способ получения композиционных материалов на основе сверхтвердых частиц для изготовления режущих элементов

Формула изобретения

1. Способ получения композиционных материалов на основе сверхтвердых частиц для изготовления режущих элементов, при котором готовят шихту, включающую связку и сверхтвердые частицы, по меньшей мере, двух размеров, из которых в качестве сверхтвердых частиц одного из размеров берут алмаз, и подвергают шихту горячему прессованию при температуре плавления связки, отличающийся тем, что в качестве сверхтвердых частиц другого размера берут кубический нитрид бора размером 8÷40 мкм, при этом алмаз берут размером, равным 5,1-8 размерам кубического нитрида бора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в шихту дополнительно вводят алмаз размером, равным 4-6 размерам зерен основных алмазов, при этом основные алмазы берут размером 81-320 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области инструментального производства, в частности к получению композиционных материалов на основе сверхтвердых частиц с объемным их содержанием в материале 75÷92%. Из композиционных материалов изготавливаются режущие элементы для таких инструментов, как инструмент для правки абразивных кругов, инструмент для бурения, для точения и др.

Известен способ получения композиционных материалов для изготовления режущих элементов, при котором в качестве режущих зерен берут зерна алмаза двух размеров: алмазные зерна размером 0,1÷2 мкм и размером - менее 0,1 мкм (патент США №4828611, кл. С22С 29/06, 1987 г.). Известен способ получения материала из поликристаллических алмазов и/или кубического нитрида бора (КНБ), при котором берут зерна алмаза и/или зерна КНБ, размером от субмикропорошков до 60 мкм, например, в виде смеси зерен трех размеров: 60÷80% крупных зерен, 5÷10% средних и 10÷35% мелких (патент США №4220455, кл.51-295, 1978 г.). Известен способ получения алмазного спеченного материала для изготовления режущих инструментов, в котором алмазные зерна берут двух размеров - больше 1 мкм и меньше 1 мкм (заявка Японии №3-33674, кл. С04В 35/52, 1983 г.). В заявке ЕПВ №0174546, кл. В01J 3/06, 1985 г. спеченный материал для режущих элементов содержит смесь алмазных зерен: зерна размером 3 мкм и зерна размером меньше 1 мкм. В заявке Японии №56-22676, кл. С04В 35/58, 1979 г. предложен композиционный материал на основе алмаза и КНБ со средним размером зерен менее 4 мкм. Все вышеописанные материалы содержат 40÷95 об.% мелких алмазных зерен и/или зерен КНБ, при этом зерна алмаза и кубического нитрида бора берут одного размера. Такой материал изготавливается в камерах высокого давления при давлениях и температурах, соответствующих области стабильности алмаза. В этих условиях мелкие алмазные зерна не подвергаются графитизации, сохраняя объемную концентрацию в готовом материале. Однако использование камер высокого давления существенно сокращает диапазон размеров изготавливаемых в них режущих элементов и значительно их удорожает.

В качестве прототипа взят патент США №5096465, кл.51-295, 1989 г., касающийся изготовления алмазно-металлического композиционного материала на основе зерен алмаза размером 25÷2000 мкм, при этом зерна алмаза берут в виде смеси зерен, по меньшей мере, двух размеров при соотношении 1:(6÷9). Для получения материала в пресс-форму помещают шихту, состоящую из послойно уложенных зерен алмаза и связующего материала, и подвергают шихту горячему прессованию при давлении 70-14000 кг/см ² и температуре 650-1300°С для обеспечения протекания связующего материала в поры между зернами алмаза. Предварительно, до укладки в пресс-форму на зерна алмаза наносят покрытие из сплава, имеющего температуру плавления выше 1300°С и способного смачиваться связующим сплавом. В результате получают материал с объемным содержанием зерен алмаза 40÷75%.

Недостаток композиционного режущего материала и способа его изготовления заключается в следующем.

Для получения композиционного материала методом горячего прессования, обеспечивающего протекание расплавленного связующего материала в промежутки между зернами алмаза, на последние наносится покрытие из сплава, имеющего температуру плавления выше 1300°С и способного смачиваться связующим сплавом. Нанесение покрытия на зерна алмаза увеличивает трудоемкость технологического процесса. Металлизация значительно усложняет оптимизацию технологических режимов пропитки и взаимодействия материалов на границах: алмаз - покрытие, покрытие - пропитывающий расплав, выбор оптимальных пар металлов, сплавов покрытия - пропитывающий материал, что ограничивает возможность получения материалов с различными режущими и износостойкими свойствами. Также покрытие на алмазных зернах не позволяет получать композиционный материал с максимальной для выбранных зернистостей концентрацией алмазов, а следовательно, такие материалы менее износостойки. Кроме того, при горячем прессовании зерна алмаза размером 35-40 мкм без применения каких-либо дополнительных условий, например, создания вакуума или защитной атмосферы, подвергаются интенсивной графитизации в результате чего объемная концентрация алмаза в готовом материале снижается, а наличие графита в конечной структуре материала приводит к уменьшению его прочности и износостойкости. Нанесенный слой материала покрытия на алмазные зерна, хотя способствует процессу пропитки, но каталитический ускоряет процесс графитизации и, кроме того, способствует протеканию процессов карбидообразования, что также связано с потерями алмазного вещества.

