RU2309816C2

RU2309816C2 - Cutting member of super-hard materials manufacturing method

Info

Publication number: RU2309816C2
Application number: RU2004138469/02A
Authority: RU
Inventors: Валерий Федорович Герасимов (RU); Валерий Федорович Герасимов; Владимир Васильевич Журавлев (RU); Владимир Васильевич Журавлев
Original assignee: ООО Научно-инженерный центр "ВЯТИЧ"
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2007-11-10
Also published as: RU2004138469A

Abstract

FIELD: powder metallurgy, namely manufacture of cutting members of composition materials on base of diamond and(or) cubic boron nitride for cutters, milling cutters, drilling and dressing tools.

SUBSTANCE: method comprises steps of placing in press-mold charge 2 containing powder of super-hard materials and binder; at first pressing charge while simultaneously pressing out binder through gaps 4 between die 1 and punch 3. Value h of gaps is no more than minimum size of grains of powder of super-hard material. In order to form metallic layer, pressed out binder is pressed in addition in gap-free press-mold until it distributes along surface of blank. Both stages of pressing process are realized at temperature providing fluidity of binder. Formed cutting member includes cutting layer with stable concentration of super-hard materials exceeding 62 vol.% and metallic layer providing reliable joining of cutting member with holder.

EFFECT: improved quality of cutting member.

6 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к области инструментального производства и, в частности, к изготовлению режущих элементов из композиционных материалов на основе алмаза и/или кубического нитрида бора (КНБ) (сверхтвердых материалов) с объемным содержанием последних свыше 62% и предназначенных, в основном, для изготовления режущих инструментов, таких как резцы, сверла, фрезы, буровой и правящий инструмент, инструмент для камнеобработки и т.п.The invention relates to the field of tool production and, in particular, to the manufacture of cutting elements from composite materials based on diamond and / or cubic boron nitride (CBN) (superhard materials) with a volumetric content of the latter over 62% and intended mainly for the manufacture of cutting tools, such as cutters, drills, milling cutters, drilling and straightening tools, stone processing tools, etc.

Известно, что для изготовления инструментов, работающих в условиях сильного абразивного износа, используют режущие элементы, например, в виде пластин, которые изготавливают на основе алмаза и/или кубического нитрида бора (КНБ) с объемным их содержанием выше 50%. Такие пластины изготавливают, в основном, в условиях высоких давлений и температур. Готовая пластина затем прикрепляется к соответствующей державке. Крепление режущего элемента к державке обычно производят пайкой с помощью различных припоев. Однако пайка режущего элемента, характеризующегося высоким содержанием сверхтвердых материалов как в объеме, так и на поверхности и, соответственно, малым содержанием металла, сопряжена с определенными трудностями в плане обеспечения прочного соединения режущего элемента с державкой инструмента.It is known that for the manufacture of tools operating in conditions of strong abrasive wear, cutting elements are used, for example, in the form of plates, which are made on the basis of diamond and / or cubic boron nitride (CBN) with a volumetric content of more than 50%. Such plates are made mainly under conditions of high pressures and temperatures. The finished plate is then attached to the appropriate holder. The fastening of the cutting element to the holder is usually done by soldering using various solders. However, the soldering of the cutting element, characterized by a high content of superhard materials both in volume and on the surface and, accordingly, a low metal content, is associated with certain difficulties in terms of ensuring a strong connection of the cutting element with the tool holder.

