Способ изготовления алмазосодержащего композиционного материала

 

Использование: в области порошковой металлургии, в частности для бурового и правящего инструмента, работающего в условиях интенсивного абразивного износа. Цель: повышение износостойкости материала за счет уменьшения растягивающих напряжений на границе алмаз-связка. Сущность изобретения: смешивают алмазные частицы и металлическую связку, осуществляют прессование и спекание спрессованных заготовок, сопровождающееся пропиткой, новым является нанесение перед смешиванием на алмазные частицы слоя молибдена, затем - основной составляющей металлической связки в потоке плазмы тлеющего разряда. Положительный эффект: износостойкость повышается примерно в 1,5 раза.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению сверхтвердых материалов, содержащих по крайней мере алмазы и металлическую связку. Указанные материалы могут быть использованы для бурового и правящего инструмента, работающего в условиях интенсивного абразивного износа.

Известен способ получения сверхтвердых материалов, например твердых сплавов, содержащих алмазы, заключающийся в том, что смесь, состоящую из порошков алмаза и твердого сплава, прессуют, а затем пропитывают медно-никелевым сплавом в атмосфере водорода. Авторское свидетельство СССР N 341601, кл. B 22 F 3/02, 1972 г.

Недостатком указанного способа является то, что основная составляющая связки медно-никелевый сплав обладает линейным коэффициентом теплового расширения, ≈ в 8 раз превышающим коэффициент теплового расширения алмаза, а также низкой адгезией по отношению к алмазу, что в совокупности ведет к плохому удержанию алмазов в связке.

По авт. св. СССР N 604447, кл. C 22 C 29/00 алмазные зерна гранулируют смесью порошков монокарбида вольфрама и кобальта, полученные гранулы обкатывают порошком монокарбида вольфрама и смешивают с порошками литого карбида вольфрама и кремния зеленого. Приготовленную смесь помещают в графитовую пресс-форму и проводят холодное прессование при удельном давлении 400 500 кг/см². Затем графитовую пресс-форму со спрессованной заготовкой помещают в водородную печь и осуществляют пропитку композиции медью при температуре 1150^oC.

Недостатком описанного способа является то, что основная составляющая связки медь имеет линейный коэффициент теплового расширения, значительно превышающий коэффициент теплового расширения алмаза, а также низкой адгезией по отношению к последнему, что в совокупности ведет к плохому удержанию алмазов в связке, а следовательно, и к снижению работоспособности инструмента.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ изготовления композиционного материала, согласно которому навеску порошка твердого сплава, состоящего из монокарбида вольфрама и кобальта, смешивают с литым карбидом вольфрама и поликристаллами синтетического алмаза, затем прессуют в графитовой пресс-форме с усилием 10 кг/мм², а затем осуществляют пропитку спрессованного брикета сплавом, содержащим цинк, никель, марганец и медь на высокочастотной установке ЛПЗ-2-67.

После изотермической выдержки при температуре 950 970^oC в течение 30 секунд производят охлаждение изделия до комнатной температуры. Описанный способ имеет такие же недостатки, как и два предыдущих значительно более высокий по сравнению с алмазом линейный коэффициент теплового расширения пропитывающего сплава и низкая адгезия этого сплава по отношению к алмазу.

Целью данного изобретения является повышение работоспособности, износостойкости материала за счет уменьшения растягивающих напряжений на границе алмаз-связка вследствие создания псевдодиффузионного промежуточного слоя.

Для достижения указанной цели в известном способе изготовления композиционного материала, включающем смешивание алмазных частиц и металлической связки, прессование и спекание спрессованных заготовок, сопровождающиеся пропиткой, согласно изобретению перед смешиванием компонентов на алмазные частицы наносят слой молибдена и затем основную составляющую металлической связки, например медь в токе плазмы тлеющего разряда.

Согласно научно-технической литературе (Т.В. Андреева, А.С. Болгар, М.В. Власова и др. свойства элементов, Справочник. Под ред. Г.В. Самсонова, М. Металлургия, 1976, с.208 222) молибден имеет линейный коэффициент теплового расширения в 3,5 раза ниже по сравнению с медью, что, в свою очередь, позволяет снизить в отличие от прототипа растягивающие напряжения, возникающие в переходной зоне алмаз-связка в процессе нагрева при изготовлении и эксплуатации инструмента.

Кроме того, за счет высокой энергии при ионной бомбардировке имеет место имплантация атомов молибдена в приповерхностный слой алмаза, что способствует лучшему удержанию алмазов в связке. Этот процесс, который происходит при температуре ниже температуры деструкции алмазов, позволяет сохранить их исходные свойства.

Заявляемый способ иллюстрируется следующим примером его осуществления.

Перед смешиванием с компонентами связки поликристаллы синтетического алмаза весом 0,6 г подвергают бомбардировке ионами аргона в потоке плазмы тлеющего разряда. Затем производится активация поверхности алмаза бомбардировкой ионами молибдена. Подготовленная таким образом поверхность алмазов подвергается бомбардировке имеющими высокую энергию ионами молибдена. При этом происходит имплантация атомов молибдена в поверхностный слой алмаза и образование так называемой псевдодиффузионной зоны. Затем на поверхность алмаза, покрытую молибденом, осаждается также в потоке плазмы тлеющего разряда медь.

После этого покрытые молибденом и медью алмазы смешивали с навеской порошка твердого сплава весом 7,5 г, состоящего из монокарбида вольфрама весом 7,2 г и кобальта весом 0,3 г, а также с 5,9 г литого карбида вольфрама. Смесь прессовали в графитовой пресс-форме с усилием 10 кг/мм², а затем осуществляли пропитку спрессованного брикета сплавом, содержащим 0,9 г цинка, 0,3 г никеля, 0,05 г марганца и 6,25 г меди, на высокочастотной установке ЛПЗ-2-67. После изотермической выдержки при температуре 950 970^oC в течение 30 с производили охлаждение изделия до комнатной температуры.

Как показала практика, наиболее целесообразно иметь толщину покрытия на алмазе из молибдена 1,5 3,0 мкм, а из меди 3,0 8,0 мкм.

Указанным способом были изготовлены резцы, которые были испытаны на износостойкость в стендовых условиях при трении по Донецкому песчанику 14 категории по шкале проф. Протодьяконова. Окружная скорость составляла 8 м/с, осевая нагрузка 50 кг на резец.

За показатель износостойкости принимался объем изношенной породы, отнесенный к 1 г потери веса резца.

Износостойкость резца, изготовленного по заявляемому способу, составила 1,7 см³/г·10³, в то время как износостойкость резца, изготовленного по прототипу, составила 2,6 см³/г·10³, т.е. износостойкость за счет применения заявляемого способа изготовления увеличилась примерно в 1,5 раза,

Формула изобретения

Способ изготовления алмазосодержащего композиционного материала, включающий смешивание алмазных частиц и металлической связки, прессование и спекание спрессованных заготовок, сопровождающееся пропиткой, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости материала за счет уменьшения растягивающих напряжений на границе алмаз связка, перед смешиванием на алмазные частицы наносят последовательно слои молибдена, а затем основную составляющую металлической связки в потоке плазмы тлеющего разряда.