RU2595000C1 - Композиция для изготовления режущего инструмента для стали и чугуна - Google Patents
Композиция для изготовления режущего инструмента для стали и чугуна Download PDFInfo
- Publication number
- RU2595000C1 RU2595000C1 RU2015118439/02A RU2015118439A RU2595000C1 RU 2595000 C1 RU2595000 C1 RU 2595000C1 RU 2015118439/02 A RU2015118439/02 A RU 2015118439/02A RU 2015118439 A RU2015118439 A RU 2015118439A RU 2595000 C1 RU2595000 C1 RU 2595000C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- boron nitride
- diamond
- cutting
- iron
- composition
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Polishing Bodies And Polishing Tools (AREA)
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления режущего инструмента. Композиция содержит сверхтвердый материал, включающий смесь порошков кубического нитрида бора и алмаза, при следующем соотношении компонентов, мас. %: кубический нитрид бора 20-60, алмаз 40-80, и связку, включающую смесь порошков меди, кобальта, железа, никеля и гексагонального нитрида бора, при следующем соотношении компонентов, мас. %: медь 27,5-49,5, кобальт 13,75-24,75, железо 13,75-24,75, никель 1-45, гексагональный нитрид бора 0,05-1. Размер частиц гексагонального нитрида бора составляет менее 500 нм. Технический результат: повышение твердости до 100 HRB, предела прочности при трехточечном изгибе σизг до 1200 МПа, ударной вязкости KCU до 6 Дж/мм2, а также производительности работы режущего инструмента на основе сверхтвердого материала и его удельного ресурса до 3000 см2/мм при резке стали и чугуна. 5 табл., 3 ил., 1 пр.
Description
Изобретение относится к порошковой металлургии, к способам получения композиционных материалов. Изобретение может быть использовано в качестве композиции для режущего инструмента со сверхтвердым материалом (СТМ), а именно сегментных кругов и колонковых сверл, режущих канатов широкой гаммы типоразмеров для резки массивных конструкций из стали и чугуна при реновации, плановых и аварийных ремонтах объектов инфраструктуры (дороги, аэродромы, мосты), энергетики (ГЭС, АЭС), ЖКХ (жилые дома, системы водоподготовки и водоочистки), утилизации структурами МЧС и МО химически и радиационно-загрязненных объектов.
Композиция оказывает влияние на конструкцию инструмента. В зависимости от состава композиции выбирается материал корпуса, метод соединения слоя со сверхтвердым материалом и с корпусом. Физико-механические свойства связки композиции определяют форму и размеры режущего инструмента на основе алмаза и кубического нитрида бора (cBN).
Известна композиция для изготовления алмазного инструмента (RU 2286241 С2, опублик. 2006.07.07), содержащая металл, выбранный из группы железа Периодической системы, карбид титана и соединение металла с металлоидом. С целью повышения прочности связки композиции и надежности закрепления в ней алмазного зерна дополнительно вводится карбид циркония.
Недостатком известной композиции является использование дорогостоящего и токсичного кобальта, а также низкой скорости резания высокоармированного железобетона и низкий ресурс работы инструмента.
Прототипом заявленного изобретения является композиция для изготовления алмазного инструмента (RU 2487006 C1, опублик. 10.07.2013), содержащая медь, железо, никель, кобальт и легирующую добавку в виде углеродных нанотрубок или ультрадисперсного алмаза.
Недостатком известного материала на основе меди является недостаточные твердость, прочность, ударная вязкость связки, а также производительность и удельный ресурс инструмента со сверхтвердым материалом при резке стали и чугуна.
Технический результат, достигаемый в предложенном изобретении, заключается в повышении механических свойств связки композиции, а именно: твердости до 100 HRB, предела прочности при трехточечном изгибе σизг до 1200 МПа, ударной вязкости KCU до 6 Дж/мм2, а также в повышении производительности работы режущего инструмента на основе сверхтвердого материала и его удельного ресурса до 3000 см2/мм при резке стали и чугуна.
Технический результат достигается следующим образом.
