СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧЕГО СЛОЯ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ ПОРОШКОВ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF PRODUCING WORK LAYER OF ABRASIVE TOOL MADE FROM SUPER HARD MATERIAL POWDERS

Изобретение относится к области производства абразивных инструментов, содержащих в качестве режущих зерен порошки алмаза, кубического нитрида бора и других сверхтвердых материалов, а также связку на основе металлических порошков, включающую микро-, субмикро- и нанопорошки.
Известен способ изготовления алмазного инструмента, при котором для изготовления рабочего слоя смесь из алмазных порошков и порошков металлической связки подвергают холодному прессованию, спеканию в течение 0,5 час при температуре 0,7-0,8 Тпл сплава из металлических порошков и последующей горячей допрессовке при этой же температуре. Температура спекания и горячей допрессовки составляет, как правило, 500-830°С. Последующее охлаждение проводят под давлением до Т=200-300°С. Общее время нагрева, спекания, допрессовки и охлаждения составляет 2,5-3 часа (Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента./Под ред. В.Н.Бакуля. - М., «Машиностроение», 1975, с.218-225, 68-69). Недостаток известного способа заключается в том, что алмазные порошки при изготовлении инструмента длительное время находятся при температурах выше температур графитизации, окисления, в результате чего имеют место потери алмаза, особенно большие потери наблюдаются при использовании микрозернистых алмазных порошков, которые начинают окисляться и графитизироваться с 400°С. Более мелкие, чем микрозернистые алмазные порошки, практически, вообще невозможно использовать при этом способе изготовления инструмента.
Известен способ изготовления алмазного инструмента, при котором рабочий слой, содержащий смесь порошков алмаза и металлических порошков связки подвергают холодному прессованию, а затем одновременному спеканию и прессованию при температуре спекания металлических порошков, которая составляет 0,6 Тпл сплава из металлических порошков связки - метод горячего прессования. Горячее прессование позволяет сократить время нахождения алмазов в горячей среде до нескольких десятков минут (общее технологическое время). Однако и при этом способе изготовления инструмента, также как и при других известных способах, включающих операцию спекания алмазоносной шихты, требуется одновременный нагрев всего объема алмазоносного слоя, что естественно связано с суммарно большим технологическим временем на нагрев, прессование и охлаждение. Длительное время нахождения алмазов при повышенных температурах, как указывалось выше, приводит к потерям алмазного сырья, связанным с процессами его графитизации, окисления, к изменению свойств алмазных порошков и т.п., и исключает возможность использования микро-, субмикро- и нанопорошков в составе рабочего слоя. Порошки кубического нитрида бора также испытывают отрицательное воздействие температур, при которых происходит изготовление рабочего слоя инструмента.
Кроме того, для изготовления инструментов требуются дорогостоящие пресс-формы, изготавливаемые из жаропрочных металлических материалов. Несмотря на это стойкость пресс-форм невысокая. Процесс горячего прессования является достаточно энергоемким.
Технической задачей является существенное сокращение времени нахождения порошков сверхтвердых материалов, особенно алмазных порошков, порошков кубического нитрида бора, входящих в состав рабочего слоя изготавливаемого абразивного инструмента, при повышенных технологических температурах (при температурах, отрицательно воздействующих на порошки сверхтвердых материалов), что дает возможность эффективно использовать при изготовлении инструментов методом порошковой металлургии микро-, субмикро- и нанопорошки, обеспечить сохранность свойств порошков в инструменте. Другой технической задачей является повышение срока службы пресс-форм и снижение энергоемкости процесса.
