Абразивные прессовки
Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано при резании, фрезеровании, шлифовании, сверлении и других операциях. Абразивная прессовка включает сверхтвердый поликристаллический композиционный материал (СПКМ) и фазы связующего. СПКМ состоит из частиц сверхтвердого абразивного материала, имеющих мультимодальное распределение по размерам и общий средний размер частиц менее 12 мкм и более 2 мкм. СПКМ имеет множество пор, а фаза связующего распределена в этих порах с образованием отдельных полостей, заполненных связующим веществом. Количество заполненных связующим полостей составляет более 0,45 полости на квадратный микрон. В результате обеспечиваются повышенные ударопрочность и усталостная прочность, присущие крупнозернистым материалам, с сохранением износостойкости, обуславливаемой мелкозернистыми материалами. 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 пр., 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к абразивным прессовкам.
Абразивные прессовки широко применяются при резании, фрезеровании, шлифовании, сверлении и других операциях абразивной обработки. Абразивные прессовки состоят из массы частиц сверхтвердого материала, обычно алмаза или кубического нитрида бора, связанных в когерентный поликристаллический конгломерат. Абразивные прессовки характеризуются высоким содержанием частиц абразивного материала и, как правило, наличием большого количества прямых связей или соединений между частицами. Абразивные прессовки обычно спекают в условиях высокой температуры и высокого давления, при которых частица абразивного материала, будь то алмаз или кубический нитрид бора, является устойчивой с точки зрения кристаллографии и термодинамики.
Кроме того, некоторые абразивные прессовки могут иметь вторую фазу, включающую катализатор-растворитель или связующее вещество. В прессовках из поликристаллического алмаза эта вторая фаза обычно представляет собой металл, например кобальт, никель, железо или сплав, содержащий несколько таких металлов. В прессовках из поликристаллического кубического нитрида бора (ПКНБ, англ. PCBN) это связующее вещество, как правило, включает различные керамические композиции.
Абразивные прессовки обычно отличаются хрупкостью и при использовании их часто закрепляют, связывая с подложкой из цементированного карбида или опорой. Такие закрепленные абразивные прессовки известны в данной области техники как прессовки из композиционного абразивного материала (многослойные абразивные прессовки). Прессовки из композиционного абразивного материала могут использоваться как таковые на рабочей поверхности какого-либо абразивного инструмента. Режущая поверхность или кромка обычно характеризуется поверхностью слоя сверхтвердого материала, который в дальнейшем удаляют с подложки из цементированного карбида.
Описание примеров прессовок из композиционного абразивного материала можно найти в патентах US 3745623, 3767371 и 3743489.
Прессовки из композиционного абразивного материала обычно изготавливают, помещая необходимые для формирования абразивной прессовки компоненты в виде частиц на подложку из цементированного карбида. Для получения требуемой конечной структуры композиция из этих компонентов обычно подвергается обработке. Помимо частиц сверхтвердого материала компоненты могут включать порошок растворителя-катализатора, вспомогательное вещество (добавку) для спекания или связующего. Этот несвязанный ансамбль помещают в реакционную капсулу, которую затем устанавливают в реакционную зону обычного устройства, работающего под высоким давлением и при высокой температуре. Затем содержимое реакционной капсулы подвергают воздействию соответствующей высокой температурой и высокого давления.
Желательно повысить сопротивление истиранию слоя сверхтвердого абразивного материала, так как это дает потребителю возможность резать, сверлить или производить обработку на станке большего количества деталей без износа режущего элемента. Обычно этого достигают, оперируя такими регулируемыми параметрами, как средний размер частиц сверхтвердого материала, общее содержание связующего, плотность частиц сверхтвердого материала и т.п.
В данной области техники общеизвестно, например, что сопротивление истиранию сверхтвердого композиционного материала можно повысить путем уменьшения общего размера частиц сверхтвердого компонента. Однако, как правило, когда эти материалы делают более износостойкими, они становятся более хрупкими или склонными к образованию трещин.
