СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR PRODUCTION OF COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области изготовления композиционных материалов с высоким объемным содержанием порошкообразных неметаллических компонентов в связке. Порошкообразными неметаллическими компонентами материала являются, например, порошки алмаза, кубического нитрида бора, карбида титана, карбида вольфрама и др. Такие материалы могут быть использованы в качестве режущих вставок в различных инструментах, таких как буровые коронки, резцы, правящие инструменты, сверла и т.п., а также в качестве износостойких элементов или деталей в различных конструкциях, например сопла, подшипники скольжения, направляющие для нитей и проволоки.
Известен способ изготовления композиционного материала, такого как алмазный инструмент, в котором алмазные зерна, являющиеся порошкообразными неметаллическими компонентами материала, закреплены связкой. Способ предусматривает осаждение на решетчатом дне формы алмазного порошка из суспензии зерен и жидкой фазы путем прокачки жидкой фазы через дно формы и последующее закрепление частиц связкой прокачкой электролита сквозь поры осажденных алмазных частиц и дно формы. Для обеспечения равномерности укладки алмазных зерен в объеме суспензию алмазных зерен и жидкой фазы подают в форму порциями (Авт. свид. №650798, кл. В24D 17/00, 1976 г.). Известный способ обеспечивает плотную и равномерную упаковку алмазных частиц, но позволяет получить в материале концентрацию алмаза не более 75 об.%.
Техническим результатом изобретения является получение композиционного материала с объемным содержанием в нем порошкообразного неметаллического компонента более 75% и, следовательно, повышение износостойкости материала.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления композиционного материала, включающего порошкообразные неметаллические компоненты и связку, заключающемся в приготовлении суспензии из порошкообразных неметаллических компонентов материала и жидкой фазы, заливку суспензии порциями в форму с пористым дном с принудительным удалением из каждой порции суспензии жидкой фазы через пористое дно формы и закрепление осажденных порошкообразных неметаллических компонентов связкой, готовят, по меньшей мере, две суспензии, отличающиеся друг от друга, по меньшей мере, зернистостью порошкообразных неметаллических компонентов, и порции каждой из суспензии заливают в форму, чередуя их одна с другой, при этом первой в форму заливают порцию суспензии, содержащей порошкообразные неметаллические компоненты с большей зернистостью.
Величину порции суспензии, содержащей наиболее крупнозернистые неметаллические компоненты, выбирают из условия получения слоя порошкообразных неметаллических компонентов в одно зерно.
Дополнительно может быть приготовлена суспензия из металлических порошков и жидкой фазы, которую заливают в форму, чередуя с суспензиями, содержащими неметаллические компоненты материала.
В качестве порошкообразных неметаллических компонентов могут быть использованы порошки алмаза, кубического нитрида бора, карбида титана, карбида вольфрама и др. или смеси порошков.
Способ осуществляется следующим образом.
Готовят, по меньшей мере, две суспензии, одна из которых содержит порошкообразные неметаллические компоненты крупной зернистости и жидкую фазу, а другая содержит порошкообразные неметаллические компоненты мелкой зернистости и жидкую фазу. В качестве жидкой фазы может быть использована любая химически нейтральная к порошкообразным материалам жидкость, например вода, раствор глицерина в воде и др. В форму, дно которой выполнено из пористого материала, заливают вначале порцию суспензии, содержащей порошкообразные неметаллические компоненты крупной зернистости, и принудительно удаляют из нее жидкую фазу. Затем в форму заливают порцию суспензии, содержащей порошкообразные неметаллические компоненты мелкой зернистости, и вновь принудительно удаляют из нее жидкую фазу. Поочередную заливку порций двух суспензий и удаление жидкой фазы осуществляют до тех пор, пока не получат материал требуемых размеров по высоте. Удаление жидкой фазы можно осуществлять любым известным способом, например с помощью вакуума, создаваемого под пористым дном формы. Благодаря принудительному удалению жидкой фазы получают плотный брикет, у которого в свободных пространствах между крупными зернами неметаллических компонентов размещаются зерна мелкозернистого порошкообразного неметаллического компонента. После просушки полученного брикета в форму заливают электролит и прокачивают его сквозь поры в брикете. Прокачку электролита проводят при подаче электрического тока к аноду и катоду, которыми могут служить боковые стенки формы. В результате происходит процесс электроосаждения металла с заращиванием неметаллических компонентов материала, образуя связку. Связывание частиц материала можно проводить путем пропитки брикета связкой, которой сообщают жидкотекучее состояние, т.е. расплавляют ее. Для этого брикет помещают в форму с глухим дном, частицы связки помещают поверх брикета, расплавляют их до жидкотекучего состояния и самотеком или под действием давления пропитывают связкой брикет.
Принудительное удаление жидкой фазы из порций суспензий можно осуществлять любым известным способом, в частности созданием вакуума под пористым дном формы. Пористое дно формы может быть выполнено из любого инертного материала, например из керамической решетки. Размер пор пористого материала должен быть меньше размера наименьшей зернистости порошкообразного неметаллического компонента. Пористое дно может быть выполнено из материала, который впоследствии может служить подложкой, образуя, например, режущий элемент в виде двухслойной пластины.
