RU2540060C1 - Wear-resistant diamond tool - Google Patents
Wear-resistant diamond tool Download PDFInfo
- Publication number
- RU2540060C1 RU2540060C1 RU2013158510/02A RU2013158510A RU2540060C1 RU 2540060 C1 RU2540060 C1 RU 2540060C1 RU 2013158510/02 A RU2013158510/02 A RU 2013158510/02A RU 2013158510 A RU2013158510 A RU 2013158510A RU 2540060 C1 RU2540060 C1 RU 2540060C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wear
- layer
- diamond
- resistant
- tool
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области производства алмазных инструментов и в частности к алмазным инструментам, содержащим корпус и алмазные зерна, расположенные на корпусе в один и более слоев. Алмазные зерна удерживаются на корпусе с помощью металлического связующего материала.The invention relates to the field of production of diamond tools and in particular to diamond tools containing a housing and diamond grains located on the housing in one or more layers. Diamond grains are held onto the body using a metal binder.
Известны, например, алмазные инструменты, у которых алмазные зерна, расположенные в один или более слоев, удерживаются на корпусе с помощью гальванической связки. (Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента, под ред. В.Н. Бакуля, «Машиностроение», 1975 г. с.234). Гальваническая связка характеризуется тем, что она удерживает алмазные зерна только за счет механических сил сцепления, поэтому зерна должны быть зарощены связкой на высоту не менее 65-70% размера зерна. В то же время гальваническая связка имеет недостаточную износостойкость. В процессе работы инструмента связка подвергается износу в результате абразивного воздействия стружки и при достижении критического износа связки зерна выпадают, не выработав полностью свой ресурс. В результате гальванические инструменты имеют небольшой срок службы, особенно при работах, связанных с большими силами резания, такими как, например, правка абразивных кругов, резка хрупких неметаллических материалов и др.For example, diamond tools are known in which diamond grains located in one or more layers are held onto the body by means of a galvanic bond. (Basics of design and manufacturing technology of abrasive and diamond tools, under the editorship of VN Bakul, "Mechanical Engineering", 1975, p.234). A galvanic bunch is characterized by the fact that it holds diamond grains only due to mechanical adhesion forces, therefore grains must be overgrown with a bunch to a height of at least 65-70% of the grain size. At the same time, the galvanic bond has insufficient wear resistance. During the operation of the tool, the bundle undergoes wear as a result of the abrasive action of the chips, and when critical wear is achieved, the bundles of grain fall out without having fully developed their resource. As a result, galvanic tools have a short service life, especially when working with large cutting forces, such as, for example, dressing abrasive wheels, cutting brittle non-metallic materials, etc.
Для увеличения срока службы инструмента в известном техническом решении (JP Н05131366, кл. B24D 3/00, 1993 г.) предлагается алмазные зерна размещать в канавках, выполненных на корпусе инструмента, при этом гальваническая связка заполняет полностью свободное пространство канавки и частично покрывает корпус инструмента. Недостаток инструмента заключается в том, что усложняется технология его изготовления, необходимость в канавках ограничивает возможность изготовления инструмента с различной концентрацией алмазов, особенно это ощутимо при изготовлении инструмента с высокой концентрацией алмазов.To increase the tool life, the known technical solution (JP H05131366,
Известны алмазные инструменты содержащие корпус, на поверхности которого алмазные зерна закреплены ионным напылением металла (US №3663191, кл. B24D 3/02, 1970 г.) Алмазные зерна закреплены на корпусе тонким слоем металла, обеспечивая прочную связь алмазных зерен друг с другом и с корпусом инструмента и в то же время обеспечивая большое выступание алмазных зерен. Способ позволяет использовать в качестве связки, в том числе, различные твердые износостойкие материалы. Недостаток инструмента заключается в том, что даже при прочной связи алмазных зерен друг с другом и корпусом инструмента при больших усилиях, которые могут быть необходимы при обработке, например труднообрабатываемых материалов, алмазные зерна под действием сил резания могут быть оторваны от корпуса инструмента.Known diamond tools containing a housing, on the surface of which diamond grains are fixed by ion sputtering of metal (US No. 3663191, class B24D 3/02, 1970). Diamond grains are fixed on the body by a thin layer of metal, providing a strong bond between the diamond grains and each other tool body and at the same time providing a large protrusion of diamond grains. The method allows to use as a binder, including various solid wear-resistant materials. The disadvantage of the tool is that even when the diamond grains are firmly bonded to each other and the tool body at high forces that may be necessary when processing, for example, difficult to process materials, diamond grains can be torn off the tool body due to cutting forces.
