Алмазная спеченная заготовка и способ ее получения - RU2210488C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к материалу для алмазного спеченного компактного инструмента (который иногда будет упоминаться просто как "алмазная спеченная заготовка"), который имеет высокую прочность и является доступным в качестве материала для режущего инструмента, и к способу его получения.

В настоящее время производятся алмазные спеченные заготовки для применения в таком промышленном оборудовании, как режущие инструменты, штампы, режущие кромки и т.п., используемом для резки нежелезистых металлов, пластмасс, керамики и т. п. и используемом в качестве инструмента для правки, режущей кромки сверла, фильеры для вытяжки проволоки и т.д. В частности, алмазная спеченная заготовка, спеченная при сверхвысоком давлении и высокой температуре, в которой используется связующий материал, содержащий металл группы железа, такой как кобальт и т.п. в качестве доминирующего компонента, широко используется для резки нежелезистых металлов, пластмасс, керамики и т.п., в инструментах для правки, режущих кромках сверл и фильерах для вытяжки проволоки.

Среди этих инструментов, в частности, алмазный спеченный компактный инструмент, используемый для режущего оборудования, обычно состоит из инструментального материала, содержащего слой спеченного тела из алмазных зерен, имеющего толщину от около 0,5 до 1,5 мм, и цементированную карбидную подложку типа WC-Co, связанную с ним во время стадии, когда зерна алмаза спекают друг с другом, инструментальный материал подвергают огранке до заданной формы, чтобы получить режущую кромку инструмента, и затем припаивают твердым припоем к основе из цементированного карбида.

В процессах получения алмазных спеченных заготовок согласно уровню техники, например, используют способ, содержащий размещение металлического листа из металла группы железа, такого как кобальт, так, чтобы он находился в контакте с алмазным порошком, или смешивание металлического порошка металла группы железа, такого как кобальт, с алмазным порошком, затем предоставление возможности металлу группы железа расплавиться и впитаться в алмазный порошок и одновременное спекание алмазного порошка при сверхвысоком давлении и высокой температуре (см. JP-A-58-199777). Однако алмазная спеченная заготовка, полученная этим способом, является неудовлетворительной в отношении прочности, так как в спеченной заготовке остается термическое напряжение из-за разности в термическом расширении между слоем алмазного спеченного материала и цементированной карбидной подложкой, и прочность снижается из-за остаточного напряжения при спекании.

Описанная выше алмазная спеченная заготовка имеет превосходные свойства в качестве режущего инструмента для нежелезистых металлов и широко используется, но, с другой стороны, имеет недостаток в том, что ее прочность является низкой из-за остаточного напряжения при спекании, несмотря на ее превосходную износостойкость. То есть в известном материале для алмазного спеченного компактного инструмента остается термическое напряжение в спеченной заготовке из-за разности в термическом расширении между слоем алмазного спеченного материала и цементированной карбидной подложкой, и это остаточное напряжение имеет плохое влияние на прочность алмазной спеченной заготовки, так что легко можно предположить, что остаточное напряжение должно быть уменьшено для того, чтобы улучшить прочность. Хотя термическое напряжение является следствием разности в термическом расширении между слоем спеченного тела из алмазных зерен и цементированной карбидной подложкой при спекании и трудно полностью устранить термическое напряжение, однако никаких эффективных контрмер для снижения внутреннего напряжения не было предложено. Например, в качестве средства для улучшения прочности алмазной спеченной заготовки был предложен способ регулирования размеров алмазных зерен или изменения вида связующего для использования в ней, но эффекты от такого способа ограничены.

В патенте США 3745623 раскрыты алмазные инструменты и способы их получения при сверхвысоких давлениях, при которых алмазное содержимое присутствует в виде массы, содержащий кристаллы алмаза, связанные друг с другом, или тонкий поверхностный слой из кристаллов алмаза, связанных друг с другом. В каждом из этих случаев алмазное содержимое расположено на очень жесткой цементированной карбидной подложке и непосредственно связано с ней для обеспечения его механической опоры для более эффективного использования высокого модуля упругости алмаза. В этом патенте впервые была использована связь спеченного тела из алмазных зерен с одной поверхностью подложки типа WC-Co.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание материала для высокопрочного алмазного спеченного компактного инструмента, не имеющего вышеуказанных недостатков, и создание способа получения высокопрочной алмазной спеченной заготовки путем спекания алмазных зерен со связующим, т.е. Со, диффундирующим из цементированной карбидной подложки.

Этот технический результат достигается тем, что алмазная спеченная заготовка, содержащая цементированную карбидную подложку типа WC-Co, имеющую легкую волнистость, и спеченное тело в виде слоя из алмазных зерен и связующего, связанное с одной поверхностью подложки путем спекания при сверхвысоком давлении и высокой температуре, согласно изобретению выполнена в виде пластины толщиной от 0,5 до 5 мм и внешним диаметром по меньшей мере 20 мм, толщина слоя спеченного тела из алмазных зерен составляет от 0,05 до 0,4 мм, его площадь в пределах этой толщины занимает по меньшей мере 50% всей площади, а в качестве связующего оно содержит Со, диффундировавший из цементированной карбидной подложки.

Высота волнистости поверхности раздела между цементированной карбидной подложкой и слоем спеченного тела из алмазных зерен может составлять не более 0,2 мм.

