СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АБРАЗИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
METHOD OF PRODUCING ABRASIVE ELEMENTS

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении металлических и алмазосодержащих элементов для различного рода инструментов, например буровых коронок, элементов для камнеобработки, резцов и других подобных изделий. В настоящее время существует несколько способов изготовления абразивных алмазосодержащих элементов в зависимости от качества алмазного сырья (термостойкость), сложности геометрии элементов и температуры, необходимой для спекания связки. В большинстве этих способов используют графитовые детали для сохранения геометрии абразивных элементов при высоких температурах и создание высоких температур при пропускании через графитовые детали электрического тока. При воздействии на графитовые детали высоких температур в воздушной среде их поверхность подвергается окислению, что приводит к изменению их геометрических размеров и, как следствие, к ухудшению качества изготовляемых изделий, в частности абразивных элементов.
2
2
Известен способ изготовления алмазного инструмента (авт. свид. СССР №1016076 с приоритетом от 21.01.80 г., МПК E22F 7/06), согласно которому изготавливают преимущественно вставки бурового инструмента. Для этого засыпают порошковый твердосплавный материал ВК6-1 матрицы в пресс-форму, прессуют под давлением 50 кг/см, затем извлекают из пресс-формы и запрессовывают элементы алмаза под давлением 40 кг/см и осуществляют горячее прессование при температуре 1400°С. В качестве материала пресс-формы используют графит.
Недостатком этого способа является низкая стойкость используемых для получения элементов деталей устройств, в частности графитовой пресс-формы.
Известен способ изготовления абразивного инструмента (патент РФ №1403508, приоритет 07.07.1986 г., МПК В24D 17/00), согласно которому абразивные стержни заготовки помещают в металлическую оболочку, между оболочкой и заготовками располагают промежуточный элемент, выполненный из графита, после чего производят экструдирование, а затем оболочку удаляют. Абразивную заготовку предварительно подвергают холодному прессованию, а затем их обертывают алюминиевой фольгой, вставляют в гнезда графитового корпуса и подвергают воздействию температуры 750-800°С в течение 30 минут и экструдируют с различными степенями сжатия. Недостатком является изготовление инструмента при относительно невысоких температурах, при которых изолирующая алюминиевая фольга (т.пл. 660°С) не плавится, но при более высоких температурах алюминий будет плавиться и проникать в графитовую оболочку и алмазоносную массу, что снижает качество изготовляемого абразивного инструмента и качество используемых деталей при изготовлении, стойкость используемых для получения элементов деталей устройства, в частности графитовой пресс-формы.
Известен способ изготовления алмазного породоразрушающего инструмента (патент РФ №2156186, приоритет от 30.12.1998 г., МПК В24D 3/34, B22F 3/26, С22С 26/00), включающий размещение в графитовой пресс-форме алмазных зерен и материала матрицы, введение активатора, прессование и пропитку связующим металлом, причем в состав материала матрицы вводят алюминий в количестве 2,5-3,5% от веса материала матрицы, а в качестве активатора используют насыщенный спиртово-водный раствор двухлорного олова в количестве 2,0-3,0% от веса материала матрицы. Способ позволяет повысить стойкость алмазного породоразрушающего инструмента. Недостатком способа является невысокая стойкость графитовой пресс-формы.
Известен способ изготовления алмазного инструмента (патент РФ №2175590, приоритет 26.11.1999 г., МПК B22F 3/26), включающий прессование графито-пластиковой формы, покрытие внутренней поверхности формы пленкой металлического материала, формирование, прессование корпусом инструмента алмазоносной матрицы с последующей пропиткой связующим. В качестве металлического материала используют двойной сплав, один металл которого активно реагирует при пропитке с алмазом и связующим, а другой металл является интенсификатором этого процесса. Используют двойные сплавы, например никель-олово.
Предлагаемый способ позволяет повысить стойкость изготовляемого инструмента, но не решает вопрос о повышении стойкости используемых деталей при прессовании, таких как пресс-форма.
Наиболее близким техническим решением является способ изготовления абразивно-режущего элемента (патент РФ №1380109, приоритет от 19.08.1985 г., МПК В24D 3/10), включающий воздействие высокого давления и температуры на послойно расположенные слои порошка сверхтвердого материала, металлического связующего и металлокерамической подложки, причем между металлокерамической подложкой и сверхтвердым материалом размещают слои из сплава переходных металлов с температурой плавления 1000-1300°С и процесс ведут при плавлении 20-35 кбар и температуре 1000-1300°С. В качестве сверхтвердого материала используют порошок кубического нитрида бора или порошок алмаза с карбидо-, боридо- или нитридооб-разующими добавками, взятыми в количестве 1-30% от объема сверхтвердого материала. Для прессования использовали графитовый нагреватель, стенки которого от загружаемых компонентов изолированы слоем слюды, а от дна изолировали слоем нитрида бора.
