RU2073590C1

RU2073590C1 - Method of making diamond containing composition material

Info

Publication number: RU2073590C1
Authority: RU
Inventors: Эдуард Семенович Симкин; Нехемьян Вениаминович Цыпин; Иван Федорович Вовчановский; Светлана Иосифовна Скляр; Евгений Михайлович Финкельштейн; Роберт Константинович Богданов; Евгений Викторович Дабижа; Петр Васильевич Петрига; Алексей Алексеевич Свечников
Original assignee: Институт сверхтвердых материалов им.В.Н.Бакуля АН Украины
Priority date: 1990-07-19
Filing date: 1990-07-19
Publication date: 1997-02-20

Abstract

FIELD: powder metallurgy, namely drilling and strengthening tools operating at conditions of intensive abrasive wear. SUBSTANCE: method comprises steps of mixing diamond particles and metallic binding, pressing and sintering pressed blanks simultaneously with impregnating them. Novelty is applying molybdenum layer onto diamond particles before mixing. Then basic component of metallic binding is applied in flow of flow-discharge plasma. Wearability of material is increased approximately by 1.5 times. EFFECT: enhanced wearability of material due to lowered tension stresses in zone of diamond-binding boundary.

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению сверхтвердых материалов, содержащих по крайней мере алмазы и металлическую связку. Указанные материалы могут быть использованы для бурового и правящего инструмента, работающего в условиях интенсивного абразивного износа. The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to the production of superhard materials containing at least diamonds and a metal binder. These materials can be used for drilling and straightening tools operating in conditions of intense abrasive wear.

Известен способ получения сверхтвердых материалов, например твердых сплавов, содержащих алмазы, заключающийся в том, что смесь, состоящую из порошков алмаза и твердого сплава, прессуют, а затем пропитывают медно-никелевым сплавом в атмосфере водорода. Авторское свидетельство СССР N 341601, кл. B 22 F 3/02, 1972 г. A known method for producing superhard materials, for example hard alloys containing diamonds, is that a mixture consisting of diamond powders and a hard alloy is pressed and then impregnated with a copper-nickel alloy in a hydrogen atmosphere. USSR author's certificate N 341601, cl. B 22 F 3/02, 1972

Недостатком указанного способа является то, что основная составляющая связки медно-никелевый сплав обладает линейным коэффициентом теплового расширения, ≈ в 8 раз превышающим коэффициент теплового расширения алмаза, а также низкой адгезией по отношению к алмазу, что в совокупности ведет к плохому удержанию алмазов в связке. The disadvantage of this method is that the main component of the binder, the copper-nickel alloy has a linear coefficient of thermal expansion ≈ 8 times higher than the coefficient of thermal expansion of diamond, as well as low adhesion to diamond, which together leads to poor retention of diamonds in the binder.

По авт. св. СССР N 604447, кл. C 22 C 29/00 алмазные зерна гранулируют смесью порошков монокарбида вольфрама и кобальта, полученные гранулы обкатывают порошком монокарбида вольфрама и смешивают с порошками литого карбида вольфрама и кремния зеленого. Приготовленную смесь помещают в графитовую пресс-форму и проводят холодное прессование при удельном давлении 400 500 кг/см². Затем графитовую пресс-форму со спрессованной заготовкой помещают в водородную печь и осуществляют пропитку композиции медью при температуре 1150^oC.By author St. USSR N 604447, class C 22 C 29/00 diamond grains are granulated with a mixture of tungsten monocarbide and cobalt powders, the obtained granules are rolled with tungsten monocarbide powder and mixed with powders of cast tungsten carbide and green silicon. The prepared mixture is placed in a graphite mold and cold pressing is carried out at a specific pressure of 400 to 500 kg / cm ² . Then a graphite mold with a pressed billet is placed in a hydrogen furnace and the composition is impregnated with copper at a temperature of 1150 ^o C.

