Способ получения абразивного изделия и абразивное изделие, полученное этим способом

 

Изобретение относится к области получения сверхтвердых материалов, а более конкретно к алмазосодержащим композитам, и может найти применение при изготовлении абразивного оборудования и инструмента. Способ включает формование заготовки из шихты, содержащей алмазные кристаллы разного размера, отличающиеся не менее чем в 5 раз, термообработку формованной заготовки в среде, по крайней мере, одного газообразного углеводорода или инертной среде для образования полуфабриката, концентрация алмазных кристаллов в котором ниже, чем в заготовке, пропитку полуфабриката жидким кремнием. Полученное изделие представляет собой композит, в матрице которого, состоящей из карбида кремния, размещены зерна алмаза, имеющие размеры, отличающиеся не менее чем в 5 раз, а пористость не превышает 5 об.%. Изобретение позволяет создать инструмент, имеющий абразивную способность 0,5-0,7 мг алмаза/кг абразива. 2 с. и 17 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области получения сверхтвердых материалов, а более конкретно к алмозосодержащим композитам, и может найти применение при изготовлении абразивного оборудования и инструмента.

Известен способ получения абразивного материала, включающий формование заготовки из алмазного порошка или шихты, состоящей из алмаза и карбида кремния, последующую термообработку в среде углеродсодержащего газа для получения полуфабриката в виде композита, содержащего зерна алмаза, углерод и первичный карбид, и пропитку полученного полуфабриката жидким кремнием при давлении ниже 1000 мм рт.ст. [1]. Известный способ позволяет получить абразивное изделие заданных размеров и формы, имеющее высокую прочность, требующее минимальной механической обработки.

Изделие, полученное известным способом [1], представляет собою практически беспористый композит, состоящий из зерен алмаза, карбида кремния и кремния, равномерно распределенных в объеме изделия.

Следует заметить, что при создании известного материала используются алмазные шлиф- и микропорошки одного размера (одного класса ситовой или седиментационной классификации), что не является оптимальным. Это связано с тем, что для достижения высоких абразивных свойств целесообразно применение крупных зерен алмаза. Известный способ позволяет получать инструмент с использованием алмазных зерен большого размера, обеспечивающих высокую абразивную способность, однако низкая износостойкость матрицы приводит к выкрашиванию таких алмазов (особенно в жестких условиях эксплуатации), уменьшая тем самым ресурс инструмента.

Задачей настоящего изобретения является увеличение ресурса абразивного инструмента за счет создания технологии его получения, обеспечивающей повышение износостойкости матрицы.

Технический результат достигается тем, что в способе, включающем формование заготовки из алмазосодержащей шихты, ее термообработку для образования полуфабриката, содержащего алмаз и углерод, и пропитку полученного полуфабриката жидким кремнием, в процессе формования используют смесь алмазных кристаллов разных размеров, отличающихся не менее чем в 5 раз. При реализации способа заготовку формуют таким образом, чтобы содержание алмаза в ней было не менее 95 мас.%, а пористость составляла 30-60 об.% Термообработку заготовки осуществляют до уменьшения массового содержания алмазных кристаллов в заготовке на не более чем 50 мас.%.

Заявляемый способ обеспечивает получение композиционного материала, обладающего высокой абразивной способностью за счет крупных алмазных зерен в сочетании с высокой износостойкостью за счет дополнительного введения в карбидокремниевую матрицу мелких алмазных частиц.

Формование заготовки осуществляют известными способами, такими как прессование, шликерное литье, шликерный налив с использованием известного оборудования [2], со связующим и без него.

Стадию термообработки заготовки, т.е. преобразования ее в полуфабрикат, возможно реализовать двумя путями: 1) путем выдержки заготовки в среде газообразного углеводорода или углеводородов при повышенной температуре, например, природного газа при t = 750-950^oC или, по крайней мере, одного из газов, выбранного из группы, содержащей ацетилен, метан, этан, пропан, пентан, гексан, бензол и их производные при t = 510-1200^oC. При использовании газообразных углеводородов термообработку целесообразно проводить до уменьшения концентрации кристаллов алмаза в заготовке не более чем на 25 мас.%. Уменьшение концентрации алмаза связано с образованием в порах заготовки пироуглерода - неалмазной формы углерода - синтез которой происходит из газообразных углеводородов.

2) путем термообработки в инертной среде, например, в вакууме или в среде инертного газа при t = 1000 - 1700^oC. При термообработке концентрация алмазных зерен может быть снижена не более, чем на 50 мас.% за счет графитации алмаза, т. е. частичного преобразования зерен алмаза в неалмазный (графитоподобный) углерод.

