СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АБРАЗИВНОГО АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА
METHOD FOR PRODUCTION OF ABRASIVE DIAMOND TOOL

Изобретение относится к способам получения абразивного алмазного инструмента на металлической связке.
Известен способ получения абразивного алмазного инструмента [Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента / В.Н.Бакуль, Ю.И.Никитин, Е.Б.Верник, В.Ф.Селех; под ред. В.Н.Бакуля. - М: Машиностроение, 1975. - 296 с.], заключающийся в том, что смесь металлических порошков с алмазными частицами подвергают уплотнению в пресс-форме и спекают при температуре ниже температуры плавления основного компонента металлической связки. Недостатками способа являются невозможность получения алмазного инструмента сложной формы, невозможность получения алмазосодержащих элементов и покрытий малой толщины, дороговизна и недолговечность пресс-форм.
Известен также способ, заключающийся в том, что из алмазосодержащей порошковой смеси прессуют пористый брикет, который пропитывают расплавленным металлом, имеющим температуру плавления более низкую по сравнению с температурой плавления порошковой смеси [Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента / В.Н.Бакуль, Ю.И.Никитин, Е.Б.Верник, В.Ф.Селех; под ред. В.Н.Бакуля. - М: Машиностроение, 1975. - 296 с.]. Недостатком способа является невозможность получения алмазного инструмента сложной формы.
Известен также способ получения абразивного алмазного инструмента гальваническим осаждением [Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента / В.Н.Бакуль, Ю.И.Никитин, Е.Б.Верник, В.Ф.Селех; под ред. В.Н.Бакуля. - М: Машиностроение, 1975. - 296 с.], заключающийся в том, что к покрываемой основе прикрепляют алмазные частицы и осаждают из электролита слой металлической связки, охватывающей и закрепляющей алмазные зерна. Способ позволяет получать алмазосодержащие покрытия на сложных фасонных поверхностях и создавать тонкие (до 0,4 мм) алмазосодержащие элементы и покрытия. Способ имеет ряд недостатков. Гальваническое осаждение не позволяет создавать металлические связки сложного состава с многофазной структурой, обеспечивающей абразивную износостойкость связки в сочетании с высокой прочностью удержания алмазов. При гальваническом осаждении, как правило, применяют никелевые, либо хромовые связки. Никелевые имеют недостаточную твердость и износостойкость, а хромовые хрупки и склонны к отслаиванию от основы. Технология получения алмазного инструмента гальваническим осаждением является сложной и требует очень тщательной очистки алмазов и электролита. В гальванических связках обычно присутствуют остаточные напряжения, снижающие их свойства. Распределение алмазов в гальванической связке не всегда равномерно. Гальванический слой не всегда имеет достаточную прочность сцепления с основой.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ получения паяного алмазного инструмента по заявке на изобретение РФ №2005 113 159/02, заключающийся в пайке множества алмазных частиц 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 алмазных частиц и припоя. Припой наносят в виде металлического листа с аморфным строением или в виде суспензии, содержащей порошок твердого припоя. Алмазные частицы могут быть помещены между слоем припоя и подложкой, или слой припоя может быть помещен между подложкой и алмазными частицами. Возможно размещение алмазных частиц 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°C припой оплавляется, охватывает алмазы и закрепляет их на подложке. Способ отличается простотой технологии. Наличие в составе припоя карбидообразующих элементов (Сr, Mn, Ti, Si, Al) обеспечивает химическое взаимодействие металла припоя с алмазами, тем самым достигается большая прочность удержания алмазных частиц, 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 алмазов в связке. Вследствие химического взаимодействия карбидообразующих компонентов припоя с алмазами в процессе пайки на границе между ними могут образоваться хрупкие карбидные включения, снижающие прочность удержания алмазов.
Задачей изобретения является повышение стойкости абразивного алмазного инструмента.
Техническим результатом является получение алмазосодержащей связки с многофазной структурой псевдосплава, обеспечивающей высокую абразивную износостойкость связки, прочность удержания в ней алмазных частиц и теплопроводность.
Поставленная задача решается предлагаемым способом получения абразивного алмазного инструмента, характеризующимся 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.
Композиционный припой и алмазные частицы могут быть нанесены на подложку различными способами:
а) нанесение пастообразной смеси алмазных частиц и композиционного припоя;
б) размещение алмазных частиц на подложке в соответствии с заданным рисунком или без него и нанесение композиционного припоя на алмазные частицы и подложку;
в) нанесение композиционного припоя на подложку и размещение алмазных частиц на припое в соответствии с заданным рисунком или без него.
В качестве легкоплавкой матрицы композиционный припой содержит порошки легкоплавких металлов с низкой температурой кипения (Cd, Zn, Pb, Bi, Sn, 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. Связующее вещество необходимо для скрепления частиц композиционного припоя при его нанесении на подложку. 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 отеканию 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, частично диффундируют в твердую фазу или образуют с металлом наполнителя тугоплавкие химические соединения, что приводит к постепенному уменьшению количества жидкой фазы и затвердеванию припоя при постоянной температуре. Объем композиционного припоя уменьшается в соответствии с количеством испарившихся легкоплавких компонентов. При этом компоненты тугоплавкого наполнителя, находившиеся в жидкометаллическом растворе, кристаллизуются между алмазными частицами и нерастворенными частицами тугоплавкого наполнителя, связывая их. В результате на подложке формируется равномерное покрытие с многофазной структурой, хорошо охватывающее алмазные частицы и удерживающее их за счет химических связей.
Способ позволяет формировать алмазосодержащие покрытия на сложных фасонных поверхностях.
Пример. Изготавливают профильную алмазную фрезу для обработки бетона и камня. На стальной корпус наносят пастообразную смесь алмазных частиц и композиционного припоя. Размер алмазных частиц 400/315 мкм. Композиционный припой содержит в качестве легкоплавкой матрицы (45% по массе) порошок припоя П150А (37,5…39,5% Sn, 3,5…4,1% Zn, 56,7…58,7% Cd) с температурой полного расплавления 165°С и в качестве тугоплавких наполнителей порошки карбида вольфрама, кобальта и меди (с суммарным содержанием 35% по массе). В качестве связующего вещества (20% по массе) смесь содержит вазелин с добавками хлористого аммония, бензойной кислоты и эмульгатора.
Стальной корпус с нанесенной на него алмазосодержащей смесью помещают в вакуумную печь и выдерживают при температуре 200°С в течение 0,25 ч, при этом испаряется связующее вещество, легкоплавкая матрица расплавляется и смачивает подложку и частицы тугоплавкого наполнителя. Затем корпус нагревают до 900°С и отжигают при этой температуре 1 ч в непрерывно поддерживаемом вакууме. В процессе отжига в вакууме цинк и кадмий испаряются практически полностью, частично испаряется олово. Тем самым устраняется легкоплавкая матрица, и припой твердеет. На поверхности корпуса фрезы формируется покрытие со структурой псевдосплава, содержащей алмазные зерна, частицы карбида вольфрама и структурные составляющие, полученные в результате взаимной диффузии компонентов сплава. Получаемая связка обладает высокой абразивной износостойкостью, прочностью удержания алмазов, а также хорошей теплопроводностью, что позволяет вести обработку камня и бетона без водяного охлаждения. Сравнительные испытания показывают увеличение стойкости инструмента, выполненного по предлагаемому способу, в 1,5…2 раза по сравнению с инструментом, изготовленным по прототипу.