UA120129C2 - Спосіб виготовлення склометалевого композиту з надтвердих матеріалів інструментального призначення - Google Patents

Abstract

Винахід належить до області розробки композиційних матеріалів на основі абразивних порошків, зокрема скло-металевих композитів, які використовуються для виготовлення на їх основі абразивно-ріжучих інструментів. Спосіб виготовлення склометалевого композиту з надтвердих матеріалів інструментального призначення включає нанесення склопокриття на порошки кубічного нітриду бору (агрегати) та характеризується тим, що на них додатково наносять титанове покриття дифузійним методом, при цьому маса осадженого на склоагрегати титану становить 2,2-5,5 мас. %, далі вже на склоагрегати з титановим покриттям наносять пошарово нікель хімічним методом. Винахід забезпечує одержання композиційних покриттів з підвищеними фізико-механічними характеристиками, більш міцним закріпленням агрегатів в металевій матриці і підвищеною адгезією до металевої зв'язки абразивно-ріжучого інструменту з високими експлуатаційними характеристиками.

Description

основі абразивно-ріжучих інструментів.

Спосіб виготовлення склометалевого композиту з надтвердих матеріалів інструментального призначення включає нанесення склопокриття на порошки кубічного нітриду бору (агрегати) та характеризується тим, що на них додатково наносять титанове покриття дифузійним методом, при цьому маса осадженого на склоагрегати титану становить 2,2-5,5 мас. 95, далі вже на склоагрегати з титановим покриттям наносять пошарово нікель хімічним методом.

Винахід забезпечує одержання композиційних покриттів з підвищеними фізико-механічними характеристиками, більш міцним закріпленням агрегатів в металевій матриці і підвищеною адгезією до металевої зв'язки абразивно-ріжучого інструменту з високими експлуатаційними характеристиками.

Винахід належить до області розробки композиційних матеріалів на основі абразивних порошків, зокрема скло-металевих композитів, які були б адгезійно-активні до металевих зв'язуючих і використовувались для виготовлення на їх основі абразивно-ріжучих інструментів.

Одним з підходів для практичної реалізації таких композиційних матеріалів є створення на порошках надтвердих матеріалів (НТМ) покриттів, що відіграють роль перехідного шару між зернами абразиву й зв'язкою абразивного шару інструмента, і мають високу адгезію як до поверхні абразиву, так і до зв'язки, що сприяє підвищенню міцності закріплення зерен абразиву в матриці інструменту.

Інструмент з металізованих алмазів і кубічного нітриду бору (СВМ) успішно застосовується при обробці твердих і крихких матеріалів. У той же час при обробці таким інструментом в'язких матеріалів, особливо без застосування мастильно-охолоджуючих рідин (МОР), таких як залізовуглецеві сплави, тверді сплави спільно зі сталлю при наявності між ними в'язкого припою, зменшується продуктивність обробки, підвищується температура в зоні різання і, як наслідок, утворюються припали (термічні пошкодження) на обробленій поверхні. Інструмент з металізованих порошків СВМ на полімерній зв'язці при обробці залізовуглецевих сплавів має високу зносостійкість, однак при цьому на обробленій поверхні утворюються припали і інші дефекти поверхні, що призводять до браку виробів, особливо при роботі інструмента без застосування МОР.

Одним із відомий способів при металізації алмазів є хімічний метод нанесення покриттів, що полягає у відновленні металів з розчинів солей (Раї. 4381227 ОБА, МКИ С250 15/00). Ргосе55 ТОг

Ше тапигасіиге ої абгазіме-соаїей 0015 (Процес виробництва абразивного інструменту) / Магси5

Нагоїд, Мойоп Сотрапу. - Опубл. 26.04.83). Даний спосіб не вимагає значних енергетичних витрат і дозволяє отримувати досить щільні металеві плівки на порошках НТМ, але має низьку продуктивність. Металізовані хімічним методом порошки НТМ можуть служити струмопровідним шаром при електролітичному осадженні металів, наприклад, нікелю і забезпечувати мінімальну товщину металевого покриття. Електролітичний нікель є адгезійним покриттям, за допомогою якого алмазні зерна схоплюються з металевою зв'язкою в інструменті. Однак нікель в покритті по міцності адгезії до алмазу не сильно відрізняється від адгезії металевої зв'язки з алмазом, так як зв'язка виготовляється зазвичай з мідно-нікелевого сплаву.

