали в вакуумной печи при температуре 780 С. По описанной технологии изготовлен специальный абразивный инструмент в виде дисков диаметром 10 мм и высотой 25 мм для обработки сплавов КХМ, используемых при протезировании в стоматологии.Лезвийный инструмент изготавливали на установках высокого давления тороидного типа при температуре 650 С и давлении 5 ГПа. Полученные заготовки дополнительно обрабатывали алмазным инструментом для подготовки требуемого профиля режущих кромок. Изготовленный инструмент в виде неперетачиваемых пластинок использовался для финишной и суперфинишной обработки деталей из труднообрабатываемых специальных сталей.Для иллюстрации конкурентоспособности заявляемого состава и способа подготовки шихты композиционного алмазосодержащего материала ниже приводятся свойства образцов, полученных из заявляемых составов и подвергнутых предварительной обработке и сравниваются с близким по составу (таблица).При этом количество сверхтвердых зерен связано с назначением инструмента. Для абразивного инструмента, лимитирующего нижнюю границу содержания сверхтвердых зерен, снижение их количества менее 12 мас. не обеспечивает требуемой геометрии рельефа абразивной поверхности, тем самым не обеспечиваются эксплуатационные свойства инструмента 4.Использование шихты для лезвийного инструмента лимитирует верхнюю границу содержания сверхтвердых зерен, превышение которой 90 не позволяет получить увеличение стойкости оснастки за счет создания покрытия из диоксида кремния на сверхтвердых зернах.Коллоидный раствор использован для обработки дисперсных компонент шихты, что улучшает адгезионную связь при использовании стеклокомпоненты.Наличие и количество наполнителя связано с материалом обрабатываемых изделий и величиной требуемой пористости абразивного материала и ограничивается допустимой величиной температуры спекания 5.Наполнитель в виде абразивных порошков оксида алюминия и карбида кремния применяется при изготовлении абразивного инструмента и при используемых режимах приводит К наличию пористости. Для лезвийного инструмента, наличие пористости в структуре которого отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках, наполнитель не требуется. Превышение массового содержания наполнителя как карбида кремния,так и оксида алюминия свыше 58 резко увеличивает температуру спекания и приводит к окислению поверхности сверхтвердой составляющей, в результате которых твердость зерен падает (например, при применении в качестве сверхтвердых зерен алмаза происходит графитизация).Глинистую компоненту применяли для обеспечения технологических свойств шихты на стадии формования изделия для снижения комкуемости и обеспечения гомогенности структуры, чему способствовал и диоксид кремния.Глинистая компонента применяется лишь для абразивного инструмента, т.к. при изготовлении лезвийного для обеспечения прессуемости и гомогенности шихты достаточно присутствия диоксида кремния, синтезируемого из коллоидного раствора.В таблице показано влияние содержания стеклокомпоненты и способа подготовки шихты на физико-механические свойства изделий и стойкость оснастки при формовании инструмента.Состав мате иала и способ по - Темпе ат а р Д Пористость, р у готовки спекания, СКомпозиция П 7 мас. Шихта плохо формуется, после спекания большое количество микротрешин. Композиция П 1 6 мас. После спекания микротрешины в изделии Композиция Ш 20 Мас- 49 25 68020. Композиция У 6 мас. После спекания расслоение по объему изделия21. Композиция 1 данной таблицы 22. Композиция П данной таблицы 23. Композиция П 1 данной таблицы Композиция 1 У данной таблицы Композиция У данной таблицы Прототип