Способ изготовления режущих элементов из сверхтвердых материалов
Владельцы патента RU 2484941:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)
Изобретение относится инструментальному производству, в частности к изготовлению поликристаллических элементов, в основном из порошков алмаза и/или кубического нитрида бора. Может использоваться для изготовления режущих инструментов и в качестве износостойких накладок в машиностроении. Смесь порошков сверхтвердых материалов крупной и мелкой зернистости размещают в форме, уплотняют и пропитывают под давлением металлами или сплавами. При этом в качестве порошков сверхтвердых материалов крупной зернистости используют порошки с рельефной поверхностью и металлическим покрытием на впадинах рельефа. Обеспечивается повышение объемного содержания сверхтвердого компонента в режущем инструменте при сохранении уровня прочности. 2 пр.
Изобретение относится к области инструментального производства и, в частности, к изготовлению режущих элементов, изготавливаемых из сверхтвердых материалов, таких как алмазы и кубический нитрид бора. Элементы могут быть использованы для оснащения различных режущих инструментов, предпочтительно сверл, фрез, буровых и правящих инструментов, инструментов для камнеобработки и т.п.
В патенте RU №2354731, кл. С22С 1/05, 2007 г.при изготовлении режущих элементов из порошков сверхтвердых материалов, по меньшей мере, двух зернистостей покрытие предлагается наносить только на порошки более мелких зернистостей. Покрытые мелкие порошки располагаются между крупными порошками, улучшая условия пропитываемости прессовки пропиточным материалом, при этом покрытие только на мелких порошках оказывает меньшее влияние на снижение объемного содержания всех порошков сверхтвердых материалов в готовом изделии. Однако способ имеет недостаток, заключающийся в том, что нанесение покрытия на порошки только мелких зернистостей не в полном мере приводит к повышению объемного содержания сверхтвердого материала в элементе.
Известен способ получения поликристаллических прессовок из порошков сверхтвердых материалов, таких как кубический нитрид бора, при котором на порошки кубического нитрида бора наносят металлическое покрытие в таком количестве, при котором частицы кубического нитрида бора могут быть покрыты металлом полностью либо покрытие может составлять 50% и более ее поверхности (US №4353714, кл. D24F 1/00, 1982 г.) Полное или частичное покрытие, нанесенное на поверхность частиц, способствует пропитке спрессованного кубического нитрида бора расплавом металла. При этом покрытие нанесено на поверхность частиц как на впадины, если они имеют место, так и на выступающие части поверхности. Недостаток способа заключается в том, что при укладке частиц, даже таких, поверхность которых только на 50% снабжена покрытием, преимущественно имеет место контакт частиц через слой покрытия.
Поэтому частично покрытые порошки, также как и полностью покрытые порошки, являются причиной снижения содержания сверхтвердого материала в объеме изделия.
Наиболее близким является способ изготовления алмазно-металлических режущих элементов, при котором смесь покрытых металлом алмазных порошков, по меньшей мере, двух зернистостей и материал связующего слоями размещают в форме и подвергают прессованию при температуре, при которой связующее плавится и проникает в поры алмазной прессовки для получения единой массы (патент США №5096465, кл. 51-295, 1989 г.). Для улучшения пропитки алмазные порошки предварительно покрывают металлом, который хорошо смачивается связующим материалом. Недостаток способа состоит в том, что нанесенный на зерна алмазного порошка слой металла существенно снижает их объемное содержание в готовом режущем элементе. Снижение объемного содержания порошков приводит к снижению физико-механических свойств элемента. Такие элементы не могут быть использованы в инструментах, работающих в тяжелых условиях, таких как буровой, правящий инструменты и др.
Техническая задача предлагаемого решения заключается в получении материала с повышенным объемным содержанием сверхтвердых материалов в готовом элементе при сохранении уровня прочности готового изделия.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления режущего элемента из сверхтвердых материалов, включающем приготовление смеси порошков сверхтвердых материалов крупной и мелкой зернистости, размещение смеси в форме, уплотнение и пропитку под давлением металлами или сплавами, в качестве порошков сверхтвердых материалов крупной зернистости используют порошки с рельефной поверхностью с нанесенным на впадины металлическим покрытием.
Сущность способа заключается в следующем. Алмазные порошки и порошки кубического нитрида бора, преимущественно, имеют развитую рельефную поверхность, состоящую из выступающих частей и впадин. При помещении порошков в форму и их уплотнении порошки в основном входят в контакт друг с другом своими выступающими частями, на которых отсутствует покрытие. И очевидно, что покрытие, находящееся во впадинах рельефа, не оказывает существенного влияния на общее объемное содержание сверхтвердого материала в элементе, но позволяет сохранить уровень прочности готового изделия.
