Способ изготовления алмазного инструмента

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

<»990423 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 5.09.81 (21) 3338491/22-02 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М. К

В 22 F 3/14

Гесударетееннмй кюмнтет (53) УДК б21.7б2. .4.01б (088.8) Опубликовано 23.0!.83. Бюллетень № 3

22о делам нзобретеннй и ютнрытий

Дата опубликования описания 28.01.83 «

".Ъ =-«..

В. Н. Лившиц, А. А. Бугаев, P К. Богданов, Т. П Тит4ва„",.

А. Н. Ивженко, Л. А. Сокуренко, С. H. Бон аць, В. Л. Ищук и А. Д. Король

k (72) Авторы изобретения

Ордена Трудового Красного Знамени институ сверхтвердых материалов АН Украинской ССР (72) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА

Изобретение относится к технологии изготовления алмазного абразивного инструмента и может быть использовано, например, при изготовлении буровых коронок и правящего инструмента.

Известен способ изготовления алмазного 5 инструмента, заключающийся в том, что алмазные зерна смешивают с шихтой, состоящей из смеси твердосплавного порошка наполнителя, например твердого сплава ВК15 и легкоплавких металлов — связки, например меди.

Графитовую. форму с уложенными алмазами и шихтой подвергают горячему прессованию при 1180 С и давлении 100 кгс/см (Ц.

Недостатком данного способа является низкая износостойкость алмазного инструмента вследствие того, что у синтетических алмазных зерен, нагретых до температуры свыше 1000 С даже в защитной среде, в два раза уменьшается первоначальная прочность (происходит выход металлических включего ний на поверхность кристалла, его растрескивание) . При работе инструмента такие зерна раскалываются и выпадают.

Известен также способ изготовления алмазного инструмента, заключающийся в том, 2 что алмазные зерна смешивают с шихтой, состоящей из смеси твердосплавного поролка наполнителя и легкоплавких металлов связки, укладывают в графитовую прессформу и подпрессовывают при удельном давлении 100 — 150 кгс/см .

Подготовленную таким образом заготовку подвергают прон итке при температуре плавления связки, а затем производят горячую допрессовку при удельном давлении

80 — 100 кгс/см, охлаждают под давлением до 200 — 300 С вЂ” ниже температуры кристаллизации связки (2).

Недостатком данного способа является невысокая износостойкость материала алмазоносной матрицы из-за потери прочности алмазными зернами вследствие их перегрева при температуре пропитки.

Наиболее близким к изобретению по технической сути и достигаемому эффекту является способ изготовления алмазного инструмента, заключающийся в том, что алмазные зерна смешивают с порошком карбидов тугоплавких металлов или металлоидов (наполнителем) и металлической связкой и прессуют при давлении 200 — 400 кг/см, а затем производят горячее прессование при дав990423 з ленни 10 — 50 кг/см при температуре 0,5—

0,8 температуры плавления связки !31.

Недостатком известного способа является невысокая износостойкость вследствие недостаточной плотности материала алмазоносной матрицы и низкой связи всех ее компонентов. Материал матрицы раскрашивается при высоких ударных и тепловых нагрузках, возникаюших при работе инструмента, и алмазные зерна выпадают, не отработав своего ресурса. Инструмент преждевременно выходит из строя. 0

Целью изобретения является повышение износостойкости инструмента.

Цель достигается тем, что согласно способу изготовления алмазного инструмента, включаюшему смешивание алмазных зерен с порошком наполнителя и металлической связкой, холодное прессование и последующее горячее прессование, после смешивания проводят термообработку полученных гранул в восстановительной среде при 350—

400 С, а горячее прессование осуществля- 20 ют при температуре 0,85 — 0,95 температуры плавления металлической связки и давлении

160 — 190 кгс/см2.

Изготовление инструмента осушествляют следующим образом.

Навеску зерен алмазного порошка смачивают клеяшим вешеством. Затем к алмазам постепенно тобавляют часть порошка наполнителя. В к» .естве наполнителя могут быть использованы различные тугоплавкие вешества (карбиды титана, вольфрама, их соединения, нитриды кремния). Полученные первич.ные гранулы помешают в установку для грануляции, смачивают суспензией (смесь спирта с глицерином, олеиновая кислота с вазелиновым маслом или любым другим смачивающим веществом) и наносят оставшуюся 35 часть наполнителя. Затем на голученные гранул ы наносят слой металлической связки (в качестве связки могут быть использованы различные композиции на основе меди, олова, железа, марганца и других металлов).

Полученные гранулы подсушивают в восстановительной среде при 350 — 400 . Необходимое количество гранул засыпают в гра; фитовую пресс-форму, подпрессовывают и подвергают горячему прессованию при температуре 0,85 — 0,95 температуры плавления 45 металлической связки и давлении 160—

190 кг/см .

