Разработка дисперсно-упрочненных наночастицами металлических связок и технологии получения алмазосодержащих сегментов для режущего инструмента

Интенсивное развитие строительной индустрии, камнеобработки в Росси и в мире требует использования производительных и эффективных методов обработки твердых, абразивных материалов широкого и часто противоречивого спектра свойств. К таким методам в полной мере относится использование алмазного инструмента для операций резки, сверления, шлифовки[1−4]. За последние 30 лет этот метод стал широко использоваться в мире, и связано это в первую очередь все с возрастающим объемом работ, связанных с обработкой твердых материалов.

Алмазным называют инструмент, состоящий из алмазоносного слоя, закрепленного на корпусе. Для изготовления инструмента в основном применяют синтетические алмазные порошки и незначительную часть (по оценкам около 10%) природных алмазов [1]. Уникальные режущие свойства алмазного инструмента объясняются наличием в составе композиционного материала самого твердого из известных науке веществ — алмазу. Материал, служащий для удержания алмазов в алмазоносном слое называется связкой. Свойства связки не в меньшей степени, чем качество алмазного сырья, определяют рабочие характеристики инструмента в целом. Практика сверления, резки, твердых и высокоабразивных материалов (гранит, мрамор, асфальт, железобетон, огнеупорный кирпич и др.) показывает, что наиболее эффективно работает инструмент с металлическим связками т.к. они обладают максимальным алмазоудержанием и стойкостью к абразивному износу.

В промышленности большую часть алмазного инструмента с металлическими связками производят с использованием методов порошковой металлургии, включающей операции смешивания исходных порошков связки и алмазов, гранулирование, холодное прессование и горячее прессование в инертной атмосфере при температурах меньших 1000 °C, для предотвращения графитизации алмазов. В роли связок обычно выступают металлы Со, Fe, Ni, Cr, W, Ti, Cu, Al, Sn и многие другие, а также их сплавы. Подбор оптимальной композиции связки и содержания алмазов в большинстве случаев зависит от условий работы такого сегмента, и часто определяется экспериментально технологами на заводах. Тем не менее, для резки определенного вида материалов часто используются промышленно выпускаемые связки заданного состава, например, производства крупнейшей европейской фирмы Dr Fritsch (Германия), специализирующейся на выпуске оборудования и связок для производства алмазного инструмента.

Лучшие режущие свойства имеет алмазный инструмент с кобальтовой связкой [5]. В тоже время дороговизна и токсичность [6] кобальта заставляют исследователей разрабатывать новые или усовершенствовать уже существующие связки, в которых кобальт замещается более дешевыми и менее токсичными металлами и их сплавами, например, Fe, Ni, Си [7−9]. Не смотря на некоторое снижение ресурса работы связок с уменьшенным содержанием кобальта, они значительно выигрывают по показателю «цена/качество». В главной степени снижение ресурса работы альтернативных кобальту связок обусловлено меньшей адгезией к алмазу и не достаточно высокими механическими и трибологическими свойствами этих сплавов. Перспективным способом увеличения физико-механических и трибологических свойств связок является создание сплавов с дисперсно-упрочненной наночастицами структурой. Традиционное упрочнение матрицы за счет введения твердых частиц (WC, AI2O3, BN и др.) микронного размера имеет ограничение по концентрации из-за необходимости повышения температуры спекания, что нежелательно вследствие снижения прочности алмазов и дополнительного износа технологической оснастки.

Введение

даже относительно небольшого количества (<5 об. %) упрочняющих наночастиц в связку благодаря эффектам дисперсного упрочнения позволит увеличить её износостойкость и механические и трибологические свойства без существенного увеличения температуры спекания, а использование реакционно-активных по отношению наночастиц позволит также увеличить алмазоудержание, что окажет влияние на ресурс инструмента.

В данной работе исследованы влияние наночастиц WC, NbC, ZrC>2, AI2O3, SisN4, BN, сложных композиций SisN4-AlN и др. на механические и трибологические свойства 4-х металлических промышленных связок для алмазного инструмента различного назначения и разработана технология производства алмазного инструмента нового поколения для стройиндустрии и камнеобработки имеющего увеличенный в 2−3 раза ресурс работы без снижения производительности резания относительно серийно выпускаемой продукции.

Актуальность работы заключается в увеличении ресурса работы инструмента в 2−3 раза без значительного увеличения себестоимости (не более чем на 20%), что с учетом объемов потребления инструмента промышленностью дает значительный экономический эффект, а также повышает конкурентоспособность отечественной продукции. Научная новизна работы заключается:

1. Установлены закономерности влияния природы и содержания наночастиц в связках на основе кобальта, железа, меди и никеля на процесс холодного прессования смесей порошков. Показано, что предварительная обработка смесей в центробежной планетарной мельнице (ПЦМ) приводит к улучшению прессуемости, при этом с увеличением содержания наночастиц в шихте прессуемость смесей ухудшается.

2. Установлено, что введение наночастиц реакционно-активного по отношению к связке соединения (карбида вольфрама) приводит к росту прочности алмазоудержания при спекании за счет изменения химического потенциала на межфазной границе алмаз-связка, а также за счет возникновения эффекта объемного дисперсного упрочнения металлической связки, что приводит к улучшению ее механических и трибологических свойств.

