Матрица для алмазного инструмента на основе карбида вольфрама со связкой из эвтектического сплава Fe-C и способ её получения Российский патент 2021 года по МПК C22C26/00 B22F3/26 B24D3/10 B22F3/06 

Область, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технологии производства алмазного инструмента методами порошковой металлургии и может найти применение при изготовлении матрицы одно- и многокристальных, а также абразивных алмазных инструментов.

Уровень техники

Известен спеченный алмазосодержащий композит, описанный в работе [1], исходный состав, которого до спекания состоит исключительно из частиц порошка карбида вольфрама. Спеченный композит обладает высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками. Однако ее получение требует обеспечения последовательного использования сложных химических технологий, таких как десорбция газов, из спрессованных компактов, восстановления металла из его оксидов, и требует применения при спекании дорогостоящей специальной установки - аппарата высокого давления, обеспечивающего давление не менее 8 ГПА при температуре до 2000°C. Кроме того, алмазосодержащая матрица, полученная на основе чистого карбида вольфрама, применяется в основном для изготовления рабочих элементов абразивных инструментов с использованием только нано- или субмикронных алмазных порошков. Температурно-барический режим работы аппарата высокого давления, используемого в технологии компактирования алмазосодержащей матрицы из частиц карбида вольфрама, даже при незначительных отклонениях требуемых параметров неизбежно приводит к разрушению кристаллов алмаза, имеющих незначительные структурные дефекты.

Известны композиционные матрицы алмазных инструментов, содержащие твердосплавную вольфрамкобальтовую порошковую смесь (WC-Co) [2]. Спеченные композиты алмаз-WC-Co имеют высокую абразивную способность, твердость и термостойкость. В исходный состав таких композитов дополнительно вводят различные добавки в незначительных количествах (например, CrB₂, карбиды, бориды, силициды, нитриды и т.п.) для улучшения их отдельных физико-механических и функциональных характеристик, таких как, алмазоудержание, износостойкость, прочность и другие. Существует несколько способов получения матриц из твердосплавной порошковой смеси алмаз-WC-Co, суть которых в целом заключается в том, что процессы прессования и нагревания алмазосодержащего брикета производятся одновременно, что обеспечивает получение плотных компактов с минимальной пористостью даже при сравнительно невысоких удельных давлениях прессования [2-4]. Температура спекания таких матриц, в которых в качестве связующей фазы выступает кобальт, составляет ~1400°C и выше, что на более чем 200°C превышает верхнюю границу термостойкости почти всех марок синтетических и природных алмазов. Несмотря на большие достоинства, способ горячего прессования и его модификации уступают раздельным процессам прессования и спекания по производительности и энергетическим затратам из-за сложности и дороговизны применяемого оборудования. Кроме того, недостатком матриц на основе вольфрамокобальтовой порошковой смеси является содержание или присутствие в них кобальта, который признан токсичным элементом, вредным для окружающей среды. В некоторых странах приняты нормативно-правовые документы, стимулирующие сокращение и даже исключение применения кобальта из-за его токсичности, активизируются исследования, направленные на поиски замены кобальту в кобальтосодержащих изделиях и материалах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является алмазосодержащая матрица, включающая вольфрамокобальтовую порошковую смесь и медь [5]. Сущность способа изготовления прототипа при изготовлении матрицы многокристального алмазного инструмента заключается в том, что в предварительно пластифицированную вольфрамокобальтовую порошковую смесь-шихту засыпают в металлическую пресс-форму и производят укладку кристаллов алмаза согласно заданной схеме их расположения в матрице инструмента, затем их прессуют в брикет и сушат. При изготовлении же матрицы абразивного инструмента с использованием алмазного порошка в пластифицированную вольфрамокобальтовую смесь вводят алмазный порошок и смешивают до получения однородного распределения алмазных частиц в шихте. Затем алмазосодержащую шихту также засыпают для формования изделия в металлическую пресс-форму, прессуют в брикет и сушат. Полученные алмазосодержащие брикеты помещают в печь и спекают с пропиткой медью в условиях вакуума или восстановительной среды. Преимуществом такой матрицы, получаемой спеканием с пропиткой медью, является относительно низкая температура ее спекания, не превышающая ~4100°C, что значительно ниже порогового значения температуры, при достижении которого большинство марок синтетических алмазов теряют в прочности. Недостатком данной матрицы является не достаточно высокая прочность и износостойкость, обусловленные низкими значениями предела прочности и твердости связующей фазы матрицы - меди, цементирующей или скрепляющей при пропитке все ее компоненты. Хотя расплав меди хорошо смачивает частицы карбида вольфрама и кобальта, медь не обладает химическим сродством к алмазу, не растворяется в жидком состоянии в алмазе, и поэтому ее расплав не смачивает его поверхность (краевой угол смачивания жидкой меди поверхности алмаза в условиях вакуума ~10^-4 мм.рт.ст. и температуры ~1100°C составляет ~145°). В результате алмазы удерживаются в матрице в основном за счет механического зацепления затвердевшего расплава меди за неровности и шероховатости их поверхности, что не обеспечивает высокую прочность их сцепления с матрицей и приводит к преждевременному их выпадению или выкрашиванию из матрицы при работе инструмента. Другим недостатком алмазосодержащей матрицы, выбранной в качестве прототипа, является то, что, в ее состав входит кобальт, который, как отмечено выше, отнесен к классу токсичных и вредных для окружающей среды веществ.