При изготовлении, например, буровых коронок горячее прессование гранул осушествляют с одновременным закреплением их на корпусе. 50

Изобретение поясняется на примерах изготовления алмазных буровых коронок.

Пример. Берут г (5 карат) алмазного порошка марки АСС, зернистости 250/200.

Навеску алмазного порошка смачивают клеяшим веществом — эпоксиднои смолои ЭД-20

К алмазам добавляют 25 /О порошка наполнителя. В качестве наполнителя используют карбид вольфрама.

Количество наполнителя рассчитывают исхс!дя из веса гранулируемого алмазного порошка

Рн= +A K где Рн - вес порошка наполнителя, г (карат);

М вЂ” масса гранулируемого алмазного порошка, г (карат); — удельный вес порошка наполнитеН г/ мз.

К вЂ” коэффициент, учитываюший концентрацию алмазного порошка, смз/c t.

Р„= 5,0 ct.14,8 г/см 5 см /ct = 13,5 г.

Оставшуюся часть наполнителя наносят на гранулы, помещенные в гранулятор.

При этом первичные гранулы смачивают раствором олеиновой кислоты и вазелинового масла (1:2). Общий вес гранул составляет 14,5 г. Затем на полученные гранулы наносят слой металлической связки — порошковой меди. Вес металлической связки рассчитывают исходя из объема, занимаемого алмазным порошком и материалом наполнителя, р р

V= p + р > где V — объем, занимаемый алмазным порошком и материалом наполнителя, см; з.

РРн — вес алмазного порошка и порошка наполнителя; — удельный вес алмазного порошка у H и порошка наполнителя, г/смз.

V = 15 + -я"4 = 1,2 см .

13 5

Вес металлйческой связки определяют по формуле

Рсв = Яв где P — вес металлической связки, г;

Р, — удельный вес связки, г/смз.

1,20 см .8,8 г/смз = 10,5 г.

При нанесении металлической связки на гранулы добавляют смачиваюшее вешество — 5О/0-ный раствор каучука в бензине.

Обший вес гранул определяют по формуле

Р; „=М+Р„+Р где Р„ра„— общий вес гранул, г.

Ргран.= 1 + 13,5 + 10,5 = 25 г.

Полученные гранулы подсушивают в среде водорода при 350 †4 С. Гранулы засыпают в графитовую пресс-форму, подпрессовывают при давлении 20 — 40 кгс/см . В качестве приварочного слоя используют смесь материала наполнителя и металлической связки в соотношении 50:50 об. /о (11 г твердого сплава ВК6 и 7 г металлической связки). Устанавливают корпус-и производят горячее прессование материала матрицы с одновременным закреплением на корпусе при

970 С, что сост а вляет 0,90 тем п ературы пл а вления связующего материала, и давлении

170 кг/с м .

Инструмент передают на механическую об ра бот ку.

Согласно технологии, описанной в примере, была изготоавлена и испытана партия опытных коронок.

990423

Перед изготовлением коронок полученные алмазные гранулы подвергали термообработке. Термообработка применялась для того, чтобы разрушить слой окислов, образовавшихся на гранулах. При температуре восстановления 300 С гранул ы полностью не восстанавливались. Температура спекания 1 таких гранул повысилась из-за пленки окислов, которая увеличивает температуру плавления связки и в этом случае поставленная цель повышения износостойкости не достигается. В температурном диапазоне 350 — Т0 с

400 С гранулы полностью восстанавливаются, а. повышение температуры восстановления до 450 С приводит к выгоранию смачивающего вещества и разрушению гранул. Результаты исследования температурного режима восстановления гранул приведены в 1 !

5 табл. 1.

В табл. 2 приведены данные, характеризующие твердость материала инструмента при температуре 950 С и усилии прессования от

150 — 200 кг/см2. Ilредъявляемым к алчазному буровому инструменту требованиям соответствует усилие горячего прессования

60 — 190 кгс/см .

Экспериментальные исследования изготовленного инструмента проводили в лабораторных условиях на специальном стенде, созданном на базе радиально-сверлильного танка 2А55.

В процессе экспериментальных исследований фиксировали осевую нагрузку манометром; потребляемую мощность ваттметром, проходку лимбом, установленным на сверлильной головке станка с точностью до мм, а время бурения секундомером.

Коронки отрабатывали до полного износа рабочего слоя. Данные отработки приведены в табл. 3. Понижение температуры горячего прессования до 0,84 плавления связки

QQ привело к недопропнтке материала матрицы.

