Связка на основе меди для изготовления режущего инструмента со сверхтвердым материалом

Связка на основе меди для изготовления режущего инструмента со сверхтвердым материалом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к порошковой металлургии, к способам получения композиционных материалов. Изобретение может быть использовано в качестве связок при изготовлении режущего инструмента со сверхтвердым материалом для стройиндустрии, тяжелого машиностроения, нефте- и газоперерабатывающая отрасли и др., включая отрезные сегментные круги различной конструкции (ОСК), применяемые при резке чугунов, и канатных пил для резки массивных конструкций из стали и чугунов.

Связка оказывает влияние на конструкцию инструмента. В зависимости от связки выбирается материал корпуса, метод соединения абразивного слоя с корпусом. Физико-механические свойства связок предопределяют возможную получаемую форму и размеры режущего инструмента на основе CBN и/или алмаза.

Известна связка для изготовления алмазного инструмента (RU 2286241 С2, опубл. 2006.07.07), содержащая металл, выбранный из группы железа Периодической системы, карбид титана и соединение металла с металлоидом. С целью повышения прочности связки и надежности закрепления алмазного зерна в связке дополнительно содержится карбид циркония.

Недостатком известной связки является использование дорогостоящего и токсичного кобальта, а также более низкой скорости резания высокоармированного железобетона и снижение ресурса работы инструмента.

Прототипом заявленного изобретения является связка для изготовления алмазного инструмента (RU 2432249 С1, опубл. 27.10.2011. Бюл. №30), содержащая основу в виде меди.

Недостатком известного материала на основе меди является недостаточная износостойкость, твердость, прочность, ударная вязкость и температурная стойкость, а также низкий удельный ресурс при резке стали, чугуна.

Технической задачей заявленного изобретения является увеличение ударной вязкости KCU, твердости HRB, предела прочности при трехточечном изгибе σ^изг, удельной износостойкости И_обр, удельного ресурса и скорости резания отрезных сегментных дисков при низкой остаточной пористости сегментов, содержащих CBN/алмаз.

Поставленная задача достигается тем, что в связку на основе меди, кобальта и железа дополнительно вводят от 1 до 45 мас.% никеля и легирующую добавку в количестве от 0,01 до 3 мас.%.

Связки могут быть получены методом порошковой металлургии: спеканием с последующим прессованием при температуре спекания. Этот метод является высокопроизводительным, т.к. продолжительность процесса нагрева до температуры спекания, выдержка при температуре спекания, прессование и охлаждение до комнатной температуры не превышают 15 минут. Высокие скорости нагрева и равномерное распределение температур в рабочей камере обеспечиваются за счет пропускания электрического тока через спекальную форму, которая одновременно является и пресс-формой.

По окончании выдержки при температуре отжига сразу же проводится прессование для обеспечения необходимой плотности и формы изделий. Конструкция пресс-формы позволяет проводить процесс в инертной и защитной атмосфере, что повышает качество инструмента.

Полученные сегменты с CBN и/или алмазом напаиваются на диск. Испытания дисков проводят при резке массивной отливки из серого чугуна марки СЧ20.

Материалы связок по изобретению обеспечивают лучшие экономические показатели по сравнению с аналогами ведущих мировых производителей по критериям цена/ресурс и цена/производительность.

Пример. В связку на основе меди состава (мас.%):

Cu - 27,5-49,5

Со - 13,75-24,75

Fe - 13,75-24,75

Ni - 1-45

Легирующая добавка - 0,01-3,0

Влияние содержания никеля и количества вводимых легирующих компонентов приведено в таблицах 1-6. В качестве легирующей добавки вводят углеродные материалы.

Приведенные примеры составов связки (таблицы 1-6) обосновывают пределы содержания легирующих добавок.

Удельный ресурс ОСК и скорость резания в таблицах 1-6, 8 приведены по данным испытания отрезного сегментного диска с сегментами на основе CBN при резки чугуна марки СЧ20. Общая концентрация абразива в сегменте составляет 10 об.%, крупность зерен CBN 45/50 mesh.

С целью увеличить удельный ресурс и скорость резания в связки вместе CBN водят алмаз. В таблице 7 представлены свойства связки и инструмента с сегментами, в которых в качестве абразива взят алмаз и CBN в пропорции 50/50%. Общая концентрация абразива в сегменте составляет 10 об.%, крупность 45/50 mesh.