Ко) Найближчим до винаходу, що заявляється, є описаний спосіб нанесення багатошарового покриття на синтетичних алмазах і алмазовмісних композиційних матеріалах з підвищеною адгезією до металевої зв'язки в інструментах або виробах, яке складається з зовнішнього вольфрамового шару і внутрішніх карбідовольфрамових шарів (Патент РФ Мо 2238922, МПК"

С048 41/85, С3ЗОВ 31/06, опубл. 20.02.2004 р. ("Адгезионное композиционное покрьїтие на алмазах, алмазосодержащих материалах и способ его нанесения" / Лахоткин Ю.В., Кузьмин

В.П.)). Для нанесення покриття з вольфраму підкладку поміщають в середовище порошку вольфраму і шихти, що містить фтор в кількості 0,003-5 90 (мас.) від маси інертного наповнювача і нагрівають до температури 700-1200 "С. Для нанесення покриття з карбіду вольфраму підкладку поміщають в реактор з вакуумом 10 Па, подають гексафторид вольфраму і водню, витримують підкладку протягом необхідного часу і відпалюють підкладку при температурі, яка потрібна на отримання карбіду вольфраму.

Перевага описаного методу в порівнянні з електролітичним полягає в отриманні порошків з міцно закріпленою металевою плівкою на поверхні зерна алмазу. Відомий спосіб і винахід, що заявляється, мають спільні ознаки по максимально близькому результату, який одержують при нанесенні покриттів - висока адгезія як до поверхні абразиву, так і до металевої зв'язки. В відомому способі це досягається тим, що при спіканні процес металізації супроводжується хімічною реакцією - карбідоутворенням на границі алмаз-метал. Недоліком даного рішення є висока енергоємність, так як спосіб нанесення багатошарового покриття вимагає залучення вакуумного обладнання та відносно високих температур формування покриттів (7000-1200 "С).

Відомий також спосіб отримання композиту для виготовлення інструментів з надтвердих матеріалів, що включає змішування абразивного порошку та порошків скла з подальшим спіканням та грануляцією, причому як порошки скла беруть скло двох систем - свинцевої та силікатної - з внесенням до їх складу дисперсних наповнювачів тугоплавких оксидів ТіО», АІ2Оз. (Патент України Мо 115182, МПК СОЗС 13/00, опубл. 10.04.2017, бюл. Мо 7). Цей спосіб беремо за прототип.

Для ефективної обробки в'язких матеріалів застосовують склопокриття на порошки НТМ

ІЗксплуатационньюе свойства стеклопокрьтий для порошков СВМ / С.А. Кухаренко, В.И.

Лавриненко, А.А. Девицкий, Е.А. Барановская ІЙ Породоразрушающий и металлообрабатьявающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения. - бо Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля, НАН Украиньі. 2010. - вьіп. 13. - С. 465-470), які не тільки обумовлюють високу зносостійкість інструменту з НТМ на полімерній зв'язці, а й забезпечують підвищену якість оброблюваної поверхні, високу продуктивність при обробці в'язких матеріалів на відміну від інструменту з НТМ без покриття. Порошки алмазу і СВМ зі склопокриттям представляють собою агрегати, що складаються з 5-20 зерен, зв'язаних між собою адгезійно- активним склом. Міцність утримання порошків НТМ зі склопокриттям в ріжучому шарі інструменту повинна визначатися адгезію зв'язки інструменту з покриттям, а покриття з зернами

НТМ. Тільки таке поєднання адгезії на контактних границях забезпечить міцне закріплення зерен НТМ в робочому шарі інструменту.

У світі інструмент з алмазів і СВМ випускається на металевих і органічних зв'язках. Введені в зв'язку порошки НТМ зі склопокриттям, як правило, мають недостатню адгезію до металів - зв'язуючих інструменту з НТМ, тому при його роботі ще не спрацьовані агрегати можуть вириватися зі зв'язки. Одним із способів підвищення адгезії склопокриття до металів, а також механічної міцності склоподібних покриттів і матеріалів є нанесення на них різних металевих покриттів. Нанесення на скломатеріали різних покриттів дозволяє надати їм необхідні властивості. Це дозволяє зменшити знос інструменту при обробці різних матеріалів і забезпечує нові властивості інструменту, виготовленого на основі такого склокомпозиту.

