Абразивовмісний матеріал

Винахід стосується області одержання композиційних матеріалів, а саме надтвердих абразивовмісних матеріалів, переважно алмазних і може бути використаний, наприклад при спіканні алмазних плоских, сферичних і кільцевих сегментів в умовах високих тиску і температури для виготовлення різальних і шліфувальних інструментів, переважно для обробки високоабразивних гірських порід. Відомий найбільш близький за технічною суттю до винаходу абразивовмісний матеріал [див. авт. св. № 339393, МПК В24 D 3/06, опубл. 24.05.72. Бюл. № 13] , яка складається з абразиву і металевої зв'язки, що містить абризив, залізо, мідь, нікель, олово при наступному співвідношенні компонентів мас.: абразив 7, залізо 32-70, мідь 10-48, нікель 8-18 і олово 2-12. Спосіб її виготовлення полягає в тому, що алмазну шихту брикетують в металевій прес-формі при питомому тиску 400МПа. Прес-форму нагрівають до температури 820-840°С, витримують протягом однієї години і виконують гаряче допресовування при питомому тиску 150МПа. Прес-форму охолоджують під тиском до температури 200-300°С, після чого розбирають і виймають готові брикети. Недоліками отриманого за прототипом абразивовмісного матеріалу є крупнозерниста, порова і неоднорідна структура. При нагріванні шихти до температури 850°С завдяки присутності заліза і олова утворюються первинні тверді розчини із хрупких фаз Fe3Sn; FeSn; FeSn2 , а мідь з оловом утворює м'які фази і розчини на їх основі. За таких умов міцні частинки заліза і нікелю формуються окремо у вигляді великих агломератів і не можуть утворити міцні активні фази, що сприяє формуванню крупнозернистої і порової структури з низькими фізико-механічними і хімічними властивостями спеченого матеріалу. При цьому адгезійна взаємодія алмазів із зв'язкою і елементами системи не може проявитись. В основу винаходу покладено завдання такого удосконалення абразивовмісного матеріалу при, якому, за рахунок введення дібориду хрому і пропонованого співвідношення компонентів шихти забезпечується створення безпорової сітчастої зміцненої структури з вирівненою концентрацією компонентів і, як наслідок, підвищеними фізико-механічними властивостями і стійкістю проти абразивного зносу матеріалу. Означене завдання вирішується завдяки тому, що абразивовмісний матеріал, що містить абразив, залізо, мідь, нікель і олово, згідно винаходу додатково містить діборид хрому при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: абразив - 2-15 залізо - 45-52 мідь - 20-25 нікель - 8-12 олово - 7-8 діборид хрому - 5-15 Оптимальним при цьому є, коли абразивовмісний матеріал додатково містить борид вольфраму (W2B5) у кількості 0,1... 5 (мас. %). Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляється і технічними результатами, які досягаються при її реалізації, полягає у наступному: При спіканні пропонованого абразивовмісного матеріалу, яке здійснюється при тиску порядку 100...200МПа і температурі 800-850°С завдяки присутності частинок Fe, Cu, Ni і Sn в шихті утворюються м'які і крихкі фази типу Fe3Sn, Fe3Snз, FeSn, FeSn2, Ni3Sn, j-Fe і a -Fe і первинні тверді розчини на основі цих фаз і елементів. Через низьку активність компонентів шихти атоми Fe і Ni не можуть в достатній кількості дифундувати з ци х розчинів і фаз на поверхню алмазів і утворити як з ними, так і з іншими елементами міцні хімічні зв'язки по причині неможливості утворення активних зародкових фаз, і як результат, гомогенної структури із специфічними властивостями. Як відомо, збільшення тиску і температури активізує процес спікання і зменшує енергію активації системи. Однак підвищення температури суттєво знижує термостійкість алмазів і зв'язки, а в процесі експлуатації матеріалу викликає і розвиває пластичні деформації, які можуть прийняти незворотний характер і призвести до повного зносу і непридатності матеріалу і інструментів на його основі. Підвищення тиску зменшує міцність пресформ і приведе їх до виходу з експлуатації. Завдяки введенню у шихту активних тугоплавких сполук дібориду хрому (СrВ2), а також бориду вольфраму (W2B5), проходять узагальнення не тільки валентних, але і внутрішніх електронів добудівного a - рівня атомів хрому і вольфраму, що проявляється в дуже міцній гексагональній структурі. Шар із атомів хрому і вольфраму розміщується по гексагональній щільноупакованій решітці, чергуючись з шарами з атомів бору, утворюючи гексагональну двовимірну сітку. Ці обставини дають можливість атомам СrВ2 і W2B5 утворювати активні зародки з іншими атомами системи і зумовлюють їх тривимірне зростання на усьому проміжку спікання, що сприяє дифузії і самодифузії елементів і переносу маси. В результаті таких ефектів протікає структурно-фазова трансформація усіх компонентів системи, після завершення якої утворюється дрібнозерниста безпорова гомогенна структура з міцним каркасом і фізико-механічними і хімічними властивостями (мікротвердість 5,8ГПа, твердість 110 HRB, границі міцності при стиску 760МПа і стійкість проти абразивного зношування 0,75 карат/м 2 пл.