СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЖУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ПОРОШКОВ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
PROCEDURE FOR FABRICATION OF CUTTING ELEMENTS ON BASE OF POWDERS OF SUPER-HARD MATERIALS

Изобретение относится к способу изготовления режущих элементов, включающих связку и порошки сверхтвердых материалов, объемное содержание которых может широко варьироваться. В частности, способ может быть применен для изготовления режущих элементов с повышенным объемным содержанием порошков сверхтвердых материалов, используемых в коронках для бурения, в правящем инструменте, резцах, фрезах и т.п., а также в качестве износостойких деталей различных устройств, машин, приборов,
Повышенное объемное содержание порошков сверхтвердых материалов обычно достигается использованием смеси зерен сверхтвердых материалов различной зернистости, при этом мелкие зерна располагаются в промежутках между крупными зернами, повышая общую концентрацию порошков сверхтвердых материалов в режущем элементе.
Из патента США № 5096465, кл. 51-295, 1989 г., известен способ изготовления алмазно-металлического спеченного режущего элемента, при котором в форму слоями последовательно помещают сверхтвердые абразивные частицы двух или трех различных размеров, слои подвергают вибрации для уплотнения более крупных частиц и проникновения более мелких частиц в пространства между более крупными, после чего упаковку пропитывают пропиточным материалом. В известном способе сверхтвердые абразивные частицы берут размером 3,0-2000,0 мкм, при этом режущие элементы получают небольшой толщины, т.к. введение с использованием вибраций более мелких порошков сверхтвердых материалов и на большую глубину затруднено.
Известен способ изготовления композиционного материала, при котором готовят суспензии из порошков, в том числе порошков сверхтвердых материалов, разной зернистости и жидкой фазы, при этом каждая из суспензий содержит порошки одной зернистости, заливают суспензии порциями в форму с пористым дном с принудительным удалением из каждой порции суспензии жидкой фазы через пористое дно формы. Суспензии с порошками разной зернистости при заливке чередуют. После этого осажденные порошки закрепляют связкой любым известным способом (патент RU № 2364496, кл. B24D 18/00, 2007 г.). Способ позволяет получить равномерное распределение порошков по всему объему материала. Недостатки способа заключаются в следующем. Для равномерного распределения по объему порошков разной зернистости суспензии должны содержать порошки в таком количестве, чтобы при их осаждении получался один - два слоя порошков, поэтому для изготовления материала требуемой высоты необходимо подготовить большое количество порций суспензий и осуществить многократную их заливку в форму. В результате процесс получается длительным и трудоемким. Кроме того, для изготовления материала этим способом реально используют порошки зернистостью от 10,0 до 2000,0 мкм. Такой материал в дальнейшем может быть использован для получения режущих элементов, из которых изготавливают инструменты для бурения, правящие инструменты, т.е. инструменты, работающие в условиях абразивного износа. В тоже время для таких инструментов, как резцы, он не может быть применен из-за невозможности сформировать на резце тонкую режущую кромку, т.к. основу в таком материале составляют порошки достаточно крупной фракции. Для изготовления таких резцов обычно используют элементы, изготовленные из материала, содержащего композицию из более мелких порошков сверхтвердых материалов. Этот материал обычно изготавливают с применением высоких давлений.
Технической задачей является создание простого способа изготовления режущих элементов, позволяющего использовать для их изготовления порошки сверхтвердых материалов мелких зернистостей, вплоть до наноразмеров, с равномерным их распределением по объему и изготавливать элементы за более короткое время.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления режущих элементов, включающем порошки сверхтвердых материалов, по меньшей мере, двух зернистостей, и связку, при котором из порошков сверхтвердых материалов большей зернистости формируют пористую основу элемента, вводят в поры основы элемента порошки сверхтвердых материалов более мелкой зернистости с помощью суспензии, включающей жидкую фазу, и скрепляют уложенные порошки связкой, согласно изобретению для введения порошков более мелкой зернистости пористую основу помещают в ванну с суспензией, содержащей порошки мелкой зернистости в количестве, необходимом для заполнения пор основы, и осаждение частиц в порах проводят при пропускании через суспензию электрического тока.
Пористую основу из порошков сверхтвердых материалов большей зернистости формируют уплотнением порошков с помощью вибраций. По другому варианту для формирования пористой основы готовят суспензию, содержащую жидкую фазу и порошки большей зернистости в количестве, необходимом для получения основы требуемой высоты, и осаждают порошки при пропускании через суспензию электрического тока.
Пропускание тока через суспензию при введении порошков сверхтвердых материалов в пористую основу позволяет осадить мелкие, вплоть до наноразмеров, частицы порошков сверхтвердых материалов с равномерным проникновением их в поры основы на достаточно большую глубину и с высокой степенью заполнения пор, при этом отпадает необходимость в приготовлении небольших порций суспензий и многократной их заливки в форму с принудительным удалением жидкой фазы.
