способ получения композиционных материалов с высоким содержанием порошков алмаза и/или кубического нитрида бора

Формула изобретения

Способ получения композиционного материала с содержанием порошков алмаза и/или кубического нитрида бора до 92 об.%, включающий помещение порошков сверхтвердых материалов в форму, укладку их до получения плотной упаковки и пропитку металлами или сплавами, отличающийся тем, что в качестве порошков берут порошки алмаза и/или кубического нитрида бора одной зернистости, имеющие удлиненную или пластинчатую форму.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к получению композиционных материалов, включающих порошки сверхтвердых материалов, в частности порошки алмаза и/или кубического нитрида бора (КНБ), в количестве до 92% об. и связанных друг с другом металлическим связующим. Такой композиционный материал может быть использован в виде режущих элементов в различных инструментах, таких как буровой и правящий инструменты, инструменты для обработки камня и стройматериалов и т.п.

Кроме того, из этого материала могут быть изготовлены прочные износостойкие детали машин и приборов: элементы подшипников скольжения, центра обрабатывающих станков, направляющие и базирующие элементы различных приборов и конструкций и т.д.

Известен способ изготовления композиционного материала для режущих элементов, при котором в форму укладывают с помощью вибрации порошок сверхтвердого материала и пропитывают полученный брикет связующим при температуре и давлении ниже области стабильности алмаза. Для получения материала с высоким (до 75%) объемным содержанием сверхтвердых компонентов берут порошки с изометричной или близкой к ней формой двух-трех зернистостей и укладывают их послойно в форму, подвергая ее после размещения каждого слоя порошков определенной зернистости вибрации для проникновения более мелких порошков в свободные пространства между более крупными порошками. В качестве крупных порошков сверхтвердых материалов используют порошки алмаза или кубического нитрида бора размером 50 - 2000 мкм, в качестве первых мелких порошков берут порошки алмаза, кубического нитрида бора, карбида вольфрама, карбида кремния или окиси алюминия размером 25-75 мкм, а в качестве вторых мелких порошков берут порошки размером менее 25 мкм (патент США № 5096465, кл. 51-295, 1992 г.).

В известном способе порошки сверхтвердого материала каждой зернистости вводят в форму последовательно слоями с наложением на каждый слой порошка вибрации, которая должна обеспечить распределение мелких зерен по всему объему слоя из порошков крупной зернистости, причем при использовании еще более мелких порошков последние должны распределиться между крупными и первыми мелкими порошками. Таким образом, содержание порошков алмаза и КНБ определяется количеством зернистостей порошков сверхтвердых материалов, являющихся основой композиционного материала. С увеличением количества зернистостей, особенно при использовании микропорошков, увеличивается трудоемкость получения материала, особенно когда изготавливается режущий элемент большой высоты, увеличиваются ошибки в упаковке, ведущие к ухудшению равномерности распределения порошков в объеме. Процесс должен быть контролируемым, чтобы при достаточно длительном воздействии вибрации не происходило вновь расслаивание уже уложенных порошков на фракции. Кроме того, для проникновения порошков более мелкой зернистости в пространства между порошками более крупной зернистости зерна порошков должны иметь, преимущественно, изометричную или близкую к ней форму. Порошки с изометричной формой зерен, получаемые в результате рассеивания технических порошков, включающих в себя зерна различных форм, имеют более высокую стоимость, чем порошки других форм. Использование дорогих порошков увеличивает себестоимость материала.

Технической задачей является снижение трудоемкости изготовления композиционного материала с высоким (до 92%) объемным содержанием порошков алмаза и/или кубического нитрида бора, получение материала с большой высотой рабочего слоя, характеризующегося равномерным распределением порошков в объеме, а также снижение себестоимости материала.

Технический результат достигается тем, что в способе получения композиционного материала с высоким содержанием порошков алмаза и/или кубического нитрида бора, при котором порошки помещают в форму, укладывают их до получения плотной упаковки и пропитывают металлами или сплавами, в качестве порошков берут порошки алмаза и/или кубического нитрида бора удлиненной или пластинчатой формы, при этом порошки берут одной зернистости.

В соответствии с ГОСТ порошки удлиненной формы представляют собой зерна, которые имеют отношение максимального и минимального размеров в плоскости проекции 1,3:1 до 3:1 и меньший из этих размеров превышает размер зерна в направлении, перпендикулярном к плоскости проекции, не более чем в 3 раза. Пластинчатые порошки представляют собой зерна, которые имеют отношение максимального и минимального размеров в плоскости проекции менее 3:1 и меньший из них превышает размер зерна в направлении, перпендикулярном плоскости проекции, более чем в 3 раза. Однако для получения композиционного материала удлиненные и плоские алмазы могут иметь некоторые отклонения от рекомендуемых соотношений.

Способ осуществляется следующим образом.

В форму, в которой получают материал для изготовления режущих элементов, помещают порошки алмаза и/или КНБ в форме игл и/или пластин и укладывают их для уплотнения любым известным способом, например, вибрацией, вибрацией с дополнительной подпрессовкой, шликерным литьем с последующим удалением жидкой фазы, шликерным литьем с последующим удалением жидкой фазы и т.п. В результате пластинчатые зерна сверхтвердых материалов ориентируются горизонтально относительно дна формы, а удлиненные зерна ориентируются друг относительно друга длинными сторонами. Уложенные в форме порошки сверхтвердых материалов смачивают раствором СК в бензине (СК - 6% вес.), просушивают на воздухе либо принудительно от любого источника тепла. Для получения материала с объемной концентрацией порошков до 80% порошки алмаза и/или КНБ в форме игл и/или пластин могут быть уплотнены, например, только вибрацией. Для получения материала с объемным содержанием порошков алмаза и/или КНБ в форме игл и/или пластин свыше 80% порошки дополнительно подпрессовывают промежуточным пуансоном с усилием 20-300 кг/см², в зависимости от длины игл и пластин, при этом чем длиннее иглы и пластины, тем меньшее усилие требуется для подпрессовки. После уплотнения порошков производят пропитку прессовки металлами или сплавами, являющимися связующим компонентом материала.

