Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам спекания методом пропитки изделий, спрессованных из смесей преимущественно твердосплавных порошков с наполнителями из сверхтвердых материалов, и может быть использовано при изготовлении широкого класса алмазных инструментов методом пропитки легкоплавкими металлами или сплавами.The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to methods of sintering by impregnation of products pressed from mixtures of mainly carbide powders with fillers from superhard materials, and can be used in the manufacture of a wide class of diamond tools by impregnation with low-melting metals or alloys.
Известны способы получения композиционных материалов, в том числе с наполнителями в виде сверхтвердых материалов, включая алмазные зерна, предусматривающие формование и прессование предварительно приготовленных и пластифицированных порошковых смесей из металлов или из карбидов и оксидов металлов с последующей пропиткой легкоплавкими металлами и сплавами. Так, известен способ изготовления алмазного инструмента, описанный в патенте РФ №2203772, опубл. 10.05.2003 г. (Чигрин Ю.Л., Васин В.В., Конаков А.В., Довгаль О.В. Способ изготовления правящего алмазного инструмента), включающий приготовление твердосплавной смеси, ее пластифицирование, укладку алмазов, прессование и спекание изделий. При этом в качестве твердосплавной связки используют WC-Co, в нее при смешивании добавляют медь в виде порошка и спиртовой раствор ортофосфорной кислоты, полученную смесь формуют и прессуют с образованием отверстий, в которые укладывают алмазные иглы, полученные изделия подвергают жидкофазному спеканию, при этом твердосплавная смесь содержит компоненты в следующем соотношении, вес. %: Cu - 10-40; Н3РО4 - 0,6-6; WC-Co - остальное. Недостатком данного способа является сильная усадка исходной смеси при спекании вследствие включения меди в виде порошка в исходную смесь, что, как правило, при наличии даже незначительных неоднородностей в смеси приводит в процессе спекания к искажению исходной заданной схемы укладки алмазных зерен в матрице инструмента. Кроме того, недостатком способа является низкая скорость пропитки. Она обусловлена конечной вязкостью пропитывающего металла или сплава, из-за которой существенно падает скорость продвижения жидкого легкоплавкого металла или сплава через субмикронные или наноразмерные промежутки между частицами пропитываемого металла (порами или капиллярами).Known methods for producing composite materials, including with fillers in the form of superhard materials, including diamond grains, providing for the molding and pressing of pre-prepared and plasticized powder mixtures of metals or from carbides and metal oxides, followed by impregnation with fusible metals and alloys. So, a known method of manufacturing a diamond tool described in the patent of the Russian Federation No. 2203772, publ. 05/10/2003 (Chigrin Yu.L., Vasin V.V., Konakov A.V., Dovgal O.V. Method for manufacturing a straightening diamond tool), including preparation of carbide mixture, its plasticization, laying of diamonds, pressing and sintering products. In this case, WC-Co is used as a carbide binder, copper is added in the form of a powder in the form of a powder and phosphoric acid alcohol solution, the resulting mixture is molded and pressed to form holes into which diamond needles are placed, the resulting products are subjected to liquid phase sintering, while carbide the mixture contains components in the following ratio, weight. %: Cu - 10-40; H 3 PO 4 - 0.6-6; WC-Co is the rest. The disadvantage of this method is the strong shrinkage of the initial mixture during sintering due to the inclusion of copper in the form of a powder in the initial mixture, which, as a rule, even in the presence of slight inhomogeneities in the mixture leads to distortion of the initial given pattern of laying diamond grains in the matrix of the tool during sintering. In addition, the disadvantage of this method is the low speed of impregnation. It is due to the final viscosity of the impregnating metal or alloy, due to which the rate of advancement of the liquid fusible metal or alloy substantially decreases through submicron or nanoscale gaps between the impregnated metal particles (pores or capillaries).