різання). Нами була побудована феномологічна математична модель процесу спікання абразивовмісних композиційних матеріалів для полідисперсних систем. Модель базується на положенні, що швидкість усадки спікання пропорційна добутку узагальненої константи швидкості процесу, в якій енергія активації залежить від температури і тиску, і модельній функції, яка задовольняє умові фізичної залежності механізмів переносу маси при спіканні від параметрів системи, і найкращим чином апроксимує експериментальні результати. Отримані рівняння дозволяють обчислити енергію активації і кінетичні параметри системи, які характеризують відповідно механізм переносу маси за рахунок дифузії - m і зразкоутворення нових фаз - n при заданих умовах температури і тиску. Межі вмісту СrВ2 і W2B5 - в ши хті визначали, виходячи з умови основного завдання - формування безпорової дрібнозернистої структури із міцними фізико-механічними властивостями і хімічними зв'язками між компонентами шихти. Верхні границі вмісту СrВ2 і W 2B5 обмежувались умовами спікання, при яких температура і тиск не перевищували значень, відповідно 850°С і 160МПа. При цих умовах з отриманих кінетичних рівнянь визначали ті мінімальні значення енергії активації системи, для яких кінетичні параметри m і n наближувались до значень, відповідно 1/3 і 4 на етапі ущільнення. Та кількість СrВ2 або W2B5 чи їх сума, при яких m=1/3 і n=4, а енергія активація набуває найменших значень і є суттєвою для формування найкращої структури і властивостей матеріалу. На фіг.1 представлено порівняльний аналіз структури абразивовмісного матеріалу за прототипом і за винаходом, де на фіг.1а показано структуру спеченого зразку за прототипом і, відповідно, на фіг. 1б - за винаходом. На фіг.2 показано растровомікроскопічні зображення поверхні зчеплення алмазного зерна з компонентами зв'язки абразивовмісного матеріалу, відповідно, за прототипом фіг.1а і за винаходом –1б. Пропонований матеріал виготовляли таким чином: компоненти шихти рівномірно переміщувалися і брикетувалися в металевій прес-формі під тиском 400МПа. Спікання зразків здійснювали в муфельній печі при температурі 850°С протягом однієї години. Потім виконували гаряче допресовування під тиском 160МПа, охолодження і розбирання прес-форми. Приклад 1 Для спікання зразків абразивовмісного матеріалу розмірами 40,0 х 10,0 х 3,2мм була виготовлена шихта, що містить синтетичні термостійкі алмази марки AC 125T з розмірами частинок 315-400мкм (8,0 мас. %), порошок заліза (47 мас. %), порошок міді ПМС-1 (21 мас. %), порошок нікелю (9,0 мас. %), порошок олова П01 (7,5 мас. %) і діборід хрому (7,5 мас. %) з розмірами частинок 5-10мкм. Після виготовлення була проведена механічна обробка і доведення спечених зразків до стану, придатного для дослідження структури і механічних властивостей. На скануючому електронному мікроскопі (РЭМ) BS-340, оснащеному системою цифрової обробки зображення і енергетичним аналізатором рентгенівських спектрів "Link860" виконувався якісний аналіз розподілення фаз на основі цифрових зображень в характерному випромінюванні елементів характерних фаз. Після структурного аналізу виконували дослідження фізикомеханічних властивостей готови х зразків. Проведені дослідження показали, що кінцевий склад зразків суттєво відрізняється від початкової шихти. Введення дібориду хрому дозволило утворити тверді розчини і нові активні фази і їх тривимірне зростання на всьому проміжку спікання, які стимулювали дифузійні процеси, що дало змогу рівномірно розподілитись усім елементам системи по об'єму матеріалу, дифундувати на поверхню алмазів і створити міцні зв'язки із зв'язкою. Після цього визначали питомі витрати алмазного порошку, після різання кварцевого пісковика об'ємом 1,0м 2 площі різання відрізними кругами діаметром 320мм, на якому припаяно 21 зразок таких матеріалів. Приклади 1-3 (див. таблицю) наведено для тих випадків, які стосуються заявлених ознак. Приклади 4-5 - за межами заявлених ознак, приклади 6-7 - пропонований матеріал за п.2 формули винаходу. Приклад 8 відтворення алмазовмісного матеріалу за прототипом. Зміну складу алмазів і компонентів порошку металів досягали за рахунок виконання окремої шихти для кожного зразку матеріалу. Як видно з таблиці, завдяки пропонованому винаходу підвищується мікротвердість у три рази, границя міцності при стиску на 190МПа, твердість по шкалі Роквелла на 15 HRB і стійкість проти абразивного зрошування удвічі в порівнянні з прототипом. Найкращі результати досягаються при додаванні W2B5 згідно п.2 формули винаходу. Абразивовмісний матеріал згідно винаходу, може бути використаний як для відрізних і шліфувальних алмазних кругів і свердл для різання, шліфувальння і свердління високоабразивних гірських порід і спеціальних середовищ при використанні охолодження (включаючи і його відсутність). Завдяки специфічності фізичних і хімічних властивостей використання вказаного абразивовмісного матеріалу стає можливим виконати якісну, надійну пайку і без використання проміжних підкладок. Таблиця Склад абра зив ов місного матеріалу , мас. % Об’єкт в ипробув ань № п/п Показники е фектив ності Моду ль міцності пристиску , МПа Стійкість проти абразив ного зно шу в ання, 2 карат/м п л.р 110 114 109 95 760 810 720 540 0,75 0,99 0,77 1,60 2,0 95 550 1,61 2,1 95 570 1,59 Мікро Тв ердість, тв ердість, HRB ГПа Абризив о в місний матеріал за прототип ом Fe Сu Ni Sn CrB2 W 2B5 1 2 3 4 8 2 15 10 47 48 45 47 21 22 20 20 9 10 8 12 7,5 8 7 8 7,5 10 5 3 5,8 6,0 5,4 2,1 5 8 40 23 9 8 12 6 7 Абризив о в місний матеріал згі дно в инаходу Абра зив 5 10 45 45 20 20 9 9 8 9 8 6,9 5,0 0,1 8 6 56 17 13 8 Примітки Матеріал неспіка ється Матеріал неспікся