Следовательно, абразивные прессовки, рассчитанные на повышенную износостойкость, будут склонны к снижению прочности при ударных нагрузках или снижению сопротивления растрескиванию. Поиски компромисса между такими свойствами, как ударопрочность и износостойкость устанавливают существенные ограничения при разработке оптимальных структур абразивных прессовок, особенно для выполнения требуемых работ.
Кроме того, поскольку более мелкозернистые структуры обычно содержат большее количество катализатора-растворителя или металла в качестве связующего, то в сравнении с более крупнозернистыми структурами они имеют тенденцию к снижению термостойкости. Такое ухудшение оптимальных свойств более мелкозернистых структур может создавать существенные проблемы при практическом применении, когда для оптимального режима работы, тем не менее, требуется высокое сопротивление износу.
Известные способы решения этой проблемы, как правило, включают попытки достичь компромисса путем сочетания различным образом свойств как более мелких, так и более крупных фракций сверхтвердых частиц в слое сверхтвердого абразивного материала.
Способ решения проблемы обеспечения оптимального сочетания свойств крупно- и мелкозернистых структур заключается в использовании гомогенных (тесных) порошковых смесей сверхтвердых частиц разных размеров. Как правило, перед спеканием готовой прессовки их обычно перемешивают до получения как можно более однородной смеси. В данной области техники известно как бимодальное распределение (включая две фракции с разным размером частиц), так и мультимодальное распределение (включая три или большее число фракций) частиц сверхтвердого материала.
В патенте US 4604106 описана прессовка из композиционного поликристаллического алмаза, которая включает по меньшей мере один слой с вкрапленными кристаллами алмаза и предварительно сцементированными кусками карбида, спеченными вместе при сверхвысоких давлениях и температурах. В частном варианте осуществления изобретения используется смесь алмазных частиц, причем 65% частиц имеют размер 4-8 мкм, а 35% имеют размер 0,5-1 мкм. При таком решении конкретная проблема состоит в том, что цементированный карбид с кобальтом в качестве связующего материала уменьшает прочность на истирание этой части слоя сверхтвердого материала.
В патенте US 4636253 сообщается об использовании бимодального распределения для получения усовершенствованного элемента для абразивной отрезки. Крупные алмазные частицы (размером более 3 мкм) и мелкие алмазные частицы (размером менее 1 мкм) смешаны таким образом, что 60-90% массы частиц сверхтвердого материала составляет крупная фракция, а остальное - мелкая фракция. Кроме того, крупная фракция может иметь тримодальное распределение.
В патенте US 5011514 описана термостойкая алмазная прессовка, состоящая из множества отдельно покрытых металлом алмазных частиц, в которой металлопокрытия смежных частиц связаны друг с другом, образуя цементированную матрицу. Для металлопокрытий используются, например, карбидообразующие элементы, такие как вольфрам, тантал и молибден. Отдельно покрытые металлом алмазные частицы соединены в условиях температуры и давления, применяемых при синтезе алмаза. Кроме того, в этом патенте раскрывается способ смешения металлопокрытых алмазных частиц с не имеющими покрытия более мелкими алмазными частицами, находящимися в порах (междоузлиях) между металлопокрытыми частицами. Указано, что более мелкие частицы уменьшают пористость и повышают содержание алмаза в прессовке. Описаны примеры бимодальных прессовок (два разных размера частиц) и тримодальных прессовок (три разных размера частиц).
В патентах US 5468268 и 5505748 описан способ изготовления сверхтвердых прессовок из массы, представляющей собой смесь частиц сверхтвердого материала, имеющих разный размер. В результате применения такого способа происходит расширение гранулометрического состава частиц, что дает возможность повысить уплотнение и в тех случаях, когда присутствует связующее вещество, минимизировать образование полостей, заполненных связующим.
В патенте US 5855996 описана прессовка из поликристаллического алмаза, включающая алмазные частицы разного размера. В частности, в нем описан способ смешения алмазных частиц, имеющих размеры в субмикронном диапазоне, с более крупными алмазными частицами с целью создания более плотной прессовки.
