Способ изготовления высокоизносостойкого алмазного инструмента

Изобретение относится к области машиностроения и, в частности, для получения инструментов на металлических связках, содержащих в качестве режущих зерен алмазные порошки. Инструменты на металлических связках применяются для обработки различных труднообрабатываемых материалов, таких как твердые сплавы, природные и искусственные строительные материалы, для правки абразивных кругов, для бурения и др. работ.

Как правило, металлические связки представляют собой композиции из металлов, легированных различными элементами. Одной из основных характеристик инструмента является износостойкость алмазного рабочего слоя, которая при равных условиях определяется степенью закрепления алмазов связкой. Высокая износостойкость алмазоносного слоя инструмента может быть достигнута прочным закреплением зерен алмаза с использованием адгезионно-активных связок. В этом случае зерна алмаза во время изготовления инструмента при повышенных температурах смачиваются адгезионно-активной связкой, и на границе алмаз-связка образуется химическая связь, прочно удерживающая алмазные зерна.

В производстве алмазного инструмента известен и широко используется способ изготовления алмазного инструмента на металлической связке, включающий формирование брикета прессованием алмазосодержащей шихты, состоящей из алмазных порошков или из смеси алмазных порошков с металлическими компонентами, и последующую пропитку брикета расплавленным пропиточным материалом, который сам по себе либо с компонентами шихты образует металлическую связку. Одним из обязательных условий для пропитки брикета является относительно невысокая температура плавления пропиточного материала до 1300°C, предпочтительно до 900°C, для того чтобы избежать повреждение алмазных зерен, и удовлетворительная смачиваемость алмазных порошков пропиточным материалом. Кроме того, пропиточный материал, образующий связку, удерживающую алмазные порошки предпочтительно должен обеспечивать образование с алмазными порошками связь, имеющую химическую природу.

Известен способ изготовления алмазного инструмента, включающий формирование алмазосодержащего брикета и пропитку его пропиточным материалом - медью (SU №316836, E21B 9/36, 1971 г.). Для обеспечения пропитки брикета медь нагревают до температуры 1150°C и пропитку проводят в защитной атмосфере. Недостаток способа заключается в том, что пропиточный материал (медь) не смачивает поверхность алмаза в условиях пропитки и не вступает с ним во взаимодействие, что не позволяет обеспечить необходимое алмазоудержание, а следовательно, повышенную износостойкость алмазного инструмента.

Для улучшения адгезионно-активных свойств пропиточного материала по отношению к алмазным зернам в состав пропиточного материала вводят различные элементы, имеющие сродство к углероду.

В соответствии с патентом RU №2136479, B24D 3/06, 1998 г. при изготовлении алмазных инструментов, в частности алмазных буровых инструментов, брикет, полученный из шихты, содержащей алмазные порошки, порошки карбида вольфрама, кобальта и рэлита пропитывают медью, содержащей небольшое количество никеля (4% масс.). Никель способствует улучшению инфильтрационных свойства сплава в жидкотекучем состоянии и выполняет роль адгезионил-активной добавки. В № 5000273 US, C04B 35/52, 1991 г. алмазосодержащий брикет пропитывают сплавом медь-цинк-марганец, имеющим низкую температуру плавления и удовлетворительную адгезию к алмазным порошкам. В известных технических решениях в пропиточный материал вводят компоненты, которые снижают температуру пропитки, но не в достаточной мере улучшают адгезионно-активные свойства пропиточного материала. В то же время при использовании любых готовых адгезионно-активных сплавов для пропитки алмазосодержащего брикета невозможно теоретически учесть габаритные размеры изготавливаемой продукции, время пропитки, конечные физико-механических свойств продукции.

Одним из способов улучшения удержания алмазных зерен в металлической матрице является использование в качестве пропиточных материалов карбидообразующих тугоплавких металлов или сплавов. Однако этот способ связан с сильной графитизацией алмазов, так как большинство таких металлов и сплавов требуют высокие температуры пропитки. Так, в WO №2009061265, B24D 3/10, 2009 г/ пропитку карбидообразующими металлами или сплавами осуществляют при температуре 1400-1700°C (температура начала графитизации алмаза 800°C).

