СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF MAKING ABRASIVE TOOL FROM SUPERHARD MATERIALS

Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано при изготовлении абразивного инструмента из сверхтвердых материалов (алмаза, нитрида бора) на металлической связке.
Известен способ получения абразивного инструмента из сверхтвердых материалов по заявке на изобретение RU 2005113159 А, заключающийся в пайке множества частиц сверхтвердых материалов твердым припоем непосредственно на обнаженной поверхности подложки. В качестве припоя используют сплавы, содержащие хром, марганец, титан, кремний или алюминий в количестве от 2 до 50% по массе. Способ предусматривает различные варианты нанесения частиц сверхтвердых материалов и припоя. Припой наносят в виде металлического листа с аморфным строением или в виде суспензии, содержащей порошок твердого припоя. Частицы сверхтвердых материалов могут быть помещены между слоем припоя и подложкой, или слой припоя может быть помещен между подложкой и частицами сверхтвердых материалов. Возможно размещение частиц сверхтвердых материалов непосредственно на подложке или на листе припоя в соответствии с заданным рисунком, при этом они могут быть прикреплены к металлу с помощью клея. При последующем нагреве до температуры менее 1100°С припой оплавляется, охватывает частицы сверхтвердых материалов и закрепляет их на подложке. Способ отличается простотой технологии. Наличие в составе припоя карбидообразующих элементов (Cr, Mn, Ti, Si, Al) обеспечивает химическое взаимодействие металла припоя с частицами сверхтвердых материалов, тем самым достигается большая прочность удержания частиц сверхтвердых материалов, чем в гальванической никелевой связке.
Способ имеет следующие недостатки. Металлические связки на основе твердых припоев не всегда обеспечивают достаточную абразивную износостойкость. Составы твердых припоев не оптимальны с точки зрения прочности удержания частиц сверхтвердых материалов в связке. Вследствие химического взаимодействия карбидообразующих компонентов припоя с частицами сверхтвердых материалов в процессе пайки на границе между ними могут образоваться хрупкие карбидные включения, снижающие прочность удержания частиц сверхтвердых материалов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ получения абразивного алмазного инструмента по патенту RU 2362666 С1, характеризующийся тем, что на поверхность подложки наносят алмазные частицы и композиционный припой, содержащий легкоплавкую матрицу, тугоплавкий наполнитель и связующее вещество, нагревают подложку с нанесенными на нее алмазными частицами и композиционным припоем выше температуры плавления легкоплавкой матрицы, выдерживают при этой температуре и затем отжигают в вакууме или в защитной атмосфере при температуре испарения компонентов легкоплавкой матрицы. В качестве легкоплавкой матрицы композиционный припой содержит порошки легкоплавких металлов с низкой температурой кипения (Cd, Zn, Pb, Bi, Na, Li) или порошки сплавов, содержащих эти металлы. Массовая доля легкоплавкой матрицы составляет 30…65%. В качестве тугоплавкого наполнителя используют порошки карбида вольфрама, кобальта, карбидообразующих тугоплавких металлов, железа, меди, никеля. Содержание тугоплавкого наполнителя в композиционном припое 25…60% по массе. В качестве связующего вещества используют органические соединения из группы, включающей глицерин, вазелин или их смеси с флюсующими добавками. Содержание связующего вещества 10…40% по массе. При нагреве композиционного припоя до температуры плавления легкоплавкой матрицы связующее вещество испаряется. Легкоплавкая матрица при ее расплавлении обеспечивает смачивание частиц тугоплавкого наполнителя и подложки. Тугоплавкий наполнитель частично растворяется в жидкой матрице, повышает ее вязкость и препятствует стеканию припоя к основанию покрываемого изделия, обеспечивает химическое взаимодействие припоя с алмазными частицами. Выдержка выше температуры плавления легкоплавкой матрицы составляет 0,25…0,5 ч.
