Способ соединения монокристалла алмаза с металлической державкой инструмента на основе сплавов железа
METHOD OF CONNECTING A DIAMOND MONOCRYSTAL TO A METAL TOOL HOLDER BASED ON IRON ALLOYS

Область, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технологии изготовления алмазных инструментов методами порошковой металлургии, в частности, к способу закрепления алмазных зерен со сплавами железа и может найти применение при изготовлении широкого класса однокристальных алмазных инструментов, таких как алмаз в оправе, алмазные иглы, резцы, алмазные наконечники к твердомерам и т.п.
Уровень техники
При изготовлении широкого класса однокристальных алмазных инструментов широкое применение и распространение получили два основных способа закрепления кристалла алмаза с металлической основой инструмента: метод механического зацепления (прижима или защемления) и метод пайки-спекания с использованием припоев различного состава, включающие адгезионно-активные к алмазу компоненты и (Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента». Под редакцией В.Н. Бакуля. - М.: Машиностроение, 1975 г., с. 254-279, Патент РФ №2042478) [1, 2].
Наиболее близким по технической сущности и существенным признакам к заявляемому изобретению является способ соединения монокристалла алмаза с металлической основой инструмента, описанный в авторском свидетельстве СССР №275784 [3]. В формуле изобретения и описании данного изобретения указывается и описывается об использовании при креплении алмаза с металлами эффекта образования относительно легкоплавкого сплава эвтектического состава металл - углерод в результате их контактного нагрева. При этом не конкретизируется ни металл при контактном нагреве, с которым углерод образует или может образовать сплав эвтектического состава, ни параметры, ни условия нагрева при которых получены или может быть осуществлено прочное соединение алмаза с металлической основой инструмента.
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемого изобретения является создание технологически простого и надежного способа соединения монокристалла алмаза со стальной державкой за счет использования двух взаимодополняющих механизмов их адгезии: в результате термически активируемого химического адгезионного взаимодействия алмаза с металлическим расплавом на границе алмаз-металл и механической адгезии - обжатия (защемления) кристалла алмаза затвердевшим расплавом эвтектического состава.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является получение надежного и прочного соединения монокристалла алмаза со стальной основой - державкой инструмента, обеспечивающего эффективное использование дорогостоящих кристаллов алмаза в результате снижения количества брака в процессе соединения алмаза с металлической основой инструмента.
Существенные признаки, характеризирующие изобретение
- Ограничительные: расположение монокристалла алмаза на горизонтальной поверхности плоского углубления, проделанного в исходной металлической державке инструмента, обеспечение непосредственного контакта упомянутых поверхностей, их нагревание в вакууме до образования сплава эвтектического состава металл-углерод, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение;
- Отличительные: металлическую державку изготавливают из стали с содержанием углерода, не более 0,1% масс., монокристаллу алмаза со стороны противоположной к одной из его вершин, выбранной в качестве рабочей, предварительно придают плоскую форму, в процессе нагрева на рабочую вершину монокристалла прикладывают механическое усилие так, чтобы значение давления, оказываемого плоским основанием алмаза на поверхность углубления державки, составляло в интервале 100-200 кПа, при этом нагрев осуществляют до температуры 1165°С и выдерживают при этой температуре в течение 10-15 мин.
Технический результат достигается следующим образом:
Металлическую державку изготавливают из низкоуглеродистой стали с содержанием углерода не более чем 0,1% мас. Кристаллу алмаза со стороны противоположной к одной из его вершин, выбранной в качестве рабочей, предварительно придают плоскую форму - основание для увеличения площади контактной поверхности и плотного ее сопряжения с плоским углублением металлической державки. В зависимости от формы и рельефа поверхности исходного кристалла алмаза придание плоской формы его основанию может осуществляться путем распиливания с последующим подшлифованием или просто подшлифованием. При размещении контактной пары алмаз - металлическая державка в вакуумную печь на рабочую вершину кристалла алмаза прикладывают механическое усилие так, чтобы давление, оказываемое плоским основанием алмаза на поверхность углубления державки, составляло 100-200 кПа. Нагрев осуществляют согласно заданной скорости до температуры 1165°С и выдерживают при этой температуре в течение 10-15 мин.
При нагреве алмаза в контакте с железом происходит образование жидкого эвтектического сплава железо-углерод, причем температура появления такого расплава более чем на 360°С ниже температуры плавления железа (1534°С), что имеет немаловажное значение, поскольку чрезмерное нагревание алмаза до высоких температур приводит к его интенсивной графитизации и разупрочнению алмаза вследствие образования микротрещин. Под воздействием механического усилия, прикладываемого на вершину кристалла алмаза, большая часть жидкого эвтектического сплава выдавливается из-под его основания, заполняя плоское углубление металлической державки. При этом кристалл алмаза, выдавливая расплав, в соответствии с законом Архимеда, незначительно смещается вертикально вниз. В процессе охлаждении оставшаяся под плоским основанием кристалла алмаза часть эвтектического сплава, затвердевая, образует тонкий промежуточный слой, прочно зацепленного за счет химического взаимодействия, как с кристаллом алмаза, так и со стальной державкой. При этом выдавленная из-под основания кристалла алмаза часть эвтектического расплава при затвердевании обхватывает его по всему периметру, тем самым обеспечивает механическое алмазоудержание с металлической державкой.