Целью изобретения является упрощение способа получения композиционного материала для изготовления режущих элементов с объемным содержанием сверхтвердых материалов 75÷92%, а также получение композиционного материал с широкими эксплуатационными характеристиками, позволяющими расширить область его использования.

Цель достигается тем, что в способе получения композиционных материалов на основе сверхтвердых частиц для изготовления режущих элементов, при котором готовят шихту, включающую связку и сверхтвердые частицы, по меньшей мере, двух размеров, из которых в качестве сверхтвердых частиц одного из размеров берут алмаз, и подвергают шихту горячему прессованию при температуре плавления связки, в качестве сверхтвердых частиц другого размера берут кубический нитрид бора размером 8÷40 мкм, при этом алмаз берут размером, равным (5,1-8) размерам кубического нитрида бора.

Кроме того, в шихту дополнительно вводят алмаз размером, равным (4-6) размерам зерен основных алмазов, при этом основные алмазы берут размером 81-320 мкм.

Сущность изобретения заключается в том, что в шихте зерна алмаза размером ниже 40 мкм заменяют зернами КНБ, которые имеют более высокую, чем алмаз термостойкость, в тоже время по режущим свойствам существенно не отличаются от алмаза, а с учетом их высокой термостойкости, в некоторых случаях превосходят алмаз, например при точении сталей, чугунов и др. материалов. Гарантия отсутствия в этом случае заграфитизированных зерен алмаза (размером ниже 40 мкм) в объеме композиционного материала, приводит к значительному повышению его прочности (особенно на удар) и износостойкости. Для получения объемного содержания сверхтвердых частиц в диапазоне 75÷92% предлагается брать их в виде смеси зерен двух или трех размеров. В композиции, содержащей зерна КНБ (8-40 мкм) и алмаза (44-320 мкм) общее содержание сверхтвердых частиц составляет 75-82% об. Максимальное содержание сверхтвердых частиц получается в материале, который содержит зерна КНБ (8-40 мкм), зерна основного алмаза (81-320 мкм) и зерна дополнительного алмаза, размером свыше 320 мкм. При выбранном соотношении размеров (зернистостей) сверхтвердых частиц более крупные частицы при их укладке создают прочный скелет, в котором частицы практически контактируют друг с другом, а более мелкие частицы заполняют пространство между крупными частицами, обеспечивая их высокое объемное содержание, а следовательно, максимальную прочность и износостойкость композиционного материала. Отклонения от указанных размеров сверхтвердых частиц и от указанных соотношений их размеров приведет к ошибкам в укладке и снижению содержания сверхтвердых частиц в объеме и ухудшению физико-механических и режущих свойств композиционного материала. При этом при любом выборе размеров зерен, в качестве зерен, размер которых ниже 40 мкм следует брать зерна КНБ.

В качестве связки используют металлы и сплавы, имеющие на алмазе, КНБ угол смачивания не более 40°, например, бронзы, латуни с содержанием никеля, циркония, кремния более 4÷5 мас.% или кобальта, никеля и их сплавов.

Способ осуществляется следующим образом.

Готовят шихту для получения композиционного материала на основе сверхтвердых частиц для изготовления режущих элементов. Для этого в пресс-форму помещают зерна алмаза и кубического нитрида бора, уплотняют их любым известным способом, предпочтительно - шликерное литье или виброукладка. Количество сверхтвердых частиц рассчитывают таким образом, чтобы более крупные зерна при укладке и последующем прессовании практически, входя в контакт друг с другом, образовывали каркас, а более мелкие зерна заполняли свободное пространство между более крупными зернами. В результате более крупные зерна алмаза располагаются в один или несколько слоев, а более мелкие зерна кубического нитрида бора располагаются в промежутках между зернами алмаза. Сверху на уложенные сверхтвердые частицы помещают связку - пропиточный материал, после чего шихту подвергают горячему прессованию при давлении 350-500 кгс/см² и при температуре плавления связки.

При изготовлении композиционного материала, содержащего сверхтвердые частицы трех размеров, дополнительные алмазные зерна, как наиболее крупные образуют каркас, основные алмазные зерна занимают пустоты между дополнительными алмазными зернами, а мелкие зерна КНБ заполняют пустоты между основными и дополнительными алмазными зернами.

Использование для получения композиционного материала обычных прессов горячего прессования позволяет изготавливать режущие элементы с широким диапазоном размеров. Полученные режущие элементы - заготовки закрепляют на корпусе инструмента, например пайкой, либо заготовки разрезают на более мелкие режущие элементы и также закрепляют их на корпусе инструмента.

Таким образом, способ получения композиционных материалов, из смеси зерен алмаза и КНБ позволяет изготавливать композиционный материал:

- с максимальным объемным содержанием сверхтвердых частиц (75-92 об.%);

- без предварительной металлизации алмазов, что позволяет снизить трудоемкость процесса;

- с гарантированным отсутствием заграфитизированных сверхтвердых частиц в структуре готового материала;

- с минимальными технологическими потерями сверхтвердых частиц - алмаза - из-за графитизации, карбидообразования.