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого изобретения является создание безкобальтовой, износостойкой и прочной матрицы с повышенным алмазоудержанием, и технологически простого и недорогого способа ее получения.

Техническим результатом изобретения является повышение твердости, износостойкости матрицы и прочности закрепления в ней алмазов, снижение себестоимости изготовления алмазных инструментов за счет использования недорогого по цене пропиточного материала, получаемого из низкоуглеродистой стали и графита в процессе спекания матрицы, и применения несложного и недорогого технологического оборудования.

Технический результат достигается тем, что в матрице, содержащем частицы порошка карбида вольфрама и пропиточный сплав, служащий связующей основой каркаса алмазосодержащей матрицы, согласно заявляемому изобретению, в качестве пропиточного связующего используют жидкую эвтектику железа с углеродом, образующуюся при контактном взаимодействии низкоуглеродистой стали с графитом в вакууме при температуре нагрева ~1165°C.

Известно явление образования жидкой фазы (плавления) на границе между компонентами любого сплава, составляющими эвтектическую пару, при достижении температуры эвтектики, которая значительно ниже, чем температура плавления каждого из его компонент в отдельности [6]. Свободное от примесей железо с углеродом образуют эвтектическую пару - сплав. Температура плавления такого эвтектического сплава (Fe-C) составляет 1153°C, тогда как температура плавления железа равна 1534°C, а аллотропная модификация углерода - графит плавится при температуре не менее 2600°C.

Предлагаемый способ получения матрицы при спекании с пропиткой эвтектическим сплавом Fe-C алмазосодержащего брикета из частиц карбида вольфрама основан на образовании жидкой фазы на границе контакта низкоуглеродистой стали с графитом при температуре нагрева ~1165°C. При этом содержание углерода в низкоуглеродистой стали не должно превышать 0,1 масс. %. При содержании углерода в стали, превышающем 0,1 масс. %, резко увеличивается температура, при которой происходит образование жидкой фазы эвтектического сплава Fe-C, что может негативно отразиться на прочностные характеристики кристаллов алмаза.

Расплав эвтектики Fe-C хорошо смачивает поверхность частиц порошка карбида вольфрама, что позволяет обеспечить качественную и быструю пропитку им алмазосодержащего брикета. Краевой угол смачивания расплава на основе железа поверхности частиц карбида вольфрама лежит в интервале от 0 до 90° [7]. Расплав эвтектики Fe-C также хорошо смачивает поверхность алмаза и при охлаждении прочно сцепляется с ней, обеспечивая прочное закрепление алмазов с матрицей инструмента.

Применение широко доступной и недорогой марки низкоуглеродистой стали и графита позволяет, в частности, удешевить получение пропиточного материала, и в целом себестоимость изготовления алмазного инструмента.

На фиг. 1 (а,б) приведена схема спекания матрицы на основе WC с пропиткой эвтектическим сплава Fe-C при изготовлении алмазного бруска.

Ниже приводится детальное описание изобретения на частном примере изготовления алмазного хонинговального бруска, в котором отражены основные существенные отличительные заявляемых технических решений.

