СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СВЕРХТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЖУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2007 года по МПК C04B35/528 C04B35/5831 

Изобретение относится к области инструментального производства, в частности к получению композиционных материалов на основе сверхтвердых частиц с объемным их содержанием в материале 75÷92%. Из композиционных материалов изготавливаются режущие элементы для таких инструментов, как инструмент для правки абразивных кругов, инструмент для бурения, для точения и др.

Известен способ получения композиционных материалов для изготовления режущих элементов, при котором в качестве режущих зерен берут зерна алмаза двух размеров: алмазные зерна размером 0,1÷2 мкм и размером - менее 0,1 мкм (патент США №4828611, кл. С22С 29/06, 1987 г.). Известен способ получения материала из поликристаллических алмазов и/или кубического нитрида бора (КНБ), при котором берут зерна алмаза и/или зерна КНБ, размером от субмикропорошков до 60 мкм, например, в виде смеси зерен трех размеров: 60÷80% крупных зерен, 5÷10% средних и 10÷35% мелких (патент США №4220455, кл.51-295, 1978 г.). Известен способ получения алмазного спеченного материала для изготовления режущих инструментов, в котором алмазные зерна берут двух размеров - больше 1 мкм и меньше 1 мкм (заявка Японии №3-33674, кл. С04В 35/52, 1983 г.). В заявке ЕПВ №0174546, кл. В01J 3/06, 1985 г. спеченный материал для режущих элементов содержит смесь алмазных зерен: зерна размером 3 мкм и зерна размером меньше 1 мкм. В заявке Японии №56-22676, кл. С04В 35/58, 1979 г. предложен композиционный материал на основе алмаза и КНБ со средним размером зерен менее 4 мкм. Все вышеописанные материалы содержат 40÷95 об.% мелких алмазных зерен и/или зерен КНБ, при этом зерна алмаза и кубического нитрида бора берут одного размера. Такой материал изготавливается в камерах высокого давления при давлениях и температурах, соответствующих области стабильности алмаза. В этих условиях мелкие алмазные зерна не подвергаются графитизации, сохраняя объемную концентрацию в готовом материале. Однако использование камер высокого давления существенно сокращает диапазон размеров изготавливаемых в них режущих элементов и значительно их удорожает.

В качестве прототипа взят патент США №5096465, кл.51-295, 1989 г., касающийся изготовления алмазно-металлического композиционного материала на основе зерен алмаза размером 25÷2000 мкм, при этом 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/см² и температуре 650-1300°С 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°С и способного смачиваться связующим сплавом. В результате получают материал с объемным содержанием зерен алмаза 40÷75%.

Недостаток композиционного режущего материала и способа его изготовления заключается в следующем.

Для получения композиционного материала методом горячего прессования, обеспечивающего протекание расплавленного связующего материала в промежутки между зернами алмаза, на последние наносится покрытие из сплава, имеющего температуру плавления выше 1300°С и способного смачиваться связующим сплавом. Нанесение покрытия на зерна алмаза увеличивает трудоемкость технологического процесса. Металлизация значительно усложняет оптимизацию технологических режимов пропитки и взаимодействия материалов на границах: алмаз - покрытие, покрытие - пропитывающий расплав, выбор оптимальных пар металлов, сплавов покрытия - пропитывающий материал, что ограничивает возможность получения материалов с различными режущими и износостойкими свойствами. Также покрытие на алмазных зернах не позволяет получать композиционный материал с максимальной для выбранных зернистостей концентрацией алмазов, а следовательно, такие материалы менее износостойки. Кроме того, при горячем прессовании зерна алмаза размером 35-40 мкм без применения каких-либо дополнительных условий, например, создания вакуума или защитной атмосферы, подвергаются интенсивной графитизации в результате чего объемная концентрация алмаза в готовом материале снижается, а наличие графита в конечной структуре материала приводит к уменьшению его прочности и износостойкости. Нанесенный слой материала покрытия на алмазные зерна, хотя способствует процессу пропитки, но каталитический ускоряет процесс графитизации и, кроме того, способствует протеканию процессов карбидообразования, что также связано с потерями алмазного вещества.

Целью изобретения является упрощение способа получения композиционного материала для изготовления режущих элементов с объемным содержанием сверхтвердых материалов 75÷92%, а также получение композиционного материал с широкими эксплуатационными характеристиками, позволяющими расширить область его использования.

Цель достигается тем, что в способе получения композиционных материалов на основе сверхтвердых частиц для изготовления режущих элементов, при котором готовят шихту, включающую связку и сверхтвердые частицы, по меньшей мере, двух размеров, из которых в качестве сверхтвердых частиц одного из размеров берут алмаз, и подвергают шихту горячему прессованию при температуре плавления связки, в качестве сверхтвердых частиц другого размера берут кубический нитрид бора размером 8÷40 мкм, при этом алмаз берут размером, равным (5,1-8) размерам кубического нитрида бора.

Кроме того, в шихту дополнительно вводят алмаз размером, равным (4-6) размерам зерен основных алмазов, при этом основные алмазы берут размером 81-320 мкм.

