Термостойкий инструмент из сверхтвердого материала

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ТЕРМОСТОЙКИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Старченко Игорь Михайлович Жданок Сергей Александрович Крауклис Андрей Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Термостойкий инструмент из сверхтвердого материала, включающий корпус, композиционный режущий слой, содержащий кубический нитрид бора, элементы которого соединены между собой связкой, отличающийся тем, что в композиционном режущем слое, содержащем кубический нитрид бора, размещены дополнительно нанотрубки/нановолокна и ультрадисперсный алмаз. 2. Термостойкий инструмент из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ, по п. 1, отличающийся тем, что в качестве связки введен гексагональный нитрид бора. 3. Термостойкий инструмент из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ, по любому из пп. 1-2, отличающийся тем, что элементы композиционного режущего слоя, содержащего кубический нитрид бора, связаны между собой следующим соотношением, мас.гексагональный нитрид бора 0,99-99,0. кубический нитрид бора 0,99-99,0. нанотрубки/нановолокна 0,99-99,0. ультрадисперсный алмаз 0,99-99,0. 24852006.02.28 4. Термостойкий инструмент из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ, по любому из пп. 1-2, отличающийся тем, что элементы рабочего слоя связаны между собой следующим размерным гранулометрическим соотношением, мкм гексагональный нитрид бора 0,004100,0 кубический нитрид бора 0,004100,0 нанотрубки/ нановолокна, диаметр/длина 0,0010,15/ 0,01300,0 ультрадисперсный алмаз 0,0041,00.(56) 1. Патент Японии 3-161272, МПК В 24 3/14, 1991. 2. Патент Японии 2-292174, МПК В 24 3/14, 1990. 3. Патент РБ на полезную модель 531 (10.07.2001) Термостойкий инструмент из сверхтвердого материала. Полезная модель относится к технологии машиностроения, в частности к инструментальному производству, и может быть использована при производстве термостойкого инструмента из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих кубический нитрид бора (КНБ), армированный прочными нанотрубками/нановолокнами (НТ/НВ) и пластифицированный ультрадисперсными алмазами (УДА), преимущественно чашек и грибов шлифовальных кругов, режущего и лезвийного инструмента и т.п. Известна конструкция шлифовального круга, включающая размещенный на его корпусе на металлической основе композиционный алмазоносный режущий рабочий слой с кубическим нитридом бора, 10 мас.с размером частиц 20 мкм, соединенные между собой и с металлической основой связкой на основе 90 мас.стеклянного порошка, смолы и металлического порошка 1. Недостаток известного инструмента проявляется в узких технологических возможностях и нешироком применении, связанных с ограниченным соотношением составов компонент и гранулометрических размеров частиц, а также низкой термической стойкости. Известным техническим решением является конструкция термостойкого инструмента,включающая металлический корпус и композиционный режущий слой из сверхтвердого материала на основе кубического нитрида бора и алмаза, элементы которого соединены между собой стеклуемой связкой 2. Недостаток известного инструмента проявляется в ограничении технологических возможностей из-за ограничения гранулометрического состава и свойств связки от пластичного состояния до твердого и низкой термической стойкости а, следовательно, и низкой режущей способности инструмента, вследствие использования только для шлифования и полирования материалов инструментом. Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является конструкция термостойкого сверхтвердого инструмента, включающая корпус на металлической основе, алмазоносный режущий рабочий слой на основе КНБ, элементы которого соединены между собой связкой, в композиционном алмазоносном режущем слое размещен дополнительно ультрадисперсный алмаз. В алмазный инструмент в качестве связки вводится гексагональный нитрид бора 3. Недостаток известного инструмента проявляется в ограничении технологических возможностей из-за свойств связки, которая может меняться от пластичного состояния до твердого между ближайшими зернами СТМ, но не обеспечивает связку зерен на больших расстояниях. Это приводит к недостаточной прочности материала и, следовательно, к недостаточно высокой режущей способности инструмента. В основу полезной модели положена задача расширения технологических возможностей по производству инструмента, максимального снижения удельного расхода кубиче 2 24852006.02.28 ского нитрида бора и повышения режущей способности инструмента, повышения термостойкости инструмента. Поставленная задача достигается тем, что термостойкий инструмент из сверхтвердого материала, включающий корпус и композиционный режущий слой на основе кубического нитрида бора, элементы которого соединены между собой связкой, согласно полезной модели, в композиционном режущем слое, содержащем кубический нитрид бора, размещены дополнительно ультрадисперсный алмаз и нанотрубки/нановолокна. В термостойкий инструмент из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ, в качестве связки введен гексагональный нитрид бора. В термостойком инструменте из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ, элементы режущего слоя, содержащие кубический нитрид бора, связаны между собой следующим соотношением, мас.