Известно, что для повышения износостойкости алмазного инструмента в алмазосодержащую шихту вводят химически активные наполнители. В соответствии с техническим решением RU №2156186, кл. B24D 3/34, 2000 г. в шихту вводят алюминий и раствор двухлорного олова, способствующие удалению окисных пленок на металлических порошках шихты; в результате металлические порошки активно взаимодействуют между собой и способствуют возникновению адгезионно прочного химического соединения алмаза с материалом матрицы. Недостаток способа заключается в том, что желаемый результат может быть получен при применении реакционно способной шихты, образующей флюсы в объеме связки, которые фактически невозможно удалить, что приводит к охрупчиванию связки.

Одним из путей улучшения удержания алмазных порошков в металлической связке-матрице является нанесение на алмазные порошки покрытий, которые должны иметь удовлетворительную адгезию с алмазом и смачивание пропиточным материалом (Патенты RU №2073590, кл. B24D 3/06, 1997 г., US №5096465, кл. 18/00, 1945 г., US №2367404, кл. B24D 3/08, 1945 г., US №6193770, кл. B24D 3/00, 2001 г., US №5096465, кл. B24D 11/00, 1992 г., WO №0245907, кл. B24D 3/06, 2002 г.). Покрытие может быть однослойным или многослойным. При этом при многослойном покрытии первый слой, примыкающий к алмазу, имеет хорошую адгезию с алмазом, внешний слой имеет удовлетворительные свойства по смачиваемости пропиточным материалом. Недостатки способов, предусматривающих нанесение покрытия на алмазные порошки, заключаются в усложнении технологии изготовления алмазосодержащих материалов, т.к. процесс нанесения покрытия является трудоемкой операцией, требующей специального оборудования с защитными средами, и связано с технологическими и другими потерями алмазного сырья.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ изготовления алмазного инструмента, включающий формирование брикета из шихты, содержащей алмазные порошки и компоненты металлической связки, и пропитку пропитывающим материалом. (US №2011165826, B24D 3/06, 2011 г.). В качестве компонентов металлической связки служат металлы или сплавы металлов, выбранных из группы: железо, вольфрам, кобальт, никель, хром, титан, серебро, а также редкоземельный элемент, например, церий, лантан, ниодим или их комбинация.

Пропитывающим материалом может служить медь либо ее сплавы с оловом, цинком.

Недостаток способа заключается в том, что для обеспечения надежной адгезионной связи алмазных зерен, компонентов металлической связки и пропиточного материала процесс пропитки должен протекать значительное время, т.к. в течение пропитки должны пройти металлургические процессы взаимодействия компонентов связки с образованием легированных активных сплавов. При этом для обеспечения карбидообразования по всей поверхности алмазных зерен необходимо, чтобы компоненты металлической связки находились вблизи и вокруг алмазных зерен.

Технической задачей предлагаемого способа является повышение износостойкости алмазных инструментов за счет улучшения адгезионной связи алмазных порошков с пропиточным материалом, снижение трудоемкости изготовления инструмента путем сокращения времени пропитки за счет совмещения процессов гибкого легирования пропиточного материала и пропитки.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления алмазного инструмента, включающем формирование брикета из алмазосодержащей шихты и пропитку брикета пропиточным материалом, в состав шихты вводят легирующие металлические порошки, которые при пропитке образуют с пропиточным материалом адгезионно-активные сплавы по отношению к алмазному порошку, при этом легирующие металлические порошки берут зернистостью 4-20 мкм и вводят их в количестве 5-20% от объема пропиточного материала.

В качестве пропиточного материала берут медь или сплавы на основе меди, например, Cu-Mn, Cu-Si, Cu-Cr, Cu-Al и др., или никеля, например Ni-B, Ni-Si-Cr, Ni-Mn-Si и др. с температурой плавления менее 1250°C.

В качестве легирующих металлических порошков зернистостью 4-20 мкм берут железо, хром, марганец, кремний, их смеси или сплавы.

