Связка на основе меди для изготовления режущего инструмента со сверхтвердым материалом

Авторы патента:

Сидоренко Дарья Андреевна (RU)

Андреев Владимир Алексеевич (RU)

Зайцев Александр Анатольевич (RU)

Рупасов Сергей Иванович (RU)

Севастьянов Петр Игоревич (RU)

Левашов Евгений Александрович (RU)

Курбаткина Виктория Владимировна (RU)

Логинов Павел Александрович (RU)

B24D3/06 - металлов

Владельцы патента RU 2487006:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Изобретение относится к порошковой металлургии, к способам получения композиционных материалов и может быть использовано в качестве связок при изготовлении режущего инструмента со сверхтвердым материалом. Связка содержит, мас.%: медь 27,5-49,5, кобальт 13,75-24,75, железо 13,75-24,75, никель 1-45, легирующая добавка 0,01 - 3,0. Технический результат: увеличение ударной вязкости, твердости, предела прочности при трехточечном изгибе и скорости резания отрезных сегментных кругов при низкой остаточной пористости сегментов, содержащих CBN/алмаз. 3 з.п. ф-лы, 8 табл., 1 пр.

Изобретение относится к порошковой металлургии, к способам получения композиционных материалов. Изобретение может быть использовано в качестве связок при изготовлении режущего инструмента со сверхтвердым материалом для стройиндустрии, тяжелого машиностроения, нефте- и газоперерабатывающая отрасли и др., включая отрезные сегментные круги различной конструкции (ОСК), применяемые при резке чугунов, и канатных пил для резки массивных конструкций из стали и чугунов.

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

Известна связка для изготовления алмазного инструмента (RU 2286241 С2, опубл. 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 высокоармированного железобетона и снижение ресурса работы инструмента.

Прототипом заявленного изобретения является связка для изготовления алмазного инструмента (RU 2432249 С1, опубл. 27.10.2011. Бюл. №30), содержащая основу в виде меди.

Недостатком известного материала на основе меди является недостаточная износостойкость, твердость, прочность, ударная вязкость и температурная стойкость, а также низкий удельный ресурс при резке стали, чугуна.

Технической задачей заявленного изобретения является увеличение ударной вязкости KCU, твердости HRB, предела прочности при трехточечном изгибе σ^изг, удельной износостойкости И_обр, удельного ресурса и скорости резания отрезных сегментных дисков при низкой остаточной пористости сегментов, содержащих CBN/алмаз.

Поставленная задача достигается тем, что в связку на основе меди, кобальта и железа дополнительно вводят от 1 до 45 мас.% никеля и легирующую добавку в количестве от 0,01 до 3 мас.%.

Связки могут быть получены методом порошковой металлургии: спеканием с последующим прессованием при температуре спекания. Этот метод является высокопроизводительным, т.к. 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 необходимой плотности и формы изделий. Конструкция пресс-формы позволяет проводить процесс в инертной и защитной атмосфере, что повышает качество инструмента.

Полученные сегменты с CBN и/или алмазом напаиваются на диск. Испытания дисков проводят при резке массивной отливки из серого чугуна марки СЧ20.

Материалы связок по изобретению обеспечивают лучшие экономические показатели по сравнению с аналогами ведущих мировых производителей по критериям цена/ресурс и цена/производительность.

Пример. В связку на основе меди состава (мас.%):

Cu - 27,5-49,5

Со - 13,75-24,75

Fe - 13,75-24,75

Ni - 1-45

Легирующая добавка - 0,01-3,0

Влияние содержания никеля и количества вводимых легирующих компонентов приведено в таблицах 1-6. В качестве легирующей добавки вводят углеродные материалы.

Приведенные примеры составов связки (таблицы 1-6) обосновывают пределы содержания легирующих добавок.

Удельный ресурс ОСК и скорость резания в таблицах 1-6, 8 приведены по данным испытания отрезного сегментного диска с сегментами на основе CBN при резки чугуна марки СЧ20. Общая концентрация абразива в сегменте составляет 10 об.%, крупность зерен CBN 45/50 mesh.

С целью увеличить удельный ресурс и скорость резания в связки вместе CBN водят алмаз. В таблице 7 представлены свойства связки и инструмента с сегментами, в которых в качестве абразива взят алмаз и CBN в пропорции 50/50%. Общая концентрация абразива в сегменте составляет 10 об.%, крупность 45/50 mesh.