Инструмент быстро износился. Повьнпение температур1>1 горячего прессования до

0,96 температуры плавления связки и выше ведет к уменьшению прочности алмазных зерен, что отражается на работоспособности

2,инструмента.

Как видно из табл. 3, применение предлагаемого способа повышает износостойкость инструмента, что 1н>зволяет повысить проходку на коронку при бурении гранита Х категории на 10 — 40%.

При цене коронки 22 руб стоимость метра бурения известным способом составляет

22 руб: 6,8 м = 3,24 руб/м, а предлагаемым

22 руб: 11,3 м =- I,94 руб./м, поэтому затраты на метр бурения сокращаются на 3,24 з5 1,94 = 1,10 руб.

Экономический эффект на 1 коронку составит 1,10 11,3 = 12,4 руб.

При годовом выпуске коронок на Опытном заводе в количестве 10 тыс. шт. экономический эффект составит 124 тыс. руб.

Таблица 1

Технологический режим иэготовления

Компоненть грануляции

Температура восстановления гранул, C

Качество термообработки гранул эернистость наполниалмаэного тель порошка твердый сплав усиление горячего прессования, гкс/сма температура горячего прессования оС свяэка

950 вк6 Си вк6 Си вк6 Си

250/200

250/200

250/200

250/200 зоо

950

350

950

400

ВК6

170

950

Си

450

Предлагаемый способ позволяет получить алмазный инструмент, обладающий различ.ной износостойкостью. Для получения алмазной матрицы с требуемой износостойкостью необходимо правильно выбрать усилие горячего прессования. Так как уплотнение при прессовании металлических порошков при высоких температурах обусловлено процессами текучести, изменение плотности при горячем прессовании связано с пластической деформацией. Силы внешнего давления при горячем прессовании суммируются с капиллярным давлением, приводящим к спеканию изделий.

При . усилии горячего прессования

150 кг/см2 и температуре 950 С уплотнение алмазоносной матрицы происходит частично.

Повышение усилия прессования алмазоносной матрицы до 200 кг/см приводит к почти полному выдавливанию меди из спекаемого изделия. На практике износостойкость матрицы ориентировочно оценивают по ее твердости.

170 Неполное восстановление гранул

170 Полное восстановление

170 Полное восстановление

Интенсивное выгорание смачиваиицего вещества и начало раэрушения гранул

990423

Таблица 2

Усилие горячего прессования, кгс/см

Компоненты грануляции

Температура горячего прессования, С зернистость алмазного порошка наполнительтвердый сплав твердость композиционного материала HRC характеристика пропитки связка

150

ВК6

250/200

Си

950

Не дои роли т ка, спекание происходит не полностью

160

ВК6

Си

950

Полное спекание

170

ВК6

Си

950

Полное спекание

180

ВК6

Си

950

Полное спекание

190

ВК6

Си

950

Полное спекание

200

ВК6

Си

Полное спекание, повышенная хрупкость

950

Таблица 3

Технологический режим изготовления

Проходка на коронку при бурении гранита

Х категории

Компоненты грануляции

Температура горячего прессования, оС наполнительтвердый сплав зернистость алмазного усиление горячего прессования кгс/см2 температура восстановсвязка порошка пения гранул, С

11,3

350-400

170

ВК6

Си

250/200

0,90 плавл.

970

6,8

Си 350-400

170

ВК6

250/200

О, 75 плавл.

810

7,1

Си 350-400

170

ВК6

250/200

0,80 плавл.

865

9,5

Си 350-400

170

ВК6

250/200

0,84 плавл.

905

10,8

Си 350-400

170

ВК6

250/200

0,85 плавл.

925

10,6

Си 350-400

170

ВК6

250/200

0,95 плавл.

1000

8,2

Си 350-400

170

ВК6

250/200

0,98 плавл.

1060

Формула изобретения

Способ изготовления алмазного инструмента, включающий смешивание алмазных зерен с порошком наполнителя и металлической связкой, холодное прессование и последующее горячее прессование, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости инструмента, после смешивания проводят термообработку полученных гранул в восстановительной среде при 350—

4001, а горячее прессование осуществляВНИИПИ Заказ 11093/17 Тираж 811 Подписное

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

250/200

250/200

250/200

250/200

250/200

Качество спеченного композиционного материала инструмента ют при температуре 0,85 — 0,95 температуры плавления металлической связки и давлениии 160 — 190 кгс/с м .

Источники информации, 50 принятые во внимание при экспертизе

1. Исаев М. И. Технический прогресс и новые достижения в колонковом бурении. М., «Недра», 1976 с. 90.

2. Там же, с. 91 — 92.

3. Авторское свидетельство СССР № 212102, кл. В 24 D 3/06, 1966.