Известно, что для улучшения соединения режущего элемента с державкой предлагается на режущий элемент наносить от одного до нескольких слоев металла. Так, в патенте США № 4764434, B22F 7/04, 1987 г. предлагается на режущий элемент, изготовленный в условиях высоких давлений и температуры, наносить металлический слой осаждением из газовой фазы. В заявке Франции № 2285213, B24D 3/00, 1975 г. металлический слой предлагается наносить на заготовку, полученную прессованием в условиях высоких давлений и температур, осаждением в вакууме. В патенте США № 4871377, кл. В24В 3/02, 1988 г. описывается способ, заключающийся в том, что режущую пластину снабжают металлическим слоем путем напрессовывания металлического порошка, который размещают на поверхности пластины, предварительно изготовленной в камере высокого давления и температуры. Недостатками известных способов является то, что для получения высокого объемного содержания сверхтвердых материалов в режущих элементах последние изготавливаются в условиях высоких давлений и температур. Кроме того, необходимость таких операций, как выпрессовка из камер высокого давления, зачистка поверхности для нанесения металлического слоя, удаление металла с рабочей поверхности пластины после нанесения слоя, делает эти схемы малопроизводительными.It is known that to improve the connection of the cutting element with the holder it is proposed to apply from one to several layers of metal on the cutting element. So, in US patent No. 4764434, B22F 7/04, 1987, it is proposed to apply a metal layer by vapor deposition on a cutting element made under conditions of high pressures and temperatures. In the application of France No. 2285213, B24D 3/00, 1975, a metal layer is proposed to be applied to a workpiece obtained by pressing under conditions of high pressures and temperatures, by deposition in vacuum. In US patent No. 4871377, CL. B24B 3/02, 1988 describes a method in which the cutting insert is provided with a metal layer by pressing a metal powder, which is placed on the surface of the insert previously made in a high pressure and temperature chamber. The disadvantages of the known methods is that to obtain a high volumetric content of superhard materials in the cutting elements, the latter are manufactured under conditions of high pressures and temperatures. In addition, the need for operations such as extruding from high-pressure chambers, cleaning the surface for applying a metal layer, removing metal from the working surface of the plate after applying the layer, makes these schemes inefficient.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ, описанный в одном из вариантов заявки Франции № 2285213, кл. B24D, 1975. В соответствии с известным решением предлагается изготавливать режущий элемент с одновременным изготовлением слоя из металла и соединением его с режущим элементом. Для этого в рабочий объем камеры высокого давления помещают слой металла, сверху помещают шихту из сверхтвердого материала и связки и осуществляют прессование сборки при давлении Р=55 кбар и температуре Т=1600°С. Полученный режущий элемент содержит два слоя, один из которых - рабочий слой с объемным содержанием алмаза и/или КНБ до 80%, а второй - металлический слой, прочно соединенный с рабочим слоем.Closest to the claimed invention is the method described in one of the variants of the application of France No. 2285213, class. B24D, 1975. In accordance with a known solution, it is proposed to produce a cutting element with the simultaneous manufacture of a layer of metal and its connection with the cutting element. For this, a metal layer is placed in the working volume of the high-pressure chamber, a charge of superhard material and a binder is placed on top and the assembly is pressed at a pressure of P = 55 kbar and a temperature of T = 1600 ° C. The resulting cutting element contains two layers, one of which is a working layer with a volumetric content of diamond and / or CBN of up to 80%, and the second is a metal layer, firmly connected to the working layer.

Изготовление режущего элемента по известному способу осуществляется в дорогостоящих, сложных аппаратах высоких давлений и температур. Режущий элемент, получаемый с использованием таких аппаратов, имеет высокую стоимость. Конструктивные особенности аппаратов, необходимость использования высоких давлений не позволяют получать элементы больших размеров (диаметром более 16 мм). Кроме того, при одновременном равномерном прессовании всего объема в условиях высоких давлений и температур (металлического слоя и шихты) за счет разброса по плотности внутри объема будет происходить миграция зерен сверхтвердого материала в металлический слой и, наоборот, металл будет продавливаться в шихту. В результате будет иметь место получение режущих элементов с нестабильной объемной концентрацией сверхтвердых материалов в рабочем слое.The manufacture of a cutting element by a known method is carried out in expensive, complex apparatuses of high pressures and temperatures. The cutting element obtained using such devices has a high cost. Design features of the apparatus, the need to use high pressures do not allow to obtain elements of large sizes (with a diameter of over 16 mm). In addition, with simultaneous uniform pressing of the entire volume under conditions of high pressures and temperatures (metal layer and charge) due to the density spread inside the volume, grains of superhard material will migrate into the metal layer and, conversely, the metal will be pressed into the charge. As a result, there will be a production of cutting elements with an unstable volume concentration of superhard materials in the working layer.

