АБРАЗИВЫ С ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2009 года по МПК C09K3/14 B24D3/06 B24D3/10 B24D17/00 

Предпосылки создания изобретения

Настоящее изобретение относится к абразивам с покрытием, способу их получения и к их применению в абразивных инструментах.

Абразивные частицы, в частности алмаза или кубического нитрида бора, обычно используют для изготовления различных режущих, шлифовальных, сверлильных, отрезных и полировальных инструментов. При изготовлении такого инструмента абразивные частицы смешивают со смесями металлических порошков, а затем полученные смеси спекают при высокой температуре, получая состоящие из связанных друг с другом металлом абразивных частиц режущие элементы. Обычные связывающие абразивные частицы материалы (связки) содержат железо, кобальт, медь, никель и/или их сплавы.

Основные проблемы, возникающие при изготовлении и использовании таких абразивных инструментов, связаны с удержанием абразивных частиц в связке и с их стойкостью к окислению во время спекания и последующего использования инструмента.

Обычно эти проблемы решают путем нанесения на абразивные частицы покрытий из металлов или сплавов, которые образуют химические связи с абразивными частицами и сплавы со связкой. Такие покрытия обычно наносят методом химического осаждения из паровой (газовой) фазы (ХОПФ) или методом ионного распыления с конденсацией из паровой (газовой) фазы (КПФ). Примером материала, который было предложено использовать для нанесения покрытия на абразивные частицы, является карбид титана, который, как известно, обладает хорошей адгезией к алмазным частицам. Кроме карбида титана для нанесения таких покрытий можно также использовать карбид хрома.

Проблема, возникающая при использовании покрытий из карбида титана, связана с наличием в некоторых связках бронзы или Cu, которые обладают склонностью к взаимодействию с карбидом титана, которое может привести к снижению или нейтрализации любого действия, направленного на повышение прочности удержания частиц абразива в связке. В тех случаях, когда в связке содержатся металлы, которые обычно используют в качестве растворителей/катализаторов при синтезе алмазов, происходит графитизация поверхности алмазных частиц. К таким металлам относятся, в частности, Fe, Co и Ni. В расплавленном состоянии эти металлы могут растворять алмаз, который при охлаждении кристаллизуется и образует графит. Графитизация поверхности алмаза не только ослабляет абразивные частицы, но и может привести к ослаблению связей, удерживающих их в связке.

Процесс изготовления режущих инструментов, например спекание содержащих алмазные частицы сегментов пил, может происходить в присутствии кислорода, либо содержащегося в поверхностных слоях оксидов, либо растворенного в металлических порошках, образующих связку, либо содержащегося в газообразном виде в воздухе, либо выделяющегося в процессе нанесения самого покрытия из карбида титана. При температуре спекания такой кислород оказывает агрессивное воздействие на поверхность алмазных частиц, снижая их прочность.

Краткое изложение сущности изобретения

В настоящем изобретении предлагается сверхтвердый абразив с покрытием, содержащий сердцевину из сверхтвердого абразивного материала, внутренний слой из карбида, нитрида, борида или карбонитрида металла, химически связанного с наружной поверхностью сверхтвердого абразивного материала, и наружный слой из карбонитрида металла, в частности карбонитрида титана.

Наружный слой предпочтительно наносить на внутренний слой конденсацией из паровой фазы.

Сверхтвердый абразивный материал обычно представляет собой абразивный материал на основе алмаза или кубического нитрида бора (cBN) и может быть представлен в виде абразивных частиц алмаза или cBN, подложек из поликристаллического алмаза (ПКА), подложек из термостабильного поликристаллического алмаза (ТСПКА), подложек из поликристаллического нитрида бора, полученной методом ХОПФ алмазной пленки или монокристаллических алмазных подложек.

Внутренний слой покрытия образован элементом, который (индивидуально или в сочетании с другими элементами) способен при его нанесении горячим методом на поверхность(-и) абразивного материала образовывать карбиды, нитриды или бориды. Обычно к таким элементам относятся элементы групп IVa, Va, VIa, IIIb и IVB Периодической таблицы элементов.

