Металлическая связка для получения композиционного материала и способ ее приготовления

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И СПОСОБ ЕЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Полуян Александр Иванович Смиловенко Ольга Олеговна Жорник Виктор Иванович Прокопович Николай Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(56) Галицкий В.Н. и др. Алмазно-абразивный инструмент на металлических связках для обработки твердого сплава и стали. - Киев Наукова думка, 1986. С. 125.7205 , 2005.2236 1, 1998.4591363 , 1986.0779129 2, 1997.64274 , 2004.(57) 1. Металлическая связка для получения композиционного материала, содержащая железо, медь, никель и олово, отличающаяся тем, что дополнительно содержит гидрид титана и порошок ультрадисперсного алмаза при следующем соотношении компонентов,мас.медь 32 никель 9 олово 8 гидрид титана 26 порошок ультрадисперсного алмаза 0,11,0 железо остальное. 2. Способ приготовления металлической связки по п. 1, при котором смешивают железо, медь, никель, олово и гидрид титана, порошок ультрадисперсного алмаза диспергируют с помощью ультразвуковой обработки, после чего смешивают с остальными компонентами связки. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что ультразвуковую обработку порошка ультрадисперсного алмаза проводят в веществе, являющемся увлажнителем при приготовлении связки, в частности в глицерине. Изобретение относится к области изготовления режущего инструмента. Известна связка для изготовления алмазного инструмента, содержащая медь, олово,никель, алюминий, в которую с целью повышения физико-механических свойств дополнительно вводят ультрадисперсный алмаз (патент РФ 2172238, опубл. 2001). 10305 1 2008.02.28 Обладая большой удельной поверхностью (400-500 м 2/г) и высокой поверхностной активностью, порошок УДА обеспечивает формирование структуры с повышенными физико-механическими характеристиками, что приводит к повышению качества инструмента,а именно увеличению износостойкости и режущей способности инструмента. Недостатком данной связки является неравномерное распределение частиц УДА вследствие большого разброса в размерах зерен, что приводит к неоднородной структуре связки. Наличие алюминия в связке снижает прочность связки, так как алюминий образует с медью твердые, хрупкие интерметаллиды. К недостаткам данной связки следует также отнести и ее дороговизну, так как основой связки является медь 76-88 мас. . Наиболее близким аналогом изобретения является металлическая связка МЖ (М 6-14) на железно-медной основе из 51 мас.железа, 32 мас.меди, 9 мас.никеля и 8 мас.олова. При приготовлении металлической связки по данной рецептуре все компоненты в измельченном (диспергированном) состоянии смешивают в смесителях роторного типа(Галицкий В.Н., Курищук А.В., Муровский В.А. Алмазно-абразивный инструмент на металлических связках для обработки твердого сплава и стали. - Киев Навукова думка,1986. - С. 125). Недостатком данной связки является сравнительно невысокая износостойкость, высокий коэффициент трения. Задачей настоящего изобретения является повышение антифрикционных свойств и износостойкости связки, что позволяет повысить стойкость инструмента. Поставленная задача достигается тем, что металлическая связка, содержащая железо,медь, никель и олово, дополнительно содержит гидрид титана и порошок ультрадисперсного алмаза при следующем соотношении компонентов, мас.медь 32 никель 9 олово 8 гидрид титана 2-6 порошок ультрадисперсного алмаза 0,1-1,0 железо остальное. Способ приготовления металлической связки по п. 1, при котором железо, медь, никель, олово и гидрид титана смешивают, а порошок ультрадисперсного алмаза диспергируют с помощью ультразвуковой обработки, после чего смешивают с остальными компонентами связки, причем ультразвуковую обработку порошка ультрадисперсного алмаза проводят в веществе, являющемся увлажнителем при приготовлении связки, в частности в глицерине. Введение в состав связки гидрида титана приводит к тому, что при спекании в результате нагрева происходит разложение гидрида титана с выделением водорода, который играет роль восстановительной защитной атмосферы. В свою очередь, экзотермически активный титан, соединяясь с поверхностным углеродом частиц, образует адгезионнокарбидную связь указанных частиц со связкой. Таким образом, улучшается адгезия связки к материалу, что приводит к увеличению прочностных свойств материала в целом. Вследствие этого увеличивается стойкость инструмента, изготовленного из данного композита. Следует отметить, что введение в связку гидрида титана в количестве менее 2 мас.не приводит к улучшению свойств из-за недостаточного количества образующегося водорода. Введение гидрида титана в количестве свыше 6 мас.приводит к излишнему карбидообразованию, охрупчиванию связки, повышению интегральной твердости, что приводит к засаливанию инструмента. Введение УДА оказывает влияние на процесс формирования и рост центров кристаллизации, что в свою очередь влияет на структуру и свойства материалов. За счет высокой поверхностной активности частиц ультрадисперсного алмаза происходит изменение морфологии связки, что положительно сказывается на свойствах связки. Следует отметить,2 10305 1 2008.02.28 что при содержании УДА в связке менее 0,1 мас.