Далее, в заявке на патент US 2004/0062928 описан способ изготовления прессовки из поликристаллического алмаза, в том случае, когда смесь алмазных частиц содержит приблизительно 60-90% крупной фракции, имеющей средний размер частиц в пределах от примерно 15 до 70 мкм, и мелкую фракцию, имеющую средний размер частиц, составляющий примерно менее половины среднего размера частиц крупной фракции. Заявлено, что в результате применения такой смеси улучшаются свойства материала.
При таком общем подходе проблема заключается в том, что, хотя и можно повысить износостойкость и ударопрочность по сравнению лишь с одной или крупной, или мелкой фракцией, эти свойства все еще часто заключают в себе элементы компромисса, т.е. по сравнению только с мелкозернистым материалом эта смесь обладает сниженной износостойкостью, а по сравнению с крупной фракцией - сниженной ударопрочностью. Следовательно, в результате использования гомогенной смеси частиц разного размера легко получить свойства частиц среднего промежуточного размера.
Поэтому крайне желательно создать абразивную прессовку, которая может обеспечить повышенную ударопрочность и усталостную прочность, какими характеризуются крупнозернистые материалы, тем не менее по-прежнему сохраняя превосходную износостойкость мелкозернистых материалов.
Краткое изложение сущности изобретения
В соответствии с первой особенностью изобретения предлагается абразивная прессовка, включающая сверхтвердый поликристаллический композиционный материал, состоящий из частиц сверхтвердого абразивного материала, имеющих мультимодальное распределение по размерам, и фазы связующего, причем сверхтвердый поликристаллический композиционный материал характеризуется наличием большого количества пор (пустот), фаза связующего распределена в этих порах, образуя полости, заполненные связующим веществом, отличающаяся тем, что в поликристаллическом композиционном материале содержание заполненных связующим веществом полостей на квадратный микрон превышает оптимальный порог.
Кроме того, в изобретении предлагается способ изготовления абразивной прессовки, включающий шаги воздействия на массу частиц сверхтвердого абразивного материала в присутствии фазы связующего высокой температурой и высоким давлением, необходимыми для изготовления абразивной прессовки; причем этот способ отличается использованием массы частиц сверхтвердого материала, содержащей частицы по меньшей мере двух разных средних размеров, предлагаемые в соответствующих количествах и с относительными средними размерами частиц, так чтобы в спеченной прессовке обеспечить количество заполненных связующим полостей на квадратный микрон, превышающее оптимальный порог.
Абразивные прессовки, предлагаемые в изобретении, предпочтительно содержат частицы сверхтвердого абразивного материала, имеющие общий средний размер частиц менее 12 мкм, предпочтительно, менее 10 мкм, и более 2 мкм. При использовании таких материалов оптимальным порогом является количество заполненных связующим веществом полостей на квадратный микрон, составляющее примерно более 0,45, более предпочтительно, - примерно более 0,50 и, наиболее предпочтительно, - примерно более 0,55.
Сверхтвердый поликристаллический алмазный материал обычно используется в виде слоя поликристаллического алмаза толщиной более 0,5 мм, предпочтительно, - более 1,0 мм, более предпочтительно, - более 1,5 мм.
Данное изобретение дает возможность использовать предлагаемые в изобретении абразивные прессовки в качестве элементов для абразивной резки, например для резки или обработки абразивным инструментом подложки, или при сверлильных работах.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение количества заполненных связующим веществом полостей на квадратный микрон в различных известных прессовках и прессовках, предлагаемых в изобретении; а
фиг.2 - изображения прессовки, предлагаемой в изобретении, в сравнении с известной прессовкой после испытания.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Настоящее изобретение направлено на создание абразивных прессовок, в частности прессовок из сверхтвердого поликристаллического абразивного материала, изготавливаемых в режиме высокого давления и высокой температуры. Эти абразивные прессовки отличаются тем, что фаза связующего распределена таким образом, чтобы в конечной структуре количество отдельных полостей, заполненных катализатором-растворителем или связующим, на единицу площади превышало оптимальный порог.
В качестве частиц сверхтвердого абразивного материала могут использоваться частицы алмаза или кубического нитрида бора, но, предпочтительно, - алмазные частицы.