Композиция для изготовления режущего инструмента для стали и чугуна состоит из сверхтвердого материала, представляющего собой смесь при следующем соотношении компонентов, масс. %
кубический нитрид бора - 20-60
алмаз - 40-80,
и связки, включающей медь, кобальт, железо, никель и гексагональный нитрид бора, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
медь - 27,5-49,5
кобальт - 13,75-24,75
железо - 13,75-24,75
никель - 1-45
гексагональный нитрид бора - 0,05-1.
Размер частиц гексагонального нитрида бора составляет менее 500 нм.
Изобретение поясняется чертежом, где на фигуре 1 показана схема процесса резания стали и чугуна инструментом, содержащим алмаз в рабочем слое, на фигуре 2 показана схема процесса резания стали и чугуна инструментом, содержащим кубический нитрид бора cBN в рабочем слое, на фигуре 3 изображен мостовой отрезной станок «Алмаз-3» с водяным охлаждением, используемый для испытаний инструмента.
На чертежах показаны обрабатываемое изделие 1, корпус 2 отрезных сегментных кругов (ОСК), стружка 3, кратеры 4, зерна 5 алмаза, зерна 6 кубического нитрида бора cBN.
При резке стали и чугуна, дающих малоабразивную стружку, слабо вскрывающую рабочий слой, типичным является следующий механизм резания и износа зерен сверхтвердого материала СТМ, выполненных из алмаза и кубического нитрида бора cBN.
В процессе резания стали и чугуна инструментом, содержащим алмаз в рабочем слое (Фиг. 1), в силу своей высокой прочности алмазные зерна не разрушаются при контакте с обрабатываемым изделием. Однако в процессе резания развиваются высокие температуры, а в присутствии металлов катализаторов (железа и никеля) происходит графитизация зерен (кристаллов) алмаза и их химическая эрозия (износ). Режущие кромки, грани алмазных кристаллов постепенно округляются и выглаживаются, снижается прочность алмазоудержания в связке и скорость резания инструмента.
Механизм резания зернами кубического нитрида бора cBN отличается от механизма резания алмазными кристаллами (Фиг. 2) в связи с несовершенством их огранки и отсутствием химического взаимодействия со сталью и чугуном. Зерна cBN изнашиваются без выглаживания граней. Относительно низкая прочность зерен cBN приводит к многочисленным микросколам, в результате чего образуются новые острые грани и ребра. Из-за сложной формы зерна cBN надежно удерживаются в связке. Поэтому содержание cBN в рабочем слое практически не меняется в течение всего процесса обработки.
Недостатками использования только cBN в рабочем слое СТМ режущего инструмента является быстрое механическое разрушение cBN, а также низкий износ связки и невозможность вскрытия новых слоев СТМ, что приводит к заполировыванию рабочего слоя. В связи с чем возникает необходимость в периодической остановки процесса резания и вскрытия СТМ на специальном оборудовании, что создает трудности и неудобства.
С целью повышения производительности работы режущего инструмента на основе сверхтвердого материала и его удельного ресурса при резке стали и чугуна в предложенном изобретении в качестве СТМ используется смесь из кубического нитрида бора cBN и алмаза в вышеуказанном соотношении.
В таблице 1 иллюстрируется влияние соотношения алмаза и кубического нитрида бора в композиции для сегментов ОСК со связкой Cuсвязка1 (27,5% Cu; 13,75% Со; 13,75% Fe; 45% Ni), модифицированной частицами гексагонального нитрида бора hBN, на производительность и удельный ресурс режущего инструмента.
Установленная зависимость производительности работы инструмента от содержания cBN в композиции является следствием протекания при резании конкурирующих процессов: с одной стороны, происходит графитизация алмаза на границе со связкой, химический износ и выглаживание граней, выпадение алмаза из рабочего слоя, с другой стороны, надежное удержание зерен cBN, но их более быстрый механический износ. Для подтверждения данной гипотезы была проведена оценка состояния СТМ в сегментах после испытаний. Поверхность сегментов исследовалась с помощью оптического микроскопа. Все обнаруженные зерна СТМ (либо кратеры, оставшиеся после их выпадения) были разбиты на 3 группы: целые, разрушенные и выпавшие. Установлено, что уменьшение доли алмаза в композиции приводит к уменьшению количества выпавших из рабочего слоя зерен СТМ, что связано с более прочным удержанием cBN за счет их неправильной формы.
