RU2008188C1

RU2008188C1 - Method of making diamond tool by powder metallurgy

Info

Publication number: RU2008188C1
Authority: RU
Inventors: Ю.П. Линенко-Мельников; А.Л. Сухов; Э.Д. Кизиков; В.И. Мельник; В.А. Муровский
Original assignee: Институт сверхтвердых материалов им.В.Н.Бакуля АН Украины
Priority date: 1991-07-03
Filing date: 1991-07-03
Publication date: 1994-02-28

Abstract

FIELD: tool production technique. SUBSTANCE: method comprises steps of charging diamond-free metallic powder for making a body of the tool, containing (mass % ): titanium 75-85, copper 12-20, tin 3-5, metallic binder, including (mass % ): titanium 65-80, titanium hydride 5-10, copper 12-20, tin 3-5, cold pressing of these layers and their subsequent agglomeration in a vacuum furnace at 850-900 C. EFFECT: enhanced quality of tools. 1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к изготовлению инструмента из сверхтвердых материалов, например алмазов на металлической связке. The invention relates to the manufacture of tools from superhard materials, such as diamonds on a metal bond.

Известны способы изготовления фасонных алмазных головок, когда алмазоносный слой закрепляется на металлическом корпусе методом горячего спекания, как, например, сферические и кольцевые головки, изготавливаемые фирмой "Вендт" или фирмой "СМЕ", или методом гальванопокрытия, например алмазный инструмент фирмы "Тоë Кочë". Known methods for the manufacture of shaped diamond heads, when the diamond-bearing layer is fixed to the metal casing by hot sintering, such as spherical and ring heads manufactured by Wendt or SME, or by electroplating, for example a diamond tool company Toë Kochë .

Недостатком первого является необходимость механической обработки металлического корпуса с высокой точностью относительно криволинейной рабочей поверхности, а второго - небольшой срок службы инструмента с однослойным расположением алмазов. The disadvantage of the first is the need for machining a metal case with high accuracy relative to a curved working surface, and the second - a short tool life with a single-layer arrangement of diamonds.

Известен способ, когда безалмазный корпус и алмазостойкий слой изготавливаются методом порошковой металлургии без механической обработки, например изготовление таблеток алмазных на титановой связке [1] . A known method is when a diamond-free case and a diamond-resistant layer are made by powder metallurgy without mechanical processing, for example, the manufacture of diamond tablets on a titanium binder [1].

Недостатком этого способа являются невысокая точность изготовления таблеток по форме и размерам (допуск в пределах ±0,5 мм) в неметаллическом контейнере. Такие таблетки не могут быть использованы для обработки твердосплавных буртовых коронок, так как порошок титана, образующий связку, подвержен плавлению при спекании. Он не будет изнашиваться при шлифовании стали и твердого сплава и алмазные зерна не будут выступать из связки. The disadvantage of this method is the low accuracy of the manufacture of tablets in shape and size (tolerance within ± 0.5 mm) in a non-metallic container. Such tablets cannot be used for processing carbide bead crowns, since the titanium powder forming a binder is subject to melting during sintering. It will not wear out when grinding steel and carbide, and diamond grains will not protrude from the bond.

Целью изобретения является создание фасонного инструмента заданной формы при высокой точности расположения сферической вогнутой поверхности алмазоносного слоя относительно цилиндрической поверхности корпуса. The aim of the invention is the creation of a shaped tool of a given shape with high precision location of the spherical concave surface of the diamond layer relative to the cylindrical surface of the housing.

Кроме этого, необходимо найти такой состав шихты и режимы его прессования и спекания, чтобы одновременно достигалась высокая режущая способность инструмента. In addition, it is necessary to find such a composition of the charge and the modes of its pressing and sintering so that at the same time a high cutting ability of the tool is achieved.

