Способ изготовления алмазного инструмента

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик 990423(53) УДК б 21.7 б 2. 4.01 б (088.8) Опубликовано 23.01,83. Бюллетень3 вф ленам нзобретеннй и атнрытийДата опубликования описания 28.01,83 фчнчфип щТ. П Титова","Бон ау,ь,ф(72) Авторы изобретения В. Н. Лившиц, А. А. Бугаев, Р. К. Богданов А. Н. Ивженко, Л. А. Сокуренко, С. Н В, Л. Ищук и А, Д. Корол Ордена Трудового Красного Знамени институсверхтвердых материалов АН Украинской ССР 71) Заявите(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА 1Изобретение относится к технологии изготовления алмазного абразивного инструмента и может быть использовано, например, при изготовлении буровых коронок и правящего инструмента.Известен способ изготовления алмазного 5 инструмента, заключающийся в том, что алмазные зерна смешивают с шихтой, состоящей из смеси твердосплавного порошка наполнителя, например твердого сплава ВК 15 и легкоплавких металлов - связки, например меди.Графитовую форму с уложенными алмазами и шихтой подвергают горячему прессованию при 1180 С и давлении 100 кгс/см 11,Недостатком данного способа является низкая износостойкость алмазного инструмента вследствие того, что у синтетических алмазных зерен, нагретых до температуры свыше 1000 С даже в защитной среде, в два раза уменьшается первоначальная прочность (происходит выход металлических включего ний на поверхность кристалла, его растрескивание) . При работе инструмента такие зерна раскалываются и выпадают.Известен также способ изготовления алмазного инструмента, заключающийся в том,что алмазные зерна смешивают с шихтои, состоящей из смеси твердосилавного поролка наполнителя и легкоплавких металлов связки, укладывают в графитовую прессформу и подпрессовывают ири удельном давлении 100 - 150 кгс/см.Подготовленную таким образом заготовку подвергают прои итке при температуре плавления связки, а затем производят горячую допрессовку при удельном давлении 80 - 100 кгс/см, охлаждают под давлением до 200 - 300 С - ниже температуры кристаллизации связки 12.Недостатком данного способа является невысокая износостойкость материала алмазоносной матрицы из-за потери прочности алмазными зернами вследствие их перегрева при температуре пропитки.Наиболее близким к изобретению по технической сути и достигаемому эффекту является способ изготовления алмазного инструмента, заключаюцийся в том, что алмазные зерна смешивают с порошком карбидов тугоплавких металлов или металлоидов (наполнителем) и металлической связкой и прессуют при давлении 200 - 400 кг/см, а затем производят горячее прессование при дав990423 зленни 10 - 50 кг/см при температуре 0,5 - 0,8 температуры плавления связки 131.Недостатком известного способа является невысокая износостойкость вследствие недостаточной плотности материала алмазоносной матрицы и низкой связи всех ее компонентов. Материал матрицы раскрашивается при высоких ударных и тепловых нагрузках, возникаюших при работе инструмента, и алмазные зерна выпадают, не отработав своего ресурса. Инструмент преждевременно выходит из строя.ОЦелью изобретения является повышение износостойкости инструмента.Цель достигается тем, что согласно способу изготовления алмазного инструмента, включаюшему смешивание алмазных зерен с порошком наполнителя и металлической связкой, холодное прессование и последующее горячее прессование, после смешивания проводят термообработку полученных гранул в восстановительной среде при 350 - 400 С, а горячее прессование осуществля ют при температуре 0,85 - 0,95 температуры плавления металлической связки и давлении 160 - 190 кгс/см 2.Изготовление инструмента осушествляют следующим образом.Навеску зерен алмазного порошка смачивают клеяшим вешеством, Затем к алмазам постепенно добавляют часть порошка наполнителя. В к .естве наполнителя могут быть использованы различные тугоплавкие вешества (карбиды титана, вольфрама, их соединения, нитриды кремния). Полученные первич.- ные гранулы помешают в установку для грануляции, смачивают суспензией (смесь спирта с глицерином, олеиновая кислота с вазелиновым маслом или любым другим смачивающим веществом) и наносят оставшуюся 35 часть наполнителя. Затем на голученные гранул ы наносят слой металлической связки (в качестве связки могут быть использованы различные композиции на основе меди, олова, железа, марганца и других металлов).