Для исключения ошибок при укладке порошков при формировании брикета и тем самым получения максимально возможной плотности упаковки частиц неметаллических компонентов величину порции суспензии, содержащей крупнозернистые неметаллические компоненты, берут такой, чтобы крупные частицы образовывали слой в одно зерно.
Возможна укладка порошков неметаллических материалов более чем в одно зерно, однако в этом случае будет затруднено проникновение частиц более мелкой зернистости в свободные пространства между крупнозернистыми частицами, что приведет к уменьшению объемной концентрации неметаллических частиц в материале и к неравномерной его структуре. Величину порции суспензии из мелких неметаллических компонентов берут такой, чтобы мелких частиц было достаточно для заполнения свободных пространств между крупнозернистыми частицами. Размер порций можно рассчитать математическим путем либо подбирать экспериментально. При этом варьированием размером зернистости порошков и их количеством (размером порции суспензии) получают материал с различным объемным содержанием порошкообразного неметаллического компонента.
Из порошкообразных неметаллических компонентов двух зернистостей (две суспензии) можно получить объемную плотность частиц 75-82%. Для получения более высокого (до 92 об.%) содержания частиц неметаллических компонентов в материале необходимо брать порошки более двух зернистостей, например порошки трех зернистостей (три суспензии). При этом форму заполняют, чередуя порции трех суспензий, в следующем порядке: порции суспензий с крупнозернистым порошком - среднезернистым порошком - мелкозернистым порошком.
Для управления физико-механическими и другими свойствами композиционного материала в него могут быть введены порошки металлов или сплавов металлов или их смесей: твердых сплавов, железа, никеля, хрома, молибдена и др. Вводят эти порошки так же, как и порошки неметаллических компонентов материала: дополнительно готовят суспензию из порошков металлов или сплавов и жидкой фазы и заливают эту суспензию в форму порциями, чередуя с порциями суспензий из порошкообразных неметаллических компонентов, а именно вначале в форму заливают порцию суспензии из крупнозернистого неметаллического материала, затем - из мелкозернистого неметаллического материала, а затем порцию суспензии, содержащей металлы или сплавы. В таком порядке заполняют форму порошками до требуемой высоты, после чего закрепляют все частицы связкой. Для упрощения процесса закрепления всех частиц методом пропитки расплавленным металлом частицами могут быть металлы или сплавы, способствующие пропитке брикета связующим материалом. Размер частиц металлов или сплавов предпочтительно брать мельче размера самых мелких частиц порошковых неметаллических материалов.
Пример 1.
Для формирования таблетки ⌀ 10 мм высотой 10 мм использовали 8,5 каратов алмазов марки 400/315 А8 и 7,5 каратов алмазов 63/50 АН. Для приготовления суспензии из крупнозернистых алмазов использовали дистиллированную воду с 20% глицерина для уменьшения скорости их седиментации; из мелкозернистых алмазов - дистиллированную воду. Для формирования таблетки использовали 20 порций суспензии, каждая из которых содержала 0,425 каратов алмаза зернистостью 400/315, и 20 порций суспензии, содержащих по 0,375 каратов алмаза зернистостью 63/50. Количество жидкой фазы в порции независимо от зернистости составляло 150 мл. Сначала на пористое дно формы наливали суспензию с крупнозернистым алмазным порошком, затем - с мелкозернистым алмазным порошком. Чередуя порции суспензий в таком порядке, осадили по 20 слоев крупнозернистых и мелкозернистых алмазов. После заливки каждой порции суспензии удаляли жидкую фазу вакуумированием с нижней стороны пористого дна формы. После просушки сформированный брикет пропитывали связкой: медь - олово 20% - титан 6%.
Для определения объемного содержания алмазного порошка в материале после формирования брикета (до пропитки связкой) последний пропитывали парафином и замеряли геометрические размеры и вес. При вышеуказанных исходных параметрах объемное содержание алмаза составило 82,5%.
Пример 2.
Первую и вторую суспензии готовили, как в примере 1. Дополнительно готовили третью суспензию из алмазных порошков АН 20/14, 0,35 карата на 200 мл дистиллированной воды. Форму заполняли поочередно порциями первой, второй и третьей суспензий. Далее процесс проводили, как в примере 1. Объемное содержание алмаза в материале составило 92,0%.
Пример 3.
Процесс проводили, как в примере 2. Однако в третьей суспензии вместо алмазного порошка брали металлический порошок хрома зернистостью 20 мкм. Объемное содержание алмаза в материале составило 80%. Благодаря введенному в брикет порошку металла износостойкость увеличилась в 2 раза.
Таким образом, поочередная заливка в форму порций суспензий, содержащих порошкообразные неметаллические компоненты разной зернистости при расположении крупнозернистого порошка в каждом слое в одно зерно, позволила снизить ошибки при укладке неметаллических компонентов и тем самым повысить объемное содержание компонента в материале до 92% и соответственно увеличить его износостойкость.