Это достигается тем, что использован способ изготовления алмазного инструмента методом порошковой металлургии и вакуумного спекания, включающий засыпку безалмазного металлического порошка на основе титана и шихты, содержащей алмазные зерна и металлическую связку также на основе титана, холодное прессование этих слоев и последующее спекание. Для корпуса используют смесь металлических порошков следующего состава, мас. % : Титан 75-85 Медь 12-20 Олово 3-5, а компоненты металлической связки взяты в следующем соотношении, мас. % : Титан 65-80 Гидрид титана 5-10 Медь 12-20 Олово 3-5; при этом холодное прессование осуществляется при давлении 11-13 т/см², а спекание ведут в вакуумной печи при температуре 850-900^оС.This is achieved by using a method of manufacturing a diamond tool by powder metallurgy and vacuum sintering, including filling diamond-free metal powder based on titanium and a mixture containing diamond grains and a metal binder also based on titanium, cold pressing of these layers and subsequent sintering. For the body using a mixture of metal powders of the following composition, wt. %: Titanium 75-85 Copper 12-20 Tin 3-5, and the components of the metal binder are taken in the following ratio, wt. %: Titanium 65-80 Titanium hydride 5-10 Copper 12-20 Tin 3-5; while cold pressing is carried out at a pressure of 11-13 t / cm ² and sintering is carried out in a vacuum furnace at a temperature of 850-900 ^about C.

Указанное давление при холодном прессовании обеспечивает прочную структуру корпуса изделия на основе порошка титана. Порошок меди, обладая высокой пластичностью, уменьшает пористость и повышает прочность композиции. Инструмент спекается в твердой фазе. Процесс спекания основан на протекании химической диффузии. The specified pressure during cold pressing provides a solid structure of the body of the product based on titanium powder. Copper powder, having high ductility, reduces porosity and increases the strength of the composition. The tool is sintered in the solid phase. The sintering process is based on chemical diffusion.

При заданной температуре спекания возникают следующие фазовые соединения: титан - медь, титан - олово и титан - медь - олово, образующие прочную монолитную структуру с незначительной пористостью. Адгезионно активный титан, образующийся из ангидрида титана при спекании, повышает прочность закрепления алмазных зерен в связке. Достигается сохранение размеров изделия, которые задаются размерами пресс-формы при холодном прессовании. Состав компонентов связки, аналогичный после спекания составу корпуса, обеспечивает прочную связь алмазного слоя с корпусом, сохранение формы и геометрии рабочей части инструмента и соосность сферической и цилиндрической поверхностей, определяемую точностью изготовления пресс-формы. At a given sintering temperature, the following phase compounds arise: titanium - copper, titanium - tin and titanium - copper - tin, forming a solid monolithic structure with low porosity. Adhesively active titanium formed from titanium anhydride during sintering increases the bond strength of diamond grains in a binder. Achieving the preservation of product dimensions, which are set by the dimensions of the mold during cold pressing. The composition of the bundle components, similar to the composition of the body after sintering, provides a strong bond between the diamond layer and the body, preservation of the shape and geometry of the working part of the tool, and alignment of the spherical and cylindrical surfaces, which is determined by the accuracy of the mold manufacturing.

Кроме этого, данный состав связки обеспечивает высокие режущие свойства инструмента при обработке затупленных штыревых коронок с наложением технологического тока. In addition, this composition of the ligament provides high cutting properties of the tool when processing blunt pin crowns with the application of technological current.

П р и м е р 1. Изготовление осуществляют в одном цикле при двойной последовательной засыпке шихты корпуса и алмазоносного слоя. Влияние процентного содержания компонентов на точность и качество изготовления корпусов алмазных головок показано в табл. 1, а влияние процентного содержания компонентов связки на твердость и эксплуатационные показатели алмазных головок - в табл. 2. PRI me R 1. The manufacture is carried out in one cycle with a double sequential filling of the charge of the body and diamond layer. The influence of the percentage of components on the accuracy and quality of manufacture of diamond head housings is shown in table. 1, and the effect of the percentage of ligament components on the hardness and performance of diamond heads is given in table. 2.

