Связка для изготовления алмазного инструмента
Изобретение относится к инструментальному производству и может быть использовано для изготовления алмазных инструментов с металлическими связками, преимущественно методом порошковой металлургии. Связка содержит кобальт, медь, олово и твердые наполнители. В качестве последних используют вольфрам с размером частиц 2-70 мкм и наночастицы вольфрама. Соотношение компонентов в связке следующее, мас. %: кобальт 25,0-70,0; медь 10,0-48,0; олово 1,0-20,0; вольфрам с размером частиц 2-70 мкм - 5,0-23,0; наночастицы вольфрама 1,0-7,0. В результате повышаются прочность удержания алмазов в связке, режущая способность и стойкость алмазного инструмента. 1 табл.
Изобретение относится к инструментальному производству и может быть использовано для изготовления алмазных инструментов с металлическими связками преимущественно методом порошковой металлургии.
Известна связка для изготовления алмазного инструмента по авторскому свидетельству SU 1021586 A, содержащая кобальт, медь, олово и карбид хрома. Карбид хрома вводят в качестве твердого наполнителя, повышающего стойкость связки к абразивному износу. Недостатками известной связки являются недостаточные износостойкость и прочность удержания алмазов.
Известна связка для изготовления алмазных инструментов по патенту RU 2286242 C1, содержащая кобальт и легирующую добавку в виде нанопорошка. В качестве легирующей добавки используют нанопорошки материалов более твердых, чем кобальт, таких как карбид вольфрама, вольфрам, оксид алюминия, диоксид циркония, карбид ниобия или ультрадисперсные алмазы, покрытые серебром или никелем. Введение в связку нанодисперсного твердого наполнителя приводит к увеличению общей твердости связки, а также к ее дисперсионному упрочнению, в результате повышаются прочность и износостойкость связки. Известно, что вольфрам имеет более высокое химическое сродство к углероду, чем кобальт. Поэтому добавка нанопорошка вольфрама способствует повышению адгезионной активности связки к алмазу. Недостатком известной связки, состоящей из тугоплавких компонентов, является высокая температура спекания, приводящая к деструкции алмазов и ухудшению их режущих свойств. При обработке некоторых керамических и минеральных материалов связка имеет недостаточную износостойкость.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является связка для изготовления алмазных инструментов по патенту RU 2432250 С2, содержащая кобальт, медь, олово и твердые наполнители. В качестве твердых наполнителей связка содержит карбид вольфрама с размером частиц 40-50 мкм и нанодисперсные частицы материала, выбранного из группы: карбид вольфрама, оксид алюминия и оксид циркония. Медь и олово вводят для снижения температуры спекания алмазного инструмента, что предотвращает деструкцию алмазов. Введение карбида вольфрама и нанодисперсных частиц позволяет существенно повысить твердость и износостойкость связки.
Недостатком известной связки является недостаточная прочность удержания алмазов, обусловленная тем, что компоненты связки имеют невысокое химическое сродство к углероду и не образуют химических соединений с алмазом при спекании инструмента. Этот недостаток приводит к тому, что при большой силе резания и динамических нагрузках алмазы выкрашиваются из связки, в результате снижаются режущая способность и стойкость алмазного инструмента.
Задачей изобретения является повышение режущей способности и стойкости алмазных инструментов.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности удержания алмазов в связке. Указанный результат достигается тем, что связка для изготовления алмазного инструмента, содержащая кобальт, медь, олово и твердые наполнители, в качестве твердых наполнителей содержит вольфрам с размером частиц 2-70 мкм и наночастицы вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| кобальт | 25,0-70,0 |
| медь | 10,0-48,0 |
| олово | 1,0-20,0 |
| вольфрам с размером | |
| частиц 2-70 мкм | 5,0-23,0 |
| наночастицы вольфрама | 1,0-7,0 |
Содержание кобальта 25,0-70,0 мас. % обеспечивает прочность, ударную вязкость связки, способствует повышению адгезии связки к алмазам и прочности удержания алмазов.
Содержание меди и олова обеспечивает спекание связки при сравнительно низкой температуре 780-820°С, что исключает деструкцию алмазов. При взаимодействии меди и олова образуются твердые интерметаллидные фазы, повышающие общую твердость и износостойкость связки.