Наиболее близким аналогом изобретения по совокупности существенных признаков является способ пропитки алмазосодержащей твердосплавной порошковой смеси при изготовлении алмазного инструмента, описанный в книге Бакуль В.Н., Никитин Ю.И., Верник Е.Б., Селех В.Ф. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента. - М.: Машиностроение, 1975. - С. 268-272. Способ включает приготовление смеси из твердых сплавов ВК6 и ВК8, ее пластифицирование, послойную укладку алмазов в приготовленную шихту, ее спекание с пропиткой медью в среде водорода или вакуума. При этом медь, нарезанную мелкими пластинами, укладывают на наружный слой полученной смеси. Пропитку осуществляют в герметичных печах в среде водорода или в вакууме. Недостатком известного способа пропитки алмазосодержащего твердосплавного брикета является также низкая скорость пропитки, в результате которой увеличивается длительность воздействия высоких температур на алмазные зерна, что отрицательно влияет на их прочностные свойства. Кроме того, свободная пропитка твердосплавных порошков, содержащих активные по отношению к углероду алмаза переходные металлы, например кобальт, хром, железо, титан и т.п., при их длительном плотном контакте с алмазом в условиях высоких температур нагрева могут растворить поверхность алмаза настолько, что помимо образования шероховатой поверхности на приповерхностных участках алмаза образуется диффузионная пористость (эффект Киркендалла-Френкеля). Как показано, в работах: Синтетические алмазы в геологоразведочном бурении. // Под ред. В.Н. Бакуля. - Киев: Наукова Думка, 1978 г. - С. 19-20 и Коноваленко Т.Б., Уманский В.А., Евдокимов В.А., Бугаев А.А. Выбор метода определения прочности закорепления алмаза в матрице бурового инструмента. // Проблемы прочности, 2007 г., №6, с. 144-150, избыточная пористость также отрицательно влияет на прочностные свойства алмазных зерен может привести к их разрушению даже при незначительных динамических нагрузках. В результате алмазные зерна могут выпасть из матрицы, не выработав свой ресурс. Таким образом, при высокотемпературном нагреве в печи в условиях вакуума или восстанавливающей газовой среды возникает необходимость регулирования длительности или времени контактного взаимодействия металлического брикета, содержащего переходные металлы, с поверхностью алмазных зерен.The closest analogue of the invention in terms of essential features is the method of impregnation of a diamond-containing carbide powder mixture in the manufacture of diamond tools described in the book Bakul VN, Nikitin Yu.I., Vernik EB, Selekh V.F. Fundamentals of design and manufacturing technology of abrasive and diamond tools. - M.: Mechanical Engineering, 1975 .-- S. 268-272. The method includes preparing a mixture of hard alloys VK6 and VK8, plasticizing it, layer-by-layer laying of diamonds in the prepared charge, its sintering with copper impregnation in a hydrogen or vacuum environment. In this case, copper cut into small plates is placed on the outer layer of the resulting mixture. Impregnation is carried out in sealed furnaces in a hydrogen environment or in vacuum. A disadvantage of the known method of impregnation of a diamond-containing carbide briquette is also a low impregnation rate, as a result of which the duration of exposure to high temperatures on diamond grains increases, which negatively affects their strength properties. In addition, the free impregnation of carbide powders containing transition metals active with respect to diamond carbon, such as cobalt, chromium, iron, titanium, etc., during their long-term close contact with diamond at high heating temperatures can dissolve the diamond surface so much that in addition to the formation of a rough surface, diffusion porosity forms on the surface areas of diamond (Kirkendall-Frenkel effect). As shown in: Synthetic diamonds in exploration drilling. // Ed. V.N. Bakul. - Kiev: Naukova Dumka, 1978 - S. 19-20 and Konovalenko TB, Umansky V.A., Evdokimov V.A., Bugaev A.A. The choice of method for determining the strength of diamond rooting in the matrix of a drilling tool. // Problems of strength, 2007, No. 6, p. 144-150, excessive porosity also negatively affects the strength properties of diamond grains can lead to their destruction even with insignificant dynamic loads. As a result, diamond grains can fall out of the matrix without having developed their resource. Thus, during high-temperature heating in a furnace under vacuum or a reducing gas medium, it becomes necessary to control the duration or time of contact interaction of a metal briquette containing transition metals with the surface of diamond grains.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение управления скоростью и качеством пропитки легкоплавкими металлами или сплавами пористых брикетов, полученных прессованием из смеси металлических, металлокерамических и иных порошков со сверхтвердыми наполнителями, например, алмазными частицами. При этом повышаются скорость и качество пропитки алмазосодержащего брикета легкоплавкими металлами и сплавами, сокращается длительность отрицательного воздействия высоких температур на прочность алмазных зерен, исключается образование на поверхности алмазных зерен избыточной пористости, в результате повышаются прочность и надежность закрепления алмазных зерен в матрице, что способствует увеличению стойкости алмазного инструмента.The technical result of the invention is to provide control of the speed and quality of impregnation with fusible metals or alloys of porous briquettes obtained by pressing from a mixture of metal, cermet and other powders with superhard fillers, for example, diamond particles. At the same time, the speed and quality of impregnation of a diamond-containing briquette with fusible metals and alloys are increased, the duration of the negative effect of high temperatures on the strength of diamond grains is reduced, the formation of excessive porosity on the surface of diamond grains is eliminated, as a result, the strength and reliability of fixing diamond grains in the matrix are increased, which increases the resistance diamond tool.