В предлагаемом в изобретении абразиве с сердцевиной из алмазного абразивного материала внутренний слой предпочтительно представляет собой покрытие из карбида титана или хрома, а в абразиве с сердцевиной из абразивного материала на основе cBN - покрытие из нитрида, борида или боронитрида титана или хрома, что, однако, не исключает возможности использования для нанесения внутреннего слоя и других элементов, таких как ванадий, молибден, тантал, индий, цирконий, ниобий, вольфрам, алюминий, бор или кремний.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

Настоящее изобретение относится к различным видам абразивного материала с покрытием, однако для упрощения ниже рассмотрен в основном только один вариант его возможного осуществления, в частности нанесение покрытия на алмазный абразив.

Титан хорошо зарекомендовал себя в качестве материала для нанесения покрытия на подложки (сердцевины) из алмаза, на который его можно наносить в виде его карбида, и из cBN, на который его можно наносить в виде его нитридов и боридов. Связано это с тем, указанные соединения титана способны химически связываться с подложкой (сердцевиной абразива) и защищать ее от внешних воздействий. Однако, как уже отмечалось выше, применение этих материалов не всегда возможно, особенно при их спекании в агрессивных условиях в присутствии бронзы или меди и при содержании в связке, например, черных металлов или в присутствии кислорода.

При создании изобретения было установлено, что преимущества титановых покрытий можно использовать и в других алмазных абразивах, в которых на покрытие на основе титана нанесен наружный слой покрытия из карбонитрида металла, в частности из карбонитрида титана. В первую очередь это относится к тем случаям, когда для изготовления компонентов абразивного инструмента во время спекания в связке, содержащей черные металлы, в качестве основы используют алмазный абразивный материал. Наружный слой из карбонитрида металла образует барьер, препятствующий диффузии Co, Fe и Ni из содержащей их металлической связки, и поэтому может использоваться при низком содержании Cu в Fe, Co и Cu при изготовлении абразивного инструмента методом горячего прессования и в сочетании со связками, состоящими из чистого железа, даже при длительном спекании при высоких температурах. Наружный слой из карбонитрида металла можно также с успехом использовать при необходимости предотвратить взаимодействие внутреннего слоя из карбида титана, нанесенного на алмазные частицы, с компонентом металлического материала, например с бронзой и медью, используемыми для припаивания содержащего такие алмазные частицы материала к другому металлическому или керамическому материалу, либо при спекании или фильтрации порошка для получения фильтрованного порошкового материала.

Наружный слой из карбонитрида металла особенно эффективен при изготовлении пропитанного алмазного инструмента, в частности сегментов дисковых пил, сверл, втулок (перлин) для алмазной режущей проволоки, особенно в тех случаях, когда большое количество бронзы или меди снижает эффективность покрытий из карбида титана, при изготовлении режущих инструментов с напаянным алмазным слоем, таких как алмазные режущие проволоки с напаянными твердым припоем втулками (перлинами), при изготовлении композиционных материалов с алмазосодержащей металлической матрицей, при пайке алмазных материалов, в частности, при креплении термостойких поликристаллических алмазов (ТСПКА), поликристаллических алмазов (ПКА) и буровых алмазов к корпусу бура, при креплении ХОПФ-алмазов, монокристаллов, ТСПКА и ПКА к дисковой пиле, резцедержателю, корпусу бура и т.д.

Кроме того, наружное покрытие из карбонитрида титана у алмазных пропитанных режущих инструментов повышает их долговечность и производительность. Предлагаемые в изобретении алмазные частицы с покрытием позволяют использовать для пайки простые твердые припои и работать на открытом воздухе в отличие от Ti-содержащих активных припоев, которые требуют работы с ними в отсутствие кислорода.

Предлагаемые в изобретении абразивные частицы с покрытием предпочтительно получают путем горячего нанесения внутреннего слоя и нанесением наружного слоя конденсацией из паровой фазы.

В качестве алмазных абразивных частиц используют те же частицы, которые обычно используют для изготовления абразивных инструментов с металлической связкой. Обычно такие частицы имеют одинаковые размеры от 0,1 до 10 мм. В качестве примеров таких алмазных абразивных частиц можно назвать микронные абразивные частицы размером от 0,1 до 60 мкм, абразивные частицы размером от 40 до 200 мкм для шлифовальных кругов, абразивные частицы размером от 180 мкм до 2 мм для пил, монокристаллы размером от 1 до 10 мм, изготовленные методом ХОПФ алмазные вставки площадью несколько квадратных миллиметров для режущих дисков диаметром до 200 мм, вставки из ПКА площадью несколько квадратных миллиметров для режущих дисков диаметром до 104 мм, абразивные частицы из cBN размером от 0,1 до 60 мкм, а для шлифовальных кругов - размером от 40 до 200 мкм и вставки из поликристаллического нитрида бора (PCBN) размером в несколько миллиметров для режущих дисков диметром до 104 мм.