гексагональный нитрид бора 0,99-99,9. кубический нитрид бора 0,99-99,9. ультрадисперсный алмаз 0,99-99,9. нанотрубки/нановолокна 0,99-99,9. В термостойком инструменте из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ, элементы режущего слоя, содержащие кубический нитрид бора связаны между собой следующим размерным гранулометрическим соотношением, мкм гексагональный нитрид бора 0,004-100,00 кубический нитрид бора 0,004-100,00 ультрадисперсный алмаз 0,004-1,00 нанотрубки/нановолокна, диаметр/длина 0,0010,15/0,01300,0. Между отличительными признаками и техническим результатом имеется причинноследственная связь, содержащая элементы неочевидности для данной области техники. Такая связь придает полезной модели новое качество и обуславливает ее промышленную применимость. Между отличительными признаками и техническим результатом имеется следующая причинно-следственная связь наличие новых конструктивных признаков, их взаимное расположение, массовый процент. Конструкция заявленной полезной модели инструмента направлена не только на снижение удельного расхода дорогого кубического нитрида бора, но и на повышение режущей способности инструмента, а также расширяется диапазон применения термостойкого инструмента из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ. По сведениям, которыми располагает заявитель, предлагаемая совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, не известна из уровня техники,следовательно, предлагаемая полезная модель соответствует критерию новизна. Предлагаемая сущность полезной модели может быть многократно использована практически в любой области техники. Заявителями изготовлен опытный образец инструмента, проведены его испытания, которые подтвердили высокие потребительские свойства инструмента. В этой связи очевидным является соответствие заявленной полезной модели критерию промышленная применимость. Для лучшего понимания полезной модели ее поясняют чертежом, где на фиг. 1, 2 дан общий вид инструмента фиг. 3-29 поясняет исполнение конструктива инструмента, где по горизонтали условно приводятся, мас.по вертикали, гранулометрический состав, мкм. Термостойкий инструмент из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ (фиг. 1), содержит корпус 1, режущий слой 2 которого выполнен в виде, например, компактированных композиционных сверхтвердых элементов в форме таблеток,по заданному закону присоединенных к рабочей поверхности корпуса. Конструктивно режущий слой 2 по фиг. 2-29 выполнен из гексагонального нитрида бора 3, кубического нитрида бора 4, ультрадисперсного алмаза 5 и нанотрубок/нонаволокон 6. Таким образом 3 24852006.02.28 все элементы 4, 5, 6 режущего слоя, содержащего кубический нитрид бора, между собой соединены пластичной связкой на основе гексагонального нитрида бора 3. Инструментом из сверхтвердых материалов называют инструмент, рабочая часть которого состоит из зерен порошка сверхтвердых материалов, закрепленных связкой. Инструмент состоит из режущего слоя 2, содержащего кубический нитрид бора 4, прочно соединенного с корпусом 1. Наличие композиционного слоя на основе гексагонального нитрида бора 3, кубического нитрида бора 4, УДА 5 и НТ/НВ 6 является основным конструктивным признаком,отличающим его от инструмента из известных абразивных материалов, и дает возможность использовать режущий слой 2, содержащий кубический нитрид бора 4, до полного износа. Материал корпуса 1 и метод его соединения с режущим слоем выбирают в зависимости от марки связки, формы, размеров и назначения инструмента. Форма и расположение режущего слоя 2 на корпусе 1 обусловлены назначением инструмента. В зависимости от назначения инструмента по фиг. 3-29 его изготовляют с различной концентрацией входящих в него элементов и различным геометрическим соотношением размеров зерен. В термостойком инструменте из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ, в качестве связки размещен гексагональный нитрид бора. В термостойком инструменте из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ, все элементы 3, 4, 5, 6 режущего слоя, содержащие кубический нитрид бора, связаны между собой следующим соотношением, мас.