3. На основании экспериментальных данных установлена зависимость плотности связки при твердофазном спекании от реакционной способности упрочняющих наночастиц, проявляющаяся в росте ее плотности в случае использования наночастиц карбида вольфрама (кажущаяся энергия активация спекания снижается), а при введении в связку инертного нанопорошка диоксида циркония плотность связки снижается из-за блокирования наночастицами границ раздела спекающихся зерен связки (кажущаяся энергия активация спекания увеличивается).

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих отечественных и зарубежных конференциях и выставках:

1. Зайцев А. А., Курбаткина В, В., Левашов Е. А. Влияние нанодисперсных добавок на процесс спекания и свойства порошковых сплавов на основе кобальта и железа// Материалы Первой междунар. науч. конф. «Наноструктурные материалы — 2008: Беларусь — Россия — Украина (НАНО-2008)», Минск, 22−25 апр. 2008 г.// под ред. П. А. Витязя — Минск: Изд-во «Белорус. Наука», 2008, с. 242.

2. Levashov Е. А, Kurbatkina V.V., Zaitsev А. А, Andreev V. A, Hosomi S., Ohyanagi M. Diamond Containing FGMs and Disperse-Strengthened by Nanoparticles Tools // Book of Abstracts, The 10th Int. Symposium on Multiscale, Multifunctional and Functionally Graded Materials (MM&FGM 2008), Sendai, Japan, 22−25 Sept, 2008, p. 30.

3. Левашов E. А., Курбаткина B.B., Зайцев A.A., Андреев B.A., Лопацинский Е. В. Дисперсно-упрочненные наночастицами металлические связки для режущего алмазного инструмента нового поколения // Сборник тезисов докладов V-ой международной научно-практической конференции «Наотехнологии производству 2008», Фрязино, 25−27 ноября 2008 г., с. 75.

4. Зайцев А. А., Курбаткина В. В., Левашов Е. А. Влияние нанодисперсных добавок на процесс спекания и свойства металлических связок на основе кобальта и железа для алмазного инструмента // Материалы VIII Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных (НАНО-) систем», М.:МИФИ, 2008, с. 85.

5. Levashov Е. А, Kurbatkina V.V., Zaitsev А.А. Effect of Nanosized Additives on Sintering Process and Properties of Cobalt and Iron Based Alloys // Proceedings of the 3rd Vienna International Conference Nano-Technology /Edited by Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bratz, Prof. Dipl-Ing Dr. Fridrich Franek, March 18−20, 2009, Vienna, Austria, p. 465.

6. Kurbatkina V.V., Levashov E.A., Patsera E.I., Rupasov S.I., Zaitsev A.A., Zubavichus Ya., Viligzhanin A. Promising Dispersion Hardening Ceramic Materials Produced by SHS. Proceedings of the.

3rd Vienna International Conference Nano-Technology /Edited by Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bratz, Prof. Dipl-Ing Dr. Fridrich Franek, March 18−20, 2009, Vienna, Austria, p. 467−471.

7. Kurbatkina V., Levashov E., Zaitsev A. New Generation of Nanoparticles Disperse-Strengthened Cobalt and Iron Based Binders for Diamond Tool // Book of Abstracts, 2nd International Symposium on Bulk Nanostructured Materials, September 21−27, 2009, Ufa, Russia, p.246.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 4 статьи в журналах входящих в перечень ВАК:

1) A.A. Zaitsev, V. V. Kurbatkina, and Е. A. Levashov Features of the Effect of Nanodispersed Additives on the Sintering Process and Properties of Powdered Cobalt Alloys//Russian Journal of Non-Ferrous Metals, Vol. 49, No. 2,2008,p. 120.

2) A. A Zaitsev, V. V. Kurbatkina, and E. A. Levashov Features of the influence of nanodispersed additions on the process of and properties of the Fe-Co-Cu-Sn sintered alloy//Russian Journal of Non-Ferrous Metals, Vol. 49, № 5, 2008, p. 414.

3) Зайцев A.A., Курбаткина B.B., Левашов E.A. Особенности влияние нанодисперсных добавок на процесс спекания и свойства порошковых кобальтовых сплавов //Известия вузов. Цветная металлургия.2008, № 2, с 53−59.

4) Зайцев А. А., Курбаткина В. В., Левашов Е. А. Особенности влияния нанодисперсных добавок на процесс получения и свойства спеченного сплава Fe-Co-Cu-Sn/.Известия вузов. Порошковая металлургия и Функциональные покрытия.2008, № 2, с 35−41.

По материалам диссертации зарегистрировано 5 патентов (в том числе и европейских) и 1 ноу-хау. Работа получила высокую оценку на ведущих международных выставках изобретений и инноваций:

1) Диплом и золотая медаль на Международной инновационной выставке «Идеи, изобретения, инновации» в Нюрнберге, Германия, 2006 за инновационную разработку «Связка для изготовления алмазного инструмента»,.