Целью изобретения является упрощение способа изготовления режущего элемента, с металлическим слоем, обеспечивающим прочное соединение элемента с державкой, и имеющего режущий слой со стабильной концентрацией сверхтвердых материалов в количестве свыше 62% по всему объему.The aim of the invention is to simplify the method of manufacturing a cutting element, with a metal layer that provides a strong connection of the element with the holder, and having a cutting layer with a stable concentration of superhard materials in an amount of more than 62% throughout the volume.

Цель достигается тем, что в способе изготовления режущих элементов, при котором в пресс-форме, содержащей матрицу и пуансон, прессуют шихту, включающую порошки сверхтвердых материалов и связки, и металлический слой, вначале прессуют шихту с одновременным выдавливанием из нее связки через зазоры, образованные пуансоном и стенкой матрицы пресс-формы, после чего формируют металлический слой дополнительным прессованием выдавленной связки в беззазорной пресс-форме до ее распределения по поверхности заготовки.The goal is achieved in that in a method for manufacturing cutting elements, in which a mixture comprising powders of superhard materials and a binder and a metal layer are pressed in a mold containing a matrix and a punch, the charge is first pressed with simultaneous extrusion of the binder from it through the gaps formed the punch and the die wall of the mold, after which a metal layer is formed by additional pressing the extruded binder in the gapless mold until it is distributed over the surface of the workpiece.

Шихту прессуют при давлении 300-500 кгс/см², а дополнительное прессование осуществляют при давлении 100-200 кгс/см². Температуру нагрева в обоих случаях выбирают из условия обеспечения жидкотекучести связки.The mixture is pressed at a pressure of 300-500 kgf / cm ² and additional pressing is carried out at a pressure of 100-200 kgf / cm ² . The heating temperature in both cases is chosen from the condition of ensuring the fluidity of the binder.

Зазоры для выдавливания связки образуют уменьшением, по меньшей мере, одного габаритного размера пуансона.Clearances for squeezing the ligament form a reduction of at least one overall size of the punch.

Зазоры могут быть образованы также выполнением канавок либо на периферийной поверхности пуансона, либо на торцевой, либо и на торцевой и на периферийной поверхности пуансона.The gaps can also be formed by making grooves either on the peripheral surface of the punch, or on the end, or on the end and on the peripheral surface of the punch.

Способ поясняется чертежами:The method is illustrated by drawings:

на фиг.1 показано прессование шихты в пресс-форме с зазором между матрицей и пуансоном;figure 1 shows the pressing of the mixture in the mold with a gap between the die and the punch;

на фиг.2 показан вид сверху на пресс-форму, в которой зазор получен за счет уменьшения диаметра пуансона;figure 2 shows a top view of the mold in which the gap is obtained by reducing the diameter of the punch;

на фиг.3 показана пресс-форма с режущим элементом и слоем металла, выдавленного из шихты в зазор;figure 3 shows a mold with a cutting element and a layer of metal extruded from the charge into the gap;

на фиг.4 показано дополнительное прессование слоя металла в беззазорной пресс-форме;figure 4 shows the additional pressing of the metal layer in a gapless mold;

на фиг.5 показан готовый режущий элемент.figure 5 shows the finished cutting element.

на фиг.6 показан вариант получения зазора за счет уменьшения двух габаритных размеров пуансона;figure 6 shows the option of obtaining a gap by reducing the two overall dimensions of the punch;

на фиг.7 показаны варианты получения зазоров путем выполнения канавок различной формы на периферийной поверхности пуансона;figure 7 shows the options for obtaining gaps by making grooves of various shapes on the peripheral surface of the punch;