Отрезные сегментные круги из композиции со связкой, модифицированной частицами гексагонального нитрида бора hBN, превосходят по производительности инструмент с базовой связкой на 80% и более.
Концентрация гексагонального нитрида бора hBN менее 0,05 масс. % не обеспечивает достижение поставленной цели, т.к. этого количества недостаточно для эффективного дисперсного упрочнения металлической связки и положительного влияния на структуру и свойства композиции полученного инструмента.
Введение в связку более 1 масс. % hBN приводит к увеличению остаточной пористости и уменьшению механических свойств, т.к. hBN, являясь тугоплавким и химически инертным соединением по отношению к компонентам связки, в большом количестве препятствует протеканию процессов диффузии и уплотнения при горячем прессовании.
Наличие в связке hBN с размером частиц более 500 нм приводит к увеличению остаточной пористости и уменьшению механических свойств, т.к. крупные частицы hBN неравномерно распределяются по объему связки и становятся концентраторами напряжений.
Влияние добавки hBN на структуру и свойства связки заключается в торможении процессов рекристаллизации зерен металлической связки при горячем прессовании. Частицы hBN, не взаимодействующие ни с одним из компонентов связки, замедляют миграцию границ зерен и блоков.
Повышение производительности режущего инструмента со связкой, модифицированной hBN, является эффект дисперсного упрочнения связки, что положительно сказывается не только на ее способности противостоять нагрузкам при резании, но и на прочности удержания сверхтвердого материала. Анализ поверхности сегментов после испытаний данного инструмента показал, что выпавшие из связки зерна алмаза практически отсутствуют. При введении hBN в меньшей степени изнашивается связка на границе раздела с зернами СТМ, предотвращается схватывание связки с обрабатываемым материалом в зоне контакта при высоких температурах. Наконец, hBN покрывает часть поверхности алмазов, предохраняя их от контакта с металлами катализаторами (железом, кобальтом, никелем) и, таким образом, от графитизации при горячем прессовании.
Композиция может быть получена методом порошковой металлургии: смешением исходных порошков, формованием и горячим прессованием в контролируемой атмосфере. Этот метод является высокопроизводительным, т.к. продолжительность процесса нагрева до температуры спекания, выдержка при температуре спекания, прессование и охлаждение до комнатной температуры не превышает 15 минут. Высокие скорости нагрева и равномерное распределение температур в рабочей камере обеспечиваются за счет пропускания электрического тока через спекальную графитовую пресс-форму. По окончании выдержки при температуре спекания проводится прессование для обеспечения необходимой плотности и формы изделий. Конструкция пресс-формы позволяет проводить процесс в инертной и защитной атмосфере, что повышает качество инструмента. Полученные сегменты с алмазом и cBN напаиваются на диск. Испытания дисков проводят при резке массивной отливки из серого чугуна марки СЧ20 с водным охлаждением.
Пример получения композиции.
Получают композицию для изготовления режущего инструмента для стали и чугуна, состоящую из сверхтвердого материала, представляющего собой смесь при следующем соотношении компонентов, масс. %:
кубический нитрид бора - 20-60
алмаз - 40-80,
и связки, включающей медь, кобальт, железо, никель и гексагональный нитрид бора, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
медь - 27,5-49,5
кобальт - 13,75-24,75
железо - 13,75-24,75
никель - 1-45
гексагональный нитрид бора - 0,05-1,
при этом размер частиц гексагонального нитрида бора составляет менее 500 нм.
Приготовление порошковой смеси для получения связки осуществляется в планетарной центробежной мельнице марки МПП-1 в течение 3 минут. Смешивание с порошками алмаза и cBN проводится с помощью миксера марки GM 130 фирмы Dr. Fritsch. Сначала в миксер помещается связка, затем в нее добавляются порошки сверхтвердого материала в виде смеси из кубического нитрида бора и алмаза. Перемешивание осуществляется со скоростью 90 об/мин в течение 20 минут. Затем в смесь вводится пластификатор и перемешивание продолжается в течение 10 минут.