Недостатком описанного способа является то, что основная составляющая связки медь имеет линейный коэффициент теплового расширения, значительно превышающий коэффициент теплового расширения алмаза, а также низкой адгезией по отношению к последнему, что в совокупности ведет к плохому удержанию алмазов в связке, а следовательно, и к снижению работоспособности инструмента. The disadvantage of the described method is that the main component of the copper binder has a linear coefficient of thermal expansion, significantly higher than the coefficient of thermal expansion of diamond, as well as low adhesion to the latter, which together leads to poor retention of diamonds in the binder, and therefore, to a decrease health tool.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ изготовления композиционного материала, согласно которому навеску порошка твердого сплава, состоящего из монокарбида вольфрама и кобальта, смешивают с литым карбидом вольфрама и поликристаллами синтетического алмаза, затем прессуют в графитовой пресс-форме с усилием 10 кг/мм², а затем осуществляют пропитку спрессованного брикета сплавом, содержащим цинк, никель, марганец и медь на высокочастотной установке ЛПЗ-2-67.Closest to the claimed technical solution is a method of manufacturing a composite material, according to which a sample of a solid alloy powder consisting of tungsten monocarbide and cobalt is mixed with cast tungsten carbide and synthetic diamond polycrystals, then pressed in a graphite mold with a force of 10 kg / mm ² and then the compressed briquette is impregnated with an alloy containing zinc, nickel, manganese and copper on a high-frequency plant LPZ-2-67.

После изотермической выдержки при температуре 950 970^oC в течение 30 секунд производят охлаждение изделия до комнатной температуры. Описанный способ имеет такие же недостатки, как и два предыдущих значительно более высокий по сравнению с алмазом линейный коэффициент теплового расширения пропитывающего сплава и низкая адгезия этого сплава по отношению к алмазу.After isothermal exposure at a temperature of 950 970 ^o C for 30 seconds, the product is cooled to room temperature. The described method has the same disadvantages as the two previous ones, a much higher linear coefficient of thermal expansion of the impregnating alloy than diamond and a low adhesion of this alloy to diamond.

Целью данного изобретения является повышение работоспособности, износостойкости материала за счет уменьшения растягивающих напряжений на границе алмаз-связка вследствие создания псевдодиффузионного промежуточного слоя. The aim of this invention is to increase the health, wear resistance of the material by reducing tensile stresses at the diamond-bond boundary due to the creation of a pseudo-diffusion intermediate layer.

Для достижения указанной цели в известном способе изготовления композиционного материала, включающем смешивание алмазных частиц и металлической связки, прессование и спекание спрессованных заготовок, сопровождающиеся пропиткой, согласно изобретению перед смешиванием компонентов на алмазные частицы наносят слой молибдена и затем основную составляющую металлической связки, например медь в токе плазмы тлеющего разряда. To achieve this goal in a known method of manufacturing a composite material, comprising mixing diamond particles and a metal binder, pressing and sintering pressed blanks, followed by impregnation, according to the invention, before mixing the components, a layer of molybdenum is applied to the diamond particles and then the main component of the metal binder, for example, copper in a stream glow discharge plasma.

Согласно научно-технической литературе (Т.В. Андреева, А.С. Болгар, М.В. Власова и др. свойства элементов, Справочник. Под ред. Г.В. Самсонова, М. Металлургия, 1976, с.208 222) молибден имеет линейный коэффициент теплового расширения в 3,5 раза ниже по сравнению с медью, что, в свою очередь, позволяет снизить в отличие от прототипа растягивающие напряжения, возникающие в переходной зоне алмаз-связка в процессе нагрева при изготовлении и эксплуатации инструмента. According to the scientific and technical literature (T.V. Andreeva, A.S. Bolgar, M.V. Vlasova and other properties of elements, Reference. Edited by G.V. Samsonov, M. Metallurgy, 1976, p.208 222 ) molybdenum has a linear coefficient of thermal expansion of 3.5 times lower compared to copper, which, in turn, allows to reduce, in contrast to the prototype, tensile stresses arising in the transition zone of the diamond binder during heating during the manufacture and operation of the tool.

Кроме того, за счет высокой энергии при ионной бомбардировке имеет место имплантация атомов молибдена в приповерхностный слой алмаза, что способствует лучшему удержанию алмазов в связке. Этот процесс, который происходит при температуре ниже температуры деструкции алмазов, позволяет сохранить их исходные свойства. In addition, due to the high energy during ion bombardment, implantation of molybdenum atoms in the surface layer of diamond takes place, which contributes to a better retention of diamonds in the bundle. This process, which occurs at a temperature below the temperature of the destruction of diamonds, allows you to maintain their original properties.

Заявляемый способ иллюстрируется следующим примером его осуществления. The inventive method is illustrated by the following example of its implementation.