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе изготовления рабочего слоя абразивного инструмента в форме размещают шихту, содержащую порошки сверхтвердых материалов, и металлическую связку, подвергают шихту холодному брикетированию и последующему горячему прессованию до заданной пористости прессующим инструментом. Отличие способа состоит в том, что в качестве прессующего инструмента берут вращающийся стержень с торцевой опорной поверхностью, и горячее прессование проводят стержнем, которому сообщают вращение и торцевой опорной поверхностью вводят в контакт с брикетированной шихтой с усилием, обеспечивающим заглубление стержня в брикетированную шихту, и перемещают стержень по поверхности указанной шихты, при этом величину заглубления стержня, скорость его вращения и перемещения выбирают из условия генерирования фрикционного тепла для образования пластифицированной зоны в месте контакта.
Для исключения контакта стержня с брикетированной шихтой, содержащей порошки сверхтвердых материалов, на поверхность шихты до ее холодного брикетирования помещают слой металлических порошков. В качестве металлических порошков берут, преимущественно, металлическую связку.
После горячего прессования рабочего слоя проводят дополнительное его горячее прессование со стороны, противоположной поверхности первого горячего прессования.
По мере перемещения стержня по поверхности брикетированной шихты спеченную зону рабочего слоя принудительно охлаждают.
При использовании в абразивном инструменте в качестве связки металлургических систем, включающих легкоплавкие металлические компоненты, после холодного прессования брикетированную шихту (брикет) подвергают нагреву при температуре и времени выдержки, обеспечивающих проведение последующего горячего прессования без жидкой фазы.
Шихта для изготовления рабочего слоя абразивного инструмента содержит порошки сверхтвердых материалов размером 10-1250 мкм. Кроме того, в шихту дополнительно вводят порошки из неметаллических материалов размером 30-3000 мкм.
Способ поясняется чертежами.
На фиг.1 показана технологическая схема выполнения способа.
На фиг.2 показан вид сверху фиг.1
На фиг.3 показан инструмент для горячего прессования рабочего слоя.
На фиг.4 показана торцовая опорная поверхность инструмента, вид по стрелке А фиг.3.
Способ осуществляется следующим образом. В форму 1 для изготовления рабочего слоя помещают подложку 2, в качестве которой может служить корпус инструмента или промежуточный металлический элемент. На подложку устанавливают вставку 3, которая вместе с формой 1 и подложкой 2 образует полость 4. В полость 4 формы засыпают шихту для изготовления рабочего слоя, состоящую из порошков сверхтвердых материалов и металлической связки. Разравнивают шихту по поверхности подложки, подвергают ее холодному брикетированию до заданной пористости. Затем производят горячее прессование для уплотнения (прессования) и спекания шихты рабочего слоя. Для горячего прессования берут инструмент 5, который выполнен в виде цилиндрического стержня, один конец которого имеет торцевую опорную поверхность 6. Стержень соединяют с устройством 7, сообщающим ему вращение. Инструмент 5 устанавливают в полость 4 формы, сообщают ему вращение n и прижимают стержень к брикету с усилием Р, обеспечивающим его заглубление на заданную величину. После создания требуемых скорости вращения и заглубления стержня его с определенной скоростью перемещают по поверхности брикетированной шихты по стрелке S. Готовый рабочий слой вынимают из формы.
Для изготовления шлифовального инструмента рабочий слой крепят к корпусу инструмента любым известным способом. Например, при изготовлении отрезных кругов рабочий слой крепят к корпусу инструмента пайкой серебряным припоем. При использовании в качестве подложки промежуточного металлического элемента последний прикрепляют к корпусу. При использовании в качестве подложки 2 корпуса инструмента, например при изготовлении шлифовального круга, из формы извлекают уже готовый инструмент с напрессованным на корпус рабочим слоем.