на фиг.8 показан вид на торцевую поверхность пуансона, на которой выполнены канавки, образующие зазоры.on Fig shows a view of the end surface of the punch, which made the grooves forming the gaps.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Для изготовления режущих элементов, например, в форме диска в матрицу 1 пресс-формы с цилиндрической полостью помещают шихту 2, состоящую из порошков сверхтвердых материалов и связки (фиг.1). Связку берут с избытком, чтобы она гарантированно заполнила все промежутки между зернами сверхтвердого материала. Точного расчета количества связки не требуется, т.к. весь ее избыток, препятствующий получению максимальной концентрации сверхтвердого материала в режущем слое элемента, впоследствии будет выдавлен и использован для изготовления металлического слоя на поверхности режущего элемента. Ориентировочно содержание связки в шихте должно составлять 40-60 об.%. В случае образования слоя толщиной, больше требуемой, он может быть уменьшен последующей механической обработкой. В качестве сверхтвердых материалов могут быть использованы такие известные материалы, как алмазные порошки, порошки кубического нитрида бора. Они могут быть использованы врозь либо в любом их сочетании.For the manufacture of cutting elements, for example, in the form of a disk, a charge 2 consisting of powders of superhard materials and a binder is placed in the die matrix 1 with a cylindrical cavity (Fig. 1). The bunch is taken in excess so that it is guaranteed to fill all the gaps between the grains of superhard material. An exact calculation of the number of ligaments is not required, because all its excess, which prevents obtaining the maximum concentration of superhard material in the cutting layer of the element, will subsequently be squeezed out and used to make a metal layer on the surface of the cutting element. Roughly, the binder content in the charge should be 40-60 vol.%. In the case of the formation of a layer with a thickness greater than required, it can be reduced by subsequent machining. As superhard materials, known materials such as diamond powders, cubic boron nitride powders can be used. They can be used separately or in any combination thereof.

После размещения в матрице шихты ее прессуют при нагреве пуансоном 3, также цилиндрической формы, однако диаметр пуансона уменьшен для образования кольцевого зазора 4 (фиг.2). Диаметр пунсона уменьшают на такую величину, чтобы через зазор вытекала связка, но не проходили зерна сверхтвердого материала. При нагреве связующее или одна из его составляющих приобретает жидкотекучесть и под давлением выдавливается через кольцевой зазор 4, заполняя его с образованием слоя 5 (фиг.3). Зерна сверхтвердых материалов сближаются вплоть до соприкосновения друг с другом через тонкий адсорбционный металлический слой. В результате получается прессованный элемент 6 с плотной упаковкой зерен сверхтвердых материалов, занимающих как минимум 62% объема. Промежутки между зернами заполнены связкой. Для получения объемного содержания зерен сверхтвердых материалов в прессовке более 62% последние берут в виде смеси двух и более зернистостей порошка, для того чтобы более мелкие зерна заполняли пространства между крупными зернами. После того как элемент будет сформован, а лишняя часть связки выдавлена, в пресс-форму вместо первого пуансона устанавливают пуансон, диаметр которого соответствует диаметру полости матрицы, для того чтобы между матрицей и пуансоном не было зазора, и производят дополнительное прессование с нагревом до полного распределения слоя 5 по поверхности режущего элемента (фиг.4). Так как предварительно уплотненный режущий слой элемента сформирован при более высоком давлении, он имеет достаточно высокую плотность, и в этом случае дополнительное прессование при формировании металлического слоя при более низком давлении его структуру не изменит. В результате получается режущий элемент в виде диска, состоящего из рабочего слоя 6 сверхтвердых материалов и слоя металла 7 на его поверхности (фиг.5). Режущий элемент может быть либо целиком припаян к державке через металлический слой, либо разрезан на более мелкие части, каждая из которых может быть припаяна в качестве режущего элемента.After placing the charge in the matrix, it is pressed when heated by a punch 3, also of a cylindrical shape, however, the diameter of the punch is reduced to form an annular gap 4 (Fig. 2). The diameter of the punch is reduced by such a value that a bundle flows out through the gap, but the grains of superhard material do not pass. When heated, the binder or one of its components acquires fluidity and is squeezed out under pressure through the annular gap 4, filling it with the formation of layer 5 (Fig. 3). Grains of superhard materials come together until they come into contact with each other through a thin adsorption metal layer. The result is a pressed element 6 with a dense packing of grains of superhard materials, occupying at least 62% of the volume. The gaps between the grains are filled with a bunch. To obtain a volumetric content of grains of superhard materials in the compact, more than 62% are taken in the form of a mixture of two or more granularities of the powder, so that smaller grains fill the spaces between large grains. After the element is formed and the excess part of the ligament is extruded, instead of the first punch, a punch is installed in the mold, the diameter of which corresponds to the diameter of the die cavity, so that there is no gap between the die and the punch, and additional pressing is performed with heating until complete distribution layer 5 on the surface of the cutting element (figure 4). Since the pre-compacted cutting layer of the element is formed at a higher pressure, it has a sufficiently high density, and in this case, additional pressing during the formation of the metal layer at a lower pressure will not change its structure. The result is a cutting element in the form of a disk, consisting of a working layer 6 of superhard materials and a metal layer 7 on its surface (Fig. 5). The cutting element can either be completely soldered to the holder through a metal layer, or cut into smaller parts, each of which can be soldered as a cutting element.