При вибрации формы находящиеся в ней порошки, имеющие форму пластин, распределяются таким образом, что соприкасаются друг с другом плоскими поверхностями, удлиненные зерна ориентируются друг относительно друга длинными сторонами, также образуя плотную упаковку. При этом нет необходимости применения порошков нескольких зернистостей, так как исключается необходимость проникновения более мелких порошков в свободные пространства между крупными порошками.

Пластинчатые и удлиненные порошки получаются в результате классификации порошков сверхтвердых материалов по размеру и по форме. При классификации отделяются изометричные или близкой к ней формы порошки, которые идут на изготовление основной номенклатуры алмазного инструмента. Остальные же порошки, имеющие форму пластин и иголок (зерна удлиненной формы), являются как бы отходами классификации и имеют более низкую стоимость по сравнению с изометричными порошками. Эти порошки, как правило, направляются на дробление для получения из них микропорошков.

При изготовлении материала, имеющего высоту более 2 мм, порошки сверхтвердых материалов делят на отдельные навески, которые последовательно загружают в форму после виброукладки предыдущей навески. При виброукладке второй, третьей и т.д. навесок плотность уже уложенных порошков не нарушается, а также отсутствует эффект расслоения порошков.

Усилие прессования 20-300 кг/см² достаточно, чтобы получить спрессованный материал необходимой плотности и чтобы порошки сверхтвердых материалов сохранили свою целостность, т.е. не дробились при прессовании.

В зависимости от характеристик, которыми должен обладать изготавливаемый материал, в качестве порошков сверхтвердых материалов берут порошки алмаза, кубического нитрида бора природного или синтетического происхождения или их смесь. Могут быть использованы порошки других сверхтвердых материалов.

Пропитку уплотненного материала производят металлами или сплавами, имеющими хорошую растекаемость по поверхности порошков алмаза и кубического нитрида бора. При этом пропиточный материал выполняет роль связующего компонента композиционного материала. Для расширения номеклатуры металлов и сплавов, имеющих плохую смачиваемость поверхности порошков алмаза или кубического нитрида бора, но которые могли бы быть использованы в качестве связующего компонента для получения композиционного материала с необходимыми физико-механическими свойствами, на зерна порошков предварительно можно нанести покрытие из металлов и сплавов, обеспечивающих хорошую растекаемость связующего компонента по поверхности покрытых порошков.

По окончании процесса пропитки материал подвергают механической обработке для получения режущих элементов требуемой формы и размера в соответствии с назначением.

Пример.

Брали порошки удлиненной формы, полученные в результате классификации природных алмазов зернистостью 500/400 по форме на вибростоле (бункер № 10-11). Отвешивали навеску алмазов, исходя из условий заполнения формы алмазами на 80% об. Навеску делили на 3-4 равные части. В графитовую форму, смазанную гексагональным нитридом бора, помещали первую навеску и укладывали ее в виброполе с частотой 60 Гц, амплитудой 3 мм. После уплотнения первой навески в форму последовательно помещали остальные навески, каждую из которых также уплотняли в виброполе. Уложенные алмазы смачивали раствором синтетического каучука в бензине (СК - 6% вес) из расчета - одна капля раствора на карат алмаза. Брикет сушили на воздухе в течение 20 мин. Затем брикет подпрессовывали промежуточным пуансоном вручную ~20 кг/см ², пуансон удаляли и производили пропитку алмазного брикета бронзовым сплавом, содержащим 4% титана или более 2% циркония при температуре 980°С в течение 8-10 мин. Толщина брикета составляла 10 мм. После охлаждения брикет, являющийся композиционным материалом, вынимали из формы и проводили зачистку его поверхностей. Изготавливали микрошлиф поверхности материала для определения объемного содержания сверхтвердых компонентов методом секущих (метод Салтыкова). Микрошлиф показал, что общее содержание сверхтвердых компонентов в изготовленном композиционном материале соответствовало заданному ~80%.

Таким образом, для получения материала с высоким содержанием порошков алмаза и/или кубического нитрида бора первоначально берутся порошки только одного размера, при этом отпадает необходимость в микропорошках, применение которых вызывает существенное усложнение процесса изготовления материала. Это дает возможность производить укладку порошков простыми способами, например вибрацией, необходимой только для равномерного распределения зерен порошков на поверхности предыдущего слоя, укладывать неограниченное количество слоев порошков и получать материал с высоким объемным содержанием порошков алмаза и/или кубического нитрида бора большой высоты и с равномерным распределением зерен порошков по всему объему за счет уменьшения ошибок при укладке слоев и уменьшения количества зернистостей порошков. Сопутствующее преимущество способа заключается в том, что образуемые при раздавливании менее прочных зерен фрагменты зерен имеют относительно более высокую прочность, чем первоначальная, и тем самым повышают суммарную прочность композиционного материала.