Грануляция осуществляется в грануляторе GA-240 фирмы Dr. Fritsch производительностью от 2 до 10 кг/час. В нем шихта располагается на сетке, по которой двигается нож. После продавливания через сетку шихта падает на вращающуюся улитку, где происходит окатывание до сферы. Затем гранулы высыпаются на горячую движущуюся ленту. В результате нагрева гранул спирт испаряется, гранулы затвердевают. Размер полученных гранул составляет 1 мм.
Для изготовления сегментов отрезных сегментных кругов (ОСК) используют следующие порошки СТМ: алмаз марки SDB1100 и cBN марки ABN 605 крупностью 45/50 mesh производства «Element Six» (Люксембург). Данная марка порошков алмаза обладает высокой термостойкостью (до 1100°С) и работоспособностью с широким спектром материалов. Частицы порошка cBN марки ABN605 обладают высокой прочностью и долговечностью при обработке сталей и чугунов.
Холодное прессование сегментов ОСК осуществляется на автоматизированном прессе RP-35 фирмы Dr. Fritsch. Пресс-формы для заготовок сегментов имеют прямоугольной сечение 42×9 мм.
Горячее прессование сегментов осуществляется на горячем прессе DSP-475 фирмы Dr. Fritsch при максимальной температуре 850°С, давлении 350 кг/см2 и выдержке при максимальной температуре 3 минуты.
Галтовка с целью очистки поверхности спеченных сегментов проводится с помощью галтовочного аппарата планетарного типа марки FT/4VT фирмы Dr Fritsch.
Соединение сегментов со стальным корпусом ОСК осуществляется с помощью автоматизированной установки СВМ-200 фирмы Dr. Fritsch. Диаметр ОСК после установки сегментов составляет 500 мм.
Вскрытие ОСК проводится на установках фирмы Dr. Fritsch CGM-100. Для вскрытия используют абразивные круги из SiC.
Влияние концентрации и размера частиц гексагонального нитрида бора (hBN) на механические свойства связки и эксплуатационные свойства инструмента приведено в таблицах 2-5.
Производительность и удельный ресурс ОСК в таблицах 2-5 приведены по данным испытаний отрезного сегментного диска с сегментами на основе алмаза и кубического нитрида бора при резке чугуна марки СЧ20.
Испытания ОСК проводили на мостовом отрезном станке «Алмаз-3» с водяным охлаждением (10 л/мин) (Фиг. 3). Скорость вращения ОСК составляла 3000 об/мин. Испытания проводили до полной потери инструментами режущей способности, после чего измерялись средние значения высот сегментов для определения удельного ресурса и рассчитывалась площадь реза, проделанного ОСК, для определения производительности.
Состав композиции по данному изобретению обеспечивает лучшие экономические показатели по сравнению с аналогами ведущих мировых производителей по критериям цена/ресурс и цена/производительность.
Claims (1)
- Композиция для изготовления режущего инструмента для стали и чугуна, состоящая из сверхтвердого материала, включающего смесь порошков кубического нитрида бора и алмаза, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
кубический нитрид бора 20-60 алмаз 40-80
и связки, включающей смесь порошков меди, кобальта, железа, никеля и гексагонального нитрида бора, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
медь 27,5-49,5 кобальт 13,75-24,75 железо 13,75-24,75 никель 1-45 гексагональный нитрид бора 0,05-1
при этом размер частиц гексагонального нитрида бора составляет менее 500 нм.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015118439/02A RU2595000C1 (ru) | 2015-05-18 | 2015-05-18 | Композиция для изготовления режущего инструмента для стали и чугуна |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015118439/02A RU2595000C1 (ru) | 2015-05-18 | 2015-05-18 | Композиция для изготовления режущего инструмента для стали и чугуна |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2595000C1 true RU2595000C1 (ru) | 2016-08-20 |
Family
ID=56697462
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015118439/02A RU2595000C1 (ru) | 2015-05-18 | 2015-05-18 | Композиция для изготовления режущего инструмента для стали и чугуна |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2595000C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2685917C1 (ru) * | 2018-09-26 | 2019-04-23 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения", АО "НПО "ЦНИИТМАШ" | Способ изготовления алмазного инструмента с наномодифицированной режущей частью |