Известны алмазные инструменты, содержащие корпус и слой алмазных зерен, закрепленных на корпусе термическим распылением металла (JP №2013006228, кл. B24D 3/00, 2013 г.). Термически распыленный металл образует металлическую связку, толщина которой составляет более половины диаметра алмазного зерна. Такая связка является износостойкой и прочно удерживает алмазные зерна на корпусе инструмента. Недостаток инструмента заключается в сложности оборудования, энергоемкости и длительности процесса осаждения металла, большой длительности воздействия высоких температур на алмазные зерна, что может отрицательно влиять на их физико-механические характеристики.Known diamond tools containing a body and a layer of diamond grains mounted on the body by thermal spraying of metal (JP No. 20133006228, CL B24D 3/00, 2013). Thermally sprayed metal forms a metal binder, the thickness of which is more than half the diameter of the diamond grain. Such a bond is wear-resistant and holds diamond grains firmly on the tool body. The disadvantage of the tool is the complexity of the equipment, the energy intensity and the duration of the metal deposition process, the long duration of exposure to high temperatures on diamond grains, which can adversely affect their physical and mechanical characteristics.
Наиболее близким техническим решением является алмазный инструмент, содержащий металлический корпус, на котором гальванической связкой закреплены алмазные зерна, образуя рабочий слой инструмента. Поверх рабочего слоя нанесено износостойкое покрытие TiAlN методом PVD (US №2003154658, B24D 3/34, 2003 г.). Покрытие, нанесенное методом PVD - физическим осаждением из паровой фазы, характеризуется, как правило, сжимающими напряжениями, плотной без термических трещин структурой. Благодаря такому покрытию срок службы инструмента значительно увеличивается. Недостаток инструмента заключается в том, что толщина износостойкого покрытия составляет 1,0-5,0 мкм. Очень тонкое покрытие износится раньше, чем алмазные зерна выработают свой ресурс. После истирания износостойкого покрытия инструмент будет работать как обычный. Кроме того, нанесение покрытия методом PVD протекает при достаточно низких температурах, в результате будет иметь место невысокая адгезия покрытия к поверхности, на которую оно наносится. При работе инструмента покрытие может отслаиваться. В результате срок службы такого инструмента с износостойким покрытием несколько увеличится, но недостаточно, чтобы реализовать полную выработку алмазных зерен.The closest technical solution is a diamond tool containing a metal case on which diamond grains are fixed with a galvanic bond, forming the working layer of the tool. Above the working layer, a wear-resistant TiAlN coating was applied by the PVD method (US No. 2003154658,
Технической задачей изобретения является повышение срока службы инструмента путем более длительного удержания алмазных зерен на корпусе инструмента.An object of the invention is to increase the tool life by longer retention of diamond grains on the tool body.
Решение технической задачи заключается в том, что износостойкий алмазный инструмент включает корпус с закрепленными на нем алмазными зернами слоем гальванической связки, на слое гальванической связки расположен износостойкий слой связки, нанесенный методом PVD - физическим осаждением из паровой фазы, при этом толщина слоя гальванической связки составляет 20-40% размера алмазного зерна, толщина износостойкого слоя, нанесенного методом PVD, составляет 40-60% размера алмазного зерна.The solution to the technical problem lies in the fact that the wear-resistant diamond tool includes a case with diamond grains attached to it with a layer of galvanic bonds, on the galvanic bond layer is a wear-resistant bond layer deposited by PVD - physical vapor deposition, while the thickness of the galvanic bond layer is 20 -40% of the size of diamond grains, the thickness of the wear-resistant layer deposited by the PVD method is 40-60% of the size of diamond grains.
Кроме того, инструмент дополнительно содержит промежуточный слой толщиной 0,5-3,0 мкм, нанесенный методом CVD - химическим осаждением из паровой фазы, расположенный между слоем гальванической связки и износостойким слоем связки, нанесенным методом PVD.In addition, the tool further comprises an intermediate layer with a thickness of 0.5-3.0 μm deposited by CVD — chemical vapor deposition, located between the galvanic bond layer and the wear-resistant PVD bond layer.
В качестве материала для износостойкого слоя связки, нанесенного методом PVD, выбраны материалы из группы нитридов, карбидов, карбонитридов Ti, Zr, Hf, Al, их соединений или соединений с другими элементами. В качестве других элементов могут быть использованы, например металлы, которые могут изменять характеристики износостойкого слоя с учетом каких-либо требований. В качестве материала для промежуточного слоя, нанесенного методом CVD, выбраны материалы из группы карбидов и карбонитридов Ti, Zr, Al, их соединений или соединений с другими элементам, например улучшающими адгезионные качества промежуточного слоя.As the material for the wear-resistant binder layer, deposited by the PVD method, materials from the group of nitrides, carbides, carbonitrides Ti, Zr, Hf, Al, their compounds or compounds with other elements are selected. As other elements can be used, for example metals, which can change the characteristics of the wear-resistant layer, taking into account any requirements. As the material for the intermediate layer deposited by CVD, materials from the group of carbides and carbonitrides of Ti, Zr, Al, their compounds or compounds with other elements, for example, improving the adhesion properties of the intermediate layer, were selected.
Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что алмазный инструмент на гальванической связке выполняет функцию режущего инструмента до тех пор, пока алмазное зерно будет находиться в связке до 50-60% своего размера. Т.к. гальваническая связка удерживает алмазные зерна практически только механическим сцеплением, при критическом выступании из связки алмазные зерна начнут выпадать. Износостойкий слой связки, нанесенный методом PVD, характеризуется наличием сжимающих напряжений. При толщине гальванического слоя связки, равной 20-40%, алмазного зерна, износостойкий слой связки толщиной 40-60% размера зерна будет расположен в зоне критического выступания алмазных зерен из гальванической связки и более прочно и надежно удерживать их от преждевременного выпадения. В то же время слой гальванической связки при толщине, равной 20-40% не будет оказывать существенного влияния на качество удержания алмазных зерен на корпусе инструмента. Нанесение покрытия методом PVD протекает при достаточно низких температурах - 500°C. При таких температурах алмазные зерна не претерпевают изменений, т.е. сохраняют свое физическое и химическое состояние. Однако при низких температурах, которые имеют место при нанесении покрытия методом PVD, отсутствует адгезионное взаимодействие материала покрытия с гальванической связкой. Нанесение промежуточного слоя методом CVD протекает при высоких температурах - 1000°C. При такой температуре происходит адгезионное взаимодействие слоя с гальванической связкой.The invention consists in the following. It is known that a galvanized diamond tool performs the function of a cutting tool until the diamond grain is in a bundle up to 50-60% of its size. Because the galvanic ligament holds diamond grains almost exclusively by mechanical adhesion, when a critical protrusion from the ligament, the diamond grains begin to fall out. The abrasion-resistant PVD bond layer is characterized by compressive stresses. With a thickness of the galvanic layer of the ligament equal to 20-40% of the diamond grain, a wear-resistant layer of the ligament with a thickness of 40-60% of the grain size will be located in the zone of critical protrusion of diamond grains from the galvanic bond and more firmly and reliably keep them from premature precipitation. At the same time, a galvanic bond layer with a thickness of 20-40% will not have a significant effect on the quality of diamond grain retention on the tool body. PVD coating takes place at fairly low temperatures - 500 ° C. At such temperatures, diamond grains do not undergo changes, i.e. retain their physical and chemical state. However, at low temperatures that occur during PVD coating, there is no adhesive interaction of the coating material with the galvanic bond. Application of the intermediate layer by CVD takes place at high temperatures - 1000 ° C. At this temperature, the adhesive interaction of the layer with the galvanic bond occurs.
Технологии нанесения покрытий методами PVD и CVD сами по себе в промышленности известны и широко применяются для нанесения износостойких покрытий в различных областях техники, поэтому не являются предметом данного изобретения.PVD and CVD coating technologies are known per se in the industry and are widely used for applying wear-resistant coatings in various fields of technology, and therefore are not the subject of this invention.
На чертеже показан износостойкий алмазный инструмент.The drawing shows a wear-resistant diamond tool.
