КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПРИПОЙ ДЛЯ ПАЙКИ АБРАЗИВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
COMPOSITE SOLDER FOR SOLDERING ABRASIVE TOOLS FROM SUPERHARD MATERIALS

Изобретение относится к припоям для пайки сверхтвердых материалов (алмаз, нитрид бора) и может быть использовано для получения абразивных инструментов из сверхтвердых материалов с металлической связкой, в частности инструментов со сложными рабочими поверхностями.
Абразивные инструменты из сверхтвердых материалов с металлической связкой, полученные методом пайки, находят широкое применение в строительной промышленности. В частности, для обработки архитектурных деталей из природного камня используют паяные алмазные ролики со сложным фасонным профилем.
Известна связка для абразивных инструментов из сверхтвердых материалов по патенту US 5832360, получаемая методом высокотемпературной пайки. Припой, описанный в патенте, представляет собой смесь порошков оловянной бронзы и титана либо четырехкомпонентный сплав, содержащий титан, медь, олово и серебро.
За счет наличия карбидообразующего элемента - титана припой хорошо смачивает алмазы. Получаемые связки обладают высокой твердостью и износостойкостью. Недостатком является низкая вязкость припоев. Вследствие этого при пайке расплав плохо удерживается на фасонных поверхностях инструментов, образует наплывы и подтеки. За счет высокой химической активности титана к углероду расплавленный припой может вызывать деструкцию алмазных зерен и ухудшение их режущих свойств. Металлические связки, формирующиеся из припоев, описанных в патенте, являются хрупкими.
Известна связка для алмазных инструментов по патенту РФ 2286242, содержащая кобальт и легирующую добавку в виде тугоплавкого нанопорошка. За счет содержания кобальта связка образует химические связи с поверхностью алмазов и прочно удерживает их. Легирование наноразмерным порошком обеспечивает высокую твердость, прочность и ударную вязкость связки. Связка предназначена для получения алмазных инструментов простой формы путем горячего прессования. Недостатком является невозможность применения этой связки для получения фасонных алмазных инструментов со сложными рабочими поверхностями.
Известен припой для пайки жаропрочных сплавов по патенту US 7416108, содержащий микронные порошки тугоплавких металлов или их сплавов и добавку легкоплавких наночастиц. Припой предназначен для устранения дефектов в деталях из жаропрочных никелевых или кобальтовых сплавов. Наночастицы, добавляемые в припой, снижают температуру его плавления. Это позволяет исключить из состава припоя бор и кремний, также снижающие температуру плавления, но ухудшающие свойства спая. В данном припое наночастицы не являются легирующей добавкой. В результате пайки формируется спай, не содержащий наночастиц, обладающий повышенной прочностью за счет отсутствия боридов и силицидов. Температура пайки данным припоем составляет около 2120°F (1160°С). По составу и температуре плавления припой не пригоден для пайки абразивных инструментов из сверхтвердых материалов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является композиционный припой по патенту РФ 2457935, содержащий легкоплавкую матрицу, тугоплавкий наполнитель и органическое связующее вещество. Пастообразный припой и алмазы наносят на стальную основу. При последующем нагреве связующее вещество испаряется. Легкоплавкая матрица расплавляется, смачивает частицы тугоплавкого наполнителя и подложку. Тугоплавкий наполнитель частично растворяется в жидкой матрице и повышает ее вязкость, что препятствует стеканию припоя к основанию покрываемого изделия и образованию наплывов припоя. Растворение тугоплавкого наполнителя в легкоплавкой матрице приводит к формированию металлической связки, состоящей из твердых тугоплавких структурных составляющих.
Недостатком припоя является получение металлических связок с недостаточной прочностью, ударной вязкостью и износостойкостью. Недостаточная прочность и ударная вязкость приводят к тому, что при действии на инструмент значительных динамических нагрузок алмазосодержащий слой подвергается хрупкому разрушению.