После расплавления легкоплавкой матрицы изделие подвергают отжигу при температуре 700…1100°С с продолжительностью выдержки 0,5…3 ч. В процессе отжига легкоплавкие компоненты припоя частично испаряются из расплава. В результате на подложке формируется покрытие с многофазной структурой, состоящее из алмазных частиц и металлической связки, которая образует с алмазными частицами химические связи.
Недостатком способа является то, что испарение легкоплавкой матрицы приводит к получению пор и раковин в алмазосодержащей связке. Наличие в связке пористости снижает площадь ее контакта с алмазными зернами и, как следствие, прочность удержания алмазных зерен. При работе инструмента происходит выкрашивание алмазных зерен из связки. Это вызывает увеличение интенсивности износа инструмента. Поры и раковины являются концентраторами напряжений в алмазосодержащем слое и снижают его прочность. Это может приводить к образованию трещин в алмазосодержащем слое и его разрушению в процессе эксплуатации инструмента.
Задачей изобретения является повышение стойкости абразивного инструмента из сверхтвердых материалов (алмаза, нитрида бора).
Техническим результатом является получение абразивного инструмента из сверхтвердых материалов с беспористым равномерным покрытием, хорошо удерживающим частицы сверхтвердых материалов, обладающим высокой прочностью и абразивной износостойкостью.
Поставленная задача решается предлагаемым способом получения абразивного инструмента из сверхтвердых материалов, включающим нанесение на поверхность подложки частиц сверхтвердых материалов и композиционного припоя, содержащего легкоплавкую матрицу, тугоплавкий наполнитель и связующее вещество, и проведение отжига подложки с нанесенными на нее частицами сверхтвердых материалов и композиционным припоем в защитной атмосфере или в вакууме. В качестве легкоплавкой матрицы используют порошки металлов, таких как Ag (температура кипения 2167°С), Sn (температура кипения 2602°С), Аl (температура кипения 2452°С), или порошки сплавов, содержащих эти металлы. Массовая доля легкоплавкой матрицы составляет 10…55%.
В качестве тугоплавкого наполнителя используют порошки карбидообразующих тугоплавких металлов, их карбидов, а также кобальта, железа, меди, никеля. Содержание тугоплавкого наполнителя в композиционном припое 24…80% по массе.
3
2
Содержание компонентов легкоплавкой матрицы и тугоплавкого наполнителя выбирают таким образом, чтобы при их взаимодействии образовывались структурные составляющие с температурой плавления выше температуры отжига. Например, при массовой доле олова 57%, кобальта 43% и температуре отжига 1100°С взаимодействие расплава олова с кобальтом приводит к образованию интерметаллида СоSn с температурой плавления 1230°С.
В качестве связующего вещества в композиционном припое используют водный раствор поливинилового спирта, раствор каучука в бензине, органические связующие с аналогичными свойствами или их смеси с флюсующими добавками. Связующее вещество необходимо для скрепления частиц композиционного припоя при его нанесении на подложку. Связующее вещество вводят в композиционный припой в количестве 8…40% по массе в зависимости от требуемой его вязкости.
Композиционный припой и частицы сверхтвердых материалов могут быть нанесены на подложку различными способами:
а) нанесение пастообразной смеси частиц сверхтвердых материалов и композиционного припоя;
б) размещение частиц сверхтвердых материалов на подложке в соответствии с заданным рисунком или без него и нанесение композиционного припоя на частицы сверхтвердых материалов и подложку;
в) нанесение композиционного припоя на подложку и размещение частиц сверхтвердых материалов на припое в соответствии с заданным рисунком или без него.
Заготовку с нанесенным на нее композиционным припоем и частицами сверхтвердых материалов отжигают в защитной атмосфере или в вакууме. Температура отжига составляет 700…1100°С, продолжительность отжига 0,25…3 ч. Температура и длительность отжига зависят от состава композиционного припоя и должны обеспечивать протекание в припое диффузионных процессов и образование тугоплавких структурных составляющих. Например, при использовании олова в качестве легкоплавкой матрицы и смеси порошков меди, кобальта и вольфрама в качестве тугоплавкого наполнителя оптимальная температура отжига составляет 820°С, а его продолжительность 0,5…1 ч.
