способ изготовления гранул алмазных частиц, гранула алмазной частицы и способ изготовления алмазных сегментов

Формула изобретения

1. Способ изготовления гранул алмазных частиц, при котором их покрывают связующим с металлическим порошком и производят термообработку, отличающийся тем, что алмазные частицы предварительно покрывают карбидообразующим металлом, после чего на подушку из газоожиженных покрытых абразивных частиц напыляют взвесь металлического порошка и связующего вещества с летучим растворителем в количестве, по меньшей мере равном 20% по массе алмазных частиц, а термообработку ведут сначала до удаления летучего растворителя при температуре, которая по меньшей мере на 50^oС ниже температуры плавления карбидообразующего металла, затем - при температуре, обеспечивающей получение спеченного наружного металлического покрытия на гранулах абразивного материала, после чего температуру увеличивают для разжижения карбидообразующего металла до получения карбида металла на алмазной частице.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что напыление на подушку из газоожиженных абразивных частиц карбидообразующего металла осуществляют с одновременным нанесением на них связующего вещества и летучего растворителя.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что первую стадию термообработки производят при температуре, которая по меньшей мере на 100^oС ниже температуры плавления карбидообразующего металла.

4. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что металлический порошок выбирают из группы: кобальт, никель, железо, медь, олово, молибден, бор, титан, вольфрам, хром, ванадий, марганец, ниобий, цирконий, гафний, их сплавы, карбиды и смеси.

5. Гранула алмазной частицы, выполненная в виде покрытой слоем металлического порошка алмазной частицы, отличающаяся тем, что алмазная частица дополнительно покрыта карбидообразующим металлом, расположенным между алмазной частицей и слоем металлического порошка, температура спекания которого по меньшей мере на 50^oС меньше температуры плавления карбидообразующего металла, при этом размер гранулы составляет 0,2 - 2,4 мм.

6. Гранула по п.5, отличающаяся тем, что слой металлического порошка имеет температуру спекания, по меньшей мере на 100^oС меньше температуры плавления карбидообразующего металла.

7. Способ изготовления алмазных сегментов, при котором в форму помещают абразивную гранулу и припойный металл, после чего производят термообработку смеси, отличающийся тем, что в форму дополнительно вводят металлические гранулы, не содержащие абразивных частиц, при этом гранулу берут в виде абразивной частицы, покрытой по меньшей мере 20% по массе абразивных частиц слоем спеченного металла.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что в качестве абразивных частиц берут частицы кубического нитрида бора.

9. Способ по пп.7 и 8, отличающийся тем, что сегмент имеет пористость 10 - 50%.

10. Способ по пп.7 - 9, отличающийся тем, что абразивные частицы содержат покрытие из припойного металла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лезвиям пилы, например такой, которая используется для распиливания твердых и/или абразивных материалов, таких как гранит, мрамор, цемент, асфальт и других подобных материалов, в частности изобретение относится к покрытым металлом гранулам в абразивных частицах, используемых при изготовлении режущих сегментов лезвия пилы.

Как правило, резка твердых материалов, таких как гранит, мрамор, бетон с наполнителем, асфальт и другие подобные материалы осуществляется с применением алмазных пил. Лезвие для пил такого типа включает круглый стальной диск, имеющий несколько расположенных на расстоянии друг от друга сегментов на его режущей кромке, причем эти сегменты состоят в основном из алмазного абразива, связанного подходящей матрицей из сплава или метала, такого как бронза или кобальт. Алмазный абразив обычно представляет собой природный алмаз в виде отдельного кристалла или синтетический алмаз в виде отдельного кристалла.

Предлагается использовать комбинацию термостойких поликристаллических алмазных режущих элементов, рассеянных в связующей матрице (патенте США N 4883500).

Однако при приготовлении сегментов и лезвий пилы, содержащих такие сегменты, возникают различные проблемы. Например, для оптимизации работы лезвия пилы желательно предотвращать агломерацию алмаза в порошках металлической связи во время перемешивания и смешения. Это позволит максимально эффективно использовать алмазные абразивные кристаллы. Кроме того удобно иметь регулируемую пористость в каждом сегменте для подачи локализованного охлаждающего вещества во время применения, для сокращения термического разрушения алмаза и/или связующего металла.

