RU2525192C1

RU2525192C1 - Production of hard alloy charge with hardening nanosized particles

Info

Publication number: RU2525192C1
Application number: RU2013121513/02A
Authority: RU
Inventors: Петр Петрович Шарин; Михаил Петрович Лебедев; Геннадий Георгиевич Винокуров; Василий Егорович Гоголев; Петр Петрович Петров; Анатолий Андреевич Платонов; Виктор Петрович Атласов
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2014-08-10

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: hardening superhard nanosized particles and plasticiser substances are introduced successively in plasticiser solution. Excess amount of solvent is evaporated from obtained suspension at temperature some 30-50°C lower than that plasticiser decomposition so that its amount relative plasticiser substances does not exceed 10%.Thereafter, plasticiser is introduced in hard alloy powder mix. Mixing of superhard nanosized particles with solvent and evaporation of excess amount of solvent from suspension are conducted in cavitation field of ultrasound.

EFFECT: homogeneous charge and uniform wear of tool female die.

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в технологиях приготовления шихты для формирования каркаса композиционных металлокерамических матриц (связок) алмазного инструмента с упрочняющими наночастицами из сверхтвердых материалов.The invention relates to powder metallurgy and can be used in the preparation of a charge for forming a skeleton of composite ceramic-metal matrices (bundles) of a diamond tool with reinforcing nanoparticles of superhard materials.

Известен способ приготовления шихты для изготовления алмазного инструмента, включающий приготовление смеси из твердосплавных порошков ВК6 и ВК8, ее смешивание, пластифицирование полученной смеси, ее протирку через сито и сушку (Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента // Под редакцией В.Н. Бакуля. - М.: Машиностроение, 1975 г., с.269-270). В известном способе при приготовлении шихты с упрочняющими добавками из сверхтвердых частиц наноразмера наночастицы вводят непосредственно в смесь твердосплавных порошков и смешивают в планетарной шаровой мельнице (М.В. Воробьева, В.В. Курбаткина, В.В. Иванов, Е.Е. Едренникова, Д.А. Сидоренко. Получение ультрадисперсных порошков молибдена высокой чистоты для изготовления дисперсно-упрочненных наночастицами связок на основе Fe-Co-Cu и Fe-Co-Cu-WC // Материалы докладов XI-й международной конференции «Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника, технология его изготовления и применения», №13, 2010 г., с.436-441; Богатырева Г.П., Исонкин A.M., Ильницкая Г.Д., Богданов Р.К. Оценка перспективности структурирования металломатричных композитов алмазных буровых коронок наноалмазами // Материалы докладов XII-й международной конференции «Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника, технология его изготовления и применения», №14, 2011 г., с.97-102) или в барабанных смесителях (Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента // Под редакцией В.Н. Бакуля. - М.: Машиностроение, 1975 г., с.216-217), затем полученную смесь пластифицируют, протирают через сито и сушат. При этом равномерному распределению компонентов шихты с различными плотностями и зернистостями, различающимися на два и более порядков величины, препятствует слипание наночастиц - образование агломератов, что приводит к формированию недостаточно однородной по пространству композиционной смеси шихты. В результате шихта, приготовленная известными способами, имеет недостаточно высокую объемную однородность, что приводит в конечном счете к неравномерному износу матрицы алмазного инструмента при его работе. Кроме того, при приготовлении шихты последовательное выполнение операций качественного перемешивания компонентов и пластифицирования занимает много времени.A known method of preparing a mixture for the manufacture of diamond tools, including preparing a mixture of carbide powders VK6 and VK8, mixing it, plasticizing the mixture, wiping it through a sieve and drying (Design Basics and manufacturing technology of abrasive and diamond tools // Edited by V.N. Bakul. - M.: Mechanical Engineering, 1975, p. 269-270). In the known method, when preparing a mixture with hardening additives from superhard particles of nanosized size, the nanoparticles are introduced directly into a mixture of carbide powders and mixed in a planetary ball mill (M.V. Vorobyeva, V.V. Kurbatkina, V.V. Ivanov, E.E. Edrennikova , D.A. Sidorenko, Production of Ultrafine High Purity Molybdenum Powders for the Production of Dispersion-Hardened Nanoparticle Bundles Based on Fe-Co-Cu and Fe-Co-Cu-WC // Reports of the XIth International Conference “Rock Breaking and Metalworking Tools umment - technique, technology of its manufacture and use ", No. 13, 2010, p. 436-441; Bogatyreva GP, Isonkin AM, Ilnitskaya GD, Bogdanov RK Assessment of the prospects of structuring metal-matrix diamond composites drill bits with nanodiamonds // Materials of reports of the XIIth international conference “Rock cutting and metalworking tools - equipment, technology for its manufacture and use”, No. 14, 2011, p.97-102) or in drum mixers (design basics and manufacturing technology abrasive and diamond tools // Ed. by V.N. Bakul. - M .: Engineering, 1975, s.216-217), then the resulting mixture is plasticized, wiped through a sieve and dried. In this case, the uniform distribution of charge components with different densities and granularities, differing by two or more orders of magnitude, is prevented by the adhesion of nanoparticles - the formation of agglomerates, which leads to the formation of a composite mixture that is not uniformly spatially uniform. As a result, the mixture prepared by known methods has a not enough high volume uniformity, which ultimately leads to uneven wear of the matrix of the diamond tool during its operation. In addition, in the preparation of the charge, sequential execution of the operations of high-quality mixing of the components and plasticization takes a lot of time.