Массу частиц сверхтвердого абразивного материала подвергают воздействию в известном режиме температуры и давления, необходимом для изготовления абразивной прессовки. Как правило, это те же условия, которые требуются для синтеза самих частиц абразивного материала. Давление, как правило, составляет от 40 до 70 килобар, а температура - от 1300 до 1600°C.
Абразивная прессовка, в частности алмазные прессовки, в большинстве случаев включает поликристаллический абразивный материал, связанный с подложкой или опорой из цементированного карбида, образуя прессовку из композиционного абразивного материала (многослойную абразивную прессовку). Для изготовления такой прессовки из композиционного абразивного материала массу частиц абразивного материала до воздействия на нее высокой температурой и высоким давлением, которые необходимы для изготовления прессовки, следует поместить на поверхность подложки из цементированного карбида.
Данное изобретение, в частности, находит применение в абразивных прессовках, в которых толщина слоя поликристаллического алмаза должна быть более 0,5 мм, более предпочтительно, - более 1,0 мм, и наиболее предпочтительно, - более 1,5 мм.
Подложкой или опорой из цементированного карбида может служить любая известная в данной области техники подложка или опора, например, из цементированного карбида вольфрама, цементированного карбида тантала, цементированного карбида титана, цементированного карбида молибдена или их смесей. Связующим металлом для таких карбидов может быть любой известный в данной области техники металл, например никель, кобальт, железо или сплав, содержащий несколько таких металлов. Такое связующее обычно присутствует в количестве 10-20 мас.%, однако его содержание может составлять до 6 мас.%. Некоторые связующие металлы в процессе формирования прессовки обычно проникают в абразивную прессовку.
Частицы сверхтвердого материала, используемые в настоящем способе, могут быть естественного или искусственного происхождения. Смесь является мультимодальной, т.е. представляет собой смесь фракций, которые заметно отличаются друг от друга средним размером частиц. Число фракций обычно может быть любым, например, с двумя фракциями или не менее трех фракций.
Термин "средний размер частиц" означает, что отдельные частицы имеют некоторый диапазон размеров, причем усредненный размер частиц соответствует "среднему". Таким образом, большое количество частиц будет иметь размер, близкий к среднему размеру, хотя у ограниченного количества частиц размер будет больше или меньше указанного размера. Следовательно, максимальное количество частиц при распределении по размерам будет иметь размер, близкий к указанному размеру. Гранулометрический состав для каждой фракции сверхтвердых частиц сам по себе обычно является мономодальным, но при определенных условиях может быть мультимодальным. В спеченной прессовке термин "средний размер частиц" следует интерпретировать аналогичным образом.
Кроме того, в абразивных прессовках, изготавливаемых предлагаемым в изобретении способом, присутствует фаза связующего вещества. Связующим веществом, предпочтительно, является катализатор-растворитель для используемых частиц сверхтвердого абразивного материала. Катализаторы-растворители для алмаза и кубического нитрида бора широко известны в данной области техники. Для алмаза связующим, предпочтительно, является кобальт, никель, железо или сплав, содержащий несколько таких металлов. Такое связующее может быть введено или путем инфильтрации в массу частиц абразивного материала во время спекания, или в виде частиц, в смеси с массой частиц абразивного материала. Инфильтрация может происходить либо из созданной прослойки или слоя связующего металла, либо из карбидной подложки. Как правило, эти способы, предусматривающие добавление в смесь и инфильтрацию, комбинируют.
Во время обработки под высоким давлением и при высокой температуре материал катализатора-растворителя расплавляется и перемещается сквозь слой прессовки, действуя как катализатор-растворитель и связывая сверхтвердые частицы друг с другом. Поэтому готовая прессовка включает когерентную матрицу из частиц сверхтвердого материала, которые связаны друг с другом, образуя, таким образом, сверхтвердый поликристаллический композиционный материал с многочисленными порами или полостями, содержащими связующее вещество, как указано выше. Следовательно, готовая прессовка, по существу, состоит из двухфазного композиционного материала, в котором одна фаза представляет собой сверхтвердый абразивный материал, а другая - связующее вещество.
