СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АБРАЗИВНОГО ИЗДЕЛИЯ И АБРАЗИВНОЕ ИЗДЕЛИЕ, ПОЛУЧЕННОЕ ЭТИМ МЕТОДОМ Российский патент 2000 года по МПК B24D17/00 

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

В современных условиях ужесточаются требования к абразивным материалам, в частности к глубине и скорости обработки, а также требования к обработке поверхностей, имеющих впадины и проточки, трудно доступные для механической обработки. Отмеченное приводит к необходимости создания абразивного инструмента высокой износостойкости и сложной формы. Повышение износостойкости алмазного абразивного материала может быть достигнуто повышением износостойкости матрицы (связки), удерживающей алмазные зерна в рабочем (поверхностном) слое материала. Весьма перспективным для этого оказывается использование карбидокремниевых матриц, обладающих высокой твердостью и износостойкостью.

Алмазный инструмент с карбидокремниевой матрицей, например, может быть получен прессованием дисперсий, состоящих из сажи и кристаллов алмаза различной концентрации с последующей пропиткой кремнием в условиях стабильности алмаза (давление более 30 тыс. атм) [1]. К недостаткам известной технологии можно отнести сложность, энергоемкость, необходимость применения специального оборудования. Условия проведения известного процесса позволяют получить материал, содержащий кристаллы алмаза в матрице из карбида кремния и кремния, относительно небольших размеров и простых форм: как правило, цилиндрических. Известная технология не позволяет получить изделия заданной формы и больших размеров.

Более прост и экономичен в реализации способ, включающий формование заготовки из алмазного порошка или шихты, состоящей из порошков алмаза и карбида кремния, термообработку заготовки в среде уг- леродсодержащего газа для получения полуфабриката в виде композита, содержащего зерна указанных порошков и углерод, и последующую пропитку полученного полуфабриката жидким кремнием при давлении ниже 1000 мм рт. ст. Известный способ позволяет получить абразивные изделия заданных размеров и разнообразных форм, имеющие высокую прочность и требующие минимальной механической обработки [2].

Изделие, полученное известным способом, представляет собой практически беспористый композит, состоящий из зерен алмаза и матрицы из карбида кремния и кремния, равномерно распределенных в объеме изделия.

Однако несмотря на указанные преимущества известный способ не позволяет получить изделие с заранее заданным распределением частиц алмаза разных размеров в его объеме, т.е. создать градиент концентрации алмазных частиц различных размеров. Указанное ограничивает применение таких изделий.

Задачей настоящего изобретения является преодоление указанного недостатка путем обеспечения создания абразивного изделия заданной формы и размеров с градиентом концентрации частиц алмаза разного размера в его объеме.

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 частицы алмаза разного размера, которые располагают в форме в соответствии с заранее заданной схемой, например с большей концентрацией у одной из поверхностей. При этом формуют заготовку с содержанием кристаллов алмаза не менее 95 мас.%, пористостью 30 - 60 об.%, а термообработку осуществляют до уменьшения массового содержания алмазных кристаллов в заготовке не более чем на 50 мас.%
Строгое следование указанным параметрам процесса обеспечивает создание изделий с кристаллами алмаза, размер которых отличается в 2 и более раз. Это позволяет в дальнейшем получать композиционный материал, сочетающий в себе высокую абразивную способность за счет крупных кристаллов алмаза, расположенных в требуемых зонах изделия, и хорошие механические свойства других частей изделия за счет присутствия в них алмазных частиц малого размера. Формование заготовки осуществляют разными способами, такими как прессование, шликерное литье, шликерный налив с использованием известного оборудования [3] 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 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 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 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.

Полученное заявляемым способом конечное изделие представляет собой композит, в матрице которого, состоящей из карбида кремния и кремния, размещены кристаллы алмаза, имеющие размеры, отличающиеся не менее чем в 2 раза, при этом концентрация алмазных зерен различных размеров не одинакова в объеме изделия, а пористость не превышает 5 об.%.

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.

Выбор допустимого изменения содержания алмаза в ходе термообработки в инертных средах и термообработки в среде углеводородов осуществляют с использованием диаграммы, представленной на фиг. 1. На фиг. 1 область 1 соответствует возможным условиям осуществления способа при использовании термообработки в инертной среде, а область 2 - при термообработке в среде углеводорода.

При соотношении размеров алмазных частиц, меньшем двух, задача изобретения не достигается. Варьирование указанным соотношением (большим чем 2) позволяет удовлетворить разнообразные требования, предъявляемые к абразивному инструменту.

Изобретение поясняется схематичным изображением градиентного материала на фиг. 2, где 1 - крупные частицы алмаза, 2 - мелкие частицы алмаза, 3 - матрица из карбида кремния и кремния. Область 1 на фиг. 2 соответствует высокой концентрации крупных зерен алмаза и пониженной концентрации мелких зерен. Область 2 соответствует высокой концентрации мелких зерен и равной нулю концентрации крупных зерен алмаза.

