Композиционный алмазосодержащий материал инструментального назначения



Композиционный алмазосодержащий материал инструментального назначения
Композиционный алмазосодержащий материал инструментального назначения

 


Владельцы патента RU 2534713:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова" (RU)

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.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно созданию композиционных алмазосодержащих материалов и инструментов на их основе, предназначенных для поверхностной обработки различных материалов, например металлов и минералов различной твердости и обрабатываемости.

Известен способ изготовления алмазно-металлического композиционного материала на основе зерен алмаза размером 25÷2000 мкм (см. US 5096465, кл. 51-295, 1989 г.), где зерна алмаза берут в виде смеси зерен, по меньшей мере, двух размеров при соотношении 1:(6÷9). Для получения материала в пресс-форму помещают шихту, состоящую из послойно уложенных зерен алмаза и связующего материала, и подвергают шихту горячему прессованию при давлении 70-14000 кг/см и температуре 650-1300°C для обеспечения протекания связующего материала в поры между зернами алмаза. Предварительно до укладки в пресс-форму на зерна алмаза наносят покрытие из сплава, имеющего температуру плавления выше 1300°C и способного смачиваться связующим сплавом. В результате получают материал с объемным содержанием зерен алмаза 40÷75%.

Вместе с тем известно, что в результате воздействия высокой температуры происходит интенсивная графитизация алмазных зерен, что не может способствовать высокой прочности и износостойкости композиционных материалов на их основе. Кроме того, необходимость в металлизации для связывания зерен алмаза значительно усложняет и увеличивает трудоемкость технологического процесса.

По патенту RU 2172238 (кл. B24D 3/06, опубл. 2001 г.) связка для изготовления алмазного инструмента содержит основу в виде меди и добавки в виде олова, никеля, алюминия и ультрадисперсного алмаза. Способ включает в себя спекание заготовок при температуре 900°C в герметичном контейнере.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению (прототипом) является антифрикционный материал для поверхностей трения (см. RU 2006362, кл. B24D 3/06, 1994 г.), включающий спеченные интерметаллиды меди с цинком и оловом, отличающийся тем, что, с целью повышения задиростойкости, материал дополнительно содержит ультрадисперсный порошок алмаза в количестве от 5 до 50 мас.%. При этом твердость материала составляет 30-50 НВ, что удовлетворяет требованиям для поверхностей трения, однако недостаточна для материалов инструментального назначения.

С учетом сказанного, недостатки аналогов и прототипа можно сформулировать следующим образом: низкие показатели эксплуатационных свойств, выраженные, главным образом, в недостаточной износостойкости материалов, получаемые в результате графитизации алмазов в процессе термообработки при высоких температурах.

Высокое содержание ультрадисперсного алмазного порошка, в свою очередь, может способствовать повышенному содержанию углерода в металлической матрице, что может привести к снижению прочности и изностойкости материалов за счет повышения пористости и уменьшения плотности. Концентрация ультрадисперсных порошков в количестве 1-3% является наиболее оптимальной для получения абразивного материала без уменьшения физико-технических характеристик (см. Н.В.Новиков, Г.П.Богатырева, Р.К.Богданов, Г.Д.Ильницкая, A.M.Исонкин, М.А.Маринич, В.Н.Ткач, М.А.Цысарь, И.Н.Зайцева (г.Киев). Влияние добавок нанодисперсных алмазов на физико-механические свойства металлической матрицы бурового инструмента // Журнал Сверхтвердые материалы. - 2011. -№4 - С. 17-23).

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в повышении износостойкости получаемого материала инструментального назначения.

Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в получении композиционного алмазосодержащего материала, прочностные и эксплуатационные свойства которого отвечают требованиям, предъявляемым для инструментов, предназначенных для абразивной обработки поверхностей высокой твердости и трудной обрабатываемости. При этом использование невысокой температуры спекания при его изготовлении исключает возможное превращение алмазных зерен в графит при термическом воздействии, что уменьшает пористость и повышает плотность материала.

Для решения поставленной задачи композиционный алмазосодержащий материал содержит металлическую связку на основе меди и олова, наполнитель из смеси алмазных порошков и отличается тем, что используют смесь алмазных порошков, содержащую порошки алмазов двух уровней дисперсности, в том числе ультрадисперсный порошок алмазов с размерами зерен до 2 мкм и технический порошок алмазов с размерами зерен 250-315 мкм, при этом соотношение компонентов композиционного материала составляет: ультрадисперсный порошок алмазов - 1,0-3,0 мас.%; технический порошок алмазов - 5,0-7,0 мас.%; олово - 18,0-20,0 мас.% и медь - остальное.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Композиционный алмазосодержащий материал для абразивного инструмента изготавливается путем смешения исходных ингредиентов, холодного прессования и спекания.