Сущность изобретения заключается в том, что в шихте зерна алмаза размером ниже 40 мкм заменяют зернами КНБ, которые имеют более высокую, чем алмаз термостойкость, в тоже время по режущим свойствам существенно не отличаются от алмаза, а с учетом их высокой термостойкости, в некоторых случаях превосходят алмаз, например при точении сталей, чугунов и др. материалов. Гарантия отсутствия в этом случае заграфитизированных зерен алмаза (размером ниже 40 мкм) в объеме композиционного материала, приводит к значительному повышению его прочности (особенно на удар) и износостойкости. Для получения объемного содержания сверхтвердых частиц в диапазоне 75÷92% предлагается брать их в виде смеси зерен двух или трех размеров. В композиции, содержащей зерна КНБ (8-40 мкм) и алмаза (44-320 мкм) общее содержание сверхтвердых частиц составляет 75-82% об. Максимальное содержание сверхтвердых частиц получается в материале, который содержит зерна КНБ (8-40 мкм), зерна основного алмаза (81-320 мкм) и зерна дополнительного алмаза, размером свыше 320 мкм. При выбранном соотношении размеров (зернистостей) сверхтвердых частиц более крупные частицы при их укладке создают прочный скелет, в котором частицы практически контактируют друг с другом, а более мелкие частицы заполняют пространство между крупными частицами, обеспечивая их высокое объемное содержание, а следовательно, максимальную прочность и износостойкость композиционного материала. Отклонения от указанных размеров сверхтвердых частиц и от указанных соотношений их размеров приведет к ошибкам в укладке и снижению содержания сверхтвердых частиц в объеме и ухудшению физико-механических и режущих свойств композиционного материала. При этом при любом выборе размеров зерен, в качестве зерен, размер которых ниже 40 мкм следует брать зерна КНБ.

В качестве связки используют металлы и сплавы, имеющие на алмазе, КНБ угол смачивания не более 40°, например, бронзы, латуни с содержанием никеля, циркония, кремния более 4÷5 мас.% или кобальта, никеля и их сплавов.

Способ осуществляется следующим образом.

Готовят шихту для получения композиционного материала на основе сверхтвердых частиц для изготовления режущих элементов. Для этого в пресс-форму помещают зерна алмаза и кубического нитрида бора, уплотняют их любым известным способом, предпочтительно - шликерное литье или виброукладка. Количество сверхтвердых частиц рассчитывают таким образом, чтобы более крупные зерна при укладке и последующем прессовании практически, входя в контакт друг с другом, образовывали каркас, а более мелкие зерна заполняли свободное пространство между более крупными зернами. В результате более крупные зерна алмаза располагаются в один или несколько слоев, а более мелкие зерна кубического нитрида бора располагаются в промежутках между зернами алмаза. Сверху на уложенные сверхтвердые частицы помещают связку - пропиточный материал, после чего шихту подвергают горячему прессованию при давлении 350-500 кгс/см² и при температуре плавления связки.

При изготовлении композиционного материала, содержащего сверхтвердые частицы трех размеров, дополнительные алмазные зерна, как наиболее крупные образуют каркас, основные алмазные зерна занимают пустоты между дополнительными алмазными зернами, а мелкие зерна КНБ заполняют пустоты между основными и дополнительными алмазными зернами.

Использование для получения композиционного материала обычных прессов горячего прессования позволяет изготавливать режущие элементы с широким диапазоном размеров. Полученные режущие элементы - заготовки закрепляют на корпусе инструмента, например пайкой, либо заготовки разрезают на более мелкие режущие элементы и также закрепляют их на корпусе инструмента.

Таким образом, способ получения композиционных материалов, из смеси зерен алмаза и КНБ позволяет изготавливать композиционный материал:

- с максимальным объемным содержанием сверхтвердых частиц (75-92 об.%);

- без предварительной металлизации алмазов, что позволяет снизить трудоемкость процесса;

- с гарантированным отсутствием заграфитизированных сверхтвердых частиц в структуре готового материала;

- с минимальными технологическими потерями сверхтвердых частиц - алмаза - из-за графитизации, карбидообразования.

Изобретение относится к области инструментального производства, в частности к получению композиционных материалов для режущих элементов на основе сверхтвердых частиц с объемным их содержанием в материале 75÷92%. Для получения композиционных материалов готовят шихту, включающую связку и сверхтвердые частицы, по меньшей мере, двух размеров, из которых в качестве сверхтвердых частиц одного из размеров берут алмаз, а в качестве сверхтвердых частиц другого размера берут кубический нитрид бора размером 8÷40 мкм, при этом алмаз берут размером, равным (5,1-8) размерам кубического нитрида бора. Шихту подвергают горячему прессованию при температуре плавления связки. Кроме того, в шихту дополнительно вводят алмаз размером, равным (4-6) размерам зерен основных алмазов, при этом основные алмазы берут размером 81-320 мкм. Способ позволяет получить композиционный материал с широкими эксплуатационными характеристиками. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения композиционных материалов на основе сверхтвердых частиц для изготовления режущих элементов, при котором готовят шихту, включающую связку и сверхтвердые частицы, по меньшей мере, двух размеров, из которых в качестве сверхтвердых частиц одного из размеров берут алмаз, и подвергают шихту горячему прессованию при температуре плавления связки, отличающийся тем, что в качестве сверхтвердых частиц другого размера берут кубический нитрид бора размером 8÷40 мкм, при этом алмаз берут размером, равным 5,1-8 размерам кубического нитрида бора.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в шихту дополнительно вводят алмаз размером, равным 4-6 размерам зерен основных алмазов, при этом основные алмазы берут размером 81-320 мкм.