Связка для изготовления алмазного инструмента

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в качестве связок при изготовлении алмазного режущего инструмента для стройиндустрии и камнеобработки. Связка содержит никель и легирующую добавку в виде нанопорошка, содержание которой в связке составляет ЛД мас.%, где 1,6<ЛД≤15, при этом в качестве легирующей добавки используют карбид вольфрама, или вольфрам или оксид алюминия, или диоксид циркония, или карбид ниобия, или ультрадисперсные алмазы, покрытые серебром или никелем. Технический результат: повышение износостойкости без существенного увеличения температуры спекания, твердости, прочности и ударной вязкости. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, к способам получения изделий из твердосплавных материалов. Изобретение может быть использовано в качестве связок на основе никеля при изготовлении алмазного режущего инструмента для стройиндустрии и камнеобработки, включая отрезные сегментные круги (АОСК) различной конструкции и канаты для резки железобетона и асфальта, применяемые при реконструкции шоссейных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов, реновации металлургических предприятий, АЭС, мостов и других сооружений; сверла для резки монолитного железобетона; диски и канаты для карьерной добычи натурального камня и крупносерийного производства облицовочных материалов.

Связка оказывает влияние на конструкцию инструмента. В зависимости от связки выбирается материал корпуса, метод соединения алмазоносного слоя с корпусом. Физико-механические свойства связок предопределяют возможную получаемую форму и размеры алмазно-абразивного инструмента.

Известна связка для изготовления алмазного инструмента (RU 2172238 С2, опублик. 2001.08.20, кл. B 24 D 3/06), содержащая основу в виде меди и добавки в виде олова, никеля, алюминия и ультрадисперсного алмаза.

Недостатком известного материала является недостаточная износостойкость, твердость, прочность и ударная вязкость.

Прототипом заявленного изобретения является связка для абразивного материала, включающая более 40%, вес никеля и легирующие добавки (JP 2972623 В2, опублик. 05.02.02).

Недостатком известной связки также является недостаточная твердость и прочность.

В изобретении достигается технический результат, заключающийся в повышении износостойкости без существенного увеличения температуры спекания, а также твердости, прочности и ударной вязкости.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Связка для изготовления алмазного инструмента содержит никель и легирующую добавку в виде нанопорошка. Содержание в связке легирующей добавки составляет 1-15 мас.%.

При этом в качестве легирующей добавки используют карбид вольфрама, или вольфрам, или оксид алюминия, или диоксид циркония, или карбид ниобия.

Также в качестве легирующей добавки используют ультрадисперсные алмазы, покрытые серебром или никелем.

За счет наличия никеля, как основного компонента состава, связка удовлетворяет следующим требованиям:

а) обладает хорошей смачиваемостью по отношению к алмазу;

б) прочно удерживает алмазные зерна;

в) обеспечивает самозатачивание, т.е. по мере затупления алмазных зерен изнашивается, способствуя выкрашиванию затупившихся зерен и вскрытию режущих граней новых зерен;

г) обладает достаточной термостойкостью и имеет хорошую теплопроводность;

д) в паре с обрабатываемым материалом имеет минимальный коэффициент трения;

е) имеет коэффициент линейного расширения, приближающийся к коэффициенту линейного расширения алмаза;

ж) не вступает в химическое взаимодействие с обрабатываемым материалом и охлаждающей жидкостью.

За счет наличия никеля, как основного компонента состава, связка удовлетворяет следующим требованиям

Легирующие добавки указанного состава обеспечивают высокую твердость, жаропрочность и термостойкость связок.

Содержания легирующих добавок в количестве ниже минимального значения указанного диапазона (1 мас.%) недостаточно для обеспечения равномерного распределения по всему объему материала и их влияние на структуру и свойства, полученного материала незначительно. При превышении максимального значения диапазона (15 мас.%) содержание легирующего материала - нанокомпонента слишком велико. Так как легирующий материал является более твердым материалом по сравнению с никелем, то он выступает в роли концентратора напряжений, что сильно охрупчивает материал и приводит к снижению прочностных характеристик и износостойкости связки.

Связки могут быть получены методом порошковой металлургии: спеканием с последующим прессованием при температуре спекания. Этот метод является высокопроизводительным, так как продолжительность процесса нагрева до температуры спекания, выдержка при температуре спекания, прессование и охлаждение до комнатной температуры не превышают 15 минут. Высокие скорости нагрева и равномерное распределение температур в рабочей камере обеспечиваются за счет пропускания электрического тока через спекальную форму, которая одновременно является и пресс-формой. По окончании выдержки при температуре отжига сразу же проводится прессование для обеспечения необходимых плотности и формы изделий. Конструкция пресс-формы позволяет проводить процесс в инертной или защитной атмосфере, что повышает качество инструмента.