Шихта из частиц порошка карбида вольфрама не поддается формованию при обработке давлением в стальных пресс-формах без введения клеящих добавок - пластификаторов. В связи с этим сначала шихту пластифицируют, например, 10%-тным раствором каучука в бензине. В пластифицированную шихту вводят алмазный порошок размерностью 100/80 мкм и тщательно перемешивают для равномерного распределения в ней частиц алмаза. Затем алмазосодержащую шихту засыпают в стальную пресс-форму и прессуют на гидравлическом прессе в брикет. Давление прессования составляет 45-75 МПа. Просушенный отформованный в виде вытянутого бруска алмазосодержащий брикет 1 располагают на керамическую подложку 2 (Фиг. 1а, б). Керамическая подложка 2 исключает приваривание к ней алмазосодержащей матрицы пропиточным материалом. На поверхность брикета 1 устанавливают брусок 3, изготовленный из низкоуглеродистой стали с содержанием углерода не более 0,1 масс. %. На этот стальной брусок 3 располагают графит 4 марки, например, ГСМ-1, в форме прямоугольного параллелепипеда. При этом обеспечивают плотное прилегание графита 4 к стальному бруску 3 путем шлифовки-сопряжения их контактирующих поверхностей и приложением механической нагрузки - груза на верхнюю поверхность графита 4. Вес груза определяется опытным путем с учетом веса графита 4.

Спекание алмазосодержащего брикета производят в вакуумной печи. На начальном этапе нагрева до достижения температуры 600-800°C во избежание разрушения сырого и еще не прочного алмазосодержащего брикета газами и парами соединений, интенсивно образующихся при разложении и удалении пластификатора, рекомендуется производить медленный нагрев заготовки матрицы со скоростью, не превышающей 10°C/мин. с последующими 1-2 выдержками по 15-30 минут, каждая. Затем при скорости нагрева 45-75°C/мин. температуру доводят до ~1165°C и держат ее постоянной в течение 10-30 мин. При достижении этой температуры на границе, где поверхность стального бруска 3 плотно контактирует с графитом 4, появляется жидкая фаза эвтектического сплава Fe-C 5. Образовавшаяся жидкая эвтектика Fe-C 5, выдавливается и под действием силы тяжести тонким слоем стекает по стенке стального бруска 3 на поверхность алмазосодержащего брикета 1 и пропитывает его (Фиг. 1б). Заполнение пор-капилляров алмазосодержащего брикета 1 жидкой эвтектикой Fe-C 5 происходит под действием капиллярного эффекта силы и сил поверхностного натяжения. При этом капиллярный эффект и хорошее смачивание расплавом эвтектики Fe-C частицами карбида вольфрама и алмаза способствует проникновению в самые мелкие нано и субмикроскопические размерные поры-капилляры, полной и равномерной пропитке всего объема алмазосодержащего брикета 1 в течение 10-30 минут.

В связи с тем, что в описываемом частном примере реализации изобретения - изготовления алмазного бруска, имеющем сложную конфигурацию в виде узкого вытянутого параллелепипеда, стальному бруску 3 придана специальная форма. Как видно на Фиг. 1б, стальной брусок 3 в поперечном сечении имеет вид перевернутой трапеции. Такая форма стального бруска 3 способствует стеканию и попаданию жидкой эвтектики Fe-C 5, образующейся в зоне контакта его поверхности с графитом 4, на поверхность узкого алмазосодержащего брикета 1 для его равномерной пропитки в направлении сверху вниз. Помимо этого форма стального бруска 3, обеспечивает большую контактную площадь его поверхности с графитом 4, что способствует образованию жидкой фазы эвтектического сплава Fe-C в количестве достаточном в течение короткого промежутка времени для полной пропитки ею всего объема алмазосодержащего брикета 1. Процесс получения матрицы инструмента спеканием с пропиткой эвтектикой Fe-C заканчивается охлаждением печи до комнатной температуры. При кристаллизации расплава эвтектики Fe-C частицы алмазного порошка прочно закрепляются в матрице, состоящей из частиц порошка карбида вольфрама, образующих каркас, и скрепляющего эти частицы связующего - эвтектического сплава Fe-C. Остаток стального бруска и затвердевшего эвтектического сплава удаляются с поверхности матрицы путем механической обработки.

В таблице 1 приведены результаты измерений микротвердости разработанной матрицы, состоящей из частиц карбида вольфрама, и связующего из эвтектического сплава Fe-C.

Для сравнения представлена микротвердость матрицы - прототипа, состоящей из смеси частиц вольфрамокобальтового порошка (ВК6) и медного связующего. Как видно, микротвердость разработанной матрицы в 3,6 раза выше микротвердости матрицы - прототипа.

