Результат интеллектуальной деятельности: КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ СТАЛИ И ЧУГУНА

Изобретение относится к порошковой металлургии, к способам получения композиционных материалов. Изобретение может быть использовано в качестве композиции для режущего инструмента со сверхтвердым материалом (СТМ), а именно сегментных кругов и колонковых сверл, режущих канатов широкой гаммы типоразмеров для резки массивных конструкций из стали и чугуна при реновации, плановых и аварийных ремонтах объектов инфраструктуры (дороги, аэродромы, мосты), энергетики (ГЭС, АЭС), ЖКХ (жилые дома, системы водоподготовки и водоочистки), утилизации структурами МЧС и МО химически и радиационно-загрязненных объектов.

Композиция оказывает влияние на конструкцию инструмента. В зависимости от состава композиции выбирается материал корпуса, метод соединения слоя со сверхтвердым материалом и с корпусом. Физико-механические свойства связки композиции определяют форму и размеры режущего инструмента на основе алмаза и кубического нитрида бора (cBN).

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

Недостатком известной композиции является использование дорогостоящего и токсичного кобальта, а также низкой скорости резания высокоармированного железобетона и низкий ресурс работы инструмента.

Прототипом заявленного изобретения является композиция для изготовления алмазного инструмента (RU 2487006 C1, опублик. 10.07.2013), содержащая медь, железо, никель, кобальт и легирующую добавку в виде углеродных нанотрубок или ультрадисперсного алмаза.

Недостатком известного материала на основе меди является недостаточные твердость, прочность, ударная вязкость связки, а также производительность и удельный ресурс инструмента со сверхтвердым материалом при резке стали и чугуна.

Технический результат, достигаемый в предложенном изобретении, заключается в повышении механических свойств связки композиции, а именно: твердости до 100 HRB, предела прочности при трехточечном изгибе σ^изг до 1200 МПа, ударной вязкости KCU до 6 Дж/мм², а также в повышении производительности работы режущего инструмента на основе сверхтвердого материала и его удельного ресурса до 3000 см²/мм при резке стали и чугуна.

Технический результат достигается следующим образом.

Композиция для изготовления режущего инструмента для стали и чугуна состоит из сверхтвердого материала, представляющего собой смесь при следующем соотношении компонентов, масс. %

кубический нитрид бора - 20-60

алмаз - 40-80,

и связки, включающей медь, кобальт, железо, никель и гексагональный нитрид бора, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

медь - 27,5-49,5

кобальт - 13,75-24,75

железо - 13,75-24,75

никель - 1-45

гексагональный нитрид бора - 0,05-1.

Размер частиц гексагонального нитрида бора составляет менее 500 нм.

Изобретение поясняется чертежом, где на фигуре 1 показана схема процесса резания стали и чугуна инструментом, содержащим алмаз в рабочем слое, на фигуре 2 показана схема процесса резания стали и чугуна инструментом, содержащим кубический нитрид бора cBN в рабочем слое, на фигуре 3 изображен мостовой отрезной станок «Алмаз-3» с водяным охлаждением, используемый для испытаний инструмента.

На чертежах показаны обрабатываемое изделие 1, корпус 2 отрезных сегментных кругов (ОСК), стружка 3, кратеры 4, зерна 5 алмаза, зерна 6 кубического нитрида бора cBN.

При резке стали и чугуна, дающих малоабразивную стружку, слабо вскрывающую рабочий слой, типичным является следующий механизм резания и износа зерен сверхтвердого материала СТМ, выполненных из алмаза и кубического нитрида бора cBN.

В процессе резания стали и чугуна инструментом, содержащим алмаз в рабочем слое (Фиг. 1), в силу своей высокой прочности алмазные зерна не разрушаются при контакте с обрабатываемым изделием. Однако в процессе резания развиваются высокие температуры, а в присутствии металлов катализаторов (железа и никеля) происходит графитизация зерен (кристаллов) алмаза и их химическая эрозия (износ). Режущие кромки, грани алмазных кристаллов постепенно округляются и выглаживаются, снижается прочность алмазоудержания в связке и скорость резания инструмента.

Механизм резания зернами кубического нитрида бора cBN отличается от механизма резания алмазными кристаллами (Фиг. 2) в связи с несовершенством их огранки и отсутствием химического взаимодействия со сталью и чугуном. Зерна cBN изнашиваются без выглаживания граней. Относительно низкая прочность зерен cBN приводит к многочисленным микросколам, в результате чего образуются новые острые грани и ребра. Из-за сложной формы зерна cBN надежно удерживаются в связке. Поэтому содержание cBN в рабочем слое практически не меняется в течение всего процесса обработки.