Первое прессование рекомендуется проводить при давлении 300-500 кгс/см² - это обычное давление прессования, достаточное для уплотнения порошков до требуемой плотности и прочности. При более низком давлении сложно получить требуемое уплотнение порошков и прочность заготовки, а более высокое давление экономически не целесообразно, т.к. не приведет к существенному улучшению результатов и связано с увеличением расхода прессовой оснастки.The first pressing is recommended at a pressure of 300-500 kgf / cm ² - this is the usual pressing pressure sufficient to compact the powders to the required density and strength. At a lower pressure, it is difficult to obtain the required powder compaction and strength of the workpiece, and a higher pressure is not economically feasible, because will not lead to a significant improvement in results and is associated with an increase in the consumption of press tools.

Дополнительное прессование металлического слоя из выдавленной части связки рекомендуется проводить при давлении 100-200 кгс/см². Это давление обеспечивает распределение металлической связки по поверхности режущего элемента, не нарушая уже сформированную структуру. Рекомендуемые давления получают на обычных прессах горячего прессования.Additional pressing of the metal layer from the extruded part of the ligament is recommended at a pressure of 100-200 kgf / cm ² . This pressure ensures the distribution of the metal bond on the surface of the cutting element without disturbing the already formed structure. Recommended pressures are obtained on conventional hot presses.

Температура нагрева шихты определяется составом связующего, которое обычно выбирают в зависимости от назначения инструмента. Жидкотекучесть, при которой связующее достаточно легко вытекает через зазор, наступает при его нагреве до температуры не ниже 0,8 температуры плавления. Например, при использовании в качестве связок латуни ЛК 80-3 (4% Si) температура нагрева составит 850°С, бронзы Бр КМц 3-1 (3% Si) - 900°C.The heating temperature of the mixture is determined by the composition of the binder, which is usually chosen depending on the purpose of the tool. Liquid flow, in which the binder flows easily enough through the gap, occurs when it is heated to a temperature not lower than 0.8 of the melting temperature. For example, when using brass LK 80-3 (4% Si) as ligaments, the heating temperature will be 850 ° C, Br KMts 3-1 bronze (3% Si) - 900 ° C.

Величину зазора h выбирают таким образом, чтобы через зазор выдавливалась связка, но не проходили зерна сверхтвердых материалов. В связи с этим размер h зазора определяют минимальным размером зерен алмаза и/или кубического нитрида бора в порошке. Как известно, алмазный порошок (порошок КНБ) одной зернистости состоит из трех фракций: основной, крупной и мелкой. Например, алмазный порошок зернистостью 100/80 содержит зерна от 63 до 125 мкм. В этом случае зазор должен быть равен не более 60 мкм.The size of the gap h is chosen so that a bunch is extruded through the gap, but the grains of superhard materials do not pass. In this regard, the size h of the gap is determined by the minimum grain size of diamond and / or cubic boron nitride in the powder. As you know, diamond powder (CBN powder) of one grain size consists of three fractions: basic, coarse and fine. For example, diamond powder with a grain size of 100/80 contains grains from 63 to 125 microns. In this case, the gap should be equal to not more than 60 microns.