Недостатком способа является использование высоких давлений и температур, что резко увеличивает себестоимость изготовления элементов.
Задачей предлагаемого технического решения является устранение указанных выше недостатков и увеличение стойкости используемых графитовых деталей, в частности графитовых пресс-форм, используемых при изготовлении алмазосодержащих элементов для абразивных инструментов.
Поставленная задача достигается тем, что воздействуют давлением и температурой на композицию исходных холоднопрессованных заготовок, помещенных в графитовую пресс-форму. Исходные предварительно прессованные заготовки помещают в пресс-форму, детали которой покрывают тонким слоем водной или спиртовой суспензии графитоподобного нитрида бора. Затем на пресс-форму с исходными компонентами воздействуют давлением до 300 бар и температурой до 1000°С, выдерживают в течение 10 минут. Причем нанесение тонкого слоя водной или спиртовой суспензии графитоподобного нитрида бора на графитовые детали пресс-формы повторяют через каждые 2-5 циклов спекания. Содержание графитоподобного нитрида бора в водной или спиртовой суспензии составляет 2-10%. В качестве исходных компонентов для изготовления абразивных элементов используют порошок алмаза, металл из группы железа и металлокерамический материал, например бориды, карбиды. Использование водной или спиртовой суспензии графитоподобного нитрида бора позволяет изолировать графитовую поверхность пресс-формы при нагреве от окружающей среды, в том числе от кислорода в воздухе, и предотвратить окисление и выгорание графитовых поверхностей, что повышает стойкость пресс-формы, а также позволяет сохранить ее геометрические размеры и качество изготовляемых абразивных элементов.
Оптимальный количественный состав используемой суспензии определен экспериментально. Использование с более высоким содержанием графитоподобного нитрида бора ухудшает поверхность спеченных изделий, а использование более низкого содержания уменьшает защиту графитовой поверхности от кислорода при нагреве и требует более частого повторения покрытия поверхности суспензией.
Используемые параметры: давление - до 300 бар, температура - до 1000°С и время выдержки - до 10 минут определены в процессе экспериментальных исследований и являются оптимальными для изготовления абразивных элементов с высокой стойкостью на высокотемпературных связках и сохраняют стойкость используемой графитовой пресс-формы.
Сущность заявляемого технического решения поясняется следующим примерами:
Пример №1
Готовят водную суспензию из расчета 97 грамм воды и 3 грамма графитоподобного нитрида бора при непрерывном перемешивании в течение 5 минут и затем суспензию наносят тонким слоем на графитовые детали пресс-формы, высушивают и размещают в ней предварительно спрессованные заготовки из зерен алмаза, связки, на основе металла и металлокерамических материалов (никель, диборид титана). Заготовки в пресс-форме подвергают давлению 300 бар и температуре 900°С, выдерживают 10 минут, охлаждают и снимают давление и извлекают пресс-форму и элементы из нее. Нанесенный тонкий слой водной суспензии графитоподобного нитрида бора предохраняет поверхность графитовых деталей пресс-формы от окисления воздухом. Обработанную предлагаемым способом пресс-форму использовали 5 раз без видимых изменений на обработанных поверхностях графитовой пресс-формы, тогда как контрольные необработанные детали графита были покрыты сажей, кромки закруглены, произошло изменение геометрии.
Пример №2
Все как в примере №1, только готовят спиртовую суспензию графитоподобного нитрида бора из расчета 90 грамм спирта и 10 грамм графитоподобного нитрида бора. Подвергают воздействию давления 250 бар и температуры 800°С на алмазосодержащие элементы в пресс-форме и с временем выдержки 7 минут.
Графитовые элементы пресс-формы, покрытые тонким слоем суспензии, использовали 3 раза без видимых изменений на их поверхности.
Пример №3
Все как в примере №1, только использовали водную суспензию графитоподобного нитрида бора из расчета 93 грамма воды и 7 граммов нитрида бора, которой покрывали тонким слоем графитовые детали пресс-формы, собирали пресс-форму с прессованными абразивными элементами для спекания, подвергали давлению 300 бар и температуре 1000°С и время выдержки 5 минут. Пресс-форму использовали 5 раз без видимых изменений на покрытых графитовых поверхностях. Контрольные непокрытые графитовые детали подверглись окислению и коррозии поверхности.
Предлагаемый способ изготовления абразивных элементов для использования их в различного рода инструмента путем покрытия деталей графитовой пресс-формы изолирующим графитоподобным материалом позволяет увеличить стойкость используемых графитовых деталей, улучшить качество изготовляемых абразивных элементов и удешевить процесс изготовления этих элементов.