Технический результат достигается тем, что в способе пропитки алмазосодержащего брикета легкоплавким металлом или сплавом, включающем приготовление твердосплавной порошковой смеси, ее пластифицирование, послойную засыпку приготовленной смеси и укладку алмазов в металлическую пресс-форму, прессование смеси с алмазами в брикет и спекание с пропиткой легкоплавкими металлами или сплавами в печи, согласно изобретению алмазосодержащий брикет располагают на поддон, жестко связанный со штоком, на который воздействуют низкочастотными колебаниями. При этом скорость и качество пропитки брикета регулируют путем включения-отключения или изменения длительности воздействия низкочастотными колебаниями.The technical result is achieved in that in a method for impregnating a diamond-containing briquette with a low-melting metal or alloy, comprising preparing a carbide powder mixture, plasticizing it, layer-by-layer filling of the prepared mixture and laying diamonds in a metal mold, pressing the mixture with diamonds into a briquette, and sintering with impregnation with low-melting metals or alloys in a furnace, according to the invention, the diamond-containing briquette is placed on a pallet rigidly connected to the rod, which is affected by low-frequency rings aniyami. In this case, the speed and quality of the briquette impregnation are regulated by switching on / off or changing the duration of exposure to low-frequency vibrations.
Известен эффект ускорения течения жидкости или аномального уменьшения гидродинамического сопротивления в капилляре (порах), вдоль стенок которого распространяются бегущие волны изгиба (Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е., Фролов К.В. Волновой механизм ускорения движения жидкости в капиллярах и пористых средах, Доклады АН СССР, 1989, т. 306, №4, стр. 803-806). Причем этот эффект значительно возрастает для мелких капилляров или пор, диаметр которых 10 и менее микрон. Даже при амплитудах волн изгиба на поверхности капилляра или пор, не превышающих долей процента от их диаметров, эффект ускорения течения жидкости может достигать до пяти порядков и более. Бегущие волны на внутренней поверхности капилляра или пор возбуждаются при воздействии на капилляр и поры механическими колебаниями при помощи, например, магнитострикционного или пьезокерамического преобразователя, подключенного к генератору сигнала низкой частоты. При этом колебания внутренней поверхности капилляра или пор с незначительной амплитудой приводят к существенному уменьшению гидродинамического сопротивления и ускорению течения жидкого металла, то есть повышению скорости пропитки им алмазосодержащего брикета. Кроме того, эффект уменьшения динамической вязкости жидкого металла способствует его проникновению в субмикронные и наноразмерные капилляры и поры брикета, что повышает качество пропитки: получению практически беспористого матрицы изделия, включая область межфазовой границы алмаз-матрица.The effect of accelerating the fluid flow or an abnormal decrease in hydrodynamic resistance in the capillary (pores) is known, along the walls of which traveling bending waves propagate (Ganiev R.F., Ukrainian L.E., Frolov K.V. Wave mechanism for accelerating the movement of fluid in capillaries and porous Wednesdays, Doklady AN SSSR, 1989, v. 306, No. 4, pp. 803-806). Moreover, this effect increases significantly for small capillaries or pores, the diameter of which is 10 or less microns. Even with amplitudes of bending waves on the surface of a capillary or pores not exceeding fractions of a percent of their diameters, the effect of accelerating the flow of a liquid can reach up to five orders of magnitude or more. The traveling waves on the inner surface of the capillary or pores are excited when the capillary and pores are exposed to mechanical vibrations using, for example, a magnetostrictive or piezoceramic transducer connected to a low-frequency signal generator. In this case, oscillations of the inner surface of the capillary or pores with a small amplitude lead to a significant decrease in hydrodynamic resistance and acceleration of the flow of liquid metal, that is, an increase in the rate of impregnation of a diamond-containing briquette by it. In addition, the effect of reducing the dynamic viscosity of a liquid metal facilitates its penetration into submicron and nanoscale capillaries and pores of the briquette, which improves the quality of impregnation: to obtain a practically pore-free product matrix, including the diamond-matrix interface.