Полученные гранулы подсушивают в восстановительной среде при 350 - 400. Необходимое количество гранул засыпают в гра;фитовую пресс-форму, подпрессовывают и подвергают горячему прессованию при температуре 0,85 - 0,95 температуры плавления 45 металлической связки и давлении 160 - 190 кг/см.При изготовлении, например, буровых коронок горячее прессование гранул осушествляют с одновременным закреплением их на корпусе. 50Изобретение поясняется на примерах изготовления алмазных буровых коронок.Пример. Берутг (5 карат) алмазного порошка марки АСС, зернистости 250/200.Навеску алмазного порошка смачивают клеяшим веществом - эпоксиднои смолои ЭД н н 55К алмазам добавляют 25/, порошка наполнителя. В качестве наполнителя используют карбид вольфрама. Количество наполнителя рассчитывают исхсдя из веса гранулируемого алмазного порошка Рн = МУн Кгде Рн - вес порошка наполнителя, г (карат);М - масса гранулируемого алмазногопорошка, г (карат);- удельный вес порошка наполнитеНг/ мз.К - коэффициент, учитываюший концентрацию алмазного порошка, смз/ст.Р= 5,0 с 1 14,8 г/см 5 Гсм/с 1 = 13,5 г.Оставшуюся часть наполнителя наносят на гранулы, помещенные в гранулятор.При этом первичные гранулы смачивают раствором олеиновой кислоты и вазелинового масла (1:2). Общий вес гранул составляет 14,5 г. Затем на полученные гранулы наносят слой металлической связки - порошковой мели. Вес металлической связки рассчитывают исходя из объема, занимаемого алмазным порошком и материалом наполнителя Р + В:,+,где У - объем, занимаемый алмазным порошком и материалом наполнителя, см;з.РРн - вес алмазного порошка и порошкана пол нителя;- удельный вес алмазного порошкау ни порошка наполнителя, г/смз.Ч = + -д -- 1,2 смз.13 БВес металлйческой связки определяют по формуле Рсв = /сьгде Р, - вес металлической связки, г;у, - удельный вес связки, г/смз.1,20 см 8,8 г/смз = 10,5 г.При нанесении металлической связки на гранулы добавляют смачиваюшее вешество - 5 О/о-ный раствор каучука в бензине. Обший вес гранул определяют по формуле=М+Р +Ргде Р,а - общий вес гранул, г.Ргран,= 1 + 13,5 + 10,5 = 25 г.Полученные гранулы подсушивают в среде водорода при 350 в 4 С. Гранулы засы. пают в графитовую пресс-форму, подпрессовывают при давлении 20 - 40 кгс/см. В качестве приварочного слоя используют смесь материала наполнителя и металлической связки в соотношении 50:50 об./о (11 г твердого сплава ВК 6 и 7 г металлической связки). Устанавливают корпус-и производят горячее прессование материала матрицы с одновременным закреплением на корпусе при 970 С, что составляет 0,90 температуры пл а вления связующего материала, и давлении 170 кг/см,Инструмент передают на механическую обработку.Согласно технологии, описанной в примере, была изготоавлена и испытана партия опытных коронок.990423Перед изготовлением коронок полученные алмазные гранулы подвергали термообработке. Термообработка применялась для того, чтобы разрушить слой окислов, образовавшихся на гранулах. При температуре восстановления 300 С гранулы полностью не восстанавливались. Температура спекания 1 таких гранул повысилась из-за пленки окислов, которая увеличивает температуру плавления связки и в этом случае поставленная цель повышения износостойкости не достигается. В температурном диапазоне 350 - 10 с 400 С гранулы полностью восстанавливаются, а. повышение температуры восстановления до 450 С приводит к выгоранию смачивающего вещества и разрушению гранул. Результаты исследования температурного режима восстановления гранул приведены в 15 табл. 1. 6В табл. 2 приведены данные, характеризующие твердость материала инструмента при температуре 950 С и усилии прессования от 150 - 200 кг/с м 2. П редъявляемым к ал чазному буровому инструменту требованиям соответствует усилие горячего прессования60 - 190 кгс/см.Экспериментальные исследования изготовленного инструмента проводили в лабораторных условиях на специальном стенде, созданном на базе радиально-сверлильного танка 2 А 55.В процессе экспериментальных исследований фиксировали осевую нагрузку манометром; потребляемую мощность ваттметром, проходку лимбом, установленным на сверлильной головке станка с точностью домм, а время бурения секундомером.