Способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента Российский патент 2024 года по МПК B22F3/26 B24D3/10 C22C1/05 

Область техники, к которой относится изобретение. Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к способам изготовления алмазного породоразрушающего инструмента: алмазных коронок, долот, расширителей.

Уровень техники. В производстве алмазного инструмента известен и широко используется способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента (Ю.Е. Будюков, В.И. Власюк, В.И. Спирин «Алмазный породоразрушающий инструмент» - Тула:ИПП»Гриф иК», 2005-286 с., ил.), включающий размещение в пресс-форме алмазных зерен и материала матрицы, прессование и пропитку связующим металлом. Одним из обязательных условий для пропитки материала матрицы алмазного инструмента является: сравнительно не высокая температура плавления пропиточного материала(до 1200°С), предпочтительнее до 900°С, для того, чтобы избежать повреждения алмазных зерен, и удовлетворительная смачиваемость алмазных порошков пропиточным материалом. Кроме того, пропиточный материал, образующий связку, удерживающую алмазные зерна, предпочтительно должен обеспечивать образование с алмазными порошками связь, имеющую химический характер, что данным способом изготовления не возможно.

Известен способ изготовления алмазного инструмента (патент на изобретение США, US №2011165826, B24D), включающий формирование брикета из шихты, содержащей алмазные порошки и компоненты металлической связки и пропитку пропитывающим материалом. В качестве компонентов металлической связки служат металлы или сплавы металлов, выбранных из группы железа, вольфрам, кобальт, хром, титан, серебро, а также редкоземельные элементы, например, церин, лантан, ниодим или их комбинации. Пропитывающим материалом может служить медь либо ее сплавы с оловом, цинком.

Недостаток этого способа состоит в том, что для обеспечения надежной адгезионной связи алмазных порошков компонентов металлических связок и пропиточного материала пропитка должна быть длительной по времени, так как в течение времени пропитки должны пройти металлургические процессы взаимодействия компонентов связки с образованием лигированных активных сплавов, создающих адгезию металлов друг к другу и к алмазу, и потому надежда для лучшего удержания алмазов в металлической связке при этом способе изготовления инструмента не является определенно достижимой.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента(патент на изобретение Россия, RU №1011339 А, B22F, 7/06), включающий размещение в пресс-форме алмазных зерен и шихты материала матрицы, введение активатора в виде насыщенного водного раствора соли, прессование и пропитку связующим материалом в результате которой происходит спекание матрицы и ее припайка к корпусу коронки. Недостатком этого способа является то, что использование в качестве активатора насыщенного раствора хлорной меди приводит к образованию трещин в инструменте после спекания и снижению стойкости инструмента, так как между медью и алмазом не возникает достаточно прочной связи потому, что алмаз химически инертен и медь в жидком состоянии не смачивает его. Для обеспечения адгезии по всей поверхности алмазных зерен необходимо, чтобы компоненты связующего находились рядом с алмазными зернами. При этом способе изготовления происходит снижение стойкости инструмента.

Раскрытие сущности изобретения. Предлагаемое изобретение направлено на достижение важного технического результата - повышение стойкости алмазного породоразрушающего инструмента за счет улучшения закрепления алмазов в матрице на основе эффективного удаления окисных пленок на металлических порошках и повышения смачиваемости металлом алмазных зерен.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента включает размещение в пресс-форме порошков алмазных зерен и шихты материала матрицы, введение в состав шихты материала матрицы порошка, адгезионно-активного к алмазу сплава, зернистостью 30-100 мкм в количестве 4-5% от веса шихты материала матрицы, а в качестве активатора используют водный раствор хлористого кальция в количестве 3.5-4.5% от веса шихты материала матрицы, при этом в качестве порошка адгезионно-активного к алмазу сплава в шихту материала матрицы вводят порошок алюминия зернистостью 30-100 мкм, а в качестве связующего пропиточного материала используют медь или сплавы на основе меди с температурой плавления не выше 1180°С.

При введении в состав шихты материала матрицы порошка алюминия, обладающего более высоким сродством к кислороду по сравнению с большинством металлов, он выполняет роль активного восстановителя и отбирает кислород у вторично окисленных металлических порошков. Окисление вторичное этих порошков происходит после разрушения их окисных пленок насыщенным водным раствором хлористого кальция вследствие взаимодействия при термообработке металлов порошков с кислородом воздуха, содержащегося в порах спрессованной матрицы инструмента, при этом окисленные поверхности металлов восстанавливаются по следующей реакции

3МеО+2Al=Al₂O₃+3Me,

В результате ювенильные поверхности металлов порошков активно взаимодействуют между собой и образуют адгезионно-прочное химическое соединение алмаза с материалом матрицы.