Таблица 7
Влияние легирующей добавки углеродных нанотрубок С_нт на свойства связки и инструмента с кубическим нитридом бора и алмазом.
Состав, об(мас).%	П, %	Твердость, HRB	σ^изг, МПа	KCU, Дж/мм²	И_обр, мм³/(Н×м)×10⁴	Удельный ресурс ОСК*, м²/мм	Скорость резания, см²/час
100%Cu_{связка2} ^*	1,3	95	1120	5,6	0,39	0,96	720
99,995%Cu_{связка2}+0,005 Снт	1,5	92	1040	5,0
0,44	0,82	680
99,99%Cu_{связка2}+0,01% Снт	1,5	97	1160	5,8
0,37	0,99	730
99%Cu_{связка2}+1% Снт	1,7	104	1330	6,4
0,26	1,22	740
98%Cu_{связка2}+2% Снт	2,1	98	1180	5,9
0,31	1,11	730
97%Cu_{связка2}+3% Снт	3,1	97	1160	5,7
0,37	1,05	720
96%Cu_{связка2}+4% Снт	3,7	89	930	4,4
0,55	0,78	650
Состав: Cuсвязка2 35%Cu; 17,5%Co; 17,5%Co; 30%Ni

Как видно из таблиц 1÷7, содержание легирующей добавки менее 0,01 мас.% не обеспечивает достижение поставленной цели, т.к. их количества недостаточно для эффективного дисперсионного упрочнения связки, и их влияние на структуру и свойства полученного материала незначительно

Введение в связку более 3 мас.% приводит к увеличению пористости и других свойств, т.к. легирующие добавки являются более тугоплавкими, твердыми и имеющими высокие модули упругости материала по сравнению с медью и никелем, 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 концентраций легирующих добавок 0,01÷3 мас.%. Справедливы только для нанодисперсных порошков. На свойства связки оказывает влияние размер частиц легирующего элемента. Для получения заданной удельной поверхности порошки разделялись на фракции заданной дисперсности, обеспечивающей требуемые значения удельной поверхности. В таблице 8 представлена зависимость легирующих элементов от размера частиц (удельной поверхности).

Таблица 8
Влияние дисперсности легирующей добавки углеродных нанотрубок С_нт на свойства связки инструмента с кубическим нитридом бора
Состав, об(мас).%	П, %	Твердость, HRB	σ^изг, МПа	KCU, Дж/мм²	И_обр, мм³/(Н×м)×10⁴	Удельный ресурс ОСК*, м²/мм	Скорость резания, см²/час
100%Сu_{связка2} ^*	1,3	95	1120	5,6	0,39	0,83	650
70	1,4	93	1050	5,0	0,44	0,72	630
75	1,4	97	1170	5,8	0,30	0,85	680
100	1,5	100	1260	6,4	0,25	0,98	700
125	1,6	103	1320	6,8	0,22	1,18	710
150	1,8	96	1190	6,1	0,36	0,85	660
160	2,5	91	1010	4,8	0,52	0,66	640
Состав: Сu_{связка2} 35%Cu; 17,5%Со; 17,5%Со; 30%Ni

1. Связка на основе меди, используемая при изготовлении инструмента, включающего сверхтвердый материал, содержащая кобальт, железо, никель и легирующую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Cu	27,5-49,5
Со	13,75-24,75
Fe	13,75-24,75
Ni	1-45
легирующая добавка	0,01-3,0

2. Связка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве легирующей добавки она содержит углеродные нанотрубки и ультрадисперсный алмаз.

3. Связка по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит легирующую добавку в виде нанопорошков с удельной поверхностью 75 - 150 м²/г.

4. Связка по п. 1, отличающаяся тем, что сверхтвердый материал представляет собой кубический нитрид бора и/или алмаз.

Способ изготовления режущих элементов из сверхтвердых материалов // 2484941

Изобретение относится к области инструментального производства и, в частности, к изготовлению режущих элементов, изготавливаемых из сверхтвердых материалов, таких как алмазы и кубический нитрид бора.

Способ изготовления алмазометаллического композита методом взрывного прессования // 2484940

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению алмазометаллических композитов на основе железоуглеродистого связующего. .