Перед смешиванием с компонентами связки поликристаллы синтетического алмаза весом 0,6 г подвергают бомбардировке ионами аргона в потоке плазмы тлеющего разряда. Затем производится активация поверхности алмаза бомбардировкой ионами молибдена. Подготовленная таким образом поверхность алмазов подвергается бомбардировке имеющими высокую энергию ионами молибдена. При этом происходит имплантация атомов молибдена в поверхностный слой алмаза и образование так называемой псевдодиффузионной зоны. Затем на поверхность алмаза, покрытую молибденом, осаждается также в потоке плазмы тлеющего разряда медь. Before mixing with the components of the bundle, 0.6 g polycrystals of synthetic diamond are bombarded with argon ions in a glow plasma discharge stream. Then, the diamond surface is activated by bombardment with molybdenum ions. Thus prepared surface of diamonds is bombarded with high-energy molybdenum ions. In this case, the implantation of molybdenum atoms into the surface layer of diamond and the formation of the so-called pseudo-diffusion zone. Then, copper is also deposited on the surface of the diamond coated with molybdenum in the glow plasma of a glow discharge.

После этого покрытые молибденом и медью алмазы смешивали с навеской порошка твердого сплава весом 7,5 г, состоящего из монокарбида вольфрама весом 7,2 г и кобальта весом 0,3 г, а также с 5,9 г литого карбида вольфрама. Смесь прессовали в графитовой пресс-форме с усилием 10 кг/мм², а затем осуществляли пропитку спрессованного брикета сплавом, содержащим 0,9 г цинка, 0,3 г никеля, 0,05 г марганца и 6,25 г меди, на высокочастотной установке ЛПЗ-2-67. После изотермической выдержки при температуре 950 970^oC в течение 30 с производили охлаждение изделия до комнатной температуры.After that, the molybdenum and copper-coated diamonds were mixed with a weighed sample of a solid alloy powder weighing 7.5 g, consisting of tungsten monocarbide weighing 7.2 g and cobalt weighing 0.3 g, as well as 5.9 g of cast tungsten carbide. The mixture was pressed in a graphite mold with a force of 10 kg / mm ² , and then the compressed briquette was impregnated with an alloy containing 0.9 g of zinc, 0.3 g of nickel, 0.05 g of manganese and 6.25 g of copper, on a high-frequency LPZ-2-67 installation. After isothermal exposure at a temperature of 950 970 ^o C for 30 s, the product was cooled to room temperature.

Как показала практика, наиболее целесообразно иметь толщину покрытия на алмазе из молибдена 1,5 3,0 мкм, а из меди 3,0 8,0 мкм. As practice has shown, it is most advisable to have a coating thickness of 1.5 3.0 microns on molybdenum diamond and 3.0 8.0 microns on copper.

Указанным способом были изготовлены резцы, которые были испытаны на износостойкость в стендовых условиях при трении по Донецкому песчанику 14 категории по шкале проф. Протодьяконова. Окружная скорость составляла 8 м/с, осевая нагрузка 50 кг на резец. In this way, cutters were made that were tested for wear resistance in bench conditions under friction on Donetsk sandstone of category 14 on a scale of prof. Protodyakonova. The peripheral speed was 8 m / s, the axial load of 50 kg per cutter.

За показатель износостойкости принимался объем изношенной породы, отнесенный к 1 г потери веса резца. The volume of worn-out rock assigned to 1 g of weight loss of the cutter was taken as an indicator of wear resistance.

Износостойкость резца, изготовленного по заявляемому способу, составила 1,7 см³/г•10³, в то время как износостойкость резца, изготовленного по прототипу, составила 2,6 см³/г•10³, т.е. износостойкость за счет применения заявляемого способа изготовления увеличилась примерно в 1,5 раза,The wear resistance of the cutter made by the present method was 1.7 cm ³ / g • 10 ³ , while the wear resistance of the cutter made according to the prototype was 2.6 cm ³ / g • 10 ³ , i.e. wear resistance due to the application of the inventive manufacturing method increased by about 1.5 times,

Claims

A method of manufacturing a diamond-containing composite material, comprising mixing diamond particles and a metal binder, pressing and sintering pressed billets, followed by impregnation, characterized in that, in order to increase the wear resistance of the material by reducing tensile stresses at the boundary, the diamond binder is applied sequentially to the diamond particles sequentially layers of molybdenum, and then the main component of the metal binder in the glow plasma stream.