Способ осуществляется следующим образом.
В форму помещают порошки сверхтвердого материала, впадины которых снабжены покрытием, уплотняют их любым известным способом, например прессованием, виброукладкой, шликерным литьем и т.п. Затем сверху на уплотненные порошки укладывают пропиточный материал, форму нагревают до температуры, обеспечивающей жидкотекучесть пропиточного материала, и под небольшим давлением происходит проникновение пропиточного материала в поры заготовки. Благодаря даже частичному покрытию порошков расплав пропиточного материала течет по порошкам и покрытию и пропитывает заготовку по высоте и в поперечном направлении, обеспечивая полное заполнение пор заготовки и связывая все абразивные зерна друг с другом. Для пропитки достаточно прикладывать небольшое давление порядка 500 кг/см2.
Для изготовления режущих элементов с различной концентрацией абразивных зерен и, соответственно, с различными физико-механическими свойствами могут быть использованы смеси порошков сверхтвердых материалов крупной и мелкой зернистости. При этом мелкие порошки в зависимости от их зернистости могут быть покрыты полностью либо частично либо вообще могут не иметь покрытия.
В качестве порошков сверхтвердых материалов можно брать алмазные порошки или порошки кубического нитрида бора. Зерна порошков различных марок обычно представлены обломками, сростками, агрегатами, на поверхности могут быть различные микро- и макродефекты, т.е. зерна имеют достаточно рельефную поверхность. В случае использования порошков, состоящих, преимущественно, из кристаллов, они могут быть предварительно подвергнуты обработке, в результате которой зерна сверхтвердого материала будут иметь шероховатую поверхность. Шероховатость на поверхности можно получить травлением в различных средах, спеканием порошков с порошками карбидообразующих металлов с последующим удалением металлических порошков, на месте которых останутся каверны, и другими известными способами.
Для получения частичного покрытия на порошки сверхтвердых материалов наносят покрытие, которое, как правило, покрывает всю поверхность зерен, повторяя рельеф его поверхности. После этого удаляют часть покрытия, так чтобы покрытие оставалось только во впадинах рельефа поверхности. Покрытие можно наносить различными известными способами: гальваническим, химическим, карбонильным, катодным напылением, из расплава и др. Частичное удаление покрытия с поверхности порошков можно также осуществлять известными способами. Наиболее предпочтительным способом является обкатка покрытых зерен в барабане совместно с обрабатывающим абразивным порошком при соотношении зернистостей обрабатываемого и обрабатывающего порошков, обеспечивающих снятие покрытия только с выступающих частей рельефа обрабатываемых зерен.
Пример №1. Были изготовлены элементы цилиндрической формы размерами: диаметром ⌀ 10 мм, высотой h=12 мм из алмазных порошков зернистостью 400/315 мкм. На алмазные порошки предварительно нанесли никелевое покрытие, которое покрывало всю поверхность зерен порошков. Затем покрытые порошки поместили в барабан со стенками из керамического материала вместе с водой и обрабатывающими абразивными порошками - электрокорундом белым зернистостью 16 (200 мкм). Обработку проводили со скоростью вращения барабана 450 об/мин. После 3,5 ч обработки вынимали алмазные порошки. С помощью микроскопа было установлено наличие покрытия только во впадинах рельефа поверхности зерен порошка. С выступающих частей поверхности зерен покрытие было удалено. Смешивали полученные порошки с алмазными порошками зернистостью 80/63, полностью покрытые никелем. Соотношение мелких и крупных порошков составляло 1:4. Порошки помещали в форму, уплотняли их виброукладкой и затем пропитывали сплавом - медь (96% вес.) - титан (4% вес.) при температуре 1100°С и при давлении 500 кг/см2. Образцы после пропитки имели 100% плотность. Объемное содержание алмазных порошков составило 80%.
Пример №2. Были изготовлены образцы, как в примере №1. Отличие состояло в том, что порошки крупной зернистости обработке не подвергались, т.е. вся поверхность зерен порошков имела покрытие. Объемное содержание алмазных порошков составило 73%.
Таким образом, использование алмазных порошков с рельефной поверхностью, имеющих покрытие, которое находится только во впадинах рельефной поверхности, позволяет получить материал с повышенным объемным содержанием сверхтвердых материалов в готовом элементе.
Способ изготовления режущего элемента из сверхтвердых материалов, включающий приготовление смеси порошков сверхтвердых материалов крупной и мелкой зернистости, размещение смеси в форме, уплотнение и пропитку под давлением металлами или сплавами, отличающийся тем, что в качестве порошков сверхтвердых материалов крупной зернистости используют порошки с рельефной поверхностью с металлическим покрытием на впадинах рельефа.