Металеві зв'язки зазвичай містять порошки міді, олова, сурми, заліза, кобальту та інші з добавками неметалічних наповнювачів різного функціонального призначення. Дослідження контактної взаємодії розплавів силікатних багатокомпонентних стекол 3 металами зустрічаються рідко, в основному як рекомендації по технології одержання сполук металів і їх сплавів з силікатними стеклами. Наведені вище метали не мають високу адгезію до скла, що застосовуються для нанесення покриттів на порошки алмазу і СВМ. У зв'язку з відсутністю хімічної взаємодії між фазами при температурах виготовлення інструменту досить міцне закріплення агрегатів в металевій матриці інструменту не забезпечується.

В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення виготовлення скло-металевого композиту з надтвердих матеріалів інструментального призначення, при якому відбувається зміцнення дефектних поверхонь абразивних порошків, їх композицій і одночасно поліпшення їх зчеплення з металевими зв'язками абразивного інструменту. Це вирішуються шляхом нанесення на порошки НТМ зі склопокриттям металевих покриттів, при яких не змінюються

Зо механічні властивості абразивних порошків, але підвищується механічна міцність склоподібних покриттів або їх композицій. Таким чином ми отримуємо композиційні покриття, що включають неметалеву і металеву складові і відрізняються від чистого склопокриття міцним закріпленням агрегатів в металевій матриці і підвищеною адгезією до металевої зв'язки абразивно-ріжучого інструменту з високими експлуатаційними характеристиками.

В винаході поставлено задачу розробити способи і технологію нанесення на порошки НТМ зі склопокриттям тонких металевих плівок, що дозволяють надати їм необхідні властивості і забезпечити нові властивості інструменту, виготовленому на основі такого скло-металевого композиту.

Означена задача вирішується тим, що в способі виготовлення скло-металевого композиту з надтвердих матеріалів інструментального призначення, що включає нанесення склопокриття на порошки кубічного нітриду бору (агрегати), згідно винаходу, на них додатково наносять титанове покриття дифузійним способом в інертному середовищі при температурі 700-730 С протягом 25-30 хв., при цьому маса осадженого на склоагрегати титану становить 2,2-5,5 95 (мас.), далі вже на склоагрегати з титановим покриттям наносять пошарово нікель хімічним методом за схемою: - знежирення гранул в 0,5 95-ному розчині поверхнево активних речовин (ПАР) "ГАВ5"; - ретельне промивання; - активування в слабо кислому 0,07 У5-ому розчині хлористого паладію (Расі»); - одноразова промивка; - хімічне нікелювання в розчині електроліту, при цьому температура розчину електроліту має бути 60-75 "С, а його склад має бути (в г/л): нікель сірчанокислий (7-водний) - 3023; натрій лимоннокислий - 15:23; натрій сірчанокислий - 203; гіпофосфіт натрію - 1529; тюсвмовина -0,003ж0,001; а ступінь металізації агрегатів нікелем розраховують за формулою р ,де Р - ступінь металізації, 95; Б - початкова маса гранул, г; З - маса гранул з покриттям, г.

Одним із аспектів даного винаходу є нанесення титанового покриття на порошки СВМ зі склопокриттям, що сприяє підвищенню їх механічної міцності, а також буде гальмувати утворення і ріст мікротріщин, що виникають через розтягуючі напруження в склі і призводять до зниження міцності агрегату в цілому.

Дифузійне нанесення титану проводили в інертному середовищі при температурі 700-730 С протягом 25-30 хв. в спеціальному контейнері, наповненому шихтою із порошків СсВМ зі склопокриттям, гідриду титану і галогеніду (хлористий амоній). Співвідношення маси НТМ до маси гідриду титану не робить істотного впливу на масу титану, що був осаджений. Істотний вплив на цей показник надає співвідношення маси галогеніду до маси гідриду титану. При збільшенні вмісту галогеніду в загальній масі шихти по відношенню до гідриду титану, масу осадженого на склоагрегати титану збільшували від 2,2 до 5,5 95 (мас.). Для нарощування маси титану процес металізації можна повторити, не погіршуючи якості покриття.