Пример 1. Смешивание компонентов производится при следующем соотношении ингредиентов, в мас.%:

технический порошок алмазов (ППА) - 6,0

ультрадисперсный порошок алмазов (УДА) - 1,0

олово - 19,0

медь - остальное.

Компактирование порошковых смесей проводилось в стальных жестких пресс-формах с помощью пресса ИП-500 по схеме с плавающей матрицей, когда прессование производится при неподвижном нижнем пуансоне и плавающей матрице, подвешенной на пружинах или гидроцилиндрах. Спекание образцов осуществлялось в вакууме при давлении 0,1*10-3 Па. Совместное спекание обеспечивало постоянство условий процесса для данной партии образцов. Температура спекания варьировалась от 550°C до 600°C. Ниже 550°C образцы не спекаются, а при 600°C и выше происходит искажение формы и графитизация алмаза. Оптимальной температурой является 575°C.

Скорость подъема температуры, продолжительность выдержки и охлаждения определяют, исходя из геометрических размеров изделия.

Пример 2. Смешивание компонентов производится при следующем соотношении ингредиентов, в мас.%:

технический порошок алмазов (ППА) - 6,0 ультрадисперсный порошок алмазов (УДА) - 2,0 олово - 19,0 медь - остальное.

Изготовление композитов осуществляется по примеру 1.

Другие примеры абразивных композиций и результаты испытаний приведены в таблице 1.

Триботехнические испытания проводились на машине трения ИН 5018 при вращательном движении по схеме палец-диск с нагрузкой 600Н. Наименьший относительный износ показали образцы с составом М1+6%ППА 315/250+1,2%УДА (см. таблицу 1).

Исследуемые образцы цилиндрической формы диаметром 10 мм и высотой 10 мм закреплялись в верхнем держателе машины. На нижний вал устанавливалось контртело (обрабатываемый материал). Контртела были выполнены в виде дисков 52×16×10 мм. В качестве обрабатываемого материала была выбрана сталь (термообработанная до твердости HRC 50, марки 40 X). Продолжительность испытаний составляла 10-20 минут, скорость вращения вала 300 об/мин (50 м/с).

Проведен микроскопический анализ зернового состава ультрадисперсного порошка алмазов с помощью микроскопа «Биолам» при увеличении 1350х (фиг.1). Определены показатели абразивной способности порошков: удельная магнитная восприимчивость (χ), удельное электросопротивление (ρ), содержание несгораемых примесей (несгораемый остаток, и.о.). Абразивная способность порошков измерена по ГОСТ 9206-80. Данные приведены в таблице 2.

Для выявления характера повышения физико-механических свойств порошковых тел с алмазными порошками, в зависимости от содержания добавки и температуры спекания были проведены соответствующие эксперименты. Необходимо отметить резкое уменьшение пористости у образцов с добавкой (таблица 3).

Измерение твердости производилось на приборе FR-3е фирмы Leco согласно стандартной методике. Индентор - шарик диаметром 3,174 мм, нагрузка 588,4 Н (60 кг) по шкале НВ. Полученные данные твердости приведены в таблице 3.

Максимальная твердость 64,2 НВ достигается при введении в состав материала 3 мас.% ультрадисперсного порошка алмазов. Это можно объяснить упрочнением структуры за счет наличия крупных (315/250 мкм) частиц алмаза и уплотняющим действием более мелких частиц ультрадисперсного порошка путем поглощения газов, выделяющихся при спекании. Твердость 55-65 НВ является достаточной для обработки большинства известных материалов.

Сравнение структур поверхности композиционных алмазосодержащих материалов на основе металлической связки на основе меди и олова с 50% относительным содержанием ППА 315/250 мкм (фиг.2а) и такого же композита но с добавлением 2% ультрадисперсный порошок алмазов (фиг.2б) показал, что образцы с добавками ультрадисперсного порошка алмазов имеют более совершенную структуру, и обладают большей износостойкостью по сравнению с прототипом. При этом видно, что структура металлической композиции матрицы стала более плотной.

Использование мелкодисперсных алмазных частиц в небольшом количестве в виде добавок в образцы металлической матрицы положительно влияет на качество получаемых композиционных материалов. В результате повышается их плотность и твердость, уменьшается пористость материала, повышается износостойкость, что позволяет прогнозировать улучшение эксплуатационных показателей работы алмазного инструмента.

