связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента

Формула изобретения

1. Связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента, включающая медь, железо, кобальт, олово, карбид вольфрама и легирующую добавку в виде нанопорошка с удельной поверхностью 6-25 м ²/г при следующем соотношении компонентов, мас.%:

медь	30-60
железо	20-35
кобальт	10-15
олово	0-10,5
карбид вольфрама	0-20
легирующая добавка	1-15

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

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, к способам получения композиционных материалов. Изобретение может быть использовано в качестве связок на основе меди при изготовлении алмазного режущего инструмента для стройиндустрии и камнеобработки, включая отрезные сегментные круги (АОСК) различной конструкции, применяемые при реконструкции шоссейных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов, реновации металлургических предприятий, АЭС, мостов и других сооружений; сверла и АОСК для резки высокопрочных сортов железобетона.

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 2286241 C2, опублик. 2006 07.07), 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.

Недостатками известной связки являются использование дорогостоящего и токсичного кобальта, а также более низкой скорости резания высоко армированного железобетона и снижение ресурса работы инструмента.

Прототипом заявленного изобретения является связка для изготовления алмазного инструмента (RU 2172238 C2, опублик. 2001.08.20, кл. B24D 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.

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

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента включает компоненты при следующем их соотношении, мас.%:

Cu=30-60

Fe=20-35

Co=10-15

Sn=0-10,5

WC=0-20

легирующая добавка - 1-15.

Легирующая добавка вводится в виде нанопорошка с удельной поверхностью 6-25 м²/г.

При этом в качестве легирующей добавки используют карбид вольфрама, или вольфрам, или молибден, или оксид алюминия, или диоксид циркония, или карбид ниобия, или карбид кремния, и/или нитрид кремния.

За счет наличия в связке меди, а также железа, кобальта и упрочняющих наночастиц связка удовлетворяет следующим требованиям:

- обладает хорошей смачиваемостью по отношению к алмазу;

- прочно удерживает алмазные зерна;

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

- обладает достаточной термостойкостью и имеет высокую теплопроводность;

- в паре с обрабатываемым материалом имеет минимальный коэффициент трения;

- имеет коэффициент линейного расширения, приближающийся к коэффициенту линейного расширения алмаза;

- не вступает в химическое взаимодействие с обрабатываемым материалом и охлаждающей жидкостью;

- уменьшает затраты на сырье и позволяет снизить затраты на производство изделий.

Легирующие добавки указанного состава обеспечивают высокую твердость, жаропрочность и термостойкость связок, что, в свою очередь, приводит к повышению скорости резания и ресурса работы инструмента.

Содержания легирующих добавок в количестве ниже минимального значения указанного диапазона (1 мас.%) недостаточно для эффективного дисперсного упрочнения связки 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 легирующие добавки являются более тугоплавкими, твердыми и имеющими высокие модули упругости материалами по сравнению с медью, то они выступают в роли концентраторов напряжений, что сильно охрупчивает материал и приводит к снижению прочностных характеристик и износостойкости связки, а также требуют повышения температуры спекания и обладают плохой прессуемостью. Указанные диапазоны концентрации легирующих добавок (1-15% мас.%) справедливы только для нанодисперсных порошков с удельной поверхностью 6-25 м²/г, поскольку, как следует из теоретических и экспериментальных данных, эффективность дисперсного упрочнения зависит не только от содержания наночастиц в сплаве, но и от их среднего размера, который, в свою очередь, может быть рассчитан по удельной поверхности нанопорошка.

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 таблицах 1-3 приведены примеры, показывающие зависимость свойств связки от ее состава и содержания легирующей добавки.

Таблица 3
Зависимость свойств связки от содержания нанодисперсного оксида алюминия
Состав, % по массе	Свойства**
Пористость, %	Твердость по Роквеллу	Прочность на изгиб изг, МПа	Удельный износ, мм/м2	Удельный ресурс АОСК, м2/мм	Скорость резания, см2/мин
100% Cuсвязка*	1,0	90	650	3,0	0,33	220
99,1% Cuсвязка +0.9% Al2O3	1,1	88	620	3,5	0,29	210
99% Cuсвязка +1% Al2O3	1,2	95	690	2,9	0,34	230
96% Cuсвязка +4% Al2O3	1,4	100	720	2,0	0,50	310
90% Cuсвязка +10% Al2O3	1,7	98	710	2,4	0,42	265
85% Cuсвязка +15% Al2O3	1,8	94	670	2,8	0,36	225
84% Cuсвязка +16% Al2O3	3,0	85	610	3,7	0,27	150
*состав Cuсвязки: 60% Cu; 20% Fe; 10% Co; 0% Sn; 10% WC
**удельный износ, удельный ресурс и скорость резания приведены по данным испытания АОСК при резке высокоармированного железобетона марки М400.

Помимо количественного состава связки на свойства связки оказывает сильное влияние размер частиц вводимой добавки, который может быть представлен удельной поверхностью порошка. В таблице 4 приведены примеры зависимости свойств связки от удельной поверхности легирующего порошка.

Таблица 4
Зависимость свойств связки от удельной поверхности нанодисперсного порошка карбида вольфрама WC
Удельная поверхность WC, м2/г	Свойства**
Пористость, %	Твердость по Роквеллу	Прочность на изгиб изг, МПа	Удельный износ, мм/м2	Удельный ресурс АОСК, м2/мм	Скорость резания, см2/мин
100% Cuсвязка*	1	92	690	2,8	0,36	220
5	1,2	91	650	3,2	0,30	200
6	1,5	102	730	2,65	0,43	250
10	1,8	109	790	1,80	0,55	350
20	2,0	104	750	2,10	0,48	320
25	2,1	94	710	2,50	0,40	225
27	4,5	80	390	4,60	0,18	170
*состав Cuсвязки: 30% Cu; 35% Fe; 15% Со; 10,5% Sn; 9,5% WC
**удельный износ, удельный ресурс и скорость резания приведены по данным испытания АОСК при резке высокоармированного железобетона марки М400.

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 высоко армированного железобетона 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 - нанопорошков карбида вольфрама или вольфрама, или оксида алюминия, или диоксида циркония, или карбида ниобия, или карбида кремния, и/или нитрида кремния обеспечивает высокую прочность, теплопроводность и ударную вязкость. Контролируемые малые добавки легирующих элементов дают уникальное сочетание свойств: прочности, твердости, ударной вязкости, износостойкости коэффициента трения в зоне резания, что позволяет повысить скорость резания на 30-60% и увеличить ресурс изделий в особо нагруженных условиях, например при резке высоко армированного железобетона, на 15-50%, относительно базового варианта.

При этом использование в основе связки меди уменьшает соответствующие затраты на сырье и позволяет снизить затраты на производство изделий на 15-20% при сохранении служебных характеристик (скорость резания и ресурс работы инструмента) введением в них наночастиц WC, W, Mo и других.