В таблице приведены примеры, показывающие зависимость состава связок и получаемых свойств.

Таблица
	Состав, мас.%	Твердость по Роквеллу, 1.5/980	Прочность на изгиб σизг, МПа	Ударная вязкость, KCU, Дж/см2
	100% Niсвязка (В13)	88	920	3,36
	99,3% Niсвязка +07% легирующая добавка (Al2O3, или WC, или W, или ZrO2, или NbC, или Салмаз УДП + Ni, или Салмаз УДП + Ag)	93	919	3,37
	99% Niсвязка + 1,0% легирующая добавка (Al2O3, или WC, или W, или	98	1198	3,80
	ZrO2, или NbC, или Салмаз УДП + Ni или Салмаз УДП + Ag)
	98% Niсвязка + 2,0% легирующая добавка (Al2О3, или WC, или W, или ZrO2, или NbC, или Салмаз УДП + Ni, или Салмаз УДП + Ag)	101	1200	3,90
	90% Niсвязка + 10,0% легирующая добавка (Al2О3, или WC, или W, или ZrO2, или NbC, или Салмаз удп + Ni, или Салмаз УДП + Ag)	104	1250	4,04
	85% Niсвязка + 15,0% легирующая добавка (Al2О3, или WC, или W, или ZrO2, или NbC, или Салмаз УДП + Ni, или Салмаз УДП + Ag)	102	1200	4,00
	80% Niсвязка + 20,0% легирующая добавка (Al2О3, или WC, или W, или ZrO2, или NbC, или Салмаз УДП + Ni, или Салмаз УДП + Ag)	102	1190	3,87
	78% Niсвязка + 22,0% легирующая добавка (Al2О3, или WC, или W, или ZrO2, или NbC, или Салмаз УДП + Ni, или Салмаз УДП + Ag)	92	953	3,01

Материалы связок по изобретению обеспечат лучшие экономические показатели по сравнению с аналогами ведущих мировых производителей по критериям цена/ресурс и цена/производительность. Так, например, алмазосодержащие сегменты для резки асфальта работают в сверхтвердой абразивной среде. Традиционное упрочнение матрицы за счет введения карбида вольфрама имеет ограничение по концентрации из-за необходимости повышения температуры спекания (это означает снижение прочности алмазов и дополнительный износ технологической оснастки).

Введение легирующих добавок - наночастиц в связку позволит увеличить ее износостойкость без существенного увеличения температуры спекания. Сегменты для резки гранита вовлечены в массовое производство строительных облицовочных материалов и поэтому сами являются массовым продуктом. Стоимость их изготовления и удельные расходы на эксплуатацию играют важную роль в экономике соответствующего производства. Замена традиционных высококобальтовых связок на связки на основе никеля уменьшит соответствующие затраты на сырье. При этом служебные характеристики (износостойкость, твердость, ударная вязкость) таких связок будут сохранены введением в них наночастиц WC, Al₂О₃ и др. Материалы, использующиеся в качестве связки для изготовления перлин, пригодные для горячего прессования, во многом подошли к пределу по служебным характеристикам.

Дальнейшее развитие идет по пути технологии горячего изостатического прессования (ГИП), что требует очень больших капитальных затрат на оборудование стоимостью в несколько миллионов долларов. С другой стороны, методом горячего прессования за счет введения в связку наночастиц можно изготовить перлины с характеристиками, близкими к перлинам, полученным по ГИП-технологии.

Введение легирующих добавок - нанопорошков карбида вольфрама, или вольфрама, или оксида алюминия, или диоксида циркония, или карбида ниобия - обеспечивает высокую прочность, теплопроводность и трещиностойкость. Контролируемые малые добавки легирующих элементов дают уникальное сочетание свойств: прочности, твердости, трещиностойкости, коэффициента трения в зоне резания, что позволяет повысить срок службы изделий в особо нагруженных условиях на 10-20% относительно базового варианта при сохранении режущей способности. Замена кобальтовых связок на более дешевые связки на основе никеля и железа позволит снизить затраты на производство изделий на 15-20%.

1. Связка для изготовления алмазного инструмента, содержащая никель и легирующую добавку (ЛД) в виде нанопорошка, при этом содержание в связке легирующей добавки составляет 1,6<ЛД≤15 мас.%,

2. Связка по п.1, в которой в качестве легирующей добавки используют карбид вольфрама, или вольфрам, или оксид алюминия, или диоксид циркония, или карбид ниобия.

3. Связка по п.1, в которой в качестве легирующей добавки используют ультрадисперсные алмазы, покрытые серебром или никелем.