Металеві покриття з адгезійно-активних металів можуть окислюватися і в процесі зберігання агрегатів і при виготовленні інструменту. Підкислення матеріалу покриття може привести до зниження міцності контактних зон. У зв'язку з цим на адгезійно-активні покриття доцільно нанесення пошарово нікелю хімічним методом.

Нанесення хімічного нікелю на металізовані титаном склоагрегати робили за схемою: - знежирення гранул в 0,5 95-ному розчині ПАР "АВ5Б"; - ретельне промивання; - активування в слабо кислому 0,07 95-ому розчині хлористого паладію; - одноразова промивка; - хімічне нікелювання в розчині електроліту складу (в г/л): нікель сірчанокислий (7- 3043 водний) натрій лимоннокислий 15:53 натрій сірчанокислий 2053 гіпофосфіт натрію 15:53 тіосечовина 0,00350,001.

Температура електроліту має бути 60-75 76.

Після металізації гранули ретельно промивали, сушили до повного видалення вологи, зважувати ррозрдховували ступінь металізації за формулою: -В--. у, р з де Р - ступінь металізації, 95;

Б - початкова маса гранул, г; а - маса гранул з покриттям, г.

Нанесенням на порошки НТМ зі склопокриттям нікелевого покриття отримуємо композиційні покриття, що включають неметалічну і металеву складові і відрізняються від чистих склопокриттів в 1,75 разу підвищеними фізико-механічними характеристиками, більш міцним закріпленням агрегатів в металевій матриці і підвищеною адгезією до металевої зв'язки.

Суть винаходу пояснюється діаграмою (фіг.), на якій зображено вплив металізації склоагрегатів порошків кубоніту КР 125/100 металевими покриттями на їх міцність, де: 1 - порошок кубоніту, покритий склом в системі РБО-7пО-В2Оз3-5102; 2 - порошок кубоніту, покритий сумішами скла в системах МагО-СаО-ТіО2-В2Оз3-510: та РБО- 2п0-8203-5105;

З - склоагрегати із сумішей скла, металізовані титаном - 5,5 95 (маб.); 4 - металізовані титаном склоагрегати із сумішей скла, які покриті нікелем - 12 95 (мабс.).

Результати випробувань міцності агрегатів (руйнівне навантаження на зерно) показали, що металізовані титаном і нікелем склоагрегати мають міцність вище вихідних порошків НТМ зі склопокриттям. Якщо міцність агрегатів з порошків СВМ, покритих сумішами скла в системах

МагО-СаО-ТіО2-В2Оз3-5102 та РЬО-2пО-В20з3-510» (2) в 2 рази вище, ніж сформованих з чистого скла системи РБрБО-2пО-В2Оз-5і0О2 (1), то металізовані агрегати мають міцність вище, ніж склоагрегати з сумішей скла. Покриття склоагрегатів дифузійним титаном (3) призводить до підвищення міцності агрегатів в 1,2 разу. Подальша металізація покритих титаном склоагрегатів нікелем (4) підвищує їх міцність в 1,75 разу.

Скло-металеві покриття грають роль перехідного шару між зернами абразиву й зв'язкою і мають високу адгезію як до поверхні абразиву, так і до зв'язки, що сприяє підвищенню міцності закріплення зерен абразиву в матриці інструменту.

На основі вивчення особливостей формування міжфазної границі між кубоніто-скляними агрегатами з металевим покриттям і металевими зв'язуючими абразивно-ріжучих інструментів показано, що взаємна дифузія, яка відбувається на контактній границі при температурі спікання композиту 600 "С призводить до взаємодії в системі скло-металевий агрегат - зв'язка з утворенням ряду інтерметалідів (Си52Ппв, Си, МізТі) і нової кристалічної фази силікату алюмінію (АЇ25іО5) (див. табл. 1). Це приводить до підвищення адгезії на границі розподілу фаз, що забезпечує міцне закріплення металевого покриття на склоагрегаті, а самого склоагрегату в металевій зв'язці.