Недостатками использования только cBN в рабочем слое СТМ режущего инструмента является быстрое механическое разрушение cBN, а также низкий износ связки и невозможность вскрытия новых слоев СТМ, что приводит к заполировыванию рабочего слоя. В связи с чем возникает необходимость в периодической остановки процесса резания и вскрытия СТМ на специальном оборудовании, что создает трудности и неудобства.

С целью повышения производительности работы режущего инструмента на основе сверхтвердого материала и его удельного ресурса при резке стали и чугуна в предложенном изобретении в качестве СТМ используется смесь из кубического нитрида бора cBN и алмаза в вышеуказанном соотношении.

В таблице 1 иллюстрируется влияние соотношения алмаза и кубического нитрида бора в композиции для сегментов ОСК со связкой Cu_{связка1} (27,5% Cu; 13,75% Со; 13,75% Fe; 45% Ni), модифицированной частицами гексагонального нитрида бора hBN, на производительность и удельный ресурс режущего инструмента.

Установленная зависимость производительности работы инструмента от содержания cBN в композиции является следствием протекания при резании конкурирующих процессов: с одной стороны, происходит графитизация алмаза на границе со связкой, химический износ и выглаживание граней, выпадение алмаза из рабочего слоя, с другой стороны, надежное удержание зерен cBN, но их более быстрый механический износ. Для подтверждения данной гипотезы была проведена оценка состояния СТМ в сегментах после испытаний. Поверхность сегментов исследовалась с помощью оптического микроскопа. Все обнаруженные зерна СТМ (либо кратеры, оставшиеся после их выпадения) были разбиты на 3 группы: целые, разрушенные и выпавшие. Установлено, что уменьшение доли алмаза в композиции приводит к уменьшению количества выпавших из рабочего слоя зерен СТМ, что связано с более прочным удержанием cBN за счет их неправильной формы.

Отрезные сегментные круги из композиции со связкой, модифицированной частицами гексагонального нитрида бора hBN, превосходят по производительности инструмент с базовой связкой на 80% и более.

Концентрация гексагонального нитрида бора hBN менее 0,05 масс. % не обеспечивает достижение поставленной цели, т.к. этого количества недостаточно для эффективного дисперсного упрочнения металлической связки и положительного влияния на структуру и свойства композиции полученного инструмента.

Введение в связку более 1 масс. % hBN приводит к увеличению остаточной пористости и уменьшению механических свойств, т.к. hBN, являясь тугоплавким и химически инертным соединением по отношению к компонентам связки, в большом количестве препятствует протеканию процессов диффузии и уплотнения при горячем прессовании.

Наличие в связке hBN с размером частиц более 500 нм приводит к увеличению остаточной пористости и уменьшению механических свойств, т.к. крупные частицы hBN неравномерно распределяются по объему связки и становятся концентраторами напряжений.

Влияние добавки hBN на структуру и свойства связки заключается в торможении процессов рекристаллизации зерен металлической связки при горячем прессовании. Частицы hBN, не взаимодействующие ни с одним из компонентов связки, замедляют миграцию границ зерен и блоков.

Повышение производительности режущего инструмента со связкой, модифицированной hBN, является эффект дисперсного упрочнения связки, что положительно сказывается не только на ее способности противостоять нагрузкам при резании, но и на прочности удержания сверхтвердого материала. Анализ поверхности сегментов после испытаний данного инструмента показал, что выпавшие из связки зерна алмаза практически отсутствуют. При введении hBN в меньшей степени изнашивается связка на границе раздела с зернами СТМ, предотвращается схватывание связки с обрабатываемым материалом в зоне контакта при высоких температурах. Наконец, hBN покрывает часть поверхности алмазов, предохраняя их от контакта с металлами катализаторами (железом, кобальтом, никелем) и, таким образом, от графитизации при горячем прессовании.

