Способ изготовления алмазного инструмента

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к производству алмазного инструмента. Целью изобретения является повышение эксплуатационных свойств инструмента путем обеспечения равномерного прогрева алмазосодержащего слоя по всему объему. Способ предусматривает предварительное формование шихты на корпусе инструмента путем одновременной засыпки разделенных между собой порошков алмаза и металлической связки и осуществление процеса спекания в формах из температурной стабилизации, обеспечиваемой при величине скорости нагрева (1-3)·10³ град и определенной величине электрического напряжения. 2 табл.

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам изготовления алмазного инструмента. Известен способ нанесения алмазосодержащих покрытий, включающий предварительное приготовление алмазосодержащей шихты, нанесение ее на рабочую поверхность и припекание посредством прямого пропускания электрического тока плотностью 0,3-1,5 кА/мм² при скважности 0,25-1,0 с приложением давления 10-50 МПа. Недостатком указанного способа являются: неравномерность физико-механических и эксплуатационных свойств алмазосодержащего слоя по сечению, ввиду того, что невозможно избежать явления "флотации" алмазных зерен в условиях реального производства, которое, в свою очередь, сказывается на равномерности распределения источников тепловыделения в слое и равномерности его прогрева. Целью изобретения является повышение эксплуатационных свойств инструмента за счет равномерного прогрева алмазосодержащего слоя. Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления алмазного инструмента, при котором формуют алмазосодержащую шихту на корпусе инструмента и спекают ее прямым пропусканием электрического тока с приложением давления, формование шихты осуществляют путем послойной засыпки на корпус инструмента порошков алмаза и металлической связки, при этом корпус предварительно устанавливают в форму из теплоизоляционного материала, а спекание проводят в режиме температурной стабилизации, обеспечиваемой при величине скорости нагрева (1-3) ˙10³ град/с и величине электрического напряжения, выбираемой из соотношения: U где η_м где m масса, С теплоемкость, N_ал концентрация, ρ_м- удельное сопротивление, Р давление, Т_сп температура спекания металлической связки, П_о начальная пористость, l_o начальная высота алмазосодержащего слоя, t_н время нагрева, S площадь поперечного сечения, D коэффициент диффузии, а среднее значение постоянной решетки алмаза, L среднее значение размера зерен, К постоянная Больцмана, η_м- коэффициент вязкости, индексы "м" и "ал" относятся, соответственно к металлической связке и алмазу. Способ реализуется следующим образом. Засыпку алмазного порошка и металлической связки, разделенных между собой, производят послойно, равномерно распределяя их по сечению слоя. Формование слоя осуществляют в специальных формах, выполненных из теплоизоляционных материалов. Процесс формования производится верхним электродом-пуансоном, имеющим форму торцовой поверхности получаемого слоя, и может осуществляться в несколько этапов. После этого между электродами пропускается электрический ток. При этом происходит нагрев шихты, спекание порошковых частиц металлической связки и припекание слоя к корпусу инструмента. Под подслойной засыпкой подразумевается поочередная подача абразивного материала и материала связки в форму. При этом материалы связки и абразива находятся в разных бункерах. Такая укладка позволяет размещать абразив в требуемой последовательности, обеспечивая равномерный прогрев покрытия по всему объему и стабилизируя режущие свойства слоя по мере износа. Кроме того, выполнение за один прием операции смешивания шихты и ее засыпки сокращает длительность процесса изготовления инструмента. Использование форм из теплоизоляционных материалов (асбоцемент, керамика) дает возможность уменьшить теплоотдачу из зоны спекания и при этом увеличить скорость нагрева припекаемого слоя. Способ позволяет существенно снизить градиент температуры в слое и обеспечить выход на изотермический режим в области температуры спекания материала металлической связки. При электроконтактном нагреве процесс можно разделить на две стадии. На первой стадии происходит резкий скачок температуры, на втором этапе, ввиду "отсоса" тепла в электроды, деталь, окружающую среду наступает стабилизация температуры. Установление теплового баланса на уровне температуры спекания связки на втором этапе нагрева достигается соответствующим выбором значений технологических параметров процесса спекания, применением послойной засыпки шихты, позволяющей производить равномерный прогрев слоя, и применением форм из теплоизоляционных материалов, способствующих минимальным тепловым потерям. Последний фактор дает возможность пренебречь тепловым потоком в стенки форм при теоретическом расчете теплового баланса процессов. Граничные значения скорости нагрева определены на основе экспериментальных исследований с использованием различных металлических связок с температурой спекания от 850^оС до 1200^оС при условной концентрации алмазов в исходной шихте от 12,5% до 150% При этом было установлено, что при скорости нагрева меньше 1˙10³ град/с происходит интенсивный процесс графитизации алмазов (свыше 15.20%) из-за увеличивающейся продолжительности процесса нагрева, а при нагреве со скоростью больше 3˙10³ град/с снижается качество спекаемого алмазосодержащего слоя вследствие выплесков материала связки, растрескивания слоя, которое происходит под действием возросшего теплового удара (см. табл. 1). Способ иллюстрируется на примере изготовления алмазного трубчатого сверла 14 мм. В качестве абразива использовался алмазный порошок АС32 400/315, в качестве связки применялся порошок никеля. Формы изготовлялись из асбоцемента, электроды из меди. Процесс производился на контактной сварочной машине МШ-3401 в точечном режиме, оснащенной специальным бункером для послойной засыпки шихты. Принимались следующие параметры процесса: давление на электродах 750 кг/см². Скорость нагрева 1000 град/c, температура спекания 900^оС. Кроме того переменные нагрузки и температурный режим при сверлении вызывают снижение стойкости инструмента (см. табл. 2). Из результатов испытаний следует, что инструмент, изготовленный данным способом, превосходит инструмент, изготовленный традиционными способами, по основным техническим показателям. Кроме того, технология изготовления алмазного инструмента значительно упрощается, т.к. раздельная засыпка позволяет полностью исключить длительную операцию по приготовлению шихты и осуществлять точную дозировку дорогостоящего алмазного сырья, а сам инструмент, изготовленный по данному способу, обеспечивает более качественную обработку твердых и сверхтвердых материалов. Помимо этого, данный способ позволяет получать толстослойные покрытия, поскольку за счет температурной стабилизации снижается градиент физико-механических свойств в алмазосодержащем слое.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА, при котором формуют алмазосодержащую шихту на корпусе инструмента и спекают ее прямым пропусканием электрического тока с приложением давления, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационных свойств инструмента за счет равномерного прогрева алмазосодержащего слоя, формование шихты осуществляют путем послойной засыпки на корпус инструмента порошков алмаза и металлической связки, при этом корпус предварительно устанавливают в форму из теплоизоляционного материала, а спекание проводят в режиме температурной стабилизации, обеспечиваемой при величине скорости нагрева (1-3) · 10³ град/с и величине электрического напряжения, выбираемой из соотношения где где m_м масса металлической связки; m_ал масса алмаза; C_м теплоемкость связки;
C_ал теплоемкость алмаза;
T_сп температура спекания металлической связки;
P давление при спекании;
ρ_м удельное сопротивление металлической связки;
П₀ начальная пористость алмазоносного слоя;
l₀ начальная высота алмазоносного слоя;
t_н время нагрева;
S площадь поперечного сечения алмазоносного слоя;
D коэффициент диффузии;
a среднее значение постоянной решетки алмаза;
L среднее значение размера зерен алмаза;
K постоянная Больцмана;
N_ал концентрация алмаза;
η_м коэффициент вязкости металлической связки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000

Извещение опубликовано: 20.10.2000        

---