не наблюдается существенного повышения стойкости инструмента, а при добавлении более 1,0 мас.характеристики инструмента выходят на постоянный уровень значений. Таким образом, нецелесообразно использование концентрации УДА более 1,0 мас. . В табл. 1 приведены составы связок для пограничных значений рецептур и их свойства. Таблица 1 Составы и свойства заявляемой металлической связки Триботехнические показатели Коэффициент Износ,трения мкм/км Диспергирование УДА методом ультразвуковой обработки в среде глицерина приводит к разрушению конгломератов и повышению активности частиц, что позволяет получать более однородные по размерам и свойствам смеси компонентов. Изучение электронно-микроскопических снимков показало, что частички УДА представляют собой агрегаты,по своему строению напоминающие фрактальные кластеры. Агрегаты УДА состоят из мелких частиц размером 4-8 нм, которые объединяются в кластеры размером 20-60 нм. Эти кластеры, в свою очередь, образуют более крупный агрегат, форма которых значительно отличается от сферической и, кроме того, эти вторичные агрегаты имеют характерную рыхлую структуру. Сами исходные частицы в этой сложной структуре занимают малую часть объема, в основном он приходится на пустоты. Следует отметить, что в процессе хранения кристаллы УДА соединяются во вторичные и третичные агрегаты фрактального типа и могут достичь 1000 нм. Механизм ультразвукового диспергирования состоит в расклинивающем действии кавитационных ударов. Управление структурообразованием заключается в осуществлении принципа предельного разрушения первоначальных связей между структурными элементами для достижения их равномерного распределения. Параметры ультразвуковой обработки зависят от объема УДА. Полученные смеси не имеют существенных загрязнений. Глицерин в свою очередь выступает и как антифрикционная смазка, способствующая лучшему прессованию компонентов. Приготовление связки заявляемым способом ведется двумя параллельными блоками технологических операций. Первый блок операций представляет собой подготовку и смешивание металлических порошков. Металлические порошки смешиваются порционно в смесителе роторного типа с реверсивным вращением. Параллельно (второй блок) ведется подготовка порошка ультрадисперсного алмаза. Подготовка порошка ультрадисперсного алмаза заключается в его диспергировании методом ультразвуковой обработки в среде глицерина. Следующая технологическая операция заключается в соединении и перемешивании полученных компонентов в отдельной технологической емкости. Полученная связка для последующего спекания подлежит хранению не более 3-х часов. Далее ее загружают в форму для последующего прессования и спекания. В процессе спекания глицерин,используемый для диспергирования УДА, выгорает. Сущность изобретения иллюстрируется следующим примером. Из порошка УДА готовили суспензию на основе глицерина, затем ее обрабатывали ультразвуком на установке УЗДН - 1 У 4.2 (ТУ 25-05-1375 - 73) путем погружения стержневого излучателя в суспензию. Режимы ультразвуковой обработки сила тока - 0,3 А 3 10305 1 2008.02.28 частота - 44,0 КГц продолжительность - 7 мин. Режимы диспергирования зависят от объема обрабатываемого материала. Одновременно готовили смесь указанных компонентов при заданной концентрации путем смешивания в смесителе роторного типа с реверсивным вращением до получения однородной массы. На завершающей стадии приготовления связки соединяют полученную массу с суспензией, содержащей диспергированный УДА,и подвергают окончательному механическому перемешиванию. Затем осуществляли одновременное прессование и спекание образцов прямым пропусканием тока. Проводили испытания образцов полученной металлической связки для определения триботехнических характеристик - коэффициента трения и интенсивности изнашивания. Триботехнические испытания проводили на машине трения УТИМ-2 по схеме палецдиск. Испытания проводили в режиме сухого трения при нагрузке 10 , скорость скольжения составляла 0,5 м/с. Коэффициент трения измерялся автоматически в процессе испытаний. Интенсивность изнашивания определялась весовым методом. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице. Испытания показали снижение интенсивности изнашивания подтверждает повышение износостойкости предлагаемой связки вследствие снижения коэффициента трения связки об обрабатываемый материал уменьшается сила резания, а также термонагруженность как на связку, так и на рабочую поверхность инструмента (табл. 2). Представленные данные позволяют сделать вывод о том, что в результате использования предложенного состава металлической связки и способа ее приготовления повышаются антифрикционные свойства и износостойкость связки, что позволяет увеличить стойкость инструмента. Таблица 2 Триботехнические показатели прототипа и заявляемой связки Триботехнические показатели Износ, мкм/км Коэффициент трения Типы связок МЖ (М 6-14) (прототип) Заявляемая связка 8,2 6,5 0,34 0,22 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4