Алмазный инструмент содержит корпус 1, на поверхности которого алмазные зерна поз.2 закреплены первым слоем связки - слоем гальванической связки 3. Зерна расположены на некотором расстоянии друг от друга, образуя межзерновые пространства поз.4 для сбора продуктов обработки. Корпус обычно изготавливается из металлического материала, в частности из конструкционных или закаленных инструментальных сталей. В качестве гальванической связки чаще всего используется никель, хром или их соединения с другими элементами. Толщина слоя гальванической связки H1 составляет 20-40%. На гальваническом слое связки расположен промежуточный слой 5 толщиной Н2, равной 0,5-3,0 мкм, нанесенный методом CVD - химического осаждения из паровой фазы. Износостойкий слой связки 6 расположен на промежуточном слое и нанесен методом PVD - физическим осаждением из паровой фазы. Толщина H3 износостойкого слоя связки составляет 40-60% размера зерна. Толщина износостойкого слоя связки включает зону, которая подвергается интенсивному износу продуктами обработки и зону критического выступания алмазных зерен из связки. Материал для металлического слоя выбирают из группы карбидов и карбонитридов Ti, Zr, Al, их соединений или соединений с другими элементами. Карбиды и карбонитриды, являясь углеродосодержащими соединениями, при высоких температурах получения металлического слоя не имеют или имеют ограниченное химическое взаимодействие с алмазными зернами, сохраняя их целостность.The diamond tool contains a
Материал для износостойкого слоя связки выбирают из группы нитридов, карбидов, карбонитридов Ti, Zr, Hf, Al, их соединений или соединений с другими элементами. Известно использование перечисленных металлов Ti, Zr, Hf, Al и их соединений в качестве твердых износостойких покрытий с использованием доступных методов формирования покрытия физическим или химическим осаждением из паровой фазы в различных отраслях, в том числе и в алмазной отрасли.The material for the wear-resistant layer of the binder is selected from the group of nitrides, carbides, carbonitrides Ti, Zr, Hf, Al, their compounds or compounds with other elements. It is known to use the above metals Ti, Zr, Hf, Al and their compounds as hard wear-resistant coatings using available methods of coating formation by physical or chemical vapor deposition in various industries, including the diamond industry.
Для изготовления алмазных инструментов различного назначения преимущественно используются алмазные порошки размером 20-2000 мкм. Толщина промежуточного слоя H2 составляет 0,5-3,0 мкм. При меньшей толщине промежуточного слоя улучшение адгезии слоя с гальванической связкой недостаточное. Большая, чем 3,0 мкм толщина слоя, не приводит к значительному повышению адгезии со связкой. В то же время для получения более толстого слоя увеличивается время нахождения алмазных зерен в условиях высоких температур, что отрицательно сказывается на сохранности алмазных зерен.For the manufacture of diamond tools for various purposes, mainly diamond powders with a size of 20-2000 microns are used. The thickness of the intermediate layer of H 2 is 0.5-3.0 microns. With a smaller thickness of the intermediate layer, the improvement in adhesion of the galvanic bond layer is insufficient. A layer thickness greater than 3.0 μm does not lead to a significant increase in adhesion to the bond. At the same time, to obtain a thicker layer, the residence time of diamond grains at high temperatures is increased, which negatively affects the preservation of diamond grains.
Толщина износостойкого слоя H3 составляет 40-60% размера алмазного зерна и включает зону, которая подвергается интенсивному износу продуктами обработки, и зону критического выступания алмазных зерен из связки. При большей толщине износостойкого слоя межзерновые пространства 4 будут иметь недостаточные размеры для размещения продуктов обработки, инструмент будет быстро засаливаться. При меньшей толщине износостойкого слоя алмазные зерна будут сильно выступать из слоя связки. Инструмент при этом будет иметь высокую режущую способность, но при обработке материалов с большими усилиями резания срок службы такого инструмента будет существенно меньше.The thickness of the wear-resistant layer of H 3 is 40-60% of the size of the diamond grain and includes a zone that is subjected to intensive wear by processing products, and a zone of critical protrusion of diamond grains from the binder. With a greater thickness of the wear-resistant layer, the
Учитывая, что толщина износостойкого слоя H3 составляет 40-60% размера алмазного зерна, толщина слоя гальванической связки H1 будет составлять 20-40% размера зерна. Нанесение слоя гальванической связки электрохимическим осаждением является простой хорошо отработанной технологией, проводится при низких температурах порядка 40-60°C, не требует сложного специального энергоемкого оборудования. Слой гальванической связки позволяет изготавливать более экономичный инструмент, не подвергать алмазные зерна длительной термической обработке.Given that the thickness of the wear-resistant layer of H 3 is 40-60% of the size of the diamond grain, the thickness of the galvanic bond layer H 1 will be 20-40% of the grain size. The deposition of a galvanic bond layer by electrochemical deposition is a simple well-established technology, carried out at low temperatures of about 40-60 ° C, does not require complicated special energy-intensive equipment. The galvanic bond layer allows you to make a more economical tool, not to subject diamond grains to prolonged heat treatment.
Инструмент изготавливается следующим образом. На корпусе инструмента крепят алмазные зерна электрохимическим осаждением связующего материала - гальванической связкой по известной в алмазной отрасли технологии. Алмазные зерна закрепляют слоем гальванической связки на высоту 20-40% размера зерна. Затем на слой гальванической связки наносят промежуточный слой методом CVD толщиной 0,5-3,0 мкм. После этого наносят износостойкий слой методом PVD толщиной 40-60% размера зерна.The tool is made as follows. Diamond grains are attached to the tool body by electrochemical deposition of a binder material - a galvanic bond according to the technology known in the diamond industry. Diamond grains are fixed with a layer of galvanic ligament to a height of 20-40% of the grain size. Then, an intermediate layer is applied to the galvanic bond layer by CVD method with a thickness of 0.5-3.0 μm. After that, a wear-resistant layer is applied using the PVD method with a thickness of 40-60% of the grain size.