Таблица 1
Результаты испытаний композиционных материалов на износостойкость
Состав, мас.% Масса до испытаний, г (m1) Масса после испытаний, г (m2) Относительный износ (Δm) Разница масс, г Скорость износа, мг/час
М1+6%ППА 315/250 (контроль) 4,820 4,814 0,001245 0,006 0,000036
М1+6%ППА 315/250+1%УДА 4,803 4,8 0,000625 0,003 0,000018
М1+6%ППА 315/250+2%УДА 4,822 4,819 0,000622 0,003 0,000018
М1+6%ППА 315/250+3%УДА 4,812 4,808 0,000831 0,004 0,000024
Таблица 2
Абразивная способность ультрадисперсных порошков алмазов
Характеристики ультрадисперсного порошка алмазов
гран.состав
размер частиц, мкм
χ
10-8 м3/кг
ρ
Ом·м
н.о.
%
абразивная способность
1-0 с преобладанием 1/0 и 0,5/0 538 8,3-1010 3,1 0,57
Таблица 3
Показатели физико-механических свойств композиционных материалов
Состав, мас.% Фактическая плотность ρ факт, кг/м3 Теоретическая плотность ρ расч, кг/м3 Пористость, % Твердость, НВ
М1+6%ППА 315/250 (контроль) 6063,09 7179,81 41 53,0
М1+6%ППА 315/250+1%УДА 6078,96 7236,71 28 56,8
М1+6%ППА 315/250+2%УДА 6103,89 7351,69 26 58,2
М1+6%ППА 315/250+3%УДА 6136,84 7448,89 26 64,2

Композиционный алмазосодержащий материал для абразивных инструментов, содержащий металлическую связку на основе меди и олова, наполнитель из смеси алмазных порошков, отличающийся тем, что смесь алмазных порошков содержит часть зерен ультрадисперсного порошка алмаза с зернистостью 2/0 мкм и часть зерен технического порошка алмаза с зернистостью 315/250 мкм, при этом соотношение компонентов составляет, мас.%:

технический порошок алмаза 5,0-7,0
ультрадисперсный порошок алмаза 1,0-3,0
олово 18,0-20,0
медь остальное.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к производству термостойких поликристаллических алмазных композитов для изготовления режущего элемента. На подложку из керамического материала, металла или кермета накладывают термостойкую алмазную пластину по границе раздела, на которой содержится слой первого пропиточного материала, выбранного из VIII группы периодической системы химических элементов или эвтектической композиции этих элементов и помещенный между нижней поверхностью указанной термостойкой алмазной пластины и верхней поверхностью указанной подложки.
Изобретение относится к области инструментального производства и, в частности, к изготовлению режущих элементов, изготавливаемых из сверхтвердых материалов, таких как алмазы и кубический нитрид бора.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению алмазометаллических композитов на основе железоуглеродистого связующего. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым фрикционным сплавам на основе железа, и может быть использовано в узлах трения фрикционных муфт сцепления быстродействующих электроприводов для механизированных сортировочных горок железных дорог.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к композиционным материалам на основе поликристаллического алмаза для изготовления абразивных материалов для использования в резке или обработке подложек, или в бурении.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к сверхтвердым алмазсодержащим композиционным материалам, которые могут применяться для изготовления режущего инструмента.
Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к композиционным материалам с алюминиевой матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами. .

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к композиционным материалам с медной матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами. .

Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано при резании, фрезеровании, шлифовании, сверлении и других операциях. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению алмазометаллических композитов. .

Изобретение относится к сварке, в частности к изготовлению порошков, используемых для плазменно-порошковой наплавки антифрикционных упрочняющих покрытий при изготовлении износостойких деталей.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению жаропрочных сплавов. Может использоваться в области авиационного двигателестроения для получения лопаток и защитных покрытий на бандажных полках лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ).
Изобретение относится к области металлургии, в частности к легированию алюминия и сплавов на его основе. В способе осуществляют введение в расплав легирующего компонента в составе порошковой смеси путем продувки смесью в струе транспортирующего газа.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении изделий, работающих в диапазоне температур до 350°С.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к созданию легких материалов с низким коэффициентом линейного расширения, и может быть использовано в качестве конструкционного материала при создании командных приборов систем управления летательных аппаратов с высокими эксплуатационными характеристиками.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению высокопористых керамических блоков. Может использоваться для изготовления носителя каталитических моноблоков для переработки углеводородного сырья.

Изобретение относится к литейному и металлургическому производству, в частности к получению псевдолигатуры для модифицирования алюминиевых сплавов. Способ включает смешивание в планетарной мельнице полученного по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза ультрадисперсного порошка карбида титана, содержащего соли хлорида калия и натрия, с порошком основы, содержащим алюминий и медь, в соотношении 9:1, и прессование полученной композиции.
Изобретение относится к порошковой металлургии и предназначено для получения изделий из сверхтвердых материалов на основе карбида вольфрама. Может использоваться в машиностроении и металлообрабатывающей промышленности.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению объемно-пористых структур сплавов-накопителей водорода (СНВ), способных выдерживать многократные циклы гидрирования/дегидрирования без разрушения.
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к составам шихты для получения пористого проницаемого каталитического методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и может быть использовано для изготовления фильтрующих элементов.

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.
Наверх