Использование металлической державки инструмента из стали с содержанием углерода более 0,1% мас., также как и температура нагрева контактной пары алмаз - металлическая державка, превышающая ~1165°С в вакууме, нежелательны, поскольку в этих случаях скорость каталитической графитизации поверхности алмаза существенно превышает скорость растворения углерода из алмаза в металлический расплав. В результате при затвердевании расплава со стороны поверхности алмаза может образоваться сплошная прослойка из графита, имеющая низкую прочность, что приведет к снижению прочности на границе алмаз - промежуточный слой.
При заданных значениях максимальной температуры и временного интервала нагрева значение давления, оказываемого основанием кристалла алмаза на эвтектический расплав, в пределах 100-300 кПа является оптимальным с точки зрения надежности и прочности соединения алмаз - металлическая державка. При значениях давления менее 100 кПа эвтектический расплав не будет выдавливаться в количестве, необходимом для растекания и обхвата алмаза по всему его периметру, что не обеспечить высокую механическую адгезию алмаза с металлической державкой. При значениях давления, превышающих 300 кПа, толщина промежуточного слоя становится чрезмерно малой, поскольку, практически весь эвтектический расплав выдавливается из-под алмаза, что может снизить прочность соединения алмаз - промежуточный слой - металлическая державка из-за температурных напряжений, возникающих при охлаждении вследствие различия их коэффициентов температурного расширения. Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена схема расположения в двух проекциях (вид сбоку и сверху) кристалла алмаза и металлической (стальной) основы инструмента до (а) и после (б) процесса их нагревания (спекания) в вакуумной печи.
Осуществление изобретения
Осуществление изобретения, охарактеризованного указанной выше совокупностью существенных признаков, подтверждается примером реализации способа, представляющим собой описание процесса закрепления алмаза на металлической державке при изготовлении инструмента - «алмаз в оправе», используемого для правки шлифовальных кругов со сложными - фасонными профилями (фиг. 1).
Как правило, для изготовления инструмента предварительно производят отбор (сортировку) кристалла алмаза по его форме и качеству. Обычно, берут, например, как в нашем случае, кристалл алмаза в форме октаэдра, имеющего естественные острые бездефектные вершины и ребра. Для эффективного использования качественного алмазного кристалла вместо того, чтобы не переустанавливать кристалл алмаза при износе одной из его вершин в ходе эксплуатации, кристалл алмаза в форме октаэдра подвергают распиливанию, так чтобы из него получить два алмаза, каждый из которых имеет форму пирамиды, вершины которых будут служить рабочими частями двух инструментов. При необходимости поверхность алмаза, противоположную к его рабочей вершине, подвергают дополнительной обработке - подшлифовке на ограночном станке с диском, шаржированным алмазным микропорошком, чтобы получить ровную поверхность -основание, которая бы плотно контактировала с плоским углублением металлической державки инструмента.
-4
Металлическую основу-державку 1 инструмента изготавливают из низкоуглеродистой стали с содержанием углерода, не более 0,1% мас. (фиг. 1). На его углубление 2 с плоским дном располагают кристалл алмаза 3. На вершину кристалла алмаза 3, в нашем случае имеющего основание с размерами ~3,75×3,10 мм, прикладывают механическое усилие при помощи груза 4 с массой 200 грамм. При массе груза 4 с массой 200 грамм давление, оказываемое плоским основанием алмаза на поверхность углубления 2 державки 1, составит ~168,60 кПа. Груз 4 удерживается при помощи специального приспособления (оно на фиг. 1 не показано). Нагрев контактных образцов кристалл алмаза - металлическая державка производят в вакуумной печи с остаточным давлением при максимальной температуре не более 4,0-7,0⋅10 мм.рт.ст. В процессе нагрева в интервале температуры 1147-1165°С на границе контакта алмаз - металл происходит образование расплава - жидкой фазы эвтектического сплава Fe-C.
Под воздействием механической нагрузки, оказываемой грузом 4, часть эвтектического расплава 5 выдавливается из-под основания кристалла алмаза 3 и стекается в углублении 2. При этом некоторая часть расплава остается под основанием кристалла алмаза 3, а сам кристалл алмаза 3 несколько смещается вертикально вниз на величину h от своего исходного положения (фиг. 1 б), приподнимая уровень расплава в углублении 2 металлической державки 1. В процессе охлаждения часть эвтектического расплава, оставшаяся под кристаллом алмаза, затвердевая, образует промежуточный слой, прочно соединяя за счет химического взаимодействия кристалл алмаза 3 со стальной державкой 1. При этом выдавленная часть эвтектического расплава, затвердевая, обхватывает кристалл алмаза по всему периметру, обеспечивая его механическое зацепление с металлической державкой.
Таким образом, заявленный способ обеспечивает высокую надежность и прочность соединения алмаз - металлическая державка при изготовлении однокристальных инструментов за счет обеспечения двух взаимодополняющих адгезионных механизмов их соединения, что позволяет эффективно использовать качественное алмазное сырье и исключить или свести к минимуму количество брака при изготовлении алмазного инструмента.
Использованные источники:
[1] - Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента». Под редакцией В.Н. Бакуля. - М.: Машиностроение, 1975 г., с. 254-279.
[2] - Патент РФ №2042478, МПК: В23В 51/00, приоритет 17.12.1992 г., опубл. 27.08.1995 г.
[3] - Авторское свидетельство СССР №275784, МПК: B24D 3/08, приоритет 12.04.1968 г., опубл. 03.07.1970 г.