Связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента
Владельцы патента RU 2432249:
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, в частности к изготовлению алмазных режущих инструментов для стройиндустрии и камнеобработки, в частности отрезные сегментные круги, канаты для резки железобетона и асфальта, сверла для резки монолитного железобетона; диски и канаты для карьерной добычи натурального камня и крупно-серийного производства облицовочных материалов. Связка на основе меди содержит, мас.%: Cu 30-60; Fe 20-35; Со 10-15; Sn 0-10,5; WC 0-20; легирующая добавка 0,01-5. Легирующая добавка вводится в виде нанопорошка с удельной поверхностью 75-150 м2/г. Полученный материал обладает высокой износостойкостью без существенного увеличения температуры спекания при его получении, а также твердостью, прочностью и ударной вязкостью. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.
Связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента.
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.
Недостатком известной связки является 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 соотношении, мас.%:
Cu=30-60
Fe=20-35
Co=10-15
Sn=0-10,5
WC=0-20
Легирующая добавка - 0,01-5.
Легирующая добавка вводится в виде нанопорошка с удельной поверхностью 75-150 м2/г.
При этом в качестве легирующей добавки используют углеродные нанотрубки или нанодисперсный алмаз.
За счет наличия в связке меди, а также железа, кобальта и упрочняющих наночастиц, 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 высокую 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;
з) обладает достаточной термостойкостью и имеет хорошую теплопроводность;
и) не вступает в химическое взаимодействие с обрабатываемым материалом и охлаждающей жидкостью.
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 (0,01 мас.%) недостаточно для эффективного дисперсного упрочнения связки и их влияние на структуру и свойства полученного материала незначительно. При превышении максимального значения диапазона (5 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 (0,01-5% мас.%) справедливы только для нанодисперсных порошков с удельной поверхностью 75-150 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.
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. В таблице 4 приведены примеры зависимости свойств связки от удельной поверхности вводимых добавок.
| Таблица 4 | ||||||
| Зависимость свойств связки от удельной поверхности легирующей добавки* | ||||||
| Удельная поверхность углеродных нанотрубок, 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 | 2,80 | 0,36 | 220 |
| 70 | 1,1 | 90 | 690 | 2,90 | 0,34 | 210 |
| 75 | 1,1 | 94 | 720 | 2,55 | 0,39 | 300 |
| 100 | 1,2 | 100 | 760 | 2,15 | 0,47 | 325 |
| 125 | 1,4 | 103 | 780 | 1,90 | 0,53 | 340 |
| 150 | 1,6 | 95 | 730 | 2,45 | 0,41 | 315 |
| 160 | 2,3 | 90 | 660 | 3,4 | 0,29 | 200 |
| *состав Cuсвязки: 30% Cu; 35% Fe; 15% Co; 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 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 - нанопорошков алмаза или нанотрубок 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.
1. Связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента, включающая железо, кобальт, олово, карбид вольфрама и легирующую добавку в виде нанопорошка с удельной поверхностью 75-150 м2/г при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Cu | 30-60 |
| Fe | 20-35 |
| Со | 10-15 |
| Sn | 0-10,5 |
| WC | 0-20 |
| легирующая добавка | 0,01-5 |
2. Связка по п.1, которая в качестве легирующей добавки содержит углеродные нанотрубки или нанодисперсный алмаз.