На алмазные частицы сначала горячим методом наносят внутренний слой из металла, либо его карбида, нитрида или карбонитрида. На частицы из cBN внутренний слой обычно наносят из нитрида, борида или боронитрида металла. При горячем нанесении покрытия покрытие на основе металла наносят на служащие подложкой или основой алмазные частицы в соответствующих высокотемпературных условиях, в которых между покрытием и алмазом образуются прочные связи. В качестве примера типичных методов горячего нанесения покрытия, которые можно использовать в этих целях, можно назвать методы осаждения из газовой фазы термическим разложением галогенидов металлов, методы ХОПФ, методы нанесения покрытий термодиффузией в вакууме или методы металлизации осаждением из паровой фазы. Предпочтительны при этом методы осаждения из газовой фазы термическим разложением галогенидов металлов и методы ХОПФ.

При нанесении покрытия методами осаждения из газовой фазы термическим разложением галогенида металла на покрываемые частицы в соответствующей газовой атмосфере (например, в неокислительной атмосфере инертного газа, водорода и/или углеводорода и/или при пониженном давлении) воздействуют галогенидом образующего покрытие металла (например, Ti). Получать галогенид металла можно из соответствующего металла также непосредственно в процессе нанесения покрытия.

Смесь затем подвергают нагреву, при котором содержащийся в галогениде металл, в частности Ti, переносится на поверхность частиц, где он высвобождается и химически связывается с частицами.

Наружный слой из карбонитрида металла осаждают на абразивные частицы методом ХОПФ или методом холодного нанесения покрытий, например методом КПФ, который является предпочтительным. Этот метод представляет собой низкотемпературный процесс, выделяющегося при котором количества тепла недостаточно для образования прочных химических связей между карбидом и подложкой. Поэтому при индивидуальном применении этого метода получаемое им покрытие сравнительно слабо сцепляется с алмазными частицами. Примером метода КПФ, который можно использовать для нанесения наружного слоя покрытия, является метод нанесения покрытий реактивным (ионным) распылением, при котором в процессе нанесения покрытия в распылительную камеру подают химически активный газ, например газообразный углеводород и/или азот. В результате взаимодействия такого химически активного газа с парами металла, образующимися в процессе его ионного распыления, происходит осаждение карбонитридов на алмазных частицах. При нанесении наружного слоя этим методом для дополнительного улучшения свойств наружного слоя можно оптимизировать соотношения Ti:(C,N) и C:N.

Наружный(-е) слой(-и) обычно содержит(-ат) (индивидуально или в комбинации) карбиды, нитриды, бориды, оксиды и силициды металлов групп IVa, Va, Via Периодической таблицы элементов, таких как титан и хром, металлов групп IIIB и IVb, таких как алюминий, и таких элементов, как бор и кремний, а в предпочтительном варианте содержит(-ат) карбид титана, карбонитрид титана, нитрид титана, борид титана или боронитрид титана.

Ниже изобретение проиллюстрировано на примере, не ограничивающем его объем.

Пример

На частицы выпускаемого фирмой Element Six алмазного абразива с размером, проходящим через сито номер 40/45 по принятой в США классификации, обычными, хорошо известными в данной области методами путем химического осаждения из паровой фазы наносили покрытие с получением покрытых слоем TiC алмазных частиц. Затем алмазные частицы с нанесенным на них методом ХОПФ покрытием из TiC использовали в качестве подложки на второй стадии нанесения на них покрытия.

1000 карат этих покрытых слоем TiC алмазных частиц с размером, проходящим через сито номер 40/45 по принятой в США классификации, помещали в камеру предназначенного для нанесения покрытий (ионным) распылением магнетронного устройства с вращающимся барабаном и крупной пластиной из металлического титана в качестве ионной мишени. В камере для нанесения покрытия создавали разрежение, затем в нее подавали аргон и включали питание для получения плазмы. Для нанесения равномерного покрытия на все алмазные частицы мощность ионного распыления увеличивали во время вращения барабана при давлении аргона, равном 20 стандартным кубическим сантиметрам, до 10 А (400 В) на мишени. После этого в камеру совместно с газообразным азотом подавали газообразный C₄H₁₀ при давлении 5 кубических сантиметров до тех пор, пока измеренная величина оптической эмиссии плазмы не достигла 70%. Ионное распыление титана, реагирующего с углеродом и азотом, продолжали в течение 2 ч. После этого алмазным частицам с нанесенным на них покрытием перед их выгрузкой из распылительной камеры давали охладиться.