На стадии пропитки полуфабриката кремнием протекает химическая реакция взаимодействия кремния и неалмазного углерода, количество которого строго определено стадией термообработки. Содержание неалмазного углерода в полуфабрикате в свою очередь определяет количество образующегося карбида кремния (по реакции: кремний + неалмазный углерод = карбид кремния). Часть используемого для пропитки кремния находится в избытке по указанной реакции и не вступает в реакцию образования карбида кремния. Кремний и образовавшийся карбид кремния формируют матрицу создаваемого композиционного материала. Варьирование условиями осуществления термообработки позволяет изменять и соотношения кремния и карбида кремния в конечном изделии.

Получаемое заявляемым способом конечное изделие представляет собой композит, в матрице которого (состоящей из карбида кремния и кремния) размещены зерна алмаза, имеющие размеры, отличающиеся не менее чем в 5 раз, а пористость не превышает 5 об.%.

На чертеже схематично представлено сечение получаемого изделия, где 1 - карбид кремния, 2- кремний, 3 - алмазные зерна с размером "1", 4- алмазные зерна с размером "2", при этом размер "2" превосходит размер "1" не менее чем в 5 раз.

Заявляемые объекты объединены единым изобретательским замыслом, позволяющим создать композиционный алмазосодержащий материал, сочетающий в себе как высокую абразивную способность, так и высокую абразивную износостойкость.

При использовании алмазных частиц с соотношением размеров менее 5 не достигается оптимальное соотношение между абразивными свойствами крупных алмазных зерен и износостойкостью матрицы, армированной мелкими алмазными зернами. Верхний предел указанного соотношения практически неограничен и зависит от требований, предъявляемых к абразивному инструменту.

Исследования, проведенные авторами, указывают на тесную связь величины пористости заготовки и уменьшения концентрации алмазных кристаллов при получении полуфабриката и их влияние на свойства конечного изделия. Установлено, что при пористости заготовки более 60 об.% прочность заготовки оказывается недостаточной для осуществления последующих стадий процесса. При пористости заготовки менее 30 об.% затруднена стадия пропитки кремнием полуфабриката изделия и конечное изделие имеет значительную пористость. Такие же затруднения возникают и при изменении содержания алмазных кристаллов более 50 мас. %. В этих случаях на периферии полуфабриката (в поверхностных областях) образуется плотный слой карбида кремния, который блокирует проникновение жидкого кремния во внутренние области полуфабриката. При реализации стадии термообработки путем выдержки заготовки в среде газообразного углеводорода или углеводородов оптимальный интервал изменения концентрации алмазных частиц не должен превышать 25 мас.%, что связано с описанными выше процессами пропитки всего объема полуфабриката. Заявляемое решение включает два объекта, связанные единым изобретательским замыслом создания широкого спектра абразивного оборудования и инструмента с высокими абразивными способностью и износостойкостью.

Примеры реализации: Пример N1.

Готовят смеси алмазного микропорошка марки АСМ 10/7 (ГОСТ 9206-80) и частиц природного алмаза марки EMBS 30/40 mesh (фирмы Де Бирс), взятых в соотношении 1: 1 по массе. Соотношение размеров алмазных зерен в исходных материалах составляет 80. В полученную смесь добавляют связующее - 25%-ный спиртовый раствор фенолформальдегидной смолы марки СФ-010-А (ГОСТ 180 94-80) в количестве 12% от массы алмазов. Полученную шихту тщательно перемешивают и дважды перетирают через сито с размером ячейки 1 мм. Формование осуществляют прессованием навесок шихты с использованием металлической прессформы. Навеску размещают в прессформе и формуют образец диаметром 12 мм и высотой 12 мм при комнатной температуре с усилием 10 кН. Сформованную смесь выдерживают на воздухе при комнатной температуре в течение 10 часов с последующей сушкой при t = 70^oC в течение 1 ч и отверждением при t = 150^oC в течение 1 ч. Полученная заготовка имеет пористость 35 об.% и содержит 97 мас.% алмаза.

Термообработку заготовки проводят при вакуумировании (давление -5·10^-3 мм рт. ст.) при t = 1450^oC в течение 5 мин. Указанные условия термообработки позволяют изменить содержание алмаза в полученном таким образом полуфабрикате на 20 мас.% Пропитку полуфабриката осуществляют расплавлением твердого кремния на открытой поверхности полуфабриката при t = 1550^oC.

Конечное изделие состоит из мелких алмазных частиц и крупных алмазных частиц природного алмаза, связанных карбидокремниевой матрицей.

Пример N 2.