2) Диплом и золотая медаль за инновационную разработку «Связка для изготовления алмазного инструмента», представленную на 18ой Международной Выставке «Изобретения, Инновации и Технология», ITEX 2007 в г. Куала-Лампур, Малайзия.

3) Диплом в номинации «100 лучших изобретений России», Инновационная разработка «Связка для изготовления алмазного инструмента (патенты № 2 286 241, 2 286 242, 2 286 243),.

4) Диплом и золотая медаль на X международном салоне промышленной собственности «Архимед-2007» за разработку «Связка для изготовления алмазного инструмента (патенты № 2 286 241, 2 286 242, 2 286 243).

5) Диплом и бронзовая медаль на на 99-ом Международном Салоне изобретений «Конкурс Лепин», г. Париж, Франция, 2008 за инновационную разработку «Связки для изготовления алмазного инструмента».

6) Диплом и бронзовая медаль на 4-ой Сеульской Международной Ярмарке Изобретений «SIIF-2008», 11−15 декабря 2008 года за инновационную разработку: «Связки для изготовления алмазного инструмента».

7) Левашов Е. А, Андреев В. А, Курбаткина В. В., Рупасов С. И., Зайцев А. А. Ноу-хау: Способ введения добавки нанопорошка в связку для алмазного инструмента. Зарегистрировано в Депозитарии ноу-хау Отдела защиты интеллектуальной собственности МИСиС № 113−1 642 005 ОИС от 11 ноября 2005 г.

Материал диссертации изложен на 162 страницах машинописного текста, включает 28 таблиц, 71 рисунков и 8 приложений.

Список использованных источников

состоит из 67 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

выводы.

1. Установлены закономерности влияния наночастиц на процесс холодного прессования порошков наиболее типичных металлических связок на основе кобальта, железа, меди и никеля. Обработка смеси в ПЦМ и введение наночастиц позволяет улучшить прессуемость по сравнению с исходной связкой, хотя сами наночастицы несколько затрудняя. т процесс уплотнения.

2.

Введение

наночастиц реакционно-активного по отношению к связке соединения позволяет одновременно решить следующие задачи:

— изменить химический потенциал межфазной границы алмаз — металлическая связка, способствуя тем самым росту прочности алмазоудержания;

— увеличить твердость, прочность и ударную вязкость связки в результате эффекта объемного дисперсного упрочнения зерен;

— уменьшить коэффициент трения в зоне резания в результате зернограничного легирования.

3. Показано, что характер взаимодействия наночастиц со связкой существенно влияет на усадку при твердофазном спекании. В случае реакционно-активного по отношению к связке нанопорошка происходит снижение энергии активации спекания. При введении в связку относительно инертного нанопорошка энергия активации спекания увеличивается из-за блокирования наночастицами границ зерен. Проведена оптимизация технологических параметров горячего прессования сегментов.

4. Исследовано влияние наночастиц на микроструктуру, физико-механические и трибологические свойства спеченных сегментов. Обнаружено, что оптимальное содержание упрочняющих частиц в сплаве находится на уровне 2 — 4 об %.

Введение

в связку упрочняющих наночастиц приводит к росту твердости на 3−10 единиц HRB, предела прочности на изгиб до 50%, ударной вязкости до 30%, износостойкости от 2 до 25 раз и уменьшению коэффициента трения пары корундовый шарик-упрочненная связка до 4 раз.

5. Разработана технологическая инструкция ТИ 01−93 490 283−2009 на производство алмазных сегментов с дисперсно-упрочненной наночастицами связкой, предназначенных для камнеобработки и резки огнеупоров. Изготовлены опытные партии алмазных отрезных сегментных кругов и сверл с дисперсно-упрочненной наночастицами связкой.

6. Проведены сравнительные лабораторные и промышленные испытания отрезных сегментных кругов и сверл. Показано, что введение в состав металлической связки наночастиц карбида вольфрама приводит к 4- кратному росту ресурса работы сегмента без снижения скорости резания, что недостижимо при использовании упрочняющих частиц микронного размера.

7. На алмазные сегменты и перлины нового поколения с дисперсно-упрочненной связкой разработаны и зарегистрированы в ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ» ниже следующие технические условия:

ТУ 3971−001−93 490 283−2009 (Сегменты алмазные с дисперсно-упрочненной наночастицами связкой для алмазных отрезных сегментных кругов и алмазных сверл, используемых в процессах камнеобработки и резки упоров);

ТУ 3971−002−93 490 283−2009 (Перлины с дисперсно-упрочненной наночастицами связкой для алмазных канатных пил, используемых в процессах камнеобработки и резки огнеупоров);

ТУ 3971−002−59 882 018;2006 «Сегменты алмазные с дисперсно-упрочненной матрицей для алмазных отрезных сегментных кругов и алмазных сверл»;

ТУ 3971−003−59 882 018;2006 «Перлины с дисперсно-упрочненной связкой для алмазных канатных пил»;

8. Осуществлено внедрение новых типов металлических связок в серийное производство завода ЗАО «Кермет» (г. Москва) по выпуску алмазных отрезных сегментных дисков и сверл. Произведено более 12 000 алмазных сегментов.