При резке гранита, например, лезвиями дисковой пилы боковое отклонение лезвия во время его вхождения в более твердые участки камня может привести к получению неплоских поверхностей разреза. Это приводит к необходимости осуществлять дорогостоящее шлифование и увеличивает стоимость обработки камня.

Одним из решений этой проблемы в данной области было создание слоистых сегментов с различным характером износа для обеспечения соответствия пропилу в камне, что уменьшает вероятность бокового отклонения лезвия во время резки. До настоящего времени дифференциальный износ достигался за счет изменения концентрации алмазного материала по поверхности или посредством добавления износостойкого материала в другие части сегментов (патент США N 4883500). В этих способах используется методика заполнения полости прессования в три последовательных приема холодного прессования с последующей отдельной операцией горячего прессования для спекания матрицы металлического порошка.

В течение нескольких десятилетий было принято смешивать алмазные абразивные порошки с мелким металлическим порошком для получения сегментов путем горячего прессования в спекающем прессе. Находящиеся в воздухе частицы мелкого металлического порошка, если они токсичны или являются канцерогенными, представляют возможную опасность для здоровья. Разница размеров, формы и плотности алмаза и металлов затрудняет получение однородных смесей. Кроме того, желательно автоматизировать загрузку формы.

Изобретение предназначено для решения проблем, связанных с алмазными лезвиями пил и сегментом.

Особенностью этого изобретения является способ изготовления гранул с металлическим покрытием, состоящий из следующих стадий:

(а) покрытие алмазных частиц карбидообразующим металлом;

(б) напыление на подушку из газоожиженных покрытых абразивных частиц согласно стадии (а) взвеси металлического порошка, связующего вещества и летучего растворителя до того момента, когда каждая из частиц абразивного материала будет покрыта снаружи по крайней мере 20 мас. упомянутого металлического порошка, причем металлический порошок имеет температуру спекания, которая по крайней мере на 50^оС ниже температуры плавления карбидообразующего металла;

(в) извлечение покрытых металлическим порошком гранул абразива согласно стадии (б), по существу не содержащих летучего растворителя;

(г) нагревание извлеченных покрытых гранул абразивного материала в определенных условиях для получения спеченного сплошного наружного металлического покрытия на гранулах абразивного материала;

(д) нагревание гранул согласно стадии (г) при другой более высокой температуре для разжижения карбидообразующего металла для получения карбида некоего металла из частицы алмаза.

Полученные гранулы абразивного материала с двойным покрытием составляют еще одну часть изобретения.

Другими особенностями изобретения являются

размещение множества гранул абразивного материала, каждая из которых включает частицы абразивного материала, покрытые по крайней мере 20% по массе спеченного металла, причем металлические гранулы не содержат частиц абразивного материала, и источника металлического припоя в полости формы;

нагревание содержимого полости формы при соответствующей температуре, давлении и в определенной среде для получения сегмента лезвия пилы, содержащего частицы абразивного материала с требуемой концентрацией частиц абразивного материала.

Преимуществами изобретения является изготовление гранул с двойным покрытием, имеющим внутреннее покрытие из карбида металла и наружное металлическое покрытие для увеличения совместимости гранул в инструментах с металлической связью и сегментов инструмента для сопротивления выпаданию. Другим преимуществом является методика изготовления сегментов лезвий для пилы, которая позволяет изготовителю контролировать плотность частиц абразивного материала их распределение в сегменте лезвия пилы.

На фиг. 1 показано график зависимости содержания алмазного материала (в мас. ) и концентрацию (в каратах на см₃) для алмазных гранул размером 30/40 меш, покрытых кобальтом, от диаметра гранул; на фиг. 2 график зависимости содержания имитирующих шаров от содержания алмазного материала для различных размеров меш гранул алмазного материала; на фиг. 3 сегмент лезвия пилы, изготовленный с рядом спеченных гранул, показывающий характер канавки, образующейся на режущей кромке с распилом подложки лезвием пилы, содержащим такой сегмент.

Известен способ покрытия частиц абразивного материала (например, алмазных частиц и частиц кубического нитрида бора СВN), состоящий из стадий подготовки взвеси металлического порошка и связующего вещества, растворенного в органическом растворителе, разжижения определенного количества зерен абразивного материала в рабочем сосуде и напыления взвеси в сосуде на зерна абразивного материала во время его разжижения для получения по существу равномерного покрытия взвеси на каждом из зерен абразивного материала (патент США N 4770907). Однако для практики данного изобретения возможно применение водных связующих веществ, а для некоторых металлических порошков оно более предпочтительно.

