PL229705B1 - Sposób wytwarzania kompozytu metaliczno-diamentowego dla narzędzi do cięcia i szlifowania - Google Patents

Abstract

Sposób charakteryzuje się tym, że jako osnowę stosuje się rozpylany wodą brąz cynowy 80/20 zawierający 20% Sn, mieszaninę wyjściową poddaje się spiekaniu metodą spiekania iskrą elektryczną (SPS) w temperaturze od 550°C do 650°C, pod ciśnieniem od 16 do 35 MPa i w czasie 1 min.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozytu metaliczno-diamentowego dla narzędzi przeznaczonych do cięcia i szlifowania materiałów ceramicznych i kompozytowych.

Znana metoda otrzymywania tych narzędzi polega na prasowaniu na gorąco czyli równoczesnym działaniu wysokiej temperatury i ciśnienia, co zapewnia uzyskanie w krótkim czasie prawie bezporowatych pierścieni roboczych/segmentów. Z reguły czas izotermicznego wygrzewania nie przekracza 3 minut, a temperatura spiekania jest uzależniona od składu chemicznego materiału osnowy i zwykle wynosi 750-1100°C, natomiast ciśnienie 25-35 MPa. Naprężenia wywołane ciśnieniem nakładają się na naprężenia spiekania, dzięki czemu mechanizmy transportu masy ulegają intensyfikacji. Konsekwencją jest przyspieszenie procesu spiekania i możliwość otrzymania materiału o dużej gęstości niemożliwej do otrzymania drogą spiekania swobodnego.

Operacjami alternatywnymi pozwalającymi na produkcję narzędzi metaliczno-diamentowych są klasyczne zabiegi technologii metalurgii proszków, czyli prasowanie na zimno i następujące po nim spiekanie elementów roboczych narzędzi. Zabieg prasowania mieszanki proszków diamentu, metali stanowiących osnowę i środków poślizgowych przeprowadza się pod ciśnieniem 100-200 MPa. Jeśli gęstość spieków jest niedostateczna, wówczas dodatkowo mogą być stosowane zabiegi prasowania izostatycznego na gorąco - HIP lub infiltracji.

Wykorzystanie metody spiekania iskrą elektryczną (Spark Plasma Sintering - SPS) umożliwia spiekanie materiałów w niższej temperaturze o 200-500°C oraz w znacznie krótszym czasie w porównaniu do innych metod spiekania. Spiekanie iskrą elektryczną (SPS) jest jedną z najnowocześniejszych metod konsolidacji proszków. Technika ta bazuje na równoczesnym zastosowaniu ciśnienia oraz impulsów prądowych, które mogą przepływać dwoma drogami: poprzez stemple i matrycę grafitową oraz przez sprasowane ziarna proszku. Nagrzewanie materiału wraz z jego izotermicznym spiekaniem dla tej metody zawiera się zwykle w zakresie od 5 do 20 minut. W procesie SPS można stosować znaczne szybkości nagrzewania materiału sięgające nawet 1000°C/min. Pozwala to na spiekanie nanokrystalicznych proszków bez efektu rozrostu ziarna. W porównaniu np. z metodą izostatycznego prasowania na gorąco zapotrzebowanie na energię elektryczną dla procesu SPS jest około od 20 do 30% mniejsze, co ze względów ekonomicznych jest bardzo istotnym czynnikiem.

Znane jest z opisu US 7 637 981 odporne na zużycie ścierne narzędzie supertwarde otrzymane metodą izostatycznego prasowania na gorąco w atmosferze ochronnej oraz metodą SPS. Mieszanka ścierna zawiera diament lub regularny azotek boru (CBN) oraz jako osnowę żelazo z dodatkiem 0,01 do 2,0% wagowych fosforu.

Z opisu US 8 349 040 znany jest sposób otrzymywania polikrystalicznych supertwardych materiałów przeznaczonych na elementy tnące. Podłoże kompozytu stanowi spiekany węglik wolframu domieszkowany kobaltem, żelazem, niklem oraz ich kombinacją. Otrzymane materiały mogą być zamontowane m.in. na świdrach skalnych wykorzystywanych do operacji wiertniczych. Mieszanki ziaren supertwardych spiekane są wstępnie metodą SPS lub metodą spiekania mikrofalowego w celu zniwelowania skurczu, a następnie w celu otrzymania powłok lub płytek zarówno diamentu jak i regularnego azotku boru na podłożu WCCo poddane są spiekaniu wysokociśnieniowemu HP-HT w zakresie temperatury od 1300°C do 1600°C i pod ciśnieniem 5:7 GPa.

Sposób wytwarzania kompozytu metaliczno-diamentowego dla narzędzi przeznaczonych do cięcia i szlifowania materiałów ceramicznych i kompozytowych według wynalazku obejmuje wymieszanie proszku metalicznego stanowiącego osnowę z diamentem naturalnym lub syntetycznym i spiekanie mieszaniny.

Istota rozwiązania polega na tym, że jako osnowę stosuje się rozpylany wodą brąz cynowy 80/20 zawierający 20% Sn. Mieszaninę wyjściową poddaje się spiekaniu metodą spiekania iskrą elektryczną (SPS) w temperaturze od 550°C do 650°C, pod ciśnieniem od 16 do 35 MPa i w czasie 1 min.