Сущность предложения использовать адгезионно-активный порошок алюминия зернистостью 30-100 мкм заключается в том, что даже небольшое количество этого порошка в шихте материала матрицы обеспечивает равномерное распределение его по всему объему. При этом кинетика плавления металлического порошка в значительной мере зависит от размера частиц, чем меньше частицы, тем раньше и быстрее протекает процесс образования адгезионно-активного сплава (пропиточного материала) по отношению к алмазу, который, растекаясь по поверхности алмазных зерен, образует с ними прочную химическую связь. Тем самым создаются условия для прочного закрепления алмазов в материале металлической матрицы, кроме того, алмазные зерна, покрытые жидкой фазой, предохраняются от окисления, следовательно, от разрушающего воздействия высоких температур. Исследованиями установлено, что наиболее активно процесс образования адгезионно-активного сплава протекает для алюминиевого порошка в интервале его зернистости 30-100 мкм.

Выбор количества порошка алюминия в составе шихты материала матрицы обоснован практическими исследованиями авторов. При его введении в состав шихты материала матрицы менее 4.0 вес. % имеет место неполное смачивание алмазов алюминием и. как следствие повышенное обнажение алмазов в этих зонах. При введении алюминиевого порошка более 5% имеет место перерасход алюминия.

Применение насыщенного водного раствора хлористого кальция обеспечивает более интенсивное разрушение окисных пленок на поверхности металлических порошков и ускоряет процесс взаимодействия металлов.

Выбор количества насыщенного водного раствора хлористого кальция как 3.5-4.5% от веса материала матрицы обоснован практическими исследованиями, проведенными авторами. При введении насыщенного водного раствора хлористого кальция в сосав шихты материала матрицы менее 3.5 вес. % имеет место неполное растворение окисных пленок и, как следствие, недопропитка матриц в этих зонах. При введении вышеуказанного раствора более 4.5 вес. % имеет место перерасход раствора.

Осуществление изобретения. Пример осуществления способа.

В графитовую пресс-форму устанавливают по определенной схеме алмазы и помещают шихту материала матрицы в виде смеси твердосплавных порошков ВК 8, карбида вольфрама, релита и порошка алюминия в количестве 4-5% от веса шихты материала матрицы. После этого вводят насыщенный водный раствор хлористого кальция в количестве 3.5-4.5% от веса шихты материала матрицы. Далее корпусом алмазной коронки проводят прессование матрицы при удельном давлении 500-1000 кг/см², после чего пресс-форму подвергают распрессовке. Спрессованную заготовку, например, коронку подвергают сушке при 150-200°С и внутрь коронки вводят определенное количество связующего материала - меди. После этого производят пропитку при температуре 1130°С 10-15 мин и охлаждение до температуры 300°С. Затем полученную коронку извлекают из графитовой формы и подвергают механической обработке.

Заявленное изобретение может быть осуществлено при помощи описанных в заявке средств с применением стандартного оборудования производства РФ.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа изготовления алмазного инструмента заключается в повышении стойкости алмазного породоразрушающего инструмента, при средней проходке на коронку 100м коронка, изготовленная описанным способом, позволяет получить экономию 1200руб. по сравнению с применением стандартной коронки.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу изготовления алмазного породоразрушающего инструмента. Может использоваться для изготовления алмазных коронок, долот, расширителей. В пресс-форме размещают порошки алмазных зерен и шихты материала матрицы, содержащей порошок адгезионно-активного к алмазу материала зернистостью 30-100 мкм в количестве 4-5 % от веса шихты материала матрицы. Затем вводят активатор в виде водного раствора хлористого кальция в количестве 3,5-4,5 % от веса шихты материала матрицы, осуществляют прессование и пропитку связующим материалом. Обеспечивается повышение смачиваемости алмазных зерен металлом и улучшение закрепления алмазов в матрице. 2 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента, включающий размещение в пресс-форме порошков алмазных зерен и шихты материала матрицы, введение активатора в виде водного раствора соли, прессование и пропитку связующим материалом, отличающийся тем, что в состав шихты материала матрицы вводят порошок из адгезионно-активного к алмазу материала зернистостью 30-100 мкм в количестве 4-5 % от веса шихты материала матрицы, а в качестве активатора используют водный раствор хлористого кальция в количестве 3,5-4,5 % от веса шихты материала матрицы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве порошка из адгезионно-активного к алмазу материала в шихту материала матрицы вводят порошок алюминия.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве связующего материала используют медь или сплавы на основе меди с температурой плавления не выше 1180°С.