Способ получения абразивного инструмента из сверхтвердых материалов // 2457935

Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано при изготовлении абразивного инструмента из сверхтвердых материалов (алмаза, нитрида бора) на металлической связке.

Алмазометаллический композит // 2448827

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению алмазометаллических композитов. .

Способ получения алмазного композиционного материала // 2446870

Изобретение относится к области получения алмазных композиционных материалов (композитов), состоящих из плотной массы кристаллов алмаза, связанных связующим материалом.

Связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента // 2432249

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.

Алмазный инструмент на гальванической связке // 2432248

Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано при изготовлении алмазных инструментов для обработки различных металлических и неметаллических материалов с закреплением алмазных зерен на поверхности корпуса инструмента гальваническим методом.

Связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента // 2432247

Изобретение относится к порошковой металлургии, к способам получения изделий из твердосплавных материалов. .

Абразивы с покрытием // 2372371

Изобретение относится к сверхтвердым абразивным материалам с покрытием для применения в абразивных инструментах. .

Абразивное изделие (варианты) и способ его формирования // 2511015

Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано при изготовлении инструментов для резания и шлифования строительных материалов. Абразивное изделие содержит основание и абразивную деталь, включающую три различные фазы, связанные одна с другой и включающие абразивные частицы, металлическую матрицу и пропитывающий материал. Предусмотрена также область подложки между абразивной деталью и основанием, включающая сварной шов. В результате повышается долговечность абразивных изделий. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл., 1 пр.

Способ изготовления алмазной буровой коронки // 2534164

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению алмазной буровой коронки методом пропитки. Разовую графитовую пресс-форму изготавливают со сквозными отверстиями, формы и размеры которых соответствуют нижней проекции сечения секторов матрицы коронки, при укладке алмазов, загрузке, формовании и прессовании шихты матрицы под графитовую пресс-форму помещают основание, верхняя поверхность которого повторяет профиль поверхности нижней части секторов матрицы, при спекании в вакуумной печи основание удаляют, при этом под каждым сектором матрицы коронки располагают таблетки из пропитываемого металла или сплава так, чтобы пропитка происходила снизу вверх. Обеспечивается саморегулируемая и равномерная дозировка пропитываемого металла или сплава во всех секторах матрицы, равномерная плотность матрицы, повышение выхода годного, а также исключается образование наплыва металла на корпус инструмента. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Композиционный алмазосодержащий материал инструментального назначения // 2534713

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению алмазных абразивных инструментов. Композиционный алмазосодержащий материал содержит, мас.%: технический порошок алмазов зернистостью 315/250 мкм - 5,0-7,0; ультрадисперсный порошок алмазов зернистостью 2/0 мкм - 1,0-3,0; олово - 18,0-20,0; медь - остальное. Обеспечивается повышение плотности, твердости и износостойкости материала, а также улучшение эксплуатационных показателей работы инструмента. 3 табл., 2 ил., 2 пр.

Сплав для соединения монокристалла алмаза с металлами // 2552810

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к сплавам для соединения кристаллов алмаза с металлами группы железа и сплавами на их основе, и может найти применение для изготовления одно- и многокристального алмазного инструмента. Состав сплава припоя содержит, в мас.%: 51,8-58,2 меди, 16,8-23,2 олова, 16,8-23,2 титана, 3,2-9,5 молибдена. Отсутствие в составе припоя серебра и низкая температура пайки существенно снижают риск возникновения микротрещин и разупрочнения кристаллов алмаза при пайке. 1 пр., 1 табл., 1 ил.

Абразивное изделие // 2562556

Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано при изготовлении инструментов для резания и шлифования строительных материалов. Абразивное изделие содержит основание, абразивную деталь, имеющие три различные фазы, связанные одна с другой и включающие абразивные частицы, металлическую матрицу и пропитывающий материал. Абразивное изделие имеет также область подложки между абразивной деталью и основанием. В результате повышается долговечность абразивных изделий. 14 з. п. ф-лы, 4 ил., 3 табл., 1 пр.