Для встановлення експлуатаційних характеристик розроблених скло-металевих композитів з надтвердих матеріалів інструментального призначення виготовлено шліфувальні круги форми 12А2-457 125х5х3х32 з порошком кубоніту марки КР 125/100, при 100 95-ній концентрації порошку в абразивному шарі на металевій зв'язці М1-10, які випробувані при шліфуванні швидкорізальної сталі РеМ5 без охолодження та з охолодженням (див. табл. 2, 3) та твердого сплаву Т15КЄ з охолодженням (див. табл. 4).

Випробування шліфувальних кругів проводились за наступних режимів обробки: швидкість обертання кругу - 15 м/с, поздовжня подача - 0,3-2 м/хв., поперечна подача - 0,05 мм/подв. хід.

В процесі дослідження визначались наступні експлуатаційні характеристики процесу шліфування: різальна здатність круга (мм/хв.), відносні витрати кубоніту (мг/"), ефективна потужність шліфування (кВт), шорсткість обробленої поверхні за параметром Ка (мкм).

Характеристики абразивного шару кругів та результати випробувань при шліфуванні різних важкооброблюваних матеріалів без охолодження та з охолодженням представлені в табл. 2-4.

Дослідження експлуатаційних характеристик розроблених скло-металевих композитів з надтвердих матеріалів інструментального призначення показало, що скло-металеве нікелеве покриття забезпечує підвищення зносостійкості кругів на металевій зв'язці при шліфуванні важкооброблюваних матеріалів без охолодження в 3,2 разу в порівнянні зі звичайним склопокриттям і в 5 разів у порівнянні з серійними аналогами (без покриття), а при роботі з охолодженням в 3,5 і 6,3-6,5 разів відповідно за рахунок підвищення міцності агрегатів і збільшення адгезії на границі контакту покриття зі зв'язкою.

Оптимізація технологічних параметрів отримання шліфувальних інструментів з НТМ дозволяє рекомендувати при продуктивному шліфуванні швидкорізальної сталі марки РОМ5 як без охолодження, так і з охолодженням, а також при глибинному шліфуванні твердого сплаву

Т1ІТ5КЄ в умовах роботи з охолодженням - круги шліфувальні з СВМ на металевій зв'язці М1-10 зі скло-металевим нікелевим покриттям.

Ефективність винаходу підтверджена науково-експериментальними дослідженнями проведеними в НТАК "АЛКОН" НАН України.

Таблиця 1

Основні фази, що утворюються в результаті дифузійної взаємодії скло-металевих агрегатів і елементів металевої зв'язки 1 20,63 79,80 4,30 СиАг 2 26,68 91,60 3,34 А25іО5

З 29,40 62,20 3,03 СиАг 4 31,38 61,60 2,85 А25іО5 5 34,22 83,80 2,62 А25іО5 б 35,15 116,20 2,55 бивипав 7 36,00 87,80 2,49 А25іО5 8 37,50 60,60 2,4 А25іО5 9 37,90 246,20 2,37 СиАїг, АІ25105 10 42,20 105,60 2,14 СиАїг, АІ25105 11 43,06 210,60 2,10 ВМ, Сива пв, СиАї2, МізТі 12 43,72 87,60 2,07 А25іО5,Міз Ті 13 47,40 54,20 1,92 Сил», МізТі 14 48,45 43,20 1,88 бивипав 15 52,58 64,40 1,74 ВМ, Сива пв, Міз Ті 16 56,55 56,60 1,62 СиАг 17 60,60 44,00 1,53 ВМ, Аі25іО5 18 63,26 72,40 1,47 Сива пв, АІ25іО5 19 65,24 57,40 1,43 А25іО5 20 69,25 40,50 1,36 СиАг 21 75,95 42,60 1,27 ВМ, Сива пв, СиАї? 22 79,40 80,00 1,21 Сива пв, АгіОв, МізТі 23 81,05 40,20 1,18 ВМ, СиА2

Коо)

Таблиця 2

Характеристики кругів із СВМ на металевій зв'язці М1-10 та результати їх випробувань при шліфуванні швидкорізальної сталі марки РеМ5 без охолодження