Таблица 7
Влияние легирующей добавки углеродных нанотрубок Снт на свойства связки и инструмента с кубическим нитридом бора и алмазом.
Состав, об(мас).%	П, %	Твердость, HRB	σизг, МПа	KCU, Дж/мм2	Иобр, мм3/(Н×м)×104	Удельный ресурс ОСК*, м2/мм	Скорость резания, см2/час
100%Cuсвязка2 *	1,3	95	1120	5,6	0,39	0,96	720
99,995%Cuсвязка2+0,005 Снт	1,5	92	1040	5,0
0,44	0,82	680
99,99%Cuсвязка2+0,01% Снт	1,5	97	1160	5,8
0,37	0,99	730
99%Cuсвязка2+1% Снт	1,7	104	1330	6,4
0,26	1,22	740
98%Cuсвязка2+2% Снт	2,1	98	1180	5,9
0,31	1,11	730
97%Cuсвязка2+3% Снт	3,1	97	1160	5,7
0,37	1,05	720
96%Cuсвязка2+4% Снт	3,7	89	930	4,4
0,55	0,78	650
Состав: Cuсвязка2 35%Cu; 17,5%Co; 17,5%Co; 30%Ni

Как видно из таблиц 1÷7, содержание легирующей добавки менее 0,01 мас.% не обеспечивает достижение поставленной цели, т.к. их количества недостаточно для эффективного дисперсионного упрочнения связки, и их влияние на структуру и свойства полученного материала незначительно

Введение в связку более 3 мас.% приводит к увеличению пористости и других свойств, т.к. легирующие добавки являются более тугоплавкими, твердыми и имеющими высокие модули упругости материала по сравнению с медью и никелем, то они выступают в роли концентраторов напряжений, что сильно охрупчивает материал и приводит к снижению прочностных характеристик и износостойкости связки, а также требуют повышения температуры спекания и обладают плохой прессуемостью.

Указанные диапазоны концентраций легирующих добавок 0,01÷3 мас.%. Справедливы только для нанодисперсных порошков. На свойства связки оказывает влияние размер частиц легирующего элемента. Для получения заданной удельной поверхности порошки разделялись на фракции заданной дисперсности, обеспечивающей требуемые значения удельной поверхности. В таблице 8 представлена зависимость легирующих элементов от размера частиц (удельной поверхности).

Таблица 8
Влияние дисперсности легирующей добавки углеродных нанотрубок Снт на свойства связки инструмента с кубическим нитридом бора
Состав, об(мас).%	П, %	Твердость, HRB	σизг, МПа	KCU, Дж/мм2	Иобр, мм3/(Н×м)×104	Удельный ресурс ОСК*, м2/мм	Скорость резания, см2/час
100%Сuсвязка2 *	1,3	95	1120	5,6	0,39	0,83	650
70	1,4	93	1050	5,0	0,44	0,72	630
75	1,4	97	1170	5,8	0,30	0,85	680
100	1,5	100	1260	6,4	0,25	0,98	700
125	1,6	103	1320	6,8	0,22	1,18	710
150	1,8	96	1190	6,1	0,36	0,85	660
160	2,5	91	1010	4,8	0,52	0,66	640
Состав: Сuсвязка2 35%Cu; 17,5%Со; 17,5%Со; 30%Ni

Материалы связок по изобретению обеспечивают лучшие экономические показатели по сравнению с аналогами ведущих мировых производителей по критериям цена/ресурс и цена/производительность.

1. Связка на основе меди, используемая при изготовлении инструмента, включающего сверхтвердый материал, содержащая кобальт, железо, никель и легирующую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Cu	27,5-49,5
Со	13,75-24,75
Fe	13,75-24,75
Ni	1-45
легирующая добавка	0,01-3,0

2. Связка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве легирующей добавки она содержит углеродные нанотрубки и ультрадисперсный алмаз.

3. Связка по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит легирующую добавку в виде нанопорошков с удельной поверхностью 75 - 150 м²/г.

4. Связка по п. 1, отличающаяся тем, что сверхтвердый материал представляет собой кубический нитрид бора и/или алмаз.