Композиция может быть получена методом порошковой металлургии: смешением исходных порошков, формованием и горячим прессованием в контролируемой атмосфере. Этот метод является высокопроизводительным, т.к. продолжительность процесса нагрева до температуры спекания, выдержка при температуре спекания, прессование и охлаждение до комнатной температуры не превышает 15 минут. Высокие скорости нагрева и равномерное распределение температур в рабочей камере обеспечиваются за счет пропускания электрического тока через спекальную графитовую пресс-форму. По окончании выдержки при температуре спекания 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 алмазом и cBN напаиваются на диск. Испытания дисков проводят при резке массивной отливки из серого чугуна марки СЧ20 с водным охлаждением.

Пример получения композиции.

Получают композицию для изготовления режущего инструмента для стали и чугуна, состоящую из сверхтвердого материала, представляющего собой смесь при следующем соотношении компонентов, масс. %:

кубический нитрид бора - 20-60

алмаз - 40-80,

и связки, включающей медь, кобальт, железо, никель и гексагональный нитрид бора, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

медь - 27,5-49,5

кобальт - 13,75-24,75

железо - 13,75-24,75

никель - 1-45

гексагональный нитрид бора - 0,05-1,

при этом размер частиц гексагонального нитрида бора составляет менее 500 нм.

Приготовление порошковой смеси для получения связки осуществляется в планетарной центробежной мельнице марки МПП-1 в течение 3 минут. Смешивание с порошками алмаза и cBN проводится с помощью миксера марки GM 130 фирмы Dr. Fritsch. Сначала в миксер помещается связка, затем в нее добавляются порошки сверхтвердого материала в виде смеси из кубического нитрида бора и алмаза. Перемешивание осуществляется со скоростью 90 об/мин в течение 20 минут. Затем в смесь вводится пластификатор и перемешивание продолжается в течение 10 минут.

Грануляция осуществляется в грануляторе GA-240 фирмы Dr. Fritsch производительностью от 2 до 10 кг/час. В нем шихта располагается на сетке, по которой двигается нож. После продавливания через сетку шихта падает на вращающуюся улитку, где происходит окатывание до сферы. Затем гранулы высыпаются на горячую движущуюся ленту. В результате нагрева гранул спирт испаряется, гранулы затвердевают. Размер полученных гранул составляет 1 мм.

Для изготовления сегментов отрезных сегментных кругов (ОСК) используют следующие порошки СТМ: алмаз марки SDB1100 и cBN марки ABN 605 крупностью 45/50 mesh производства «Element Six» (Люксембург). Данная марка порошков алмаза обладает высокой термостойкостью (до 1100°С) и работоспособностью с широким спектром материалов. Частицы порошка cBN марки ABN605 обладают высокой прочностью и долговечностью при обработке сталей и чугунов.

Холодное прессование сегментов ОСК осуществляется на автоматизированном прессе RP-35 фирмы Dr. Fritsch. Пресс-формы для заготовок сегментов имеют прямоугольной сечение 42×9 мм.

Горячее прессование сегментов осуществляется на горячем прессе DSP-475 фирмы Dr. Fritsch при максимальной температуре 850°С, давлении 350 кг/см² и выдержке при максимальной температуре 3 минуты.

Галтовка с целью очистки поверхности спеченных сегментов проводится с помощью галтовочного аппарата планетарного типа марки FT/4VT фирмы Dr Fritsch.

Соединение сегментов со стальным корпусом ОСК осуществляется с помощью автоматизированной установки СВМ-200 фирмы Dr. Fritsch. Диаметр ОСК после установки сегментов составляет 500 мм.

Вскрытие ОСК проводится на установках фирмы Dr. Fritsch CGM-100. Для вскрытия используют абразивные круги из SiC.

Влияние концентрации и размера частиц гексагонального нитрида бора (hBN) на механические свойства связки и эксплуатационные свойства инструмента приведено в таблицах 2-5.

Производительность и удельный ресурс ОСК в таблицах 2-5 приведены по данным испытаний отрезного сегментного диска с сегментами на основе алмаза и кубического нитрида бора при резке чугуна марки СЧ20.

Испытания ОСК проводили на мостовом отрезном станке «Алмаз-3» с водяным охлаждением (10 л/мин) (Фиг. 3). Скорость вращения ОСК составляла 3000 об/мин. Испытания проводили до полной потери инструментами режущей способности, после чего измерялись средние значения высот сегментов для определения удельного ресурса и рассчитывалась площадь реза, проделанного ОСК, для определения производительности.

Состав композиции по данному изобретению обеспечивает лучшие экономические показатели по сравнению с аналогами ведущих мировых производителей по критериям цена/ресурс и цена/производительность.