Известно, что большинство легкоплавких металлов, часто используемых при пропитке алмазосодержащих брикетов, такие как медь, олово, цинк, свинец и их сплавы, в расплавленном состоянии в широком интервале температуры не смачивают или плохо смачивают поверхность алмаза, не взаимодействуют с углеродом алмаза, инертны к нему и не растворяют его (Взаимодействие металлических расплавов с поверхностью алмаза и графита. // Под ред. В.Н. Еременко. - Киев, Наукова думка, 1967 г. - 86 с.). Однако даже небольшие добавки переходных металлов, активно растворяющих углерод алмаза, к инертным к углероду алмаза легкоплавким металлам, например меди, значительно уменьшают угол смачивания, увеличивают адгезию сплава, например, на медной основе к поверхности алмаза, что способствует повышению прочности и надежности закрепления алмаза с матрицей.It is known that most low-melting metals often used in the impregnation of diamond-containing briquettes, such as copper, tin, zinc, lead and their alloys, in the molten state in a wide temperature range do not wet or poorly wet the diamond surface, do not interact with diamond carbon, and are inert to they do not dissolve it (Interaction of metal melts with the surface of diamond and graphite. // Edited by V.N. Eremenko. - Kiev, Naukova Dumka, 1967 - 86 pp.). However, even small additives of transition metals that actively dissolve diamond carbon to inert fusible metals, such as copper, significantly reduce the wetting angle and increase the adhesion of the alloy, for example, on a copper base, to the diamond surface, which increases the strength and reliability of diamond fixing with matrix.
На фиг. 1 приведена схема осуществления заявленного способа пропитки на примере изготовления рабочего элемента алмазной гребенки для правки абразивных кругов сложных форм.In FIG. 1 shows a diagram of the implementation of the claimed method of impregnation on the example of manufacturing a working element of a diamond comb for dressing abrasive wheels of complex shapes.
Способ пропитки брикета осуществляют следующим образом. В качестве основы твердосплавного брикета берут порошок, например ВК8, его пластифицируют и просушивают. Просушенную смесь укладывают в металлическую пресс-форму, при этом навеску пластифицированной смеси разбивают на две части. После засыпки первой части навески смеси в пресс-форму укладывают алмазы удлиненной формы согласно заданным их расположением вершин и распределением в ряды. Затем, не нарушая заданной схемы расположения алмазов 1 в пресс-форму, насыпают, подпрессовывая вручную, вторую часть навески пластифицированной смеси порошка. Полученную смесь пластифицированного твердосплавного порошка с алмазами окончательно прессуют в брикет 2. Брикет 2 устанавливают на поддон 3, изготовленный, например, из керамики или графита. На поверхности брикета 2 располагают пластину из спрессованного порошка меди 4. Спекание алмазосодержащего брикета 2 осуществляют в печи в среде вакуума. Сначала брикет 2 подвергают медленному режиму нагрева до температуры 550-600°С в течение 45-90 минут с выдержкой при 600°С в течение 10-15 минут, при котором происходят разложение, испарение и удаление образовавшихся паров вещества пластификатора. Затем температуру в печи поднимают до температуры вблизи, но ниже точки плавления меди. В этом режиме, начиная с температуры 600°С, на границе на участках плотного контакта брикета с поверхностью алмазных зерен происходит растворение углерода алмаза, преимущественно, в кобальтовой фазе брикета (Семенов А.П., Поздняков В.В., Крапошина Л.Б. Трение и контактное взаимодействие графита и алмаза с металлами и сплавами. М.: Наука, 1974 г., - 110 с.). В результате на поверхности алмаза образуются шероховатости, борозды и поры, которые на конечной стадии пропитки при последующем затвердевании меди, благодаря увеличению удельной поверхности, способствуют прочному закреплению алмаза с матрицей за счет механической адгезии. Однако образование избыточной пористости в приповерхностных участках алмаза нежелательно по причине существенного снижения прочностных свойств алмазных зерен. В связи с этим для исключения образования избыточной пористости на приповерхностных участках алмаза скорость подъема температуры и длительность нагрева в интервале температуры от 600°С до точки плавления пропитывающего металла определяют экспериментальным путем для каждого состава твердосплавного порошка. Затем осуществляют быстрый нагрев печи до температуры, незначительно превышающей температуру плавления для меди, например 1085-1100°С, и одновременно воздействуют низкочастотными колебаниями с частотой 4-5 герц от пьезокерамического или магнитострикционного преобразователя 5 на поддон 3, на котором расположен брикет 2. При этом упругие колебания от преобразователя 5 через шток 6 и поддон 3 передаются на алмазосодержащий брикет 2. Шток 6 передает механические колебания от преобразователя 5 на поддон 3, расположенный в рабочей камере печи, без нарушения вакуума. Колебания внутренней поверхности капилляров и пор брикета 2 за счет эффекта уменьшения гидродинамического сопротивления существенно повышают скорость пропитки жидкой меди 4 и обеспечивают проникновение жидкой меди 4 в субмикронные и наноразмерные поры брикета 2, в том числе на межфазной границе алмаз-матрица. Проникновение инертного по отношении к углероду