Абразивное изделие // 2570256

Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано при изготовлении инструментов. Абразивное изделие содержит подложку, промежуточный слой, расположенный поверх подложки, абразивные частицы, имеющие слой покрытия, расположенный поверх абразивных частиц, связанных с промежуточным слоем с образованием области металлической связки между слоем покрытия абразивных частиц и промежуточным слоем, и связующий слой, расположенный поверх абразивных частиц и промежуточного слоя. Область металлической связки содержит область диффузионной связи, характеризуемую наличием зоны взаимной диффузии по меньшей мере одних химических частиц слоя покрытия и других химических частиц промежуточного слоя. В результате увеличивается срок службы абразивного изделия за счет уменьшения его износа. 10 з.п. ф-лы, 8 ил., 5 пр.

Способ изготовления высокоизносостойкого алмазного инструмента // 2572903

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, для получения инструментов на металлических связках, содержащих в качестве режущих зерен алмазные порошки. Способ включает формирование брикета из алмазосодержащей шихты и пропитку брикета пропиточным материалом, при этом в состав шихты вводят легирующие металлические порошки, которые при пропитке образуют с пропиточным материалом адгезионно-активные сплавы по отношению к алмазному порошку, причем легирующие металлические порошки берут зернистостью 4-20 мкм. Способ позволяет повысить износостойкость алмазного инструмента и снизить трудоемкость его изготовления. 4 з.п. ф-лы.

Способ изготовления струеформирующих сопел // 2579598

Изобретение относится к области производства струеформирующих сопел, которые могут быть использованы для очистки поверхностей, удаления покрытий, создания шероховатости на поверхности, для резки и разделения материалов. Способ включает формирование рабочего отверстия в композиционном алмазном материале, полученном в условиях высоких давлений и температур с использованием связующего материала, и окончательную обработку рабочего отверстия, после которого его подвергают азотированию, при этом композиционный алмазный материал содержит алмазную фазу и фазу связующего, включающего никель и титан при содержании титана в количестве 5,0-15,0 вес.%, а азотирование проводят в среде чистого азота при давлении 1,2-1,5 атм, температуре 700-900°C в течение 1-15 ч. Технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в повышении срока службы струеформирующего сопла путем повышения износостойкости стенок рабочего отверстия сопла, а также в обеспечении сохранения компактности абразивосодержащего потока в течение более длительного времени, что приводит к повышению эффективности работы струеформирующего сопла при газо- и гидроабразивной обработке материалов. 4 з.п. ф-лы, 1 пр.

Системы и способы заточки тугоплавких металлов и тугоплавких металлических сплавов // 2602701

Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано при заточке хирургических игл, изготовленных из сплавов тугоплавких металлов. Система содержит точильный круг с точильной поверхностью, слой связующего материала из никеля, нанесенного на точильную поверхность, и совокупность абразивных зерен, внедренных в слой связующего материала. Абразивные зерна имеют одинаковый размер, а толщина слоя связующего материала составляет около 65% от размера абразивных зерен. Последние являются зернами кубического нитрида бора ABN600, имеющими средний размер в пределах от 20 до 40 мкм. Предусмотрены также смазочное устройство для нанесения смазочного материала на точильную поверхность и вращающий элемент для ее вращения. В результате увеличивается срок эксплуатации точильного круга и повышается эффективность заточки хирургических игл. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 9 ил.

Способ получения композиционной алмазосодержащей матрицы с повышенным алмазоудержанием на основе твердосплавных порошковых смесей // 2607393

Изобретение относится к изготовлению алмазных инструментов на основе твердосплавных порошковых смесей. Способ получения алмазосодержащей матрицы алмазного инструмента включает приготовление твердосплавной порошковой смеси, ее пластифицирование, послойную засыпку приготовленной шихты и укладку алмазных зерен, имеющих оболочку из частиц хрома, в металлическую пресс-форму, прессование шихты с алмазными зернами в брикет и спекание брикета в печи с пропиткой легкоплавки металлом или сплавом в направлении снизу вверх. Используют алмазные зерна с оболочкой из равномерного слоя частиц хрома толщиной не менее 5% от минимального линейного размера зерна алмаза, полученной путем закрепления пластифицированного порошка хрома на поверхности алмазных зерен с последующей сушкой. Спекание брикета в печи ведут путем нагрева сначала в течение 60-90 мин до температуры 600°C, затем в течение 60-70 мин до температуры 860-1000°C, после этого до температуры 1100°C с обеспечением термодиффузионной металлизации алмазных зерен хромом. Обеспечивается сокращение расхода алмазов за счет увеличения прочности и надежности закрепления зерен алмаза в матрице инструмента, а также повышение стойкости алмазного инструмента. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.