Для проведения горячего прессования вращающийся стержень вводят в контакт с брикетированной шихтой и прижимают его к ней с усилием, обеспечивающим заданное углубление стержня в шихту после ее холодного брикетирования. Скорость вращения и перемещения стержня, а также усилие прижима (глубина заглубления) должны обеспечить генерирование фрикционного тепла, необходимого для нагрева связки до ее пластического состояния. Фрикционное тепло образуется в результате трения стержня о прессуемый материал в закрытом объеме, при этом количество образующейся теплоты в основном зависит от давления стержня на прессуемый материал, обеспечивающего его заглубление, скорости вращения стержня и его перемещения по поверхности, от коэффициента трения материала стержня по материалу связки. Перечисленные параметры определяются свойствами материала, из которого изготовлен стержень, и свойствами материала связки рабочего слоя. Поэтому величина заглубления стержня, скорость его вращения и перемещения для каждых материалов будут различны и должны отрабатываться экспериментально.
В частности, число оборотов n стержня в зависимости от коэффициента трения пары материал связующего - материал стержня находятся в пределах 120-3000 об/мин, скорость перемещения стержня S зависит от физико-механических свойств связки и составляет 5-50 м/мин.
Например, для горячего прессования рабочего слоя на наиболее распространенной связке на основе медь-олово скорость вращения стержня составляет около 900 об/мин, а скорость его перемещения - около 30 м/мин; для связки на кобальтовой основе n ~ 3000 об/мин, S ~ 5 м/мин.
т
Усилие прижима стержня к брикету, определяющее заглубление стержня в брикет, определяется σ сплава связующего при температуре в зоне прессования, равной 0,6-0,8 Тпл связующего, и должно обеспечивать заданную плотность режущего слоя.
При прессовании рабочего слоя стержнем при генерировании теплоты трением нагрев шихты и ее прессование происходят зонально, т.е. в том месте, где находится стержень. По мере перемещения стержня происходит перемещение зоны нагрева, при этом уже обработанная зона начинает охлаждаться.
Кроме того, можно проводить принудительное охлаждение обработанной зоны слоя после выхода ее из-под вращающегося стержня. С этой целью позади стержня на поверхность подают охлаждающую среду, например обдувают ее потоком сжатого воздуха. Это дает возможность охлаждать рабочий слой по зонам сразу же после воздействия на эти зоны повышенными температурами, что приводит к резкому сокращению технологического времени воздействия на порошки сверхтвердых материалов.
Таким образом, одновременного нагрева шихты всего рабочего слоя не происходит. В результате зерна сверхтвердых материалов находятся при температурах горячего прессования существенно меньшее время, чем в известных способах. Учитывая возможность быстрого охлаждения отдельных спеченных зон инструмента, небольшой объем спекаемой массы, который может быть быстро охлажден, время нахождения зерен сверхтвердых материалов при высоких температурах существенно сокращается.
Процесс горячего прессования можно производить поэтапно с многократным перемещением стержня по поверхности прессования (брикету). Кроме того, можно проводить дополнительное горячее прессование уже спеченного рабочего слоя с другой стороны, противоположной первой. Для этого после первого горячего прессования рабочий слой вынимают из формы, помещают его в форму спеченной стороной на подложку и производят повторное горячее прессование. Повторное горячее прессование позволяет изготавливать рабочий слой с большой высотой.
Для изготовления рабочего слоя абразивных инструментов в качестве связующего металлической связки используются различные металлические материалы в виде порошков или их сплавов. Некоторые металлические связующие спекаются с «исчезающей» жидкой фазой. В таких связующих одним из компонентов являются легкоплавкие металлы, т.е. металлы с температурой плавления ниже температуры горячего прессования. При температуре горячего прессования в этих связующих легкоплавкие компоненты находятся в жидком состоянии и при выдержке в течение некоторого времени они образует с тугоплавкими компонентами связки твердые растворы и химические соединения, т.е жидкая фаза «исчезает». При изготовлении рабочего слоя с помощью вращающегося стержня время горячего прессования очень незначительное, поэтому исчезновение жидкой фазы не может произойти в достаточной мере. В этих случаях при прессовании жидкая фаза выдавливается из брикета, что приводит к изменению связки. Для исключения выдавливания жидкой фазы из таких связок при горячем прессовании предварительно брикетированную шихту термообрабатывают при температурах и времени, обеспечивающих протекание процессов образования твердых растворов, химических соединений, при которых происходит исчезновение жидкой фазы за счет реакций, протекающих между компонентами связующего. Например, для наиболее распространенной связки системы медь-олово, в которой олово является легкоплавким компонентом, температура термообработки составит около 480°С, время выдержки - около 10 мин. В результате последующее горячее прессование будет осуществляться без наличия жидкой фазы.