Способ осуществляется следующим образом.
В форму, размеры которой соответствуют размерам изготавливаемого элемента, помещают порошки сверхтвердых материалов наибольшей зернистости. Форму с порошками подвергают вибрации, в результате которой получают слой плотно упакованных частиц, образующих пористую основу режущего элемента. Форму с пористой основой помещают в электролизер, заполняют его суспензией, содержащей жидкую фазу и порошки сверхтвердых материалов мелких зернистостей. Количество мелких порошков в суспензии берут таким, чтобы обеспечить необходимое объемное содержание этих порошков в готовом изделии. Форму подключают к положительному полюсу источника тока, а электролизер - к отрицательному полюсу источника тока и пропускают через суспензию постоянный электрический ток. Под действием тока мелкие частицы, равномерно распределенные по всему объему суспензии, движутся к аноду и, проникая в поры основы, заполняют их с достаточно высокой степенью заполнения. После того как закончится процесс осаждения частиц, форму вынимают из электролизера, высушивают ее и осуществляют скрепление всех частиц друг с другом любым известным способом. В зависимости от высоты основы, остаточной пористости, от характеристик мелких частиц сверхтвердого материала, главным образом их термостойкости, частицы можно скреплять путем прокачки электролита через остаточные поры сформированного брикета. Также можно скреплять частицы друг с другом пропиткой брикета расплавленным пропиточным материалом. В этом случае сверху на брикет помещают пропиточный материал, форму нагревают до температуры, обеспечивающей плавление пропиточного материала, и выдерживают форму при давлении, при котором пропиточный материала проникает в имеющиеся поры. В качестве пропиточного материала можно использовать различные пластмассы, керамику, металлы или сплавы металлов. При пропитке металлами или сплавами для улучшения условий пропитываемости порошки сверхтвердых материалов могут быть предварительно снабжены покрытием из материалов, хорошо смачивающихся пропиточным материалом.
Связывать частицы друг с другом можно также спеканием брикета. Для этого в поры основы следует ввести наряду с частицами сверхтвердого материала порошки связки. Порошки связки можно вводить одновременно с порошками сверхтвердых материалов мелких зернистостей; можно порошки связки вводить как один из этапов введения порошков мелких зернистостей. Зернистость порошков связки должна быть такова, чтобы порошки могли проникать в поры пропитываемого брикета. Ее можно рассчитать либо определить экспериментально. После того как порошки связки будут введены в брикет, его спекают при температуре, соответствующей температуре спекания связки.
В зависимости от назначения режущего элемента и соответственно зернистости порошка сверхтвердого материала выбирают способ изготовления пористой основы. Процесс вибрации является наиболее простым для укладки порошков с достижением их высокого объемного содержания. Однако применение этого процесса укладки ограничивается зернистостью порошков. С помощью вибрации можно уложить порошки размером не менее 10-14 мкм.
При использовании композиции из более мелких порошков пористую основу формируют так же, как и при введении мелких порошков в пористую основу, с помощью суспензии, через которую пропускают электрический ток. Для этого готовят суспензию, содержащую жидкую фазу и порошки, размер которых является наибольшим для выбранной композиции. Количество порошков в суспензии должно обеспечить получение пористой основы необходимой высоты. Суспензию заливают в форму и пропускают через нее электрический ток. При этом на дне формы под действием электрического тока осаждаются порошки сверхтвердых материалов в виде слоя, выполняющего роль пористой основы. После этого в пористую основу можно последовательно вводить более мелкие порошки сверхтвердых материалов из соответствующих суспензий.
Суспензию изготавливают любым известным способом: с помощью механического диспергирования, смешиванием ультразвуком, в вибромельнице и т.п. В зависимости от размера зерен порошков сверхтвердых материалов жидкая фаза может быть различна. Для крупных частиц жидкой фазой может служить вода, спирт и т.п.; для мелких и очень мелких частиц жидкая фаза должна содержать стабилизатор, препятствующий коагуляцию частиц.
В зависимости от требований, предъявляемых к режущему элементу, выбирают зернистость порошков сверхтвердых материалов, фракционный состав порошков и их количественное содержание. Более высокое объемное содержание может быть достигнуто введением порошков трех, четырех зернистостей. Порошки каждой следующей зернистости вводят, также как и предыдущих зернистостей, с помощью соответствующих суспензий и с наложением на нее постоянного электрического тока.
В качестве порошков сверхтвердых материалов могут быть использованы алмазные порошки, порошки кубического нитрида бора, карбида вольфрама, карбида кремния, оксида алюминия и т.п.
Таким образом, предложенный способ позволяет изготавливать за более короткое время режущие элементы для таких инструментов, как буровые, правящие и т.п., резцов для получения у них острой режущей кромки, деталей машиностроения, для получения необходимой твердости которых в пористую основу можно вводить супермелкие порошки вплоть до порошков наноразмеров.