Технической задачей изобретения является создание способа приготовления шихты для матрицы алмазного инструмента, при котором совмещены процессы смешивания компонентов твердосплавных порошков с упрочняющими сверхтвердыми частицами наноразмера и пластифицирования, обеспечивается качественное перемешивание компонентов шихты за более короткое время и получение однородной по износостойкости матрицы.An object of the invention is to provide a method for preparing a charge for a matrix of a diamond tool, in which the processes of mixing the components of carbide powders with hardening superhard particles of nanoscale and plasticization are combined, high-quality mixing of the components of the charge in a shorter time and obtaining a uniform wear resistance matrix is ensured.

Технический результат достигается тем, что в способе приготовления шихты из твердосплавной порошковой смеси с упрочняющими сверхтвердыми частицами наноразмера, включающем смешивание твердосплавной порошковой смеси с наночастицами, пластифицирование полученной смеси, ее протирку через сито и сушку, согласно изобретению в растворитель пластификатора, взятый в избыточном количестве и находящийся в кавитационном поле ультразвуковых колебаний, вводят и смешивают наночастицы, затем в нем малыми дозами растворяют вещество пластификатора, полученную суспензию в кавитационном поле ультразвука нагревают при температуре на 30-50°C ниже температуры разложения вещества пластификатора и выпаривают из суспензии избыточное количество растворителя так, что ее количество по отношению к веществу пластификатора составляет не более 10%, при достижении которого пластификатор вводят в твердосплавную порошковую смесь и замешивают.The technical result is achieved by the fact that in the method of preparing the mixture from a carbide powder mixture with reinforcing superhard particles of a nanoscale, including mixing a carbide powder mixture with nanoparticles, plasticizing the resulting mixture, wiping it through a sieve and drying, according to the invention, in an excess plasticizer and located in the cavitation field of ultrasonic vibrations, nanoparticles are introduced and mixed, then the plasticizer is dissolved in small doses in it , the resulting suspension in the cavitation field of ultrasound is heated at a temperature of 30-50 ° C below the decomposition temperature of the plasticizer substance and an excess amount of solvent is evaporated from the suspension so that its amount with respect to the plasticizer substance is not more than 10%, at which the plasticizer is introduced into carbide powder mixture and knead.

Как известно, твердосплавные порошки плохо прессуются и формуются без введения клеящих добавок - пластификаторов (Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента // Под редакцией В.Н. Бакуля. - М.: Машиностроение, 1975 г., с.269). Как правило, в производстве твердых сплавов используются растворы вещества пластификатора (каучук, полиэтиленгликоль, поливинилацетат, парафин, стеарат цинка и др.) в бензине, спирте и органических растворителях. При комнатной температуре готовые к применению пластификаторы имеют консистенцию густой гелеобразной жидкости. В этой связи низкая вязкость растворителя под воздействием ультразвука способствует эффективному разрушению агломератов наночастиц, качественному перемешиванию и равномерному объемному распределению наночастиц в растворителе. Ввод вещества пластификатора в суспензию наночастиц в растворителе малыми дозами и интенсивное кавитационное поле ультразвука обеспечивают быстрое диспергирование вещества пластификатора в растворитель без образования комков и нарушения равномерного распределения наночастиц в суспензии, вязкость которой достаточно низкая из-за избыточного количества растворителя. По мере выпаривания избыточного количества растворителя вязкость суспензии с наночастицами постепенно увеличивается, при этом интенсивное воздействие ультразвуковых колебаний препятствует образованию агломератов наночастиц и способствует сохранению равномерного распределения наночастиц. При достижении 10%-ной концентрации вещества пластификатора в растворе его консистенция такова, что в нем наночастицы как бы застывают, сохраняя при этом пространственное распределение в пластификаторе. В процессе замешивания твердосплавной порошковой смеси суспензия пластификатора с наночастицами тонким слоем смачивает и обволакивает зерна твердосплавной порошковой смеси. В результате наночастицы вместе с зернами твердосплавного порошка равномерно распределяются по всему его объему шихты.As you know, carbide powders are poorly pressed and molded without the introduction of adhesive additives - plasticizers (Fundamentals of design and manufacturing technology of abrasive and diamond tools // Edited by V.N. Bakul. - M .: Mechanical Engineering, 1975, p. 269). As a rule, in the production of hard alloys, solutions of a plasticizer substance (rubber, polyethylene glycol, polyvinyl acetate, paraffin, zinc stearate, etc.) in gasoline, alcohol, and organic solvents are used. At room temperature, ready-to-use plasticizers have the consistency of a thick gel-like liquid. In this regard, the low viscosity of the solvent under the influence of ultrasound contributes to the effective destruction of agglomerates of nanoparticles, high-quality mixing and uniform volume distribution of nanoparticles in the solvent. The introduction of a plasticizer substance into a suspension of nanoparticles in a solvent in small doses and the intense cavitation field of ultrasound provide rapid dispersion of the plasticizer substance into the solvent without the formation of lumps and disruption of the uniform distribution of nanoparticles in the suspension, the viscosity of which is quite low due to excess solvent. As the excess solvent is evaporated, the viscosity of the suspension with nanoparticles gradually increases, while the intense action of ultrasonic vibrations prevents the formation of agglomerates of nanoparticles and helps to maintain a uniform distribution of nanoparticles. Upon reaching a 10% concentration of the plasticizer substance in the solution, its consistency is such that in it the nanoparticles seem to solidify, while maintaining the spatial distribution in the plasticizer. In the process of mixing a carbide powder mixture, a suspension of a plasticizer with nanoparticles with a thin layer moistens and envelops the grains of the carbide powder mixture. As a result, nanoparticles, along with grains of carbide powder, are evenly distributed over its entire charge volume.