Вольфрам, являющийся карбидообразующим элементом, при спекании алмазного инструмента образует химические соединения с алмазом, что способствует прочному закреплению алмазов в связке. Содержание частиц вольфрама с размером 2-70 мкм, имеющих высокую твердость, повышает общую твердость связки и ее стойкость к абразивному износу. Однако увеличение содержания вольфрама свыше 23 мас. % не целесообразно, так как приводит к охрупчиванию связки и повышению ее стоимости.
Для повышения прочности удержания алмазов в связку вводят наночастицы вольфрама с предпочтительным размером 1-100 нм в количестве 1-7 мас. %. Известно, что наночастицы обладают повышенной химической активностью и значительно влияют на межфазное взаимодействие в композиционных материалах. В связи с этим, содержание в связке равномерно распределенных наноразмерных частиц вольфрама значительно повышает адгезионную активность связки к алмазу и прочность закрепления алмазов. Кроме того, наночастицы вольфрама обеспечивают дисперсионное упрочнение связки и тем самым повышают ее твердость и износостойкость. Содержание наночастиц вольфрама более 7 мас. % не целесообразно, так как приводит к хрупкости связки и значительному увеличению ее стоимости.
Свойства металлической связки должны соответствовать абразивным, механическим и другим свойствам обрабатываемого материала. В связи с этим, количество всех компонентов связки выбирают таким образом, чтобы получить требуемые характеристики алмазного инструмента.
Ниже приведены примеры осуществления изобретения.
Изготавливают алмазные круги для шлифования архитектурных деталей из природного камня и «искусственного гранита». Состав связки выбирают из таблицы.
| № связки | Содержание компонентов, мас. % | ||||
| кобальт | медь | олово | вольфрам с размером частиц 2-70 мкм | наночастицы вольфрама | |
| 1 | 25 | 48 | 20 | 5 | 2 |
| 2 | 48 | 20 | 8 | 23 | 1 |
| 3 | 70 | 10 | 1 | 12 | 7 |
К порошковым компонентам связки добавляют алмазы марки АС 160 зернистостью 400/315 мкм (ГОСТ 9206-80) в количестве 25% от объема металлических порошков. Смесь металлических порошков и алмазов уплотняют в пресс-форме и спекают при температуре 780-820°С.
Связка №1 содержит частицы вольфрама с размером 2-5 мкм. После спекания при 780°С связка имеет твердость 97-98 HRB. Связка предназначена для алмазных инструментов, обрабатывающих гранит с невысокими абразивными свойствами. Связка №1 имеет наименьшую себестоимость из трех, приведенных в таблице, за счет минимального содержания кобальта и вольфрама.
В связке №2 размер частиц вольфрама составляет 30-70 мкм. После спекания при температуре 800°С связка имеет твердость 102-104 HRB. Связка предназначена для алмазных инструментов, обрабатывающих «искусственный гранит» и природный гранит с повышенным содержанием кварца. За счет твердости 102-104 HRB связка №2 имеет высокую стойкость к абразивному износу.
Связка №3 содержит частицы вольфрама с размером 8-20 мкм. После спекания при 820°С связка имеет твердость 99-101 HRB. Связка предназначена для обработки материалов при большой силе резания и динамических нагрузках. Благодаря максимальному содержанию кобальта связка является наиболее прочной и наименее хрупкой из трех, представленных в таблице. Содержание 7 мас.% наночастиц вольфрама обеспечивает прочное закрепление алмазов в связке.
Были проведены сравнительные испытания алмазных кругов с предлагаемой связкой и со связкой по прототипу. Шлифовали фасонные кромки на архитектурных деталях из гранита. Режущую способность кругов оценивали по отношению массы снятого обрабатываемого материала к длительности процесса обработки. Стойкость оценивали по суммарному времени работы до потери заданных размеров и формы круга. Сравнительные испытания показали, что за счет повышения прочности удержания алмазов у кругов с предлагаемой связкой в 1,3-1,5 раза выше режущая способность и в 1,2-1,3 раза выше стойкость по сравнению с кругами на связке по прототипу.
Связка для изготовления алмазного инструмента, содержащая кобальт, медь, олово и твердые наполнители, отличающаяся тем, что в качестве твердых наполнителей она содержит вольфрам с размером частиц 2-70 мкм и наночастицы вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| кобальт | 25,0-70,0 |
| медь | 10,0-48,0 |
| олово | 1,0-20,0 |
| вольфрам с размером | |
| частиц 2-70 мкм | 5,0-23,0 |
| наночастицы вольфрама | 1,0-7,0 |