алмаза расплава меди в контактную область алмаз-матрица препятствует и значительно блокирует контактное взаимодействие приповерхностных участков алмаза с активной кобальтовой фазой, что исключает образование избыточной пористости алмаза. Это важно, поскольку при отключении нагрева вакуумной печи и ее свободном охлаждении температура печи до 600°С снижается постепенно в течение достаточно длительного промежутка времени, в течение которого может продолжаться растворение углерода алмаза в кобальте.The method of impregnation of the briquette is as follows. A powder, for example, VK8, is taken as the basis of carbide briquette, it is plasticized and dried. The dried mixture is placed in a metal mold, while the sample of plasticized mixture is divided into two parts. After filling the first part of the sample mixture, diamonds of elongated shape are placed in the mold according to their specified vertex location and distribution in rows. Then, without violating the specified pattern of diamonds 1 in the mold, pour, manually pressing, the second part of the sample of plasticized powder mixture. The resulting mixture of plasticized carbide powder with diamonds is finally pressed into a briquette 2. The briquette 2 is mounted on a pallet 3 made, for example, of ceramic or graphite. A plate of pressed copper powder 4 is placed on the surface of the briquette 2. Sintering of the diamond-containing briquette 2 is carried out in a furnace in a vacuum environment. First, the briquette 2 is subjected to a slow heating mode to a temperature of 550-600 ° C for 45-90 minutes with exposure at 600 ° C for 10-15 minutes, during which decomposition, evaporation and removal of the formed vapor of the plasticizer substance occurs. Then the temperature in the furnace is raised to a temperature near, but below the melting point of copper. In this mode, starting from a temperature of 600 ° C, at the boundary on the areas of dense contact of the briquette with the surface of the diamond grains, diamond carbon is dissolved, mainly in the cobalt phase of the briquette (Semenov A.P., Pozdnyakov VV, Kraposhina L. Friction and contact interaction of graphite and diamond with metals and alloys. Moscow: Nauka, 1974, 110 p.). As a result, roughnesses, grooves, and pores are formed on the diamond surface, which, at the final stage of impregnation during subsequent hardening of copper, due to the increase in the specific surface, contribute to the strong fixing of the diamond with the matrix due to mechanical adhesion. However, the formation of excessive porosity in the surface areas of diamond is undesirable due to a significant decrease in the strength properties of diamond grains. In this regard, to prevent the formation of excess porosity in the surface areas of diamond, the rate of temperature rise and the duration of heating in the temperature range from 600 ° C to the melting point of the impregnating metal are determined experimentally for each composition of carbide powder. Then the furnace is quickly heated to a temperature slightly higher than the melting temperature for copper, for example 1085-1100 ° C, and at the same time they are influenced by low-frequency oscillations with a frequency of 4-5 hertz from a piezoceramic or magnetostrictive transducer 5 onto a pallet 3 on which the briquette 2 is located. this elastic vibrations from the transducer 5 through the rod 6 and the pallet 3 are transmitted to the diamond-containing briquette 2. The rod 6 transfers mechanical vibrations from the transducer 5 to the pallet 3 located in the working chamber of the furnace, without sheniya vacuum. Oscillations of the inner surface of the capillaries and pores of the briquette 2 due to the effect of reducing the hydrodynamic resistance significantly increase the impregnation rate of liquid copper 4 and ensure the penetration of liquid copper 4 into the submicron and nanoscale pores of the briquette 2, including at the diamond-matrix interface. The penetration of a copper melt inert with respect to diamond into the contact region of the diamond matrix prevents and significantly blocks the contact interaction of the surface areas of diamond with the active cobalt phase, which eliminates the formation of excessive diamond porosity. This is important, since when the heating of the vacuum furnace is turned off and its free cooling occurs, the furnace temperature decreases to 600 ° C gradually over a sufficiently long period of time during which the dissolution of diamond carbon in cobalt can continue.
Таким образом, возбуждение упругих колебаний в капиллярах и порах алмазосодержащего брикета при пропитке его жидким легкоплавким металлом путем воздействия низкочастотными колебаниями обеспечивает повышение скорости и качества пропитки, способствует надежному и прочному закреплению алмазных зерен в матрице, что способствует увеличению стойкости алмазного инструмента.Thus, the excitation of elastic vibrations in the capillaries and pores of a diamond-containing briquette when it is impregnated with a liquid fusible metal by exposure to low-frequency vibrations provides an increase in the speed and quality of impregnation, and contributes to reliable and durable fixing of diamond grains in the matrix, which contributes to an increase in the resistance of a diamond tool.