В частном варианте фаза сверхтвердого материала, каким обычно является алмаз, составляет 80-95 об.%, а материал растворителя-катализатора - остальные 5-20 об.%.
Относительное распределение фазы связующего и количество полостей или пор, заполненных этой фазой, в основном определяется размером и формой частиц сверхтвердого компонента. В данной области техники широко известно, что средний размер частиц сверхтвердого материала играет основную роль в определении среднего содержания связующего. Предполагается, что увеличение площади поверхности мелких частиц сверхтвердого материала приводит к повышению инфильтрации металла, являющегося растворителем-катализатором, благодаря действию капилляров. Следовательно, общее содержание растворителя-катализатора в мелкозернистых прессовках обычно бывает выше, чем в крупнозернистых прессовках. Кроме того, известно, что общее содержание связующего можно также регулировать, используя мультимодальное распределение абразивного материала. Если общее содержание связующего при мономодальном распределении частиц сверхтвердого материала обусловлено средним размером частиц сверхтвердого материала, то при мультимодальном распределении частиц с таким же средним размером наблюдается тенденция к уменьшению содержания связующего вещества в результате повышения их объемной плотности.
Влияние общего содержания фазы связующего, имеющее место в прессовке из сверхтвердого материала, достаточно хорошо понятно. Фаза связующего может способствовать повышению ударопрочности фазы более хрупкого абразивного материала, но поскольку фаза связующего обычно представляет собой гораздо менее прочную и менее износостойкую фракцию в структуре, то присутствие ее в больших количествах, как правило, отрицательно влияет на износостойкость. Кроме того, когда фаза связующего одновременно является активным материалом растворителя-катализатора, ее присутствие в структуре в больших количествах может снизить термостойкость прессовки.
Влияние распределения полостей, заполненных связующим веществом, (т.е. относительных объемов отдельных полостей и их распределения) на свойства прессовки не совсем понятно. Несмотря на то, что такое влияние можно до некоторой степени регулировать путем изменения состава мультимодальной смеси частиц сверхтвердого материала, ранее не было известно, в какой мере можно получить требуемые свойства готовой прессовки путем изменения этой характерной особенности.
В настоящее время установлено, что путем тщательного подбора компонентов мультимодальной смеси частиц сверхтвердого материала можно получить такую структуру готовой прессовки, в которой количество заполненных связующим полостей превышает определенный оптимальный порог. Такой оптимальный порог установлен для различных классов крупности частиц сверхтвердого материала. Обнаружено, что увеличение количества полостей в прессовках, имеющих средний размер частиц менее 12 мкм, оказывает особенно заметное влияние на эксплуатационные качества материала. Поэтому сравнение известных прессовок с прессовками, предлагаемыми в данном изобретении, показывает, что прессовки, которые предлагаются в данном изобретении, как правило, содержат большее количество отдельных полостей, заполненных связующим, несмотря на то, что они имеют такой же размер частиц сверхтвердого материала и, следовательно, такое же общее содержание связующего. Прессовки, предлагаемые в данном изобретении, по сравнению с известными прессовками имеют превосходное соотношение ударопрочности и износостойкости.
Не ограничиваясь рамками теории, предполагается, что заполненные связующим полости могут обеспечить гораздо более эффективную защиту от образования трещин во время выкрашивания или разрушения растрескиванием, если количество таких полостей превышает оптимальный порог, предлагаемый в изобретении.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагаются прессовки из сверхтвердого абразивного материала, в которых общий средний размер частиц составляет менее 12 мкм, наиболее предпочтительно менее 10 мкм. Это та область, в которой, как было установлено, существует наилучшее соотношение оптимальной износостойкости мелкозернистых структур и свойственной им подверженности разрушению под действием ударной нагрузки. Нижний предел для типичных структур, предлагаемых в данном изобретении, составляет приблизительно 2 мкм, так как оказывается, что ниже этого предела многие структуры находятся под сильным влиянием дополнительных факторов.
