Связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента
Владельцы патента RU 2432247:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)
Федеральное государственное учреждение "Федеральное агентство по правовой защите результатов интеллектуальной деятельности военного, специального и двойного назначения" при Министерстве юстиции Российской Федерации" (RU)
Изобретение относится к порошковой металлургии, к способам получения изделий из твердосплавных материалов. Изобретение может быть использовано в качестве связок при изготовлении алмазного режущего инструмента для стройиндустрии и камнеобработки. Связка включает медь, железо, кобальт, олово, карбид вольфрама и легирующую добавку в виде нанопорошка с удельной поверхностью 6-25 м2/г, при следующем соотношении компонентов, мас.%: медь 30-60, железо 20-35, кобальт 10-15, олово 0-10,5, карбид вольфрама 0-20, легирующая добавка 1-15. Технический результат: повышение износостойкости материала без существенного увеличения температуры спекания при его получении, а также твердости, прочности и ударной вязкости. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.
Изобретение относится к порошковой металлургии, к способам получения композиционных материалов. Изобретение может быть использовано в качестве связок на основе меди при изготовлении алмазного режущего инструмента для стройиндустрии и камнеобработки, включая отрезные сегментные круги (АОСК) различной конструкции, применяемые при реконструкции шоссейных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов, реновации металлургических предприятий, АЭС, мостов и других сооружений; сверла и АОСК для резки высокопрочных сортов железобетона.
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 2286241 C2, опублик. 2006 07.07), содержащая металл, выбранный из группы железа Периодической системы, карбид титана и соединение металла с металлоидом. С целью повышения прочности связки и надежности закрепления алмазного зерна в связке дополнительно содержится карбид циркония.
Недостатками известной связки являются использование дорогостоящего и токсичного кобальта, а также более низкой скорости резания высоко армированного железобетона и снижение ресурса работы инструмента.
Прототипом заявленного изобретения является связка для изготовления алмазного инструмента (RU 2172238 C2, опублик. 2001.08.20, кл. B24D 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.
В изобретении достигается технический результат, заключающийся в повышении износостойкости материала без существенного увеличения температуры спекания при его получении, а также твердости, прочности и ударной вязкости.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента включает компоненты при следующем их соотношении, мас.%:
Cu=30-60
Fe=20-35
Co=10-15
Sn=0-10,5
WC=0-20
легирующая добавка - 1-15.
Легирующая добавка вводится в виде нанопорошка с удельной поверхностью 6-25 м2/г.
При этом в качестве легирующей добавки используют карбид вольфрама, или вольфрам, или молибден, или оксид алюминия, или диоксид циркония, или карбид ниобия, или карбид кремния, и/или нитрид кремния.
За счет наличия в связке меди, а также железа, кобальта и упрочняющих наночастиц связка удовлетворяет следующим требованиям:
- обладает хорошей смачиваемостью по отношению к алмазу;
- прочно удерживает алмазные зерна;
- обеспечивает самозатачивание, т.е. по мере затупления алмазных зерен изнашивается, способствуя выкрашиванию затупившихся зерен и вскрытию режущих граней новых зерен;
- обладает достаточной термостойкостью и имеет высокую теплопроводность;
- в паре с обрабатываемым материалом имеет минимальный коэффициент трения;
- имеет коэффициент линейного расширения, приближающийся к коэффициенту линейного расширения алмаза;
- не вступает в химическое взаимодействие с обрабатываемым материалом и охлаждающей жидкостью;
- уменьшает затраты на сырье и позволяет снизить затраты на производство изделий.
Легирующие добавки указанного состава обеспечивают высокую твердость, жаропрочность и термостойкость связок, что, в свою очередь, приводит к повышению скорости резания и ресурса работы инструмента.
Содержания легирующих добавок в количестве ниже минимального значения указанного диапазона (1 мас.%) недостаточно для эффективного дисперсного упрочнения связки 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 легирующие добавки являются более тугоплавкими, твердыми и имеющими высокие модули упругости материалами по сравнению с медью, то они выступают в роли концентраторов напряжений, что сильно охрупчивает материал и приводит к снижению прочностных характеристик и износостойкости связки, а также требуют повышения температуры спекания и обладают плохой прессуемостью. Указанные диапазоны концентрации легирующих добавок (1-15% мас.%) справедливы только для нанодисперсных порошков с удельной поверхностью 6-25 м2/г, поскольку, как следует из теоретических и экспериментальных данных, эффективность дисперсного упрочнения зависит не только от содержания наночастиц в сплаве, но и от их среднего размера, который, в свою очередь, может быть рассчитан по удельной поверхности нанопорошка.