Брикетирование и формообразование проводят методом холодного прессования при давлении 13 т/см². Спекание брикета в свободном состоянии осуществляют при температуре 900 ± 5^оС.Briquetting and shaping is carried out by cold pressing at a pressure of 13 t / cm ² . The sintering of the briquette in a free state is carried out at a temperature of 900 ± 5 ^about C.

Нижние границы содержания компонентов выбирают, исходя из условий достаточности этого содержания для обеспечения заданных формы, геометрии и размеров инструмента, а также для обеспечения производительности процесса шлифования, не менее заданной величины, зависящей от степени засаливания рабочей поверхности алмазной головки. Верхние границы содержания композитов исключают разрушение алмазоносного слоя инструмента при шлифовании штырей коронки с частотой вращения 15-20 тыс. об/мин и интенсивный расход алмазов. The lower boundaries of the content of the components are selected based on the conditions of sufficiency of this content to ensure the specified shape, geometry and size of the tool, as well as to ensure the performance of the grinding process, not less than a given value, depending on the degree of salting of the working surface of the diamond head. The upper limits of the content of composites exclude the destruction of the diamond-bearing layer of the tool when grinding the pins of the crown with a rotation frequency of 15-20 thousand rpm and intensive consumption of diamonds.

Из данных, приведенных в табл. 1 и 2, видно, что компоненты шихты корпуса и связки с процентным соотношением в заявляемом диапазоне обеспечивают заданную форму и размеры алмазной головки. При изменении соотношения композитов с содержанием титана ниже нижней границы на ребрах рабочей части изделия появляются скругления, а на цилиндрической поверхности корпуса - волнистость, что свидетельствует о начале нарушения заданной формы и размеров. Снижаются режущие свойства алмазоносного слоя (табл. 2) в связи с более интенсивным засаливанием рабочей поверхности инструмента. From the data given in table. 1 and 2, it is seen that the components of the charge of the hull and ligament with a percentage in the claimed range provide a given shape and size of the diamond head. When the ratio of composites with titanium content below the lower boundary changes, roundings appear on the edges of the working part of the product, and waviness appears on the cylindrical surface of the body, which indicates the beginning of a violation of a given shape and size. The cutting properties of the diamond layer are reduced (Table 2) due to more intense salting of the tool’s working surface.

При изменении соотношения компонентов с содержанием титана выше верхней границы наблюдается охрупчивание изделия, что связано с появлением трещин, мелких и крупных сколов на рабочей части головки при шлифовании твердосплавных штырей. При сохранении приемлемой производительности увеличивается удельный расход алмазов. When the ratio of components with titanium content above the upper boundary changes, embrittlement of the product is observed, which is associated with the appearance of cracks, small and large chips on the working part of the head when grinding carbide pins. While maintaining acceptable productivity, the specific consumption of diamonds increases.

Таким образом выбранные состав и диапазон изменения компонентов корпуса и связки удовлетворяют качественным и эксплуатационным показателям заявляемого алмазного инструмента. Thus, the selected composition and the range of variation of the components of the body and ligaments satisfy the quality and performance indicators of the inventive diamond tool.

П р и м е р 2. Из шихты для корпуса и алмазоносного слоя, состав которых приведен в табл. 1 и 2, изготавливали алмазный инструмент по заявляемому способу при температуре спекания 875 ± 5^оС и различном удельном давлении прессования от 9 до 15 т/см², величины которого приведены в табл. 3.PRI me R 2. From the charge for the body and diamond layer, the composition of which is given in table. 1 and 2, the diamond tool produced according to the claimed method at a sintering temperature of 875 ± 5 ^{° C} and a specific pressure of different compression from 9 to 15 t / cm ^2, the values of which are given in the Table. 3.

Из табл. 3 видно, что давление прессования оказывает влияние на твердость композиционного материала, производительность процесса шлифования и удельный расход алмазов. Давление в диапазоне 11-13 т/см²дает наиболее приемлемые результаты по основным показателям, характеризующим процесс обработки затупленных штыревых коронок. При уменьшении давления до 9 т/см² увеличивается удельный расход алмазов, а при давлении 15 т/см² в несколько раз снижается производительность шлифования.From the table. 3 it can be seen that the pressing pressure affects the hardness of the composite material, the performance of the grinding process and the specific consumption of diamonds. The pressure in the range of 11-13 t / cm ² gives the most acceptable results for the main indicators characterizing the processing of blunt pin crowns. When pressure decreases to 9 t / cm ² , the specific consumption of diamonds increases, and at a pressure of 15 t / cm ² , grinding performance decreases several times.