Использованные источники

[1] - Бочечка А.А., Гадзыра Н.Ф., Назарчук С.Н., Гаврилова B.C., Романко Л.А., Н.Н. Белявина Н.Н., Черниенко А.И. Композит алмаз-карбид вольфрама на основе алмазного порошка АСМ 1/0. // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения. Сборник научных трудов ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины. - Киев. - 2009. - Выпуск 12. - С. 244-247.

[2] - Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А., Олейник Г.С. Влияние диффузии и химических реакций на структуру и свойства буровых вставок. 2. Результаты аттестации структурного состояния сверхтвердых материалов состава алмаз-твердый сплав ВК6. // Физическая мезомеханика. - 2006. - Т.9. - №2. - С. 107-116.

[3] - Симкин Э.В. Исследование сверхтвердых композиционных материалов для бурового инструмента. // Физика и техника высоких давлений. - 1987. - №25. - С. 49-53.

[4] - Новиков Н.В., Майстренко А.Л., Трефилов В.И., Ковтун В.И. Некоторые свойства композитов ВК6-алмаз, полученных в ударных волнах. // Порошковая металлургия. - 1993. - №4. - С. 102-106.

[5] - Бакуль В.Н., Никитин Ю.И., Верник Е.Б., Селех В.Ф. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента. - М., изд. «Машиностроение». - 1975. с. 268-272.

[6] - Саратовкин Д.Д., Савинцев П.А. Образование жидкой фазы в месте контакта двух кристаллов, составляющих эвтектическую пару. - Доклады академии наук СССР. - 1947. - Т. 33, N 4, C. 303-304.

[7] - Аникеев А.Н., Чуманов В.И., Чуманов И.В. Изучение смачиваемости WC расплавом железа различными методами. // Вестник Южно-Уральского госуниверситета. Серия. Металлургия. - 2013. - Т. 13. - №2. - С. 46-44.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению алмазосодержащей матрицы для алмазных инструментов. Алмазосодержащая матрица содержит карбид вольфрама и пропиточный сплав в виде низколегированной стали с содержанием углерода не более 0,1 мас. % и температурой образования жидкой фазы 1153-1165°C. Из зерен алмаза и предварительно пластифицированных частиц порошка карбида вольфрама готовят шихту, укладывают ее в металлическую пресс-форму и формуют брикет. На поверхность горизонтально расположенного алмазосодержащего брикета устанавливают сопряженную с ним по форме и размеру заготовку пропиточного сплава из низкоуглеродистой стали с содержанием углерода не более 0,1 мас. %. На заготовке пропиточного сплава размещают графит с обеспечением контакта между их соприкасающимися поверхностями, к поверхности графита прикладывают нагрузку. Спекание с пропиткой проводят путем нагрева до температуры 600-800°C со скоростью не более 10°C/мин с последующим нагревом со скоростью 45-75°C/мин до температуры 1165°C и выдержкой при этой температуре в течение 10-30 мин. Обеспечивается высокая твердость и износостойкость матрицы, повышение прочности и надежности закрепления алмазов в матрице. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Алмазосодержащая матрица для алмазного инструмента, содержащая карбид вольфрама и пропиточный сплав, служащий каркасом алмазосодержащей матрицы, отличающаяся тем, что в качестве пропиточного сплава она содержит низколегированную сталь с содержанием углерода не более 0,1 мас. % и температурой образования жидкой фазы 1153-1165°C.

2. Способ получения алмазосодержащей матрицы по п. 1, включающий приготовление шихты из смеси зерен алмаза и предварительно пластифицированных частиц порошка карбида вольфрама, укладку компонентов шихты в металлическую пресс-форму, формование в брикет, его сушку и спекание с пропиткой пропиточным сплавом в вакуумной печи, выдержку для инфильтрации пропиточного сплава и охлаждение, отличающийся тем, что на поверхность горизонтально расположенного алмазосодержащего брикета устанавливают сопряженную с ним по форме и размеру заготовку пропиточного сплава из низкоуглеродистой стали с содержанием углерода не более 0,1 мас. %, на заготовке пропиточного сплава размещают графит с обеспечением контакта между их соприкасающимися поверхностями, к поверхности графита прикладывают нагрузку, а спекание с пропиткой проводят путем нагрева до температуры 600-800°C со скоростью не более 10°C/мин с последующим нагревом со скоростью 45-75°C/мин до температуры 1165°C и выдержкой при этой температуре в течение 10-30 мин.