CN111036919A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-04-21 | 福建省泉州市华钻金刚石工具有限公司 | 一种金刚石钻头刀头的生产方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU450712A1 (ru) * | 1973-03-16 | 1974-11-25 | Институт сверхтвердых материалов АН Украинской ССР | Металлическа св зка абразивного инструмента |
US6319460B1 (en) * | 1998-03-19 | 2001-11-20 | Smith International, Inc. | Metal-matrix diamond or cubic boron nitride composites |
RU2286241C1 (ru) * | 2005-11-14 | 2006-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт стали и сплавов" (технологический университет) | Связка для изготовления алмазного инструмента |
RU2487006C1 (ru) * | 2012-02-10 | 2013-07-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Связка на основе меди для изготовления режущего инструмента со сверхтвердым материалом |
-
2015
- 2015-05-18 RU RU2015118439/02A patent/RU2595000C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU450712A1 (ru) * | 1973-03-16 | 1974-11-25 | Институт сверхтвердых материалов АН Украинской ССР | Металлическа св зка абразивного инструмента |
US6319460B1 (en) * | 1998-03-19 | 2001-11-20 | Smith International, Inc. | Metal-matrix diamond or cubic boron nitride composites |
RU2286241C1 (ru) * | 2005-11-14 | 2006-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт стали и сплавов" (технологический университет) | Связка для изготовления алмазного инструмента |
RU2487006C1 (ru) * | 2012-02-10 | 2013-07-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Связка на основе меди для изготовления режущего инструмента со сверхтвердым материалом |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2685917C1 (ru) * | 2018-09-26 | 2019-04-23 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения", АО "НПО "ЦНИИТМАШ" | Способ изготовления алмазного инструмента с наномодифицированной режущей частью |
CN111036919A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-04-21 | 福建省泉州市华钻金刚石工具有限公司 | 一种金刚石钻头刀头的生产方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Konstanty et al. | Wear mechanism of iron-base diamond-impregnated tool composites | |
CN111002235B (zh) | 一种新型聚合磨料的制备方法 | |
CN101434827B (zh) | 一种含陶瓷颗粒的磨料及其制备方法和应用 | |
CN104149037B (zh) | 一种树脂陶瓷结合剂金刚石砂轮 | |
WO2011153961A1 (zh) | Qfn封装器件切割用烧结金属基金刚石锯刀的制备方法 | |
Liao et al. | Effects of matrix characteristics on diamond composites | |
Zaitsev et al. | Development and application of the Cu-Ni-Fe-Sn-based dispersion-hardened bond for cutting tools of superhard materials | |
RU2595000C1 (ru) | Композиция для изготовления режущего инструмента для стали и чугуна | |
CN103991041A (zh) | 一种高球形气孔率超细粒度陶瓷结合剂cbn砂轮的制备方法 | |
CN107116490A (zh) | 节块式金刚石刀头的shs制备方法 | |
JP2022068167A (ja) | 固有の形態を有する立方晶窒化ホウ素粒子 | |
Dwan | Production of diamond impregnated cutting tools | |
CN109277957B (zh) | 一种金刚石均匀分布的刀头及其制备工艺 | |
CA2642620C (en) | Cutting tip, method for making the cutting tip and cutting tool | |
RU2286241C1 (ru) | Связка для изготовления алмазного инструмента | |
Wu et al. | Wear behavior of metal bond diamond composite with hollow spherical silica particles as pore former | |
De Oliveira et al. | Use of PM Fe–Cu–SiC composites as bonding matrix for diamond tools | |
RU2432249C1 (ru) | Связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента | |
RU2432247C1 (ru) | Связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента | |
RU2286242C1 (ru) | Связка для изготовления алмазного инструмента | |
Xie et al. | Microstructures and properties of Fe–Co–Cu pre-alloyed powder for geological diamond bits | |
KR100874758B1 (ko) | 절삭공구용 절삭팁, 절삭팁의 제조방법 및 절삭공구 | |
Islak et al. | Investigation of the usability of cubic boron nitride cutting tools as an alternative to diamond cutting tools for the aircraft industry | |
Loginov et al. | Development of a next generation of diamond tools based on superhard materials with a nanomodified binder for steel and cast iron machining | |
Dai et al. | Effects of sintering parameters and WC addition on properties of Iron-nickel pre-alloy matrix diamond composites |