Наличие в инструменте износостойкого слоя, нанесенного методом PVD, и промежуточного слоя, нанесенного методом CVD, позволили существенно повысить износостойкость инструмента, особенно, когда при обработке материалов образуется большое количество стружки, имеющей абразивный характер.The presence in the tool of a wear-resistant layer deposited by the PVD method and an intermediate layer deposited by the CVD method allowed to significantly increase the wear resistance of the tool, especially when a large amount of chip having an abrasive character is formed when processing materials.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013158510/02A RU2540060C1 (en) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | Wear-resistant diamond tool |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013158510/02A RU2540060C1 (en) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | Wear-resistant diamond tool |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2540060C1 true RU2540060C1 (en) | 2015-01-27 |
Family
ID=53286717
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013158510/02A RU2540060C1 (en) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | Wear-resistant diamond tool |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2540060C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3663191A (en) * | 1970-07-23 | 1972-05-16 | Dentsply Int Inc | Diamond tool and method of making the same |
| RU2354532C1 (en) * | 2007-12-04 | 2009-05-10 | ОАО "Научно-исследовательский институт природных, синтетических алмазов и инструмента" (ОАО ВНИИАЛМАЗ") | Diamond tool for dressing of abrasive discs |
| RU2362666C1 (en) * | 2007-12-24 | 2009-07-27 | Евгений Георгиевич Соколов | Method for production of abrasive diamond tool |
-
2013
- 2013-12-30 RU RU2013158510/02A patent/RU2540060C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3663191A (en) * | 1970-07-23 | 1972-05-16 | Dentsply Int Inc | Diamond tool and method of making the same |
| RU2354532C1 (en) * | 2007-12-04 | 2009-05-10 | ОАО "Научно-исследовательский институт природных, синтетических алмазов и инструмента" (ОАО ВНИИАЛМАЗ") | Diamond tool for dressing of abrasive discs |
| RU2362666C1 (en) * | 2007-12-24 | 2009-07-27 | Евгений Георгиевич Соколов | Method for production of abrasive diamond tool |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102093529B1 (en) | Tialn-coated tool | |
| CN100469498C (en) | Coated cutting tool insert | |
| KR101713884B1 (en) | Coated cutting tool | |
| JP2007075990A (en) | Cutting tool coated by physical vapor deposition | |
| SE0701028L (en) | Notch | |
| JP2007075989A (en) | Cutting tool coated by physical vapor deposition | |
| Günen | Micro-abrasion wear behavior of thermal-spray-coated steel tooth drill bits | |
| Jiang et al. | A cBN-TiN composite coating for carbide inserts: Coating characterization and its applications for finish hard turning | |
| CN105463456B (en) | Multilayer structured coating for cutting element | |
| KR101813536B1 (en) | Cutting tool | |
| Shirdar et al. | The application of surface response methodology to the pretreatment of WC substrates prior to diamond coating | |
| RU2540060C1 (en) | Wear-resistant diamond tool | |
| RU2527829C1 (en) | Two-layer abrasion resistant coating of cutting tool | |
| WO2010045076A3 (en) | Group 5 metal source carbide coated steel article and method for making same | |
| RU2548346C1 (en) | Diamond galvanic tool with abrasion resistant coating | |
| CN103924211A (en) | Cvd Coated Polycrystalline C-bn Cutting Tools | |
| Behrens et al. | Potential of duplex plasma deposition processes for the improvement of wear resistance of hot forging dies | |
| DE10247200A1 (en) | Process for simultaneously removing material on both sides of one or more semiconductor wafers comprises using a plate which has chemically inert abrasion- and adhesion-resistant coating in partial regions on the front and rear sides | |
| JP5239059B2 (en) | Coated cBN sintered tool for high precision cutting | |
| Ertürk et al. | Investigation of the cutting performance of cutting tools coated with the thermo-reactive diffusion (TRD) technique | |
| CN104357784B (en) | Method for preparing thick nickel coating on surface of semiconductor material | |
| Chao et al. | Study on extending tool life of micro WC drills by various protective coatings | |
| CN204095221U (en) | Wear-resisting, shock resistance superhard cutter | |
| Stojanović et al. | Increasing the efficiency of forging tools by Toyota diffusion process | |
| CN102770581A (en) | Cutting tool for processing metal materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181231 |