В известном способе (предлагается использовать покрытые частицы абразивного материала при изготовлении сегментов лезвия пилы. Во время исследований, результатом которых явилось настоящее изобретение, было обнаружено, что применение таких сырых (неспеченных) гранул абразивных частиц приводит к разрушению гранул и неравномерному распределению части абразивного материала. Хотя такие сырые гранулы являлись усовершенствованием по сравнению с раздельным вводом металлического порошка и частиц абразивного материала в форму, они были признаны слишком хрупкими для использования в качестве промышленного изделия.

Изобретение направлено на создание способа изготовления гранул частиц абразивного материала с прочным двойным металлическим покрытием. Начальные стадии этого процесса осуществляют в соответствии с известным способом (патент США N 477907), за исключением того, что связующее вещество может растворяться в водном или органическом растворителе. Связующее вещество может быть термопластичным для того, чтобы оно отверждалось или "схватывалось" за счет испарения растворителя, которое происходит постоянно во время получения гранул в газоожиженной подушке абразивных частиц. Как вариант, связующие вещества с термическим твердением можно применять, если они отверждаются при используемой температуре ожижающего газа. Температура ожижающего газа не будет слишком избыточной, если не требуется специального оборудования и способов обращения с материалами. Таким образом, выбираемые связующие вещества должны застывать при сравнительно малых температурах, например немного превышающих 100^оС.

Ожижающий газ обычно включает воздух для увеличения эффективности и экономии, хотя инертные или другие газы также можно использовать, если это необходимо, желательно или более удобно. Например, неокисляющие газы могут быть более предпочтительны если металлический порошок чувствителен к окислению. Процентная масса покрытия, связанного с частицами абразивного материала, представляет собой функцию времени, в течение которого ожиженная подушка частиц подвергается напылению взвесью. Для достижения целей изобретения пропорция металлического карбидообразующего порошка должна составлять по крайней мере около 20 мас. частиц абразивного материала, покрываемых им. Для конкретных процессов неполное внутреннее покрытие частиц абразивного материала допустимо, хотя более предпочтительно, если каждая частица полностью покрыта сплошным металлическим покрытием.

Сырые гранулы частиц абразивного материала после первой операции напыления летучего растворителя за счет высушивания ожижающего газа и имеют сферическую форму. Нагревание сырых гранул можно применять для удаления дополнительного количества растворителя, если это необходимо.

Внутреннее покрытие образуется карбидообразующим металлом, который предпочтительно выбирают из ряда металлов, состоящего из никеля, кобальта, железа, хрома, титана, тантала, вольфрама, молибдена, бора, ванадия, кремния, циркония, гафния, ниобия и подобных металлов и их смесей. Так как внутреннее покрытие можно спекать, предпочтительно такие покрытые абразивные частицы покрывают взвесью из металлического порошка, связующего вещества и летучего растворителя в течение времени, необходимого для покрывания всех покрытых частиц абразивного материала снаружи по крайней мере 20 мас. второго металлического порошка. Второй металлический порошок имеет температуру спекания, которая по крайней мере на 50^оС меньше температуры плавления карбидообразующего металла. Гранулы абразивного материала с двойным покрытием затем нагревают при соблюдении определенных условий для получения сплошного наружного покрытия спеченного металла на гранулах абразивного материала. После этого температуру увеличивают до второго более высокого значения для разжижения карбидообразующего металла с целью получения карбида какого-либо металла из алмазной частицы. За счет получения металлического карбида из внутреннего покрытия карбидообразующего металла и алмазных абразивных частиц целостность покрытия и его сцепляемость с алмазными частицами значительно увеличивается.

Наружное спеченное покрытие обеспечивает разжижение карбидообразующего металла, при этом он не теряется во время перехода в жидкую фазу. Кроме того, сохраняется целостность сферических гранул. Температурный дифференциал, по крайней мере в 50^оС, обеспечивает спекание наружного металлического покрытия до разжижения внутреннего покрытия. Желательно, чтобы температурный дифференциал составлял по крайней мере 100^оС. Дополнительные наружные покрытия, которые могут быть сплошными или несплошными, включают металлические или сплавные припои, флюсующие покрытия и т.д. для увеличения степени применения таких гранул в металлических сегментах лезвия пилы, а также в других инструментах и сегментах инструментов. Когда покрытые частицы затем используются при изготовлении сегментов лезвия пилы, металлические покрытия можно связать с металлической матрицей сегмента, которая в сочетании с металлическим карбидным покрытием сокращает вероятность преждевременного выпадения абразивных частиц во время резки.