Zastosowanie metody spiekania iskrą elektryczną (SPS) pozwala uzyskać materiał o wyższych właściwościach fizyko-mechanicznych i większej wydajności szlifowania/przecinania przy niższej temperaturze spiekania i w znacznie krótszym czasie procesu, co tym samym przekłada się na sam koszt wytwarzania narzędzi metaliczno-diamentowych. Metoda SPS daje możliwość spiekania narzędziowych materiałów metaliczno-diamentowych przeznaczonych do szlifowania/przecinania materiałów ceramicznych i kompozytowych.

PL 229 705 B1

P r z y k ł a d 1.

Przygotowano mieszaninę 75% obj. proszku brązu cynowego zaw. 20% mas. Sn o wielkości ziarna <38 μm i 25% obj. proszku diamentu syntetycznego z gat. APV o granulacji 120/140 mesh D126. Po wstępnym wymieszaniu proszków w mieszalniku typu Turbula mieszanki spiekano w grafitowej matrycy w temperaturze 550°C, w czasie 1 min. i pod ciśnieniem 16 MPa. Otrzymano kompozyt o twardości HRB 102±2,20 i gęstości pozornej 7,43±0,01 g/cm³. Na podstawie laboratoryjnych badań eksploatacyjnych narzędzi metaliczno-diamentowych w procesie szlifowania ceramiki technicznej korundowej i cyrkonowej stabilizowanej tlenkiem itru lub tlenkiem magnezu obliczono wydajność ubytkową szlifowania która wynosiła 10,70 mm³/s.

P r z y k ł a d 2.

Przygotowano mieszaninę 75% obj. proszku brązu cynowego zaw. 20% mas. Sn o wielkości ziarna <38 μm i 25% obj. proszku diamentu syntetycznego z gat. APV o granulacji 120/140 mesh D126. Po wstępnym wymieszaniu proszków w mieszalniku typu Turbula mieszanki spiekano w grafitowej matrycy w temperaturze 650°C, w czasie 1 min. i pod ciśnieniem 16 MPa. Otrzymano kompozyt o twardości HRB 99±2,20 i gęstości pozornej 7,31±0,01 g/cm³. Na podstawie laboratoryjnych badań eksploatacyjnych narzędzi metaliczno-diamentowych w procesie szlifowania ceramiki technicznej korundowej i cyrkonowej stabilizowanej tlenkiem itru lub tlenkiem magnezu obliczono wydajność ubytkową szlifowania która wynosiła 9,29 mm³/s.

P r z y k ł a d 3.

Przygotowano mieszaninę 75% obj. proszku brązu cynowego zaw. 20% mas. Sn o wielkości ziarna <38 μm i 25% obj. proszku diamentu syntetycznego z gat. APV o granulacji 120/140 mesh D126. Po wstępnym wymieszaniu proszków w mieszalniku typu Turbula mieszanki spiekano w grafitowej matrycy w temperaturze 550°C, w czasie 1 min. i pod ciśnieniem 35 MPa. Otrzymano kompozyt o twardości HRB 98,67±3,96 i gęstości pozornej 8,86±0,02 g/cm³. Na podstawie laboratoryjnych badań eksploatacyjnych narzędzi metaliczno-diamentowych w procesie szlifowania ceramiki technicznej korundowej i cyrkonowej stabilizowanej tlenkiem itru lub tlenkiem magnezu obliczono wydajność ubytkową szlifowania która wynosiła 12,63 mm³/s.

P r z y k ł a d 4.

Przygotowano mieszaninę 75% obj. proszku brązu cynowego zaw. 20% mas. Sn o wielkości ziarna <38 μm i 25% obj. proszku diamentu syntetycznego z gat. APV o granulacji 120/140 mesh D126. Po wstępnym wymieszaniu proszków w mieszalniku typu Turbula mieszanki spiekano w grafitowej matrycy w temperaturze 650°C, w czasie 1 min. i pod ciśnieniem 35 MPa. Otrzymano kompozyt o twardości HRB 102±2,64 i gęstości pozornej 8,88±0,02 g/cm³. Na podstawie laboratoryjnych badań eksploatacyjnych narzędzi metaliczno-diamentowych w procesie szlifowania ceramiki technicznej korundowej i cyrkonowej stabilizowanej tlenkiem itru lub tlenkiem magnezu obliczono wydajność ubytkową szlifowania która wynosiła 14,21 mm³/s.

Claims (1)

1. Sposób wytwarzania kompozytu metaliczno-diamentowego dla narzędzi przeznaczonych do cięcia i szlifowania materiałów ceramicznych i kompozytowych, polegający na wymieszaniu proszku metalicznego stanowiącego osnowę z diamentem naturalnym lub syntetycznym i spiekaniu mieszaniny w odpowiednich warunkach temperaturowych, znamienny tym, że jako osnowę stosuje się rozpylany wodą brąz cynowy 80/20 zawierający 20% Sn, mieszaninę wyjściową poddaje się spiekaniu metodą spiekania iskrą elektryczną (SPS) w temperaturze od 550°C do 650°C, pod ciśnieniem od 16 do 35 MPa i w czasie 1 min.