Измерение количества заполненных связующим полостей на единицу площади осуществляется в готовой прессовке путем проведения статистической оценки на большом количестве собранных копий изображений, полученных с помощью растрового (сканирующего) электронного микроскопа.
В данной области техники широко известно, что кратность увеличения изображения, выбранная для исследования микроструктуры, оказывает существенное влияние на точность полученных данных. Получение изображений с малым коэффициентом увеличения предоставляет возможность репрезентативно определять качество на основе анализа более крупных частиц или элементов изображения в микроструктуре; однако более мелкие частицы или элементы могут быть отображены недостаточно точно, так как при таком коэффициенте увеличения разрешение их изображений не может быть достаточным. В противоположность этому, более высокая кратность увеличения обеспечивает достаточное разрешение изображений и, следовательно, детальное исследование мелкомасштабных элементов; однако более крупные элементы могут пересекать границы изображений и, таким образом, их анализ не будет адекватным. Следовательно, для любого метода количественного исследования микроструктуры очень важно выбрать соответствующий коэффициент увеличения. Таким образом, правильность этого выбора определяется размером изображаемых (характеризуемых) элементов и должна быть очевидна специалистам в данной области техники.
С применением стандартных средств для изучения изображений были идентифицированы и подсчитаны отдельные участки или полости, заполненные фазой связующего вещества или катализатора-растворителя, которые с помощью электронной микроскопии легко отличить от участков, занятых фазой сверхтвердого материала. Для каждой идентифицированной полости, заполненной связующим, рассчитан диаметр эквивалентной окружности (ДЭО, англ. ECD). (Данный метод исследования включает расчет диаметра гипотетической окружности, занимающей ту же площадь, какую занимает анализируемая полость, заполненная связующим веществом.) Для заполненных связующим веществом полостей, имеющих приблизительно круглую форму, такой приближенный расчет одного числового размера диаметра является допустимым. Однако при методе исследования, предлагаемом в данном изобретении, важными показателями являются:
- AUH, полная площадь поверхности, занятой фазой сверхтвердого (англ. - ultrahard) абразивного материала (в квадратных микронах);
- AB, полная площадь поверхности, занятой фазой связующего (англ. - binder) вещества (в квадратных микронах);
- NB, общее количество заполненных связующим полостей, появившихся в пределах этой площади поверхности.
Полные площади поверхности, занятой вышеуказанными фазами, определяли путем суммирования либо площадей поверхности, занятой каждой отдельной полостью, заполненной связующим веществом, либо площадей поверхности, занятых каждой частицей фазы сверхтвердого вещества в пределах всей площади поверхности описываемой микроструктуры. Количество полостей, занятых связующим веществом, определяли путем подсчета количества отдельных площадей поверхности, занятых связующим, идентифицированных на поверхности микроструктуры.
Поэтому стандартное для площади поверхности количество полостей, заполненных связующим, Hn B, рассчитано по формуле:
Следовательно, такое количество является обычным (стандартным) по отношению к площади поверхности прессовки, исследуемой при выбранном коэффициенте увеличения. Затем проведена статистическая оценка собранной информации о распределении этих данных и выведено среднее арифметическое. Таким образом, рассчитано среднее количество заполненных связующим веществом полостей на единицу площади поверхности микроструктуры. Было установлено, что в прессовках из сверхтвердого материала, предлагаемых в данном изобретении, средний объем полости, заполненной кобальтом, составляет порядка 1,5-3 мкм. Это обеспечило возможность эмпирического выбора соответствующей кратности увеличения для анализа - 3000х. Такая кратность увеличения обычно способствовала получению четкого изображения отдельных полостей, заполненных связующим веществом, в то же время позволяя успешно исследовать большие площади поверхности, занятые связующим веществом. Было установлено, что для количества заполненных связующим полостей на квадратный микрон оптимальный порог приблизительно составляет более 0,45, более предпочтительно - более 0,50 и наиболее предпочтительно - более 0,55.