Способ осуществляют в условиях Примера N 1. Пористость заготовки составляет 32 об.%. Отличие состоит в том, что шихту готовят с использованием в качестве связующего чистого спирта: содержание алмаза в заготовке при этом составляет 100%. Термообработку в примере 2 осуществляют в среде углеводородов, помещая заготовку в реактор в среду природного газа при t = 900^oC до изменения содержания алмаза на 5 мас.%.

Конечное изделие состоит из мелких алмазных частиц и крупных алмазных частиц природного алмаза, связанных карбидокремниевой матрицей.

Полученные изделия и материал "Славутич" [3] прошли испытания в режиме правки абразивных кругов типа ПП600х65х305 14А25ПСМ26К5.

Режим правки: V_кр = 35 м/с, S_пр = 0,8 м/мин, S_поп = 0,02 мм/ход где V_кр -скорость вращения абразивного круга, S_пр - скорость продольной подачи образца, S_поп - скорость поперечной подачи образца.

Правка велась при охлаждении 3%-й содовой эмульсией.

В процессе испытаний определялся относительный расход алмазов.

Результаты испытаний представлены в таблице.

Как видно из результатов, представленных в таблице, полученные материалы обладают отличной абразивной способностью, заметно превышающей базовый объект.

Заявляемое решение позволяет реализовать идею создания композиционного алмазосодержащего абразивного инструмента на основе смеси алмазных порошков разных, значительно отличающихся друг от друга размеров (не менее чем в 5 раз), распределенных в объеме изделия равномерно. Заявляемое абразивное изделие может найти широкое применение в наиболее жестких условиях работы, таких как бурение, правка алмазных и абразивных кругов.

Источники, использованные при составлении описания 1. Патент 2064399 РФ, B 24 D 18/00 2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической промышленности. М., Химия, 1971 г.

3. Новиков Н.В., Цыпин Н.В. и др. Композиционные алмазсодержащие материалы на основе твердых сплавов// Сверхтвердые материалы. Издательства Наукова Думка, 1983 г., N 2 (23), с. 1.

Формула изобретения

1. Способ получения абразивного изделия, включающий стадию формования пористой заготовки из алмазосодержащей смеси, получение полуфабриката путем термообработки заготовки и последующую пропитку полученного полуфабриката жидким кремнием, отличающийся тем, что в процессе формования используют смесь алмазных кристаллов с отличающимися друг от друга размерами, по крайней мере в 5 раз.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пористую заготовку формуют с содержанием алмазных кристаллов не менее 95 мас.%.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что термообработку заготовки осуществляют до изменения концентрации в ней алмазных кристаллов не более чем на 50 мас.%.

4. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что заготовку формуют с пористостью 30 - 60 об.%.

5. Способ по любому из пп.1 - 3 или 4, отличающийся тем, что формование осуществляют прессованием.

6. Способ по любому из пп.1 - 3 или 4, отличающийся тем, что формование осуществляют шликерным литьем или шликерным наливом.

7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что термообработку осуществляют в инертной среде при 1000 - 1700^oC.

8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что термообработку осуществляют в вакууме или инертном газе.

9. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что термообработку осуществляют в среде газообразного углеводорода или газообразных углеводородов при температуре, превышающей температуру их термического разложения.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что термообработку заготовки осуществляют до уменьшения содержания алмазных кристаллов не более чем на 25 мас.%.

11. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что термообработку заготовки осуществляют в природном газе.

12. Способ по любому из пп.1 - 6, 9 или 10, отличающийся тем, что термообработку заготовки осуществляют в среде, по крайней мере, одного из газов, выбранного из группы, содержащей ацетилен, метан, этан, пропан, пентан, гексан, бензол и их производные.

13. Способ по любому из пп.1 - 6, 9, 10 или 11, отличающийся тем, что термообработку осуществляют при 750 - 950^oC.

14. Способ по любому из пп.1 - 6, 9, 10 или 12, отличающийся тем, что термообработку осуществляют при 510 - 1200^oC.

15. Способ по любому из пп.1 - 14, отличающийся тем, что пропитку кремнием производят путем расплавления кремния на поверхности полуфабриката.

16. Способ по любому из пп.1 - 14, отличающийся тем, что пропитку осуществляют путем подачи расплавленного кремния на поверхность полуфабриката.

17. Способ по любому из пп.1 - 14, отличающийся тем, что пропитку осуществляют путем окунания полуфабриката в расплавленный кремний.

18. Абразивное изделие, содержащее алмазные кристаллы, расположенные в матрице, состоящей из карбида кремния и кремния, отличающееся тем, что изделие содержит алмазные кристаллы, размер которых отличается по крайней мере в 5 раз.

19. Абразивное изделие по п.18, отличающееся тем, что оно выполнено с пористостью не более 5 об.%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2