Способ изготовления сверхтвердого абразивного элемента

 

Изобретение предназначено для технологии сверхтвердых материалов и может быть использовано при получении инструментов для обработки пластмасс, керамики, горных пород, металлов и сплавов. Подложку из твердосплавного материала, например смеси карбидов вольфрама и титана, приводят в контакт со сверхтвердым порошковым материалом. Порошок содержит смесь кубического и вюртцитоподобного нитрида бора в массовом соотношении от 20 : 1 до 1 : 20. Зернистость кубического нитрида бора (КНБ) от 5/3 до 200/160 мкм. Спекают 1 - 2 мин при температуре и давлении в области термодинамической стабильности кубического нитрида бора. Состав полученного режущего слоя включает 50 - 100 мас. % КНБ. Выход горного продукта 70 - 80%. Наибольшую износостойкость при непрерывном точении имеют составы, содержащие 100 мас.% КНБ, при прерывистом точении - составы, содержащие 50 - 80 мас.% КНБ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способам изготовления сверхтвердых абразивных элементов, которые могут быть использованы в инструменте при обработке пластмасс, керамики, горных пород малой и средней твердости и особенно при точении термообработанных и нетермообработанных сталей, чугунов, никелевых сплавов. В состав последних входят железо, никель, хром, марганец, кобальт, которые являются катализаторами для синтеза алмаза и вследствие этого алмазные абразивные элементы малоэффективны для их точения из-за обратного превращения алмаза в графит при повышенных температурах при резании.

Известен способ получения сверхтвердого абразивного элемента на основе сверхтвердых модификаций нитрида бора-кубической (КНБ) и вюртцитоподобной (ВНБ) (патент Великобритании N 1392456, кл. C 01 B 21/06, приор. 1973 г.). Смесь указанных сверхтвердых порошков подвергают давлению 9 ГПа, и температуре 1800^oC. В результате получают поликристалл кубического нитрида бора, получивший наименование ПТНБ (композит 09).

Известен также способ получения сверхтвердого абразивного элемента, в котором в качестве исходного порошка используется только вюртцитоподобный нитрид бора (патент США N 3876751, кл. 423-290, приор. 1975 г.). При давлении 7 ГПа и температуре 1500 - 1700^oC ВНБ от 50 до 80% переходит в КНБ. Поликристаллы по этому способу получили наименование гексанит-p (композит 10). Сравнительные испытания показали, что режущие элементы из этих поликристаллов хорошо работают при прерывистом и хуже при непрерывном точении термообработанных сталей. У поликристаллов по предыдущему способу наблюдалась обратная картина. Указанные аналоги наряду с несомненными достоинствами имеют и ряд недостатков. Поскольку толщина режущего слоя не превышает 1-2 мм, остальную массу по толщине абразивного элемента можно изготовить из менее дорогого материала, например керамики или металлокерамики в виде подложки. Подобный абразивный элемент (двухслойную пластину) можно не только механически закреплять, но и припаивать к металлическому инструменту.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ изготовления сверхтвердого абразивного элемента (двухслойная пластина) на основе твердого сплава (подложка) и кубического нитрида бора (режущий слой) в области его термодинамической стабильности по давлению и температуре("Состав, структура и свойства двухслойных пластин на основе КНБ и твердого сплава диаметром 20 мм" /Н.Н. Кузин, Н.Ф. Боровиков/ Сверхтвердые материалы. -1994. -N 5-6. с. 7-10). В указанном способе порошок КНБ зернистостью 40/28 мкм размещают на подложке из предварительно спеченного и отшлифованного диска из ВК-15 и подвергают давлению 9 ГПа и температуре 1800^oC в течение нескольких секунд. Полученный двухслойный сверхтвердый абразивный элемент хорошо работает при точении различных материалов и в первую очередь термообработанных сталей.

Указанный прототип имеет следующие недостатки. Сверхтвердые абразивные элементы по этому изобретению хорошо работают при непрерывном точении материалов, но значительно хуже при прерывистом из-за сколов режущего слоя. Кроме того, во время спекания жидкий кобальт из подложки ВК попадает на нагреватель, выполненный из графита, и нагрев прекращается из-за перехода графита в алмаз. Время нагрева от нескольких секунд до нескольких десятков секунд часто бывает недостаточно для качественного спекания из-за трещин, расслоений, недоспеканий.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков.

Поставленную задачу достигают следующим способом.