Предполагается, что в зависимости от условий формования характеристика (параметры) микроструктуры на разных участках абразивной прессовки может немного отличаться. Следовательно, формирование изображений микроструктуры осуществляется так, чтобы получить представительные данные исследования основного объема части прессовки, выполненной из сверхтвердого композиционного материала.
Мультимодальная смесь, необходимая для изготовления абразивных прессовок, предлагаемых в изобретении, отличается количеством фракций используемых частиц сверхтвердого материала. Как правило, она представляет собой вполне определенную бимодальную смесь или мультимодальную смесь, включающую по меньшей мере три фракции, а предпочтительно, не менее четырех.
В тех случаях, когда смесь является бимодальной, она, как правило, включает крупную фракцию и мелкую фракцию, причем соотношение среднего размера частиц в этих двух фракциях составляет от 2:1 до 10:1, более предпочтительно от 3:1 до 6:1. Кроме того, объемная доля крупной фракции предпочтительно превышает 20%, однако составляет менее примерно 55%, а наиболее предпочтительно - около 50%.
В тех случаях, когда смесь содержит не менее трех фракций, она должна включать по меньшей мере одну мелкую фракцию или смесь фракций, составляющую от 35 до 50 мас.% всей смеси, и одну крупную фракцию или смесь фракций, составляющую от 65 до 50 мас.% этой смеси, причем средний размер частиц смеси наиболее мелких фракций предпочтительно составляет приблизительно от 1/4 до 1/6 среднего размера частиц смеси наиболее крупных фракций. Кроме того, соотношение между средним размером частиц одной наиболее крупной фракции, входящей в состав, и средним размером частиц одной наиболее мелкой фракции, входящей в состав, составляет по меньшей мере 8:1 или, более предпочтительно, - 10:1, или, наиболее предпочтительно, - 12:1.
К тому же, было обнаружено, что использование в предварительно спеченной порошковой смеси добавки в виде порошка растворителя-катализатора может иметь большое значение в обеспечении требуемой конечной структуры, хотя это не всегда требуется. Как правило, эта добавка вводится в смесь в количестве примерно от 0,5 до 3 мас.%, и средний размер частиц в ней наиболее предпочтительно составляет менее 2 мкм.
Далее изобретение описывается с помощью неограничивающих примеров.
Пример 1
Была приготовлена соответствующая бимодальная порошковая смесь алмазных частиц. Порошок кобальта с размером частиц в субмикронном диапазоне в количестве, достаточном для получения 1 мас.% в конечной смеси алмазных частиц, вначале в течение 1 часа деагломерировали в суспензии метанола в шаровой мельнице с измельчающим WC материалом. Затем в суспензию добавляли мелкую фракцию алмазного порошка со средним размером частиц 1,5 мкм в количестве, необходимом для получения 49,5 мас.% в конечной смеси. Добавляли измельчающий материал, а затем добавляли метанол для получения соответствующей суспензии; и все это измельчали в течение еще одного часа. После этого добавляли крупную фракцию алмазного порошка со средним размером частиц около 9,5 мкм в количестве, необходимом для получения 49,5 мас.% в конечной смеси. Суспензию снова пополняли метанолом и измельчающим материалом, а затем все измельчали в течение еще 2 часов. Для получения порошковой смеси алмазных частиц суспензию удаляли из шаровой мельницы и высушивали.
Затем порошковую смесь алмазных частиц помещали в соответствующий аппарат, работающий при высоком давлении и высокой температуре (ВДВТ), так чтобы она находилась непосредственно на WC-подложке, и спекали в обычном режиме ВДВТ до получения конечной абразивной прессовки.
Описание микроструктуры этого материала и другие физические данные в обобщенном виде представлены в приведенной ниже таблице, а данные о среднем количестве заполненных связующим полостей на квадратный микрон представлены графически на фиг.1. Эту прессовку испытывали в ходе стандартного испытания, отражающего специфику ее конкретного применения, в котором она показала значительное улучшение рабочих характеристик по сравнению с рабочими характеристиками известной прессовки, имеющей такой же средний размер алмазных частиц (см. сравнительный пример 4). На фиг.2 представлены изображения сравнительных показателей работы этой прессовки 10, состоящей из WC-подложки 12 и слоя 14 сверхтвердого материала прессовки, имеющего след 16 изнашивания, в сравнении с известной прессовкой 20 (WC-прессовка 22; слой 24 сверхтвердого материала прессовки; след 26 изнашивания) на той же стадии испытания, на которых отчетливо видны высокая степень износа и признаки выкрашивания известной прессовки 20.