На легирующие металлические порошки алмазосодержащей шихты наносят покрытие, в качестве которого берут основной компонент пропиточного материала, в частности медь или никель.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Так как легирующие металлические порошки имеют зернистость 4-20 мкм, то даже небольшое их количество в брикете обеспечит равномерное распределение по всему объему и нахождение его вблизи и в контакте со всей поверхностью алмазных зерен. Кинетика плавления легирующего металлического порошка чутко зависит от размера частиц: чем меньше частицы, тем раньше и быстрее протекает процесс образования адгезионно-активного сплава (пропиточного материала). При изготовлении алмазного инструмента введенные в шихту легирующие металлические порошки, выбранные из группы: железо, хром, марганец, кремний, либо смесь, либо сплав этих металлов зернистостью 4-20 мкм при пропитке пропиточным материалом - медью или ее сплавами, или сплавами никеля, за время, необходимое для обеспечения полной пропитки брикета, активно и, следовательно, в более короткое время образуют с пропиточным материалом адгезионно-активные сплавы по отношению к алмазу, которые, растекаясь по поверхности алмазных зерен, образуют с ним прочную химическую связь.

Для изготовления инструментов исходными материалами являются природные или синтетические алмазные порошки. В качестве абразивных порошков может быть использован также кубический нитрид бора, карбид бора, карбид кремния, оксид алюминия и др. абразивные материалы. Алмазные порошки в зависимости от вида инструмента его назначения берут зернистостью 50-3000 мкм. Можно использовать смесь алмазных порошков разной зернистости для получения высокой концентрации алмаза в объеме прессовки. Количество алмазного порошка составляет 2-65% об. Возможно содержание алмазного порошка до 70-92% об.

Шихта, из которой формируют инструмент, кроме порошков алмаза может содержать металлические порошки и наполнители, такие как твердый сплав, релит, карбид титана, бориды, нитриды металлов, различные металлы и др. Металлические порошки и наполнители образуют прочный каркас и могут целенаправленно изменять эксплуатационные характеристики инструмента. Ограничение выбора металлических порошков - они не должны повышать температуру плавления пропиточного материала выше 1250°C. Вид металлических порошков и наполнителей и их количество в инструменте определяется назначением инструмента, условиями обработки и т.п.

Для пропитки алмазного брикета используют медь или сплавы на основе меди или сплавы никеля. Это наиболее применяемые пропиточные материалы при изготовлении алмазного инструмента. Медь имеет невысокую температуру плавления - 1083°C, но не смачивает поверхность алмаза и не вступает с ним во взаимодействие. Для снижения температуры плавления меди или улучшения ее смачивающих свойств в медь можно вводить легирующие элементы, например олово, серебро, никель, цинк. Никель имеет высокую температуру плавления, поэтому для использования никеля в качестве пропиточного материала используют низкотемпературные никелевые сплавы типа никель-бор, никель-кремний и другие. Температура плавления пропиточного материала должна быть не выше 1250°C. Ограничения по температуре плавления пропиточного материала связаны с необходимостью исключения повреждения алмазных порошков из-за высокотемпературного воздействия (графитизации алмаза).

В качестве легирующих металлических порошков зернистостью 4-20 мкм берут порошки из группы: железо, хром, марганец, кремний, либо смесь, либо сплав этих металлов. Эти металлы имеют небольшие углы смачиваемости и хорошо растекаются по поверхности алмазных зерен. Порошки металлов железа, хрома, марганца и кремния, либо смесь, либо сплав этих металлов при температуре пропитки растворяются в пропиточном материале, образуя сплавы, которые с углеродом алмаза образуют карбиды, создавая прочную химическую связь алмаза с матрицей. Легирующие металлические порошки вводят в шихту в количестве 5-20 об.%. При таком количестве мелкозернистые порошки металлов железа, хрома, марганца и кремния, либо смесь, либо сплав этих металлов образуют с медью и никелем эвтектики или близкие к эвтектике сплавы, которые имеют пониженную температуру плавления, являющуюся оптимальной для пропитки алмазного брикета. Порошки этих металлов недорогие и доступные.