П р и м е р 3. Из шихты для корпуса и алмазоносного слоя, состав которых приведен в табл. 1 и 2, изготавливали алмазный инструмент по заявляемому способу при давлении прессования 12 т/см² и различных температурах спекания от 800 до 950^оС, величины которых приведены в табл. 4.PRI me R 3. From the charge for the body and diamond layer, the composition of which is given in table. 1 and 2, the diamond tool produced according to the claimed method of pressing at a pressure of 12 ton / cm ^2, and various sintering temperatures of 800 to 950 ^{° C,} the values of which are given in the Table. 4.

Из табл. 4 видно, что температура спекания, также как и давление прессования, оказывает влияние на твердость композиционного материала, производительность процесса шлифования и удельный расход алмазов. Температура спекания в диапазоне 850-900^оС дает приемлемые результаты по основным показателям, характеризующим процесс обработки затупленных штыревых коронок. При уменьшении температуры до 800^оС снижается твердость алмазоносного слоя и увеличивается удельный расход алмазов, а при температуре 950^оС разрушается структура композиционного материала, так как вытекает наиболее легкоплавкое соединение титан - олово и происходит коробление корпуса и рабочей части инструмента.From the table. 4 it can be seen that the sintering temperature, as well as the pressing pressure, affects the hardness of the composite material, the productivity of the grinding process and the specific consumption of diamonds. The sintering temperature in the range 850-900 ^{° C} gives the acceptable results for the main indicators characterizing the processing blunt pin crowns. When reducing the temperature to 800 ^{° C} decreases the hardness of the diamond layer and increase the specific consumption of diamond, and at a temperature of 950 ^{° C} destroys the structure of the composite material, since it follows the most fusible titanium compound - tin and warping occurs housing and the working part of the tool.

Из данных, приведенных в табл. 1-4, видно, что выход за пределы указанных составов шихты корпуса и связки и режимов изготовления приводит к нарушению заданных размеров и формы, охрупчиванию и разрушению инструмента, потере режущих свойств, большому расходу алмазных головок. From the data given in table. 1-4, it can be seen that going beyond the limits of the indicated compositions of the charge of the hull and binder and the manufacturing modes leads to a violation of the given sizes and shapes, embrittlement and destruction of the tool, loss of cutting properties, high consumption of diamond heads.

Использование алмазных головок, изготовленных по данному способу с данным составом шихты, позволит эффективно осуществлять восстановление затупленных штыревых коронок, т. е. обеспечит их многократное использование при бурении. (56) Технические условия на "Таблетки алмазные на титановой связке" ТУ 88 УССР 90.1177-89. The use of diamond heads made according to this method with a given composition of the charge will allow for the efficient restoration of blunt pin crowns, i.e., will ensure their repeated use in drilling. (56) Specifications for “Diamond tablets on a titanium bond” TU 88 USSR 90.1177-89.

Claims

METHOD FOR PRODUCING A DIAMOND TOOL BY THE METHOD OF POWDER METALLURGY, in which a diamond-free metal powder based on titanium and a mixture containing diamond grains and a metal binder based on titanium are taken, cold pressing of the powders and vacuum sintering are carried out, characterized in that the diamond-free metal powder. %:
Titanium 75.0 - 85.0
Copper 12.0 - 20.0
Tin 3.0 - 5.0
and the components of the metal bond are taken in the ratio, wt. %:
Titanium 65.0 - 80.0
Titanium hydrite 5.0 - 10.0
Copper 12.0 - 20.0
Tin 3.0 - 5.0
while cold pressing is carried out at a pressure of 11 - 13 t / cm ² and sintering is carried out at 850 - 900 ^o C.