Сверхтвердый порошок помещают в контакте с керамической подложкой, например, из тугоплавких карбидов или их смесей и воздействуют на него высоким давлением и температурой в области термодинамической стабильности сверхтвердого вещества, причем в качестве его берут смесь мелкодисперсного (~1 мкм) вюртцитоподобного и кубического нитрида бора с размерами частиц последнего от 5/3 до 200/160 мкм при весовом соотношении ВНБ и КНБ от 20:1 до 1: 20. При спекании под давлением 7-9 ГПа ВНБ частично при температуре 1500-1700^oC или полностью при температуре 1800^oC переходит в КНБ, образуя вместе с предварительно помещенным в шихту КНБ прочный материал с высокими абразивными и режущими свойствами. В первом случае (при неполном превращении ВНБ в КНБ) режущий элемент лучше работает при прерывистом точении при изготовлении деталей сложной формы. При полном превращении ВНБ в КНБ абразивный элемент эффективно работает при гладком точении. При обдирке наружного слоя чугунных или стальных заготовок и особенно при обработке камня и горных пород лучше работает абразивный элемент, в состав режущего слоя которого входит крупнозернистый КНБ.

На фиг. 1 показана схема сборки реакционной ячейки для спекания абразивных элементов по данному изобретению. Предварительно спрессованный диск (1) из керамики, например из тугоплавких карбидов, помещают в полую цилиндрическую заготовку (2) из графита, выполняющую роль нагревателя, затем сверху размещают предварительно спрессованный диск (3) из смеси ВНБ и КНБ. В верхней и нижней полых частях нагревателя располагают тугоплавкий наполнитель (4) из графита. Собранный контейнер помещают в камеру высокого давления, затем спекают при давлении 7-9 ГПа и температуре 1500-1700^oC при неполном превращении ВНБ в КНБ и 1800^oC при его полном превращении. После снятия температуры и давления сверхтвердый абразивный элемент (двухслойную пластину) извлекают из контейнера.

На фиг.2 показана схема сборки реакционной ячейки для спекания одновременно двух абразивных элементов по данному изобретению. В этом случае слои сверхтвердых порошков размещают в центре нагревателя, т.е. в зоне наиболее высокой температуры.

Пример 1. Предварительно приготавливают 0,84 г шихты: вюртцитоподобного нитрида бора - 0,42 г и кубического нитрида бора - 0,42 г с размерами частиц 5/3 мкм, что соответствует весовому соотношению 1:1. Прессованный диск из смеси карбидов вольфрама и титана в соотношении 6:4, весом 4 г, диаметром 16 мм и высотой 4 мм помещают в графитовую печь-нагреватель, сверху помещают прессованный диск из шихты диаметром 16 мм и высотой 2 мм. В верхней и нижней полых частях печи- нагревателя размещают наполнитель-графит диаметром 16 мм и высотой 1 мм. Собранный контейнер с печью-нагревателем (фиг. 1) помещают в камеру высокого давления и спекают при давлении 9 ГПа и температуре 1800^oC в течение 2 минут. Затем снимают температуру и давление, спеченный абразивный элемент (заготовку) диаметром 14-15 мм и высотой 5,5 мм извлекают из камеры высокого давления, шлифуют, затачивают и испытывают на гладкое и прерывистое точение.

Пример 2. Предварительно приготавливают 0,84 г шихты: вюртцитоподобного нитрида бора 0,8 г и кубического нитрида бора с размерами частиц 5/3 мкм 0,04 г, что соответствует весовому соотношению 20:1. Прессованный диск из порошка карбидов вольфрама и титана в соотношении 6:4 весом 4 г, диаметром 16 мм и высотой 4 мм помещают в графитовую печь-нагреватель, сверху помещают прессованный диск из смеси ВНБ и КНБ диаметром 16 мм и высотой 2 мм. В верхней и нижней полых частях печи-нагревателя размещают наполнитель-графит диаметром 16 мм и высотой 1 мм каждый. Собранный контейнер (фиг. 1) помещают в камеру высокого давления и спекают при давлении 7 ГПа и температуре 1500^oC в течение 2-х минут. Затем снимают температуру и давление, спеченный абразивный элемент (заготовку) извлекают из камеры высокого давления, шлифуют со всех сторон, затачивают и испытывают на гладкое и прерывистое точение.

Пример 3. То же, что в примере 2, но спекание ведут при температуре 1700^oC.

Пример 4. Предварительно приготавливают две порции шихты 1,47 г каждая: вюртцитоподобного нитрида бора 0,07 г и кубического нитрида бора 1,4 г в соотношении 1:20. При этом последнего берут 1,1 г с размерами зерна 200/160 мкм и 0,3 г - 40/28 мкм. Два прессованных диска из смеси ВНБ и КНБ диаметром 21 мм высотой 2 мм, а также два прессованных диска из смеси карбидов вольфрама и титана в соотношении 6:4 весом 7 г каждый, диаметром 21 мм высотой 4 мм и три диска наполнителя-графита диаметром 21 мм высотой 1 мм каждый помещают в нагреватель, как это показано на фиг. 2.

