связка для изготовления алмазного инструмента

Формула изобретения

1. Связка для изготовления алмазного инструмента, содержащая железо и легирующую добавку в виде нанопорошка, при этом содержание в связке легирующей добавки составляет 1-15 мас.%.

2. Связка по п.1, в которой в качестве легирующей добавки используют карбид вольфрама, или вольфрам, или оксид алюминия, или диоксид циркония, или карбид ниобия.

3. Связка по п.1, в которой в качестве легирующей добавки используют ультрадисперсные алмазы, покрытые серебром или никелем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, к способам получения изделий из твердосплавных материалов. Изобретение может быть использовано в качестве связок на основе железа при изготовлении алмазного режущего инструмента для стройиндустрии и камнеобработки, включая отрезные сегментные круги (АОСК) различной конструкции и канаты для резки железобетона и асфальта, применяемые при реконструкции шоссейных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов, реновации металлургических предприятий, АЭС, мостов и других сооружений; сверла для резки монолитного железобетона; диски и канаты для карьерной добычи натурального камня и крупносерийного производства облицовочных материалов.

Связка оказывает влияние на конструкцию инструмента. В зависимости от связки выбирается материал корпуса, метод соединения алмазоносного слоя с корпусом. Физико-механические свойства связок предопределяют возможную получаемую форму и размеры алмазно-абразивного инструмента.

Известна связка для изготовления алмазного инструмента (RU 2172238 С2, опублик. 20.08.2001, кл. B 24 D 3/06), содержащая основу в виде меди и добавки в виде олова, никеля, алюминия и ультрадисперсного алмаза.

Недостатком известного материала является недостаточная износостойкость, твердость, прочность и ударная вязкость.

Прототипом заявленного изобретения является связка для изготовления абразивного инструмента (SU 1167840 А1, опублик. 10.10.1999), содержащая металл, выбранный из группы железа Периодической системы, карбид титана и соединение металла с металлоидом. С целью повышения прочности связки и надежности закрепления алмазного зерна в связке дополнительно содержится карбид циркония.

Недостатком известной связки также является недостаточная твердость и прочность.

В изобретении достигается технический результат, заключающийся в повышении износостойкости без существенного увеличения температуры спекания, а также твердости, прочности и ударной вязкости.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Связка для изготовления алмазного инструмента содержит железо и легирующую добавку в виде нанопоршка. Содержание в связке легирующей добавки составляет 1-15 мас. %.

При этом в качестве легирующей добавки используют карбид вольфрама или вольфрам или оксид алюминия, или диоксид циркония, или карбид ниобия.

Также в качестве легирующей добавки используют ультрадисперсные алмазы, покрытые серебром или никелем.

За счет наличия железа как основного компонента состава связка удовлетворяет следующим требованиям:

а) обладает хорошей смачиваемостью по отношению к алмазу;

б) прочно удерживает алмазные зерна;

в) обеспечивает самозатачивание, т.е. по мере затупления алмазных зерен изнашивается, способствуя выкрашиванию затупившихся зерен и вскрытию режущих граней новых зерен;

г) обладает достаточной термостойкостью и имеет хорошую теплопроводность;

д) в паре с обрабатываемым материалом имеет минимальный коэффициент трения;

е) имеет коэффициент линейного расширения, приближающийся к коэффициенту линейного расширения алмаза;

ж) не вступает в химическое взаимодействие с обрабатываемым материалом и охлаждающей жидкостью.

Легирующие добавки указанного состава обеспечивают высокую твердость, жаропрочность и термостойкость связок.

Содержания легирующих добавок в количестве ниже минимального значения указанного диапазона (1 мас. %) недостаточно для обеспечения равномерного распределения по всему объему материала, и их влияние на структуру и свойства полученного материала незначительно. При превышении максимального значения диапазона (15 мас. %) содержание легирующего материала - нанокомпонента слишком велико. Так как легирующий материал является более твердым материалом по сравнению с железом, то он выступает в роли концентратора напряжений, что сильно охрупчивает материал и приводит к снижению прочностных характеристик и износостойкости связки.

Связки могут быть получены методом порошковой металлургии: спеканием с последующим прессованием при температуре спекания. Этот метод является высокопроизводительным, так как продолжительность процесса нагрева до температуры спекания, выдержка при температуре спекания, прессование и охлаждение до комнатной температуры не превышает 15 минут. Высокие скорости нагрева и равномерное распределение температур в рабочей камере обеспечиваются за счет пропускания электрического тока через спекальную форму, которая одновременно является и пресс-формой. По окончании выдержки при температуре отжига сразу же проводится прессование для обеспечения необходимых плотности и формы изделий. Конструкция пресс-формы позволяет проводить процесс в инертной или защитной атмосфере, что повышает качество инструмента.

В таблице приведены примеры, показывающие зависимость состава связок и их свойств.

Материалы связок по изобретению обеспечат лучшие экономические показатели по сравнению с аналогами ведущих мировых производителей по критериям цена/ресурс и цена/производительность. Так, например, алмазосодержащие сегменты для резки асфальта работают в сверхтвердой абразивной среде. Традиционное упрочнение матрицы за счет введения карбида вольфрама имеет ограничение по концентрации из-за необходимости повышения температуры спекания (это означает снижение прочности алмазов и дополнительный износ технологической оснастки).

Введение легирующих добавок - наночастиц в связку позволит увеличить ее износостойкость без существенного увеличения температуры спекания. Сегменты для резки гранита вовлечены в массовое производство строительных облицовочных материалов и поэтому сами являются массовым продуктом. Стоимость их изготовления и удельные расходы на эксплуатацию играют важную роль в экономике соответствующего производства. Замена традиционных высококобальтовых связок на связки на основе железа уменьшит соответствующие затраты на сырье. При этом служебные характеристики (износостойкость, твердость, ударная вязкость) таких связок будут сохранены введением в них наночастиц WC, Al₂О₃ и других.

Материалы, использующиеся в качестве связки для изготовления перлин, пригодные для горячего прессования, во многом подошли к пределу по служебным характеристикам. Дальнейшее развитие идет по пути технологии горячего изостатического прессования (ГИП), что требует очень больших капитальных затрат на оборудование стоимостью в несколько миллионов долларов. С другой стороны, методом горячего прессования за счет введения в связку наночастиц можно изготовить перлины с характеристиками, близкими к перлинам, полученным по ГИП-технологии.

Введение легирующих добавок - нанопорошков карбида вольфрама или вольфрама, или оксида алюминия, или диоксида циркония, или карбида ниобия обеспечивает высокую прочность, теплопроводность и трещиностойкость. Контролируемые малые добавки легирующих элементов дают уникальное сочетание свойств: прочности, твердости, трещиностойкости, коэффициента трения в зоне резания, что позволяет повысить срок службы изделий в особо нагруженных условиях на 10-20% относительно базового варианта при сохранении режущей способности. Замена кобальтовых связок на более дешевые связки на основе железа позволит снизить затраты на производство изделий на 15-20%.