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 превышает 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 таблицах 1-3 приведены примеры, показывающие зависимость свойств связки от ее состава и содержания легирующей добавки.
| Таблица 3 | ||||||
| Зависимость свойств связки от содержания нанодисперсного оксида алюминия | ||||||
| Состав, % по массе | Свойства** | |||||
| Пористость, % | Твердость по Роквеллу | Прочность на изгиб σизг, МПа | Удельный износ, мм/м2 | Удельный ресурс АОСК, м2/мм | Скорость резания, см2/мин | |
| 100% Cuсвязка* | 1,0 | 90 | 650 | 3,0 | 0,33 | 220 |
| 99,1% Cuсвязка+0.9% Al2O3 | 1,1 | 88 | 620 | 3,5 | 0,29 | 210 |
| 99% Cuсвязка+1% Al2O3 | 1,2 | 95 | 690 | 2,9 | 0,34 | 230 |
| 96% Cuсвязка+4% Al2O3 | 1,4 | 100 | 720 | 2,0 | 0,50 | 310 |
| 90% Cuсвязка+10% Al2O3 | 1,7 | 98 | 710 | 2,4 | 0,42 | 265 |
| 85% Cuсвязка+15% Al2O3 | 1,8 | 94 | 670 | 2,8 | 0,36 | 225 |
| 84% Cuсвязка+16% Al2O3 | 3,0 | 85 | 610 | 3,7 | 0,27 | 150 |
| *состав Cuсвязки: 60% Cu; 20% Fe; 10% Co; 0% Sn; 10% WC | ||||||
| **удельный износ, удельный ресурс и скорость резания приведены по данным испытания АОСК при резке высокоармированного железобетона марки М400. |
Помимо количественного состава связки на свойства связки оказывает сильное влияние размер частиц вводимой добавки, который может быть представлен удельной поверхностью порошка. В таблице 4 приведены примеры зависимости свойств связки от удельной поверхности легирующего порошка.
| Таблица 4 | ||||||
| Зависимость свойств связки от удельной поверхности нанодисперсного порошка карбида вольфрама WC | ||||||
| Удельная поверхность WC, м2/г | Свойства** | |||||
| Пористость, % | Твердость по Роквеллу | Прочность на изгиб σизг, МПа | Удельный износ, мм/м2 | Удельный ресурс АОСК, м2/мм | Скорость резания, см2/мин | |
| 100% Cuсвязка* | 1 | 92 | 690 | 2,8 | 0,36 | 220 |
| 5 | 1,2 | 91 | 650 | 3,2 | 0,30 | 200 |
| 6 | 1,5 | 102 | 730 | 2,65 | 0,43 | 250 |
| 10 | 1,8 | 109 | 790 | 1,80 | 0,55 | 350 |
| 20 | 2,0 | 104 | 750 | 2,10 | 0,48 | 320 |
| 25 | 2,1 | 94 | 710 | 2,50 | 0,40 | 225 |
| 27 | 4,5 | 80 | 390 | 4,60 | 0,18 | 170 |
| *состав Cuсвязки: 30% Cu; 35% Fe; 15% Со; 10,5% Sn; 9,5% WC | ||||||
| **удельный износ, удельный ресурс и скорость резания приведены по данным испытания АОСК при резке высокоармированного железобетона марки М400. |
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 высоко армированного железобетона 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 - нанопорошков карбида вольфрама или вольфрама, или оксида алюминия, или диоксида циркония, или карбида ниобия, или карбида кремния, и/или нитрида кремния обеспечивает высокую прочность, теплопроводность и ударную вязкость. Контролируемые малые добавки легирующих элементов дают уникальное сочетание свойств: прочности, твердости, ударной вязкости, износостойкости коэффициента трения в зоне резания, что позволяет повысить скорость резания на 30-60% и увеличить ресурс изделий в особо нагруженных условиях, например при резке высоко армированного железобетона, на 15-50%, относительно базового варианта.
При этом использование в основе связки меди уменьшает соответствующие затраты на сырье и позволяет снизить затраты на производство изделий на 15-20% при сохранении служебных характеристик (скорость резания и ресурс работы инструмента) введением в них наночастиц WC, W, Mo и других.
1. Связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента, включающая медь, железо, кобальт, олово, карбид вольфрама и легирующую добавку в виде нанопорошка с удельной поверхностью 6-25 м2/г при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| медь | 30-60 |
| железо | 20-35 |
| кобальт | 10-15 |
| олово | 0-10,5 |
| карбид вольфрама | 0-20 |
| легирующая добавка | 1-15 |
2. Связка по п.1, в которой в качестве легирующей добавки используют карбид вольфрама, или вольфрам, или молибден, или оксид алюминия, или диоксид циркония, или карбид ниобия, или карбид кремния, и/или нитрид кремния.