Задачей изобретения является повышение стойкости абразивных инструментов из сверхтвердых материалов (алмаза, нитрида бора) со сложными рабочими поверхностями.
Техническим результатом является получение из припоя теплостойкой и износостойкой связки, прочно удерживающей зерна сверхтвердых материалов.
Поставленная задача решается использованием предлагаемого композиционного припоя, отличающегося тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: легкоплавкая матрица 10-55, тугоплавкий наполнитель 30-89, тугоплавкие наночастицы 1-15, при этом содержание компонентов легкоплавкой матрицы и тугоплавкого наполнителя выбрано из условия образования при их взаимодействии структурных составляющих с температурой плавления не ниже 700°С.
Композиционный припой содержит тугоплавкие наночастицы одного или нескольких веществ, выбранных из группы: карбид вольфрама, вольфрам, оксид алюминия, диоксид циркония, карбид ниобия, ультрадисперсные алмазы с серебряным или никелевым покрытием. Тугоплавкие наночастицы вводят в припой путем их смешивания с порошками легкоплавкой матрицы и тугоплавкого наполнителя или в составе частиц тугоплавкого наполнителя.
При пайке тугоплавкий наполнитель частично растворяется в легкоплавкой матрице, в результате чего при кристаллизации припоя формируются структурные составляющие с температурой плавления не ниже 700°С. В зависимости от состава легкоплавкой матрицы и тугоплавких наночастиц, последние могут частично растворяться в легкоплавкой матрице, либо растворение отсутствует. После кристаллизации припоя тугоплавкие наночастицы полностью либо частично сохраняются в структуре формирующейся металлической связки.
Известно, что при легировании сплавов наночастицами наблюдается эффект дисперсионного упрочнения. Распределенные в металле наночастицы являются препятствиями на пути движения дислокаций. Вследствие этого затрудняется пластическая деформация металла, повышается его прочность и твердость при одновременном отсутствии охрупчивания.
Металлическая связка, легированная тугоплавкими наночастицами, хорошо сопротивляется абразивному износу, прочно удерживает зерна сверхтвердых материалов, не подвергается хрупкому разрушению при тяжелых режимах работы абразивного инструмента. Стойкость абразивного инструмента из сверхтвердых материалов значительно возрастает по сравнению с прототипом.
Пример. Изготавливают профильный алмазный круг для обработки архитектурных деталей из гранита. Для пайки алмазосодержащего слоя используют композиционный припой с содержанием компонентов, выбранным из таблицы. В качестве легкоплавкой матрицы припой содержит порошок оловянной бронзы БрО19, в качестве тугоплавкого наполнителя - порошок кобальтовый ПК-1у. Тугоплавкие наночастицы представляют собой наноразмерный порошок вольфрама.
Припой смешивают с алмазами размером 400/315 мкм (ГОСТ 9206-80). В качестве связующего вещества в смесь вводят водный раствор поливинилового спирта (10% по массе). Полученную пастообразную смесь припоя и алмазов наносят на стальной корпус, который затем помещают вакуумную печь и проводят пайку в среде аргона при температуре 950°С в течение 40 мин.
При нагреве связующее вещество испаряется, легкоплавкая матрица расплавляется и частично растворяет тугоплавкий наполнитель и наночастицы. При последующем охлаждении и кристаллизации припоя формируется металлическая связка, состоящая из твердых растворов и интерметаллидов с температурой плавления выше 700°С и равномерно распределенных наночастиц вольфрама. Металлическая связка с такой структурой обладает повышенной твердостью (100-102 HRB) и ударной вязкостью.
Связка прочно удерживает алмазы, обладает высокой теплостойкостью и абразивной износостойкостью, не подвергается хрупкому разрушению при динамических нагрузках, возникающих в процессе работы инструмента.
Сравнительные испытания показывают, что стойкость инструмента, изготовленного с помощью предлагаемого припоя, увеличивается в 2-3 раза по сравнению с инструментом, изготовленным по прототипу.