Легирующие металлические порошки железа, хрома, марганца, кремния, либо смесь, либо сплав этих металлов берут зернистостью 4-20 мкм. Размер легирующих металлических порошков и их количество обусловлено необходимостью получения за время пропитки сформированного брикета сплавом пропиточного материала эвтектического состава, а также упрочнением матрицы по механизму дисперсного упрочнения. Более мелкие легирующие металлические порошки, менее 4 мкм, значительно усложняют технологический процесс изготовления инструмента, более крупные порошки металлов, более 20 мкм, не обеспечат необходимого эффекта от их применения, т.к. замедляется процесс легирования пропиточного материала. Чем меньше высота пропитываемого брикета, тем более мелкозернистые порошки необходимо применять. Так, для пропитки сегментов для буровых коронок, имеющих высоту 20 мм, легирующие металлические порошки необходимо брать размером 20 мкм, для сегментов высотой 14 мм - 10 мкм, для сегментов высотой 10 мм - 4 мкм.

На легирующие металлические порошки можно наносить покрытие из металла, который является основным компонентом пропиточного материала. Покрытие на легирующих металлических порошках служит активатором процесса пропитки, ускоряя формирование адгезионно-активных сплавов, увеличивая скорость пропитки и равномерность структуры связки. При использовании в качестве пропиточного материала меди или ее сплавов на металлические порошки наносят покрытие из меди, и, соответственно, при использовании в качестве пропиточного материала сплава никеля, на металлические порошки наносят никель. Металл покрытия на легирующем металлическом порошке начинает при более низких температурах реагировать с мелкозернистыми легирующими металлическими порошками из группы: железо, хром, марганец, кремний, либо их смесь, либо сплав, ускоряя процесс легирования пропиточного материала в процессе пропитки. Нанесение на легирующие металлические порошки покрытий осуществляется любыми известными способами, например, химическим или электролитическим осаждением металла, контактно-восстановительными и другими способами.

Способ осуществляется следующим образом. Готовят шихту из алмазных порошков, и при необходимости, других порошков: металлических компонентов и наполнителей, которые способствуют получению инструмента с заданными свойствами, а также легирующих металлических порошков с зернистостью 4-20 мкм, выбранных из группы: железо, хром, марганец, кремний, либо их смесь, либо сплав. Шихту помещают в пресс-форму и прессуют с усилием до 2000 кг/см². После прессования брикет засыпают порошками Al₂O₃ и на его поверхности укладывают пропиточный материал. Сборку устанавливают в печь с восстановительной атмосферой для пропитки брикета пропиточным материалом. Печь постепенно нагревают до температуры на 50-100°C выше температуры плавления пропиточного материала и выдерживают при этой температуре до проникновения пропиточного материала в поры брикета на полную глубину. Время пропитки будет составлять при использовании легирующих металлических порошков зернистостью 4 мкм - 15 мин, легирующих металлических порошков зернистостью 14 мкм - 20 мин, легирующих металлических порошков зернистостью 20 мкм - 30 мин. После того как пропитка будет завершена, форму вынимают из печи, охлаждают до комнатной температуры и извлекают готовый брикет. Далее брикет крепят на корпус инструмента любым известным способом.

Время при обычной пропитке - при величине использования металлических порошков 30-40 мкм составляет 35-45 мин.

Эксперименты, проведенные по заявленному способу, показали, что за время пропитки легирующие мелкозернистые металлические порошки при быстром растворении в пропиточном материале способствовали образованию сплавов, которые с углеродом алмаза образовывали карбиды, обеспечивающие прочную химическую связь алмаза с матрицей.

1. Способ изготовления высокоизносостойкого алмазного инструмента, включающий формирование брикета из содержащей алмазные порошки шихты и пропитку брикета пропиточным материалом, отличающийся тем, что в шихту вводят легирующие металлические порошки, которые при пропитке образуют с пропиточным материалом адгезионно-активные сплавы по отношению к алмазному порошку, при этом используют легирующие металлические порошки зернистостью 4-20 мкм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве легирующих металлических порошков зернистостью 4-20 мкм в шихту вводят по одному порошки из группы: железо, хром, марганец, кремний или в виде их смеси или сплавов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пропиточного материала используют медь, или сплавы на основе меди, или сплавы никеля с температурой плавления не выше 1250°C.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на легирующие металлические порошки наносят покрытие, в качестве которого используют основной компонент пропиточного материала.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что на легирующие металлические порошки наносят покрытие из меди или никеля.