Условия осуществления стадий термообработки и пропитки жидким кремнием выбирают исходя из задач, которые решаются при этом: так, температура и длительность термообработки связаны с необходимым изменением концентрации алмаза при его графитации или осаждении пироуглерода из газообразного углеводорода (углеводородов), а выбор правильной температуры пропитки жидким кремнием позволяет осуществить формирование матрицы карбид кремния - кремний требуемого состава. Указанные стадии реализуются с использованием известного в данной области оборудования.

Заявляемая технология обеспечивает получение практически беспористых изделий (с пористостью менее 5 об.%), что существенно повышает как их прочностные, так и абразивные свойства.

Заявляемые способ и изделие объединены единым общим изобретательским замыслом создания на основе технологии получения абразивного алмазосодержащего композита градиентного материала, предназначенного для изготовления инструмента с широким диапазоном применения, в частности правящих карандашей, брусков вместо применяемых в настоящее время однокристальных алмазных правящих инструментов: алмазных игл, цепочных карандашей, алмазов в оправе и других инструментов, предназначаемых для фасонной правки сложнопрофильных абразивных кругов. Возможно изготовление сверл, элементов пил для обработки бетона, гранита, мрамора и других стройматериалов и другого обрабатывающего инструмента.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Цилиндр диаметром 8 мм и высотой 8 мм формуют из алмазного микропорошка марки АСМ 10/7 (ГОСТ 9206-80) со средним размером частиц 8,5 мкм и крупных синтетического алмаза марки SDB 1125 30/40 mesh (фирма Де Бирс) со средним размером частиц 700 мкм. Соотношение размеров алмазных частиц - 82.

Градиент к онцентрации частиц алмаза различного размера достигается размещением крупных частиц в количестве 0,8 карат (0,16 г) на одной плоскости формы в виде двух слоев, общая высота которых составляет 1,5 мм. Затем форму заполняют заранее приготовленной шихтой мелких частиц в количестве 4 карата (0,8 г), смешанных со связующим (0,7 мл 25%-ного спиртового раствора фенолоформальдегидной смолы марки СФ-010А (ГОСТ 18094-80)).

Формование осуществляют прессованием в следующих условиях: усилие - 5 кН, температура - комнатная. Сформованный алмазный порошок со связующим извлекают из формы и выдерживают на воздухе при комнатной температуре в течение 10 ч с последующей сушкой при 70^oC в течение 1 ч и отверждением при 150^oC в течение 1 ч.

Полученная в результате этого заготовка содержит 98 мас.% алмаза и имеет две области, как это показано на фиг. 2. Первая область (высотой 1,5 мм) содержит крупные и мелкие частицы алмаза (0,7 карата мелких частиц алмаза и 0,8 карата крупных). Вторая область, высота которой составляет 6,5 мм, содержит только мелкие частицы алмаза в количестве 3,3 карата.

Термообработку проводят при вакуумировании (давление - 5•10^-3 мм рт.ст.) при 1450^oC в течение 5 мин. Содержание алмаза в полученном полуфабрикате составляет 78 мас.% Уменьшение концентрации алмаза в полуфабрикате (по отношению к заготовке) составило 20 мас.%.

Пропитку жидким кремнием осуществляют окунанием в жидкий кремний при 1550^oC, выдерживанием в расплаве в течение 4 мин и извлечением из расплава.

Полученное изделие по своим размерам и форме точно соответствует размерам и форме заготовки. Тем самым подтверждается возможность получения изделий заданных форм.

Полученный материал имеет пористость менее 1 об.% (определено по изменению массы образца после кипячения в воде в течение 1 ч). Микроскопическое исследование скола образца вдоль его оси показало отсутствие пористости и наличие в нем двух зон (частей). Первую (высотой около 1,5 мм) с содержанием крупных (размером 600-800 мкм) и мелких зерен алмаза (размером 5-9 мкм), связанных матрицей из карбида кремния и кремния; и вторую - остальная часть образца, содержащую только мелкие зерна алмаза и указанную матрицу.

Испытания абразивных свойств полученных деталей представлены ниже.

Пример 2.

Цилиндр диаметром 8 мм и высотой 8 мм формуют в условиях примера 1. Отличие состоит в том, что термообработку проводят в реакторе в среде природного газа при 850^oC до уменьшения содержания алмаза на 5 мас.%
Полученный материал имеет пористость 1-1,5 об.% Строение скола образца полностью аналогично примеру 1.

Полученные по примерам 1 и 2 изделия, а также известный композиционный материал "Славутич" [4] были испытаны в режиме правки абразивных кругов марки ПП 600х65х305 14А25ПСМ26К5. При испытаниях правку кругов осуществляли той частью образца, которая содержит крупные алмазные зерна.

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

Правка велась при охлаждении 3%-ной содовой эмульсией.