Далее такие алмазные частицы с нанесенным на них покрытием подвергали целому ряду исследований, включая рентгеновский структурный, рентгеновский флюоресцентный и химический анализ покрытия, анализ полученных оптической и сканирующей электронной микроскопией изображений и проводимый на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) анализ структуры поперечного сечения частиц после их разрушения.

При визуальной проверке такое нанесенное на алмазные частицы покрытие имело темно-красный/медно-красный цвет. Такая окраска была распределена равномерно на каждой частице, и все частицы выглядели одинаково. Покрытие на всех частицах выглядело равномерным и сплошным. Анализ на СЭМ в свою очередь показал, что покрытие нанесено равномерным слоем и имеет слегка шероховатую структуру. После этого частицы разрушали и на СЭМ исследовали структуру поперечного сечения нанесенного на них покрытия. На полученных изображениях четко была видна двухслойная структура, в которой толщина слоя TiCN составляла около 0,2 мкм. На долю этого конкретного покрытия приходилось по данным анализа 1,03% от всего поперечного сечения частиц. При этом на долю слоя TiC при таком размере алмазных частиц в этой их партии приходилось 0,45%. Остальная часть из 1,03% приходилась, таким образом, на долю слоя TiCN, нанесенного поверх внутреннего слоя TiC. При рентгеновском структурном анализе в составе частиц были обнаружены TiC и TiCN. По данным рентгеновского флюоресцентного анализа на долю Ti в покрытии приходилось 100%.

Изобретение относится к сверхтвердым абразивным материалам с покрытием для применения в абразивных инструментах. Материал содержит сердцевину или подложку из сверхтвердого абразивного материала на основе алмаза или кубического нитрида бора, внутренний слой из карбида, нитрида или борида металла, химически связанного с наружной поверхностью сверхтвердого абразивного материала, и наружный слой из карбонитрида металла, осажденного на внутренний слой. Полученный материал удерживает основные частицы в связке и с их стойкостью к окислению во время спекания и последующего использования в инструментах. 6 з.п. ф-лы.

1. Сверхтвердый абразив с покрытием, содержащий сердцевину или подложку из сверхтвердого абразивного материала на основе алмаза или кубического нитрида бора (cBN), внутренний слой из карбида, нитрида, или борида металла, химически связанного с наружной поверхностью сверхтвердого абразивного материала, и наружный слой из карбонитрида металла, осажденного на внутренний слой.

2. Сверхтвердый абразив с покрытием по п.1, у которого наружный слой выполнен из карбонитрида титана.

3. Сверхтвердый абразив с покрытием по п.1, у которого наружный слой осажден методом конденсации из паровой фазы.

4. Сверхтвердый абразив с покрытием по п.1, у которого сверхтвердый абразивный материал выбран из группы, включающей абразивные частицы алмаза или cBN, подложку из поликристаллического алмаза, подложку из термостабильного поликристаллического алмаза, подложку из поликристаллического нитрида бора, полученную методом ХОПФ алмазную пленку и монокристаллическую алмазную подложку.

5. Сверхтвердый абразив с покрытием по п.1, у которого внутренний слой получен с использованием элемента, способного индивидуально или в комбинации образовывать на поверхности(-ях) абразивного материала указанные карбиды, нитриды или бориды при нанесении покрытий горячим методом.

6. Сверхтвердый абразив с покрытием по п.5, у которого указанный элемент выбран из группы, включающей элементы групп IVa, Va, VIa, IIIb и IVB Периодической таблицы элементов.

7. Сверхтвердый абразив с покрытием по любому из предыдущих пунктов, у которого внутренний слой, когда сердцевиной является абразивный материал на основе алмаза, представляет собой покрытие из карбида титана или хрома, а когда сердцевиной является абразивный материал на основе cBN, - покрытие из нитрида, борида, или боронитрида титана, или хрома.