Температура исчезновения жидкой фазы и, соответственно, температура термообработки для различных металлургических систем различна и, в основном, может быть определена по диаграмме состояния соответствующей системы. Температура термообработки может быть определена экспериментально.
Для исключения перемещения на поверхности прессуемого слоя зерен сверхтвердых материалов - увлечения зерен, контактирующих со стержнем, за вращающимся инструментом, после размещения на подложке шихты рабочего слоя и подпрессовки его промежуточным пуансоном, сверху помещают слой металлических порошков 7 (фиг.1 слева от оси), в качестве которых рекомендуется использовать металлическую связку изготавливаемого слоя, так как эти порошки имеют те же физико-механические свойства, что и связка режущего слоя. Однако, могут быть использованы и другие металлические порошки, предпочтительно, те, которые по химическим свойствам близки к химическим свойствам связующего. После размещения слоя металлических порошков производят холодное брикетирование совместно рабочего и металлического безабразивного слоев. При горячем прессовании стержень устанавливают в контакт с этим слоем и перемещение стержня будет происходить по безабразивной поверхности. Толщина слоя из металлических порошков - небольшая. Так, например, при толщине рабочего слоя из порошков сверхтвердых материалов, равной 3-5 мм, толщина слоя из металлических порошков может составлять 1-1,5 мм. В готовом рабочем слое этот металлический слой может служить подслоем, с помощью которого рабочий слой будет крепиться к корпусу инструмента.
В качестве зерен сверхтвердых материалов используют алмазные порошки и порошки кубического нитрида бора. Зернистость этих порошков для изготовления различных абразивных инструментов выбирают в диапазоне 10-1250 мкм. Порошки указанных зернистостей рекомендованы для использования в различных инструментах, при этом конкретная зернистость порошков для различных видов инструмента выбирается индивидуально в зависимости от требований, предъявляемых к результатам обработки.
Для изменения рабочих характеристик абразивного инструмента и гибкого управления ими в состав шихты дополнительно вводят порошки из неметаллических материалов размером 30-3000 мкм. В качестве таких порошков могут быть использованы прежде всего порошки алмаза и кубического нитрида бора, а также другие порошки, такие как порошки карбидов, нитридов, оксидов, силицидов, силикатов. Все эти порошки по своим свойствам могут выполнять вышеуказанную роль. Порошки, имеющие размер менее чем 30 мкм, не окажут существенного влияния на результат, но в то же время сильно удорожат инструмент из-за сложности получения таких порошков. Более крупные чем 3000 мкм порошки в рабочем слое будут работать уже как абразив.
Таким образом, способ изготовления рабочего слоя абразивного инструмента сокращает время нахождения зерен сверхтвердых материалов, входящих в состав шихты для изготовления абразивного инструмента, при повышенных температурах, что дает возможность эффективно использовать при изготовлении инструментов методом порошковой металлургии порошки сверхтвердых материалов мелких зернистостей, в том числе микро-, субмикро- и нанопорошков, обеспечить сохранность режущих свойств порошков в инструменте. Кроме того, благодаря тому, что отсутствует необходимость нагрева пресс-формы, в том числе нагрева сразу всей шихты рабочего слоя, повышается срок службы пресс-форм и снижается энергоемкость процесса.
Способ по изобретению может быть использован как для изготовления рабочего слоя абразивных инструментов, так и для изготовления прочных и износостойких композиционных материалов, содержащих микро-, субмикро- и нанопорошки. Такой композиционный материал пригоден для изготовления различных деталей машиностроения.