Температура спекания и условия зависят от конкретного металлического порошка, выбранного для двойного покрытия абразивных частиц. Условия могут включать вакуум, а также инертную или восстановительную среду, устанавливаемую во время спекания. Связующее вещество обычно удаляется во время операции спекания. Таким образом, некоторое нагревание частиц, покрытых только внутренним покрытием из карбидообразующего металла для обжигания связующего вещества рекомендуется осуществлять перед покрыванием таких покрытых частиц снаружи. Размер сырых гранул после операции ожижения всегда зависит от времени напыления. Спекание сырых частиц для получения спеченных гранул абразивных частиц ведет к сокращению размера гранул из-за расплавления металла в сплошное металлическое покрытие. Степень пористости, если таковая присутствует в металлических покрытиях, также определяется размером частиц порошкового металла, условиями спекания и количеством карбида металла, образованного из внутреннего покрытия и алмазных абразивных частиц. Желательно, чтобы условия спекания препятствовали плавлению наружного металлического порошка, что привело бы к потере раздельности частиц. Спеченные гранулы также будут по существу сферическими, если во время спекания осуществлять определенные меры. Обычный диапазон размеров частиц составляет приблизительно от 0,2 до 2,4 мм. В этой связи флюсовое или припойное наружное покрытие можно применять для получения сегментов лезвия пилы из таких гранул абразивных частиц.

Металлы, используемые для покрытия алмазной частицы с внутренним покрытием, можно выбрать из широкого ряда металлов, уже используемых в абразивной технике. Группа таких металлов включает, например, кобальт, никель, железо, медь, олово, молибден, бор, титан, вольфрам, хром, ванадий, марганец, ниобий, цирконий, гафний и другие, а также их сплавы, карбиды и смеси.

При изготовлении сегментов лезвий пилы необходимо регулировать концентрацию абразивных частиц в сегменте лезвия пилы. Концентрацию абразивных частиц можно регулировать за счет изменения распределения размеров гранул абразивного материала, или посредством применения металлических гранул такого же или иного размера, или посредством комбинации этих приемов. Алмазные гранулы могут представлять собой гранулы с двойным покрытием, или же спеченные гранулы. Остальные стадии получения сегментов металлического лезвия пилы применяются обычным образом, известным специалистам в данной области техники.

При изготовлении сегмента металлического лезвия пилы содержание алмазного материала в гранулах интересующего размера можно определить обычным методом оценки (например, растворение металла в кислоте). На основании результатов оценки можно осуществить подсчеты предельного содержания алмазного материала в сегменте лезвия пилы с учетом полного уплотнения. Полученные данные можно выразить в форме графика, отражающего зависимость содержания алмазного материала от размера гранул для любого размера алмазного материала. Содержание алмазного материала можно выразить мас. а также в каратах на единицу объема сегмента, как это показано на фиг. 1, для которого в качестве примера взят алмаз 30/40 меш, покрытый кобальтом. Эффект смешения имитирующих гранул или шаров (без алмазов) с гранулами абразивного материала одного размера также можно представить в виде графика, как показано на фиг. 2. Размер меш, необходимый для получения какой-либо концентрации алмазного материала, можно определить из такого графика. При смешивании гранул одного размера с имитирующими шарами график также можно использовать для определения относительных пропорций, необходимых для данной концентрации. При смешивании гранул разного размера для подсчета пропорции каждого размера, необходимой для достижения заданной концентрации, можно применить простое правило смесей или оценить образцы смеси для определения фактического содержания алмазного материала. Полученное значение концентрации алмазного материала затем можно поместить на ось графика при нулевом содержании имитирующих шаров. Посредством вычерчивания прямой линии из этой точки до точки, представляющей 100% -ную концентрацию имитирующих шаров и нулевой процент содержания алмазного материала, можно представить исследуемую смесь (например, смесь гранул 12/14 и 14/16 меш, как показано на фиг. 2). С помощью этой линии можно получить любую концентрацию алмазного материала в пределах линии графика посредством смешивания на соответствующей оси графика.