Коронки отрабатывали до полного износа рабочего слоя. Данные отработки приведены в табл. 3. Понижение темперагуры горячего прессования до 0,84 плавления связки 20 привело к недопропнтке материала матрицы,Инструмент быстро износился. Повьнпение температуры горячего прессования до 0,96 температуры плавления связки и выше ведет к уменьшению прочности алмазных зерен, что отражается на работоспособности 2,инструмента.Как видно из табл. 3, применение предлагаемого способа повышает износостойкость инструмента, что 1 гозволяет повысить проходку на коронку при бурении гранита Х категории на 10 - 40%.При цене коронки 22 руб стоимость метра бурения известным способом составляет 22 руб: 6,8 м = 3,24 руб/м, а предлагаемым 22 руб: 11,3 м =- 1,94 руб./м, поэтому затраты на метр бурения сокращаются на 3,24 35 194 = 110 рубЭкономический эффект на 1 коронку составит 1,10 11,3 = 12,4 руб.При годовом выпуске коронок на Опытном заводе в количестве 10 тыс. шт. экономический эффект составит 124 тыс. руб. Таблица 1 Температуравосстановлениягранул,ьС Технологический режимизготовления Компоненть грануляции Качество термообработки гранулзернистость наполниалмазного тельпорошка твердыйсплав усилениегорячегопрессования,гкс/сма температуРагорячегопрессования,ьс связка 950 ВК 6 Сц вк 6 Сц вк 6 Сц 250/200 250/200 250/200 250/200 Зоо 950 350 950 400 вк 6 170 950 Ь 50 Предлагаемый способ позволяет получить алмазный инструмент, обладающий различ,ной износостойкостью, Для получения алмазной матрицы с требуемой износостойкостью необходимо правильно выбрать усилие горячего прессования. Так как уплотнение при прессовании металлических порошков при высоких температурах обусловлено процессами текучести, изменение плотности при горячем прессовании связано с пластической деформацией. Силы внешнего давления при горячем прессовании суммируются с капиллярным давлением, приводящим к спеканию изделий.При . усилии горячего прессования 150 кг/см 2 и температуре 950 С уплотнение алмазоносной матрицы происходит частиц- но. Повышение усилия прессования алмазоносной матрицы до 200 кг/см приводит к почти полному выдавливанию меди из спекаемого изделия. На практике износостойкость матрицы ориентировочно оценивают по ее твердости. 170 Неполное восстановление гранул 170 Полное восстановление170Полное восстановление Интенсивное выгорание смачивающеговещества и начало разрушения гранул990423 Таблица 2 Усилие горячегопрессования,кгс/смз Компоненты грануляции Температурагорячегопрессова.ния, ОС зернистостьалмазногопорощка наполнительтвердыйсплав твердостькомпозиционногоматериала, НКС характеристикапропитки связка 150 ВК 6 250/200 Сц 950 Не дои роли т ка,спекание происходит неполностью 160 ВК 6 30 Сц 950 Полное спекание 170 ВК 6 Сц Полное спекание 180 ВК 6 ЙО Сц 950 Полное спекание 190 60 ВК 6 Сц 950 Полное спекание 200 ВК 6 70 Сц Полное спекание,повышенная хрупкость 950 Таблица 3 Технологический режимизготовления Проходка накоронку прибурении гранитаХ категории Компоненты грануляции Температурагорячегопрессования,фС наполнительтвердыйсплав зернистостьалмазного усилениегорячегопрессованиякгс/см 2 температуравосстановсвязка порощка пения гранулфС 1,3 350-ЙОО 170 ВК 6 Сц 250/200 090 плавл.970 6,8 Сц 350-ц 00 170 ВК 6 250/200 О, 75 плавл,810 7,1 Сц 350-ЙОО 170 ВК 6 250/200 0,80 плавл.865 9,5 Сц 350-400 170 ВК 6 250/200 0,8 Ц плавл.905 10,8 Сц 350-ЦОО 170 ВК 6 250/200 0,85 плавл.п 25 10,6 Сц 350-400 170 ВК 6 250/200 0,95 плавл.1000 8,2 Сц 350-ЦОО 170 ВК 6 250/200 0,98 плавл.1060 Формула изобретения Способ изготовления алмазного инструмента, включающий смешивание алмазных зерен с порошком наполнителя и металлической связкой, холодное прессование и последующее горячее прессование, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости инструмента, после смешивания проводят термообработку полученных гранул в восстановительной среде при 350 - 4001.а горячее прессование осуществляВНИИПИ Заказ 11093/17 Тираж 811 Подписноефилиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 250/200 250/200 250/200 250/200 250/200 Качество спеченного композиционного материала инструмента ют при температуре 0,85 - 0,95 температуры плавления металлической связки и давлении 160 - 190 кгс/см. Источники информации,50 принятые во внимание при экспертизе1. Исаев М. И. Технический прогресс иновые достижения в колонковом бурении. МНедра, 1976 с. 90.2. Там же, с, 91 - 92.3. Авторское свидетельство СССР212102, кл. В 24 Р 3/06, 1966,