В процессе спекания при медленном режиме нагрева, когда происходит разложение, испарение и удаление образовавшихся паров вещества пластификатора, наночастицы оседают на поверхности зерен твердосплавного порошка, заполняя образовавшиеся поры и сохраняя при этом свое равномерное объемное распределение в матрице инструмента, что обеспечивает однородность износостойкости матрицы.During sintering during the slow heating mode, when the vapors of the plasticizer substance are decomposed, evaporated and removed, the nanoparticles settle on the surface of the grains of the carbide powder, filling the pores formed and preserving their uniform volume distribution in the tool matrix, which ensures uniform wear resistance of the matrix.

Способ осуществляется следующим образом. В качестве пластификатора берут, например, часто применяемый в производстве твердых сплавов раствор каучука в бензине. Сначала в бензин в количестве 2 л вводят и диспергируют в нем упрочняющие сверхтвердые частицы наноразмера синтетического алмаза в количестве 2% от объема шихты. После получения однородной суспензии наночастиц в бензине в нее малыми кусочками добавляют и растворяют каучук в количестве 60 г. Ввод и диспергирование наночастиц в бензине и соответственно каучука в суспензии производят в кавитационном поле ультразвука. Затем из суспензии каучука и наночастиц при температуре 50°C выпаривают избыточное количество бензина так, что ее количество по отношению к веществу пластификатора составила не более 10%. Выпаривание также производят с одновременным воздействием на суспензию ультразвуковым полем. Полученную гелеобразную массу вводят в твердосплавную порошковую смесь марки ВК8 и тщательно замешивают, затем протирают через сито и сушат.The method is as follows. As a plasticizer, for example, a rubber solution in gasoline, often used in the production of hard alloys, is taken. First, reinforcing superhard particles of synthetic diamond nanosized in the amount of 2% of the charge volume are introduced and dispersed in gasoline in an amount of 2 l. After a homogeneous suspension of nanoparticles in gasoline is obtained, rubber is added and dissolved in small amounts in an amount of 60 g into it. The introduction and dispersion of nanoparticles in gasoline and, accordingly, rubber in suspension is carried out in the cavitation field of ultrasound. Then, an excess amount of gasoline is evaporated from a suspension of rubber and nanoparticles at a temperature of 50 ° C so that its amount with respect to the plasticizer substance is not more than 10%. Evaporation is also carried out with simultaneous exposure of the suspension to an ultrasonic field. The obtained gel-like mass is introduced into the VK8 grade carbide powder mixture and thoroughly kneaded, then wiped through a sieve and dried.

Таким образом, приготовление шихты, при котором ввод и смешивание сверхтвердых частиц наноразмера с твердосплавной порошковой смесью производится при выполнении операции пластифицирования твердосплавной порошковой смеси, благодаря равномерному объемному распределению компонентов шихты позволяет получить однородную по износостойкости матрицу и сокращает время, затрачиваемое на изготовление инструмента.Thus, the preparation of the mixture, in which the introduction and mixing of superhard particles of nanosized with carbide powder mixture is performed during plasticization of the carbide powder mixture, due to the uniform volume distribution of the components of the mixture allows to obtain a uniform wear resistance matrix and reduces the time spent on the manufacture of the tool.

Claims

A method of preparing a mixture of a carbide powder mixture with reinforcing additives of superhard nanoparticle particles to form a matrix of a diamond tool, comprising mixing a carbide powder mixture with nanoparticles, plasticizing the resulting mixture, wiping through a sieve and drying, characterized in that the plasticizer solvent is taken in excess and located in the cavitation field of ultrasonic vibrations, nanoparticles are introduced, then the plasticizer substance is dissolved in small doses in it, the irradiated suspension is heated at a temperature of 30-50 ° C below the decomposition temperature of the plasticizer substance in the cavitation field of ultrasound and the excess solvent is evaporated so that its amount relative to the plasticizer substance is no more than 10%, after which the plasticizer is introduced into the carbide powder mixture and knead.