При использовании легкоплавкой матрицы с более высокой температурой плавления, например, на основе серебра отжиг следует проводить при температурах до 1100°С.
В процессе отжига связующее вещество испаряется из композиционного припоя. Легкоплавкая матрица расплавляется и смачивает частицы тугоплавкого наполнителя и подложку. Вследствие диффузионного взаимодействия компоненты расплавленной матрицы и наполнителя образуют тугоплавкие структурные составляющие, температура плавления которых выше температуры отжига, что приводит к постепенному уменьшению количества жидкой фазы и затвердеванию припоя при постоянной температуре. Компоненты легкоплавкой матрицы при отжиге практически не испаряются.
В результате на подложке формируется беспористое равномерное покрытие, хорошо удерживающее частицы сверхтвердых материалов, обладающее высокой прочностью и износостойкостью. Композиционная пайка позволяет получать металлические связки со структурой псевдосплавов, содержащие, например, в качестве наполнителя порошки карбида вольфрама или карбида титана и обладающие высокой стойкостью к абразивному изнашиванию. Структура получаемой металлической связки - псевдосплава состоит из тугоплавких фаз (твердых растворов, химических соединений), что обеспечивает теплостойкость связки и, как следствие, возможность эксплуатировать инструмент при высоких нагрузках и скоростях резания.
Способ позволяет формировать покрытия, содержащие зерна сверхтвердых материалов, на сложных фасонных поверхностях.
Пример 1. Изготавливают профильную фрезу из сверхтвердого материала для обработки гранита. На стальной корпус наносят пастообразную смесь частиц алмаза и композиционного припоя. Размер частиц алмаза 400/315 мкм (ГОСТ 9206-80). Композиционный припой содержит в качестве легкоплавкой матрицы порошок олова с температурой плавления 232°С (17% по массе), в качестве тугоплавких наполнителей порошки кобальта, меди и вольфрама (с суммарным содержанием 73% по массе). В качестве связующего вещества смесь содержит водный раствор поливинилового спирта (10% по массе).
Стальной корпус с нанесенной на него алмазосодержащей смесью помещают в вакуумную печь и отжигают при температуре 820°С в течение 40 мин в среде аргона. В процессе отжига связующее вещество испаряется, легкоплавкая матрица расплавляется и смачивает частицы тугоплавкого наполнителя. Взаимная диффузия компонентов матрицы и наполнителя приводит к образованию интерметаллидных фаз и твердых растворов с температурой плавления выше 820°С. В результате в течение выдержки при 820°С количество жидкой фазы уменьшается и припой затвердевает.
Пример 2. Композиционный припой содержит в качестве легкоплавкой матрицы порошок сплава серебра и меди (80% Ag и 20% Сu по массе) с температурой начала плавления 779°С и температурой полного расплавления 820°С. Содержание легкоплавкой матрицы составляет 17% по массе. В качестве тугоплавких наполнителей припой содержит порошки кобальта (68% по массе) и карбида вольфрама (5% по массе). Связующим веществом является водный раствор поливинилового спирта (10% по массе). Отжиг осуществляют при температуре 900°С в течение 1 ч в среде аргона. Взаимная диффузия компонентов матрицы и наполнителя приводит к образованию твердых растворов с температурой плавления выше 900°С. В течение выдержки при 900°С количество жидкой фазы уменьшается и припой затвердевает.
На поверхности корпуса фрезы формируется равномерное беспористое покрытие, хорошо охватывающее частицы алмаза и образующее с ними химические связи. Получаемая металлическая связка состоит из тугоплавких структурных составляющих, что обеспечивает ее теплостойкость. Покрытие прочно удерживает алмазы, обладает высокой абразивной износостойкостью, устойчивостью к динамическим нагрузкам. Сравнительные испытания показывают увеличение стойкости инструмента, выполненного по предлагаемому способу, в 1,4…1,8 раза по сравнению с инструментом, изготовленным по прототипу.