Собранный контейнер с печью-нагревателем помещают в камеру высокого давления и спекают при давлении 9 ГПа и температуре 1800^oC в течение 3 минут. Затем снимают температуру и давление, два спеченных абразивных элемента (заготовки) диаметром 20 мм, высотой 5,5 мм каждый извлекают из камеры высокого давления, шлифуют и испытывают на абразивную износостойкость.

Сравнительные испытания по определению режущих свойств абразивных элементов по данному изобретению проводились при непрерывном и прерывистом точении образцов из закаленной стали ХВГ на токарно-винторезных станках мод/В616 и /А616 с постоянной подачей 0,07 мм/об и глубиной резания 0,2 мм без охлаждения резцами, изготовленными из абразивных элементов. Скорость резания примерно 80 м/мин. Критерием затупления служил износ по задней грани h_з=0,3 мм, величину которого определяли на инструментальном микроскопе после каждого прохода. Все резцы имели одинаковые геометрические параметры режущей части: γ = -10^o, λ = 0^o, ϕ = 35^o, ϕ₁ = 15^o, r = 0,7-0,8 мм, где γ - передний угол, λ - угол наклона режущей кромки, ϕ - главный угол в плане, ϕ₁ - вспомогательный угол в плане, r - радиус округления в вершине.

При непрерывном точении испытывали по 5 резцов разной технологии спекания. Твердость обрабатываемых заготовок находилась в пределах HRC 60-62. Время одного прохода 12 мин. При прерывистом точении было испытано 6 резцов каждой модификации. Для обеспечения ударной нагрузки при точении обрабатываемые заготовки имели продольный паз шириной 4-5 мм. Время прохода составляло 6 мин. Твердость стальных заготовок была HRC 61-64.

Абразивная стойкость (интенсивность линейного износа) абразивных элементов по данному изобретению оценивалась по методу, разработанному во Всесоюзном научно - исследовательском институте буровой техники (ГОСТ 16 504 - 81 и ГОСТ 24 297 - 83). В соответствии с ним она определяется как отношение линейного износа режущей кромки пластины (в мм) к пути резания при обработке абразивного круга 63 о 40 CM 2K (30 км). Режимы обработки: скорость резания (6,6±0,8) м/сек, глубина резания (0,05±0,005) мм, продольная подача (0,11±0,01) мм/об, расход охлаждающей жидкости (0,1 + 0,055) л/сек. Плоскость элемента находится под углом к нормали, проведенной к боковой поверхности вращающегося круга, 13^o. При испытании имеет место износ не только сверхтвердого слоя, но и подложки.

Для сопоставления абразивных и режущих свойств элементов по данному изобретению с элементами по прототипу были изготовлены образцы согласно способу-прототипу. Последние были испытаны на гладкое и прерывистое точение, а также на абразивную стойкость. Результаты испытаний сведены в таблицу. Они показывают следующее: при непрерывном точении закаленной стали ХВГ более высокую износостойкость обеспечивает инструмент, оснащенный элементами, полученными при давлении 9 ГПа и температуре 1800^oC (пример 1) так же, как в прототипе. Однако при прерывистом точении более высокую износостойкость показали абразивные элементы по примеру 2 и 3, состав режущих слоев которых - от 50% ВНБ и 50% КНБ до 20 % ВНБ и 80% КНБ соответственно. Они были получены при давлении 7 ГПа и температуре 1500^oC в примере 2 и температуре 1700^oC в примере 3.

Абразивные элементы с режущим слоем, состоящем из крупнозернистого КНБ и небольшого количества мелкозернистого КНБ, полученного из добавки ВНБ в исходную шихту при его 100%-ом превращении в КНБ и играющего роль связующего, показали высокую абразивную износостойкость, которая позволяет более эффективно использовать их при обработке, например, камня и горных пород, чем абразивные элементы по прототипу. Кроме того, процент выхода годного продукта по данному изобретению выше, чем по прототипу.

Формула изобретения

1. Способ изготовления сверхтвердого абразивного элемента путем воздействия на сверхтвердый порошок, содержащий кубический нитрид бора, размещенный на подложке из твердосплавного материала, высоким давлением и температурой в области его термодинамической стабильности, отличающийся тем, что в состав сверхтвердого порошка дополнительно вводят вюртцитоподобный нитрид бора, при этом кубический и вюртцитоподобный нитриды бора берут в соотношении 20 : 1 - 1 : 20, причем кубический нитрид бора берут с зернистостью в пределах от 5/3 мкм до 200/160 мкм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве твердосплавного материала берут смесь карбида вольфрама и карбида титана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3