гексагональный нитрид бора 0,99-99,0 кубический нитрид бора 0,99-99,0 ультрадисперсный алмаз 0,99-99,0 нанотрубки/нановолокна 0,99-99,0. В термостойком инструменте из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ, элементы 3, 4, 5, 6 режущего слоя, содержащие кубический нитрид бора 4, связаны между собой следующим гранулометрическим соотношением, мкм гексагональный нитрид бора 0,004100,0 кубический нитрид бора 0,004100,0 ультрадисперсный алмаз 0,0041,00 нанотрубки/ нановолокна, диаметр/длина 0,0010,15/0,01300,0. По фиг. 3-29 даны примеры исполнения инструмента в системе УДА(УДА мас. 10 ,50 , 90 ) из гексагонального нитрида бора 3 кубического нитрида бора ультрадисперсного алмаза нанотрубок/нановолокон 6 На фиг. 3-11 условно приведены геометрические соотношения элементов 3, 4, 5, 6 в инструменте при 10 мас.УДА, различных концентрациях НТ/НВ и, соответственно,10 мас.КНБ - 90 мас. ГНБ 50 мас.КНБ - 50 мас.ГНБ 90 мас.КНБ - 10 мас.ГНБ, причем по горизонтали условно приведены мас. . а по вертикали - гранулометрический состав, мкм. На фиг. 12-20 приведены геометрические соотношения элементов 3, 4, 5, 6 инструмента при 50 мас.УДА, различных концентрациях НТ/НВ и, соответственно,10 мас.КНБ - 90 мас.ГНБ 50 мас.КНБ - 50 мас.ГНБ 90 мас.КНБ - 10 мас.ГНБ. На фиг. 21-29 приведены геометрические соотношения элементов 3, 4, 5, 6 инструмента при 90 мас.УДА, различных концентрациях НТ/НВ и, соответственно,4 24852006.02.28 10 мас.КНБ - 90 мас.ГНБ 50 мас.КНБ - 50 мас.ГНБ 90 мас.КНБ - 10 мас.ГНБ. На основе анализа фиг. 3-29 можно сделать вывод, что заявленная конструкция термостойкого инструмента из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ, позволяет в зависимости от его применения составлять размерный типоряд инструмента по обработке от резания и грубого шлифования до тонкого, от финишного до суперфинишного полирования. Технологические возможности конструкции заявленного инструмента превосходят намного не только прототип, но и другие известные аналоги. Проводили испытания термостойкого инструмента из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ, армированных НТ/НВ и пластифицированных УДА,с различными соотношениями конструктивных элементов 3, 4, 5, 6 как по мас. , так и по гранулометрическому составу. Данные испытаний сведены в таблицу 1. Таблица 1 Мас.НТ-НВ Гранулометрический состав,мкм Заявленная конструкция ГНБ НТ-НВ, диа- УДА КНБ ГНБ метр 99,9 0,001-0,15 0,3 20,0 0,3 0,04 0,001-0,15 0.07 15,0 0,04 0,04 0,001-0,15 0,5 0,7 5,0 0,04 0,001-0,15 0,08 0,004 7,0 20 0,001-0,15 1,5 75,0 0,005 10 0,001-0,15 7,0 0,003 110,0 30 0,001-0,15 60,0 110,0 70,0 0,9 0,001-0,15 0,2 30 100,0 20 0,001-0,15 0,6 100,0 10,0 Прототип 0,05 0,004 50,0 0,4 9,01 0,04 10,0 0,004 30,0 0,4 0,4 50,0 40,0 0,6 0,004 10,0 0,01 2,0 105,0 0,005 0,002 0,002 105,0 99,99 1,5 105,0 100,0 99,9 1,00 20 100,0 0,05 0,8 90,0 20,0 Как следует из таблицы 1, при запредельных значениях конструктивных элементов термостойкого инструмента из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ, армированных НТ/НВ и пластифицированных УДА - гексагонального нитрида бора,кубического нитрида бора, ультрадисперсного алмаза УДА и нанотрубок/нановолокон, т.е. равном 99,99 мас. , исключается один из существенных признаков полезной модели и конструкция в том виде как она есть становится нереализуемой. При запредельных значениях гексагонального нитрида бора, кубического нитрида бора и ультрадисперсного алмаза УДА,т.е. меньшем 0,99, эксплуатационные характеристики инструмента ухудшаются и не достигается поставленная задача. Заявленная полезная модель термостойкого инструмента из сверхтвердого материала на основе композиций, содержащих КНБ, армированных НТ/НВ и пластифицированных 5 24852006.02.28 УДА, по сравнению с прототипом позволяет повысить термическую стойкость инструмента, снизить удельный расход кубического нитрида бора и повысить режущую способность инструмента. В таблице 2 приводятся результаты сравнительных испытаний инструмента, изготовленного по заявленной полезной модели и известной. Таблица 2 Удельный расход кубичеРежущая способность,3 ского нитрида бора, мг/см мм 3/мин Известная полезная модель 7,6 495,0 Заявленная полезная модель 6,8 450,0 Как следует из сравнительных испытаний, заявленная полезная модель позволяет снизить удельный расход кубического нитрида бора и повысить производительность. Промышленное освоение полезной модели готовится на территории СНГ. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.