Продуктивність Відносні Ефективна пваткють,

Характеристика круга шліфування, |витрати СВМ, потужність пове хні Ба мм/хв. мг/г шліфування, кВт м ' 12А2-457 125х5х3х32

КР125/100-100 У5-М1-10 200 19,19 0,10 0,91 (без покриття) 12А2-457 125х5х3х32

КР125/100-100 У5-М1-10 200 12,70 (склопокриття) 12А2-45 125х5х3х32

КР125/100-100 У5-М1-10 200 3,88 0,67 (склопокриття Мі)

Таблиця З

Характеристики кругів із СВМ на металевій зв'язці М1-10 та результати їх випробувань при шліфуванні швидкорізальної сталі марки РЄМ5 з охолодженням

Продуктивність Відносні Ефективна роспсть.

Характеристика круга шліфування, |витрати СВМ, потужність пове хні Ба мм/хв. мг/г шліфування, кВт м ' 12А2-457 125х5х3х32

КР125/100-100 У5-М1-10 200 12,28 0,77 (без покриття) 12А2-457 125х5х3х32

КР125/100-100 У5-М1-10 200 6,95 0,67 (склопокриття) 12А2-45 125х5х3х32

КР125/100-100 У5-М1-10 200 1,95 0,42 (склопокриття Мі)

Таблиця 4

Характеристики кругів із СВМ на металевій зв'язці М1-10 та результати їх випробувань при шліфуванні твердого сплаву Т15Кб6 з охолодженням

Продуктивність Відносні Ефективна роспсть.

Характеристика круга шліфування, |витрати СВМ, потужність пове хні Ба мм/хв. мг/г шліфування, кВт м ' 12А2-457 125х5х3х32

КР125/100-100 У5-М1-10 200 7,14 0,05 0,59 (без покриття) 12А2-457 125х5х3х32

КР125/100-100 У5-М1-10 200 415 0,04 0,56 (склопокриття) 12А2-45 125х5х3х32

КР125/100-100 У5-М1-10 200 119 0,04 0,43 (склопокриття Мі)

Claims (5)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Спосіб виготовлення склометалевого композиту з надтвердих матеріалів інструментального призначення, що включає нанесення склопокриття на порошки кубічного нітриду бору (агрегати), який відрізняється тим, що на них додатково наносять титанове покриття дифузійним методом, при цьому маса осадженого на склоагрегати титану становить 2,2-5,5 мас. 956, далі вже на склоагрегати з титановим покриттям наносять пошарово нікель хімічним методом.

2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що дифузійне нанесення титану проводять в інертному середовищі при температурі 700-730 "С протягом 25-30 хв.

З. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при пошаровому нанесенні на склоагрегати з титановим покриттям нікелю хімічним методом температура розчину електроліту становить 60- 7576.

4. Спосіб за п. 3, який відрізняється тим, що нанесення нікелю хімічним методом роблять за схемою: знежирення гранул в 0,5 Уо-ому розчині ПАР "ГАВ5"; ретельне промивання; активування в слабокислому 0,07 95-ому розчині Расіг; одноразове промивання; хімічне нікелювання в розчині електроліту.

5. Спосіб за п. 3, який відрізняється тим, що для хімічного ніселювання розчин електроліту беруть наступного складу (в г/л): нікель сірчанокислий (7- 3043 водний) натрій лимоннокислий 15:53 натрій сірчанокислий 2053 гіпофосфіт натрію 15:53 тіосечовина 0,00350,001.

б. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що ступінь металізації агрегатів нікелем розрнахевуютьса формулою: Ь з де Р - ступінь металізації, 95; Б - початкова маса гранул, г; а - маса гранул з покриттям, г. Коо)

Я с ОО Н с Н ! не ОО В хо 3565 ! кол я г : БО с ! ї НН у ПЕН КНКНННННКЯ ИМИНХ ОПН Я і РО У дО о МК ухокндиних

Же . о. г . ї з о. о. о. с о. С Н ШЕ Зх ПИПТИИИИИМИНИХ ПИКЩТТЕОЦОКИМИМ ХДУХТ ОКУ аб І / 1 З в а