Примеры 2 и 3
Примеры 2 и 3 были подготовлены таким же способом, какой описан в примере 1, за исключением того, что размеры частиц составляющих фракций алмазного порошка были изменены, как указано в таблице.
| Смесь алмазных частиц | Конечный средний размер частиц (мкм) | Средний объем полостей, заполненных связующим (мкм) | Количество заполненных связующим полостей на мкм2 | |
| ПРИМЕРЫ СМЕСЕЙ, ПРЕДЛАГАЕМЫХ В ИЗОБРЕТЕНИИ | ||||
| БИМОДАЛЬНАЯ: алмазные | ||||
| 1 | частицы (49,5% 1.5 мкм + 49,5% 9,5 мкм + 1 мас.% Co | 5,4 | 1,82 | 0,64 |
| БИМОДАЛЬНАЯ: алмазные | ||||
| 2 | частицы (49,5% 0,7 мкм + 49,5% + 4,5 мкм) + 1 мас.% Со | 3,7 | 1,61 | 1,32 |
| МУЛЬТИМОДАЛЬНАЯ: | ||||
| алмазные частицы (5% 0,7 мкм + 20% 1,5 мкм | ||||
| 3 | + 11% 2,9 мкм + 48% 4,5 мкм + 16% 9,5 мкм) + 1 мас.% Со | 4,9 | 2,05 | 0,51 |
| СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ПРИМЕРЫ ИЗВЕСТНЫХ СМЕСЕЙ | ||||
| МОНОМОДАЛЬНАЯ: | ||||
| 4 | алмазные частицы 4,5 мкм + 1 мас.% Со | 4,2 | 2,33 | 0,40 |
| МУЛЬТИМОДАЛЬНАЯ: | ||||
| 5 | (25% 9,5 мкм + 25% 6 мкм + 50% 2,9 мкм) | 7,5 | 2,02 | 0,43 |
| 6 | МУЛЬТИМОДАЛЬНАЯ: 5 видов | 10,5 | 2,32 | 0,35 |
| МУЛЬТИМОДАЛЬНАЯ: | ||||
| 7 | (12% 9,5 мкм + 69% 4,5 мкм + 18% 2,9 мкм) + 1 мас.% Со | 5 | 2,3 | 0,37 |
1. Абразивная прессовка, включающая сверхтвердый поликристаллический композиционный материал, состоящий из частиц сверхтвердого абразивного материала, имеющих мультимодальное распределение по размерам и общий средний размер частиц менее 12 мкм и более 2 мкм, и фазы связующего, причем сверхтвердый поликристаллический композиционный материал имеет множество пор, а фаза связующего распределена в этих порах с образованием отдельных полостей, заполненных связующим веществом, отличающаяся тем, что количество заполненных связующим полостей составляет более 0,45 полости на квадратный микрон.
2. Абразивная прессовка по п.1, в которой количество заполненных связующим полостей составляет более 0,50 полости на квадратный микрон.
3. Абразивная прессовка по п.1, в которой количество заполненных связующим полостей составляет более 0,55 полости на квадратный микрон.
4. Абразивная прессовка по п.1, в которой частицами сверхтвердого абразивного материала являются частицы алмаза.
5. Абразивная прессовка по п.1, в которой частицами сверхтвердого абразивного материала являются алмазные частицы и сверхтвердый поликристаллический алмазный материал представляет собой слой поликристаллического алмаза толщиной более 0,5 мм.
6. Абразивная прессовка по п.5, в которой толщина слоя поликристаллического алмаза составляет более 1,0 мм.
7. Абразивная прессовка по п.5, в которой толщина слоя поликристаллического алмаза составляет более 1,5 мм.