Другие уникальные сегменты лезвия пилы могут быть выполнены с применением гранул в соответствии с настоящим изобретением. В связи с тем, что при изготовлении сегментов металлического лезвия пилы используются спеченные гранулы частиц абразивного материала с двойным покрытием, представляющие новизну изобретения, желательно, чтобы пористость сегмента лезвия пилы регулировалась, например, от 10 до 50% от полной плотности для того, чтобы охлаждающая жидкость могла проникать в сегмент и способствовать удалению стружки. Применение сравнительно крупных спеченных гранул в соответствии с настоящим изобретением позволяет проектировать и устанавливать конфигурацию уплотнения в формах для сегментов лезвия пилы. При последующем регулировании давления и температуры формования сегмента лезвия пилы можно обеспечить расчетную степень пористости. В этой связи установление слишком высокого давления приводит к получению сегмента лезвия пилы с полной плотностью, в то время как недостаточно высокое давление является причиной недостаточной целостности сегмента лезвия пилы для обеспечения ожидаемого промышленного срока службы сегментов. Наружное припойное покрытие может охватывать гранулы, или же источник припойного металла или припойного металлического сплава можно разместить непосредственно рядом с заполненной формой для содействия получению сегмента лезвия пилы. Дополнительный матричный металлический порошок также можно использовать при получении сегментов лезвия пилы.

Независимо от применяемой методики получают открытую ячеистую структуру, т. е. взаимосвязанную пористость, в частности, с использованием спеченных гранул абразивных частиц с двойным покрытием в соответствии с настоящим изобретением. Следует учитывать, что распределение размеров гранул может быть монодисперсным по характеру или полидисперсным в зависимости от предельной пористости сегмента лезвия пилы, которую можно регулировать по ширине сегмента лезвия пилы для того, чтобы содействовать переменной эффективности резания (патент США N 4883500).

Как известно дифференциальный износ является важным фактором при изготовлении лезвий пил, которые обладают стойкостью против бокового отклонения во время резания, например, гранита. Изменение концентрации алмазного материала по поверхности или добавление износостойкого материала в наружные части сегментов было предложено для достижения эффекта, проиллюстрированного на фиг. 2 патента США N 4883500. Обнаружено, что сегментами лезвия пилы, выполненными со спеченными гранулами, можно достичь такого же рисунка разреза. Ожидается, что новые гранулы с двойным покрытием в соответствии с настоящим изобретением будут действовать таким же образом. Поскольку такой рисунок разреза можно отнести за счет высокой концентрации алмазных или других абразивных частиц по краю сегментов лезвия пилы (например, при использовании имитирующих шаров и высокой концентрации в центре сегмента лезвия пилы), сегменты полной плотности обнаружили "прокладывающий" эффект без установления специальных градиентов абразивных частиц. Протяженные параллельные канавки образуются из-за упорядоченных рядов алмазов в сегменте. Упорядочение является результатом плотной упаковки сферических гранул в форме. Рисунок износа образуется так, как это показано на фиг. 3. Дифференциальный характер износа приводит к плотному прилеганию пилы в разрезаемом камне, результатом которого является противодействие боковому отклонению лезвия во время резки. В зависимости от ширины лезвия пилы и размера гранул абразивных частиц легко достигается размещение множества рядов, параллельных с продольной протяженностью сегмента и, следовательно, режущей кромки лезвия пилы с соответствующим разрезом. Следует понимать, что такие сегменты могут быть пористыми или полностью плотными.

В зависимости от ширины лезвия пилы и размера гранул абразивных частиц легко достигается размещение множества рядов, параллельных с продольной протяженностью сегмента и, следовательно, режущей кромки лезвия пилы с соответствующим разрезом. Такие сегменты могут быть изготовлены из гранул, описанных в настоящем изобретении, и могут быть пористыми или полностью плотными.

Сегменты, изготовленные в соответствии с настоящим изобретением, со спеченными гранулами можно применять при глубоких разрезах, операциях выборки, обрезания, многолезвийном пилении, проволочном пилении, в ленточных пилах, тонкостенном зенкеровании и различных операциях оконтуривания и формования. Материалами, которые можно разрезать сегментами в соответствии с настоящим изобретением, являются бетон, армированный бетон, асфальт, гранит, известняк, песчаник, древесина, металлы, пластмассы, композитные материалы и т.д.