В процессе испытаний определялся относительный расход алмазов.

В результате испытаний получены данные, представленные в таблице.

Как видно из данных таблицы, полученные абразивные изделия имеют в 2,5-3 раза более высокую абразивную способность, чем выбранный базовый объект.

Таким образом, реализация заявляемой технологии позволяет получать абразивные изделия с заранее заданным распределением частиц алмаза в его объеме. Тем самым
- обеспечивается экономичность использования крупных и дорогих алмазных зерен за счет повышения их концентрации только в рабочих областях изделия;
- обеспечиваются высокая абразивная способность и износостойкость деталей;
- обеспечивается получение абразивных деталей сложных форм и больших габаритов.

Источники информации
1. В. П. Поляков, А.В.Ножкина, Н.В.Чириков. Алмазы и сверхтвердые материалы. -М.: Металлургия, 1990, с.327.

2. Патент РФ 2064399, кл. B 24 D 18/00, 1996.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической промышленности. - М.: Химия, 1971.

4. Н.В.Новиков, Н.В.Цыпин и др. Композиционные алмазсодержащие материалы на основе твердых сплавов//Сверхтвердые материалы, Издательство Наукова Думка. 1983, N 2 (23), с. 1.5

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 частицы алмаза различных размеров, отличающихся по крайней мере в 2 раза, которые располагают в форме в соответствии с заранее заданной схемой, например, большей концентрацией у одной из поверхностей. Далее заготовку термообрабатывают для образования полуфабриката, содержащего алмаз и углерод, и пропитывают полученный фабрикат жидким кремнием. Изделие, согласно изобретению, представляет собой композит, в матрице которого, образованной из карбида кремния и кремния, расположены алмазные кристаллы различных размеров, при этом часть изделия содержит алмазные кристаллы по крайней мере одного размера в большей концентрации, чем другие части изделия. Технический результат: создание абразивного изделия заданной формы и размеров с градиентом концентрации частиц алмаза разного размера в его объеме. 2 с. и 19 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Способ получения абразивного изделия, включающий стадию формования пористой заготовки из алмазосодержащей смеси, получение полуфабриката путем термообработки заготовки и пропитку полученного полуфабриката расплавленным кремнием, отличающийся тем, что для формования используют частицы алмазных кристаллов с отличающимися друг от друга размерами, которые размещают в разных частях формы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют кристаллы алмаза с размерами, отличающимися не менее чем в 2 раза. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что пористую заготовку формуют с содержанием не менее 95 мас.% алмазных кристаллов. 4. Способ по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что термообработку заготовки осуществляют до уменьшения концентрации алмазных кристаллов не более чем на 50 мас.%. 5. Способ по любому из пп.1 - 3 или 4, отличающийся тем, что заготовки формуют с пористостью 30 - 60 об.%. 6. Способ по любому из пп.1 - 4 или 5, отличающийся тем, что формование осуществляют прессованием. 7. Способ по любому из пп.1 - 4 или 5, отличающийся тем, что формование осуществляют шликерным литьем или шликерным наливом. 8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что термообработку осуществляют в инертной среде при 1000 - 1700^oC. 9. Способ по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что термообработку осуществляют в вакууме или инертном газе. 10. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что термообработку осуществляют в среде газообразного углеводорода или газообразных углеводородов при температуре, превышающей температуру их термического разложения. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что термообработку заготовки осуществляют до уменьшения концентрации алмазных кристаллов не более чем на 25 мас.%. 12. Способ по любому из пп.1 - 7, 10 или 11, отличающийся тем, что термообработку заготовки осуществляют в природном газе. 13. Способ по любому из пп.1 - 7, 10 или 11, 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. 14. Способ по п.12, отличающийся тем, что термообработку осуществляют при 750 - 950^oC. 15. Способ по п.13, отличающийся тем, что термообработку осуществляют при 510 - 1200^oC. 16. Способ по любому из пп.1 - 15, отличающийся тем, что пропитку жидким кремнием производят путем расплавления кремния на поверхности полуфабриката. 17. Способ по любому из пп.1 - 15, отличающийся тем, что пропитку осуществляют путем налива расплавленного кремния на поверхность полуфабриката. 18. Способ по любому из пп.1 - 15, отличающийся тем, что пропитку осуществляют путем окунания полуфабриката в расплавленный кремний. 19. Абразивное изделие, содержащее алмазные кристаллы, расположенные в матрице, состоящей из карбида кремния и кремния, отличающееся тем, что часть изделия содержит алмазные кристаллы, по крайней мере, одного размера в большей концентрации, чем другие части изделия. 20. Абразивное изделие по п.19, отличающееся тем, что размеры алмазных кристаллов отличаются не менее чем в 2 раза. 21. Абразивное изделие по любому из пп.19 и 20, отличающееся тем, что оно выполнено с пористостью не более 5 об.%.