Зазор в пресс-форме может быть получен различными способами. Например, как было сказано выше, при изготовлении режущего элемента в форме диска, пуансон цилиндрической формы изготавливают с меньшим диаметром, для образования кольцевого зазора 4 (фиг.2). На фиг.6 показана пресс-форма для изготовления режущего элемента прямоугольной формы. Для образования зазора у пуансона уменьшены два габаритных размера. Зазоры могут быть получены выполнением канавок различной формы на периферийной поверхности 8 пуансона. На фиг.7 показаны различные формы канавок: полукруглая 9, прямоугольная 10, в виде сектора 11. т.е. форма канавок может быть любой, основное ограничение - простота изготовления и возможность беспрепятственного удаления пуансона из пресс-формы. На периферийной поверхности пуансоны обычно рекомендуется выполнять несколько однородных канавок, при этом они должны быть предпочтительно расположены на одинаковом угловом расстоянии друг от друга. Наиболее предпочтительным вариантом является выполнение канавок на торцевой 12 поверхности пуансона (фиг.8), либо и на торцевой и на периферийной поверхностях пуансона. При таком расположении канавок выдавленный металл будет более равномерно распределен по поверхности прессованной заготовки и последующее его распределение при дополнительном прессовании существенно упростится.The clearance in the mold can be obtained in various ways. For example, as mentioned above, in the manufacture of a cutting element in the form of a disk, a cylindrical punch is made with a smaller diameter, to form an annular gap 4 (figure 2). 6 shows a mold for manufacturing a cutting element of a rectangular shape. For the clearance of the punch, two overall dimensions are reduced. Clearances can be obtained by making grooves of various shapes on the peripheral surface 8 of the punch. 7 shows various shapes of grooves: semicircular 9, rectangular 10, in the form of sector 11. i.e. the shape of the grooves can be any, the main limitation is the ease of manufacture and the possibility of unimpeded removal of the punch from the mold. On the peripheral surface, the punches are usually recommended to make several uniform grooves, while they should preferably be located at the same angular distance from each other. The most preferred option is to make grooves on the end face 12 of the punch (Fig. 8), or on the end and peripheral surfaces of the punch. With this arrangement of grooves, the extruded metal will be more evenly distributed over the surface of the pressed billet and its subsequent distribution with additional pressing will be greatly simplified.

Таким образом, способ позволяет получить режущий элемент с объемным содержанием сверхтвердых материалов свыше 62% без использования высоких давлений и температур; получить режущий элемент с металлическим подслоем и с сохранением стабильной концентрации сверхтвердых материалов во всем объеме.Thus, the method allows to obtain a cutting element with a volumetric content of superhard materials of more than 62% without the use of high pressures and temperatures; to get a cutting element with a metal sublayer and maintaining a stable concentration of superhard materials in the entire volume.

Claims

1. A method of manufacturing cutting elements from superhard materials, comprising placing a charge in the mold containing powder of superhard materials and a binder, and pressing the mixture and the metal layer, characterized in that the mixture is first pressed with simultaneous extrusion of the sheaf through the gaps formed between the matrix and a punch of the mold and having a value of not more than the minimum grain size of the powder of the superhard material, after which an additional pre the pressing of the extruded binder in the gapless mold until it is distributed over the surface of the workpiece, moreover, pressing the mixture and additional pressing is carried out at a temperature that ensures the fluidity of the binder.

2. The method according to claim 1, characterized in that the pressing of the mixture is carried out at a pressure of 300-500 kgf / cm ² and additional pressing at a pressure of 100-200 kgf / cm ² .

3. The method according to claim 1, characterized in that the gaps for extruding the ligament form a reduction of at least one overall size of the punch.

4. The method according to claim 1, characterized in that the gaps for extruding the ligament form by making grooves on the peripheral surface of the punch.

5. The method according to claim 1, characterized in that the gaps for extruding the ligament form due to the grooves on the end surface of the punch.

6. The method according to claim 1, characterized in that the gaps for extruding the ligament are formed by performing grooves simultaneously on the end and peripheral surfaces of the punch.