Алмазные зерна, образующие спеченное тело, могут иметь размер зерна от 0,1 до 60 мкм, а от 85 до 99 об.% спеченного тела могут составлять алмазные зерна, связанные друг с другом.

Желательно, чтобы прочность на сдвиг на поверхности раздела между цементированной карбидной подложкой и спеченным телом из алмазных зерен составляла по меньшей мере 40 кг/мм².

Вышеуказанный технический результат достигается и тем, что в способе получения алмазной спеченной заготовки, включающем размещение алмазного порошка на цементированной карбидной подложке типа WC-Co и его спекание со связующим, согласно изобретению используют алмазный порошок с размером зерен от 0,1 до 60 мкм, спекание ведут в аппарате, создающем сверхвысокое давление, при сверхвысоком давлении и высокой температуре, при которой алмаз является устойчивым, а в качестве связующего алмазных зерен используют Со, диффундирующий из цементированной карбидной подложки.

Условием спекания является давление от 5,0 ГПа до 6,5 ГПа И температура от 1400 до 1600^oС.

Ниже представлено более подробное описание изобретения со ссылками на чертежи, на которых:
фиг. 1 представляет вид в поперечном сечении структуры образца для получения алмазной спеченной заготовки согласно способу данного изобретения;
фиг. 2 представляет вид в поперечном сечении структуры образца для получения алмазной спеченной заготовки согласно известному способу;
фиг.3 представляет график, показывающий результаты теста оценки режущего свойства алмазной спеченной заготовки согласно способу данного изобретения и другой алмазной спеченной заготовки согласно известному ранее способу путем сопоставления времени резки и размера износа;
фиг. 4 представляет схематический вид, иллюстрирующий высоту волнистости в алмазной спеченной заготовке данного изобретения.

Авторы изобретения обнаружили в результате различных исследований, что эффективно, для того чтобы уменьшить внутреннее остаточное напряжение в алмазной спеченной заготовке, спекать алмазные зерна, используя в качестве связующего Со, диффундирующий из цементированной карбидной подложки, но без привнесения металла группы железа, такого как Со, как в известном из уровня техники способе получения алмазной спеченной заготовки. В предпочтительном воплощении данного изобретения, как показано на фиг. 1, структурную композицию, содержащую алмазный порошок, непосредственно размещенную между цементированными карбидными пластинами, спекают при сверхвысоком давлении.

Алмазный порошок, имеющий размер зерна от 0,1 до 60 мкм, предпочтительно от 0,1 до 10 мкм, располагают на цементированной карбидной подложке типа WC-Co и спекают, подвергая алмазные зерна сверхвысокому давлению и высокой температуре, при которой алмаз является устойчивым, в аппарате, создающем сверхвысокое давление, например при давлении от 5,0 ГПа до 6,5 ГПа и температуре от 1400 до 1600^oС, и используя в качестве связующего Со, диффундирующий из цементированной карбидной подложки. В этом случае, если размер зерна меньше чем 0,1 мм, возникает такая проблема, что алмазное зерно растворяется в Со и теряется, в то время как при размере больше 60 мкм прочность заметно снижается.

Алмазная спеченная заготовка, полученная таким образом, содержит цементированную карбидную подложку типа WC-Co, имеющую легкую волнистость, и спеченное тело в виде слоя из алмазных зерен и связующего, связанное с одной поверхностью подложки путем спекания при сверхвысоком давлении и высокой температуре. Заготовка выполнена в виде пластины толщиной от 0,5 до 5 мм и внешним диаметром по меньшей мере 20 мм, толщина слоя спеченного тела из алмазных зерен составляет от 0,05 до 0,4 мм, его площадь в пределах этой толщины занимает по меньшей мере 50% всей площади, а в качестве связующего оно содержит Со, диффундировавший из цементированной карбидной подложки. Высота волнистости "h" (фиг.4) поверхности раздела между цементированной карбидной подложкой и слоем спеченного тела из алмазных зерен сведена до величины не более 0,2 мм благодаря пониженному внутреннему остаточному напряжению. Если высота волнистости превышает 0,2 мм, остаточное напряжение повышается, вызывая снижение прочности. Соответственно даже если толщина слоя спеченного тела из алмазных зерен составляет от 0,05 до 0,4 мм, большая часть поверхности спеченной заготовки может быть использована для кромок инструментов.

Если толщина слоя спеченного тела менее чем 0,05 мм, он является слишком тонким для достижения достаточного срока службы инструмента, в то время как если она больше чем 0,4 мм, количество Со является недостаточным, результатом чего является недостаточное спекание.

Так как реальный алмазный спеченный компактный инструмент данного изобретения имеет очень высокую износостойкость в зависимости от применения, размер бокового износа равен в основном самое большее 0,1 мм, и толщина слоя спеченного тела из алмазных зерен в пределе по меньшей мере 0,5 мм не требуется, но толщина слоя спеченного тела из алмазных зерен в диапазоне от 0,05 до 0,4 мм является достаточной.

Если толщина пластины менее чем 0,5 мм, появляется такой недостаток, что манипуляции во время изготовления инструмента затруднены, и такая толщина не подходит для инструментального материала, будучи слишком тонкой, в то время как если она более чем 5 мм, это не используется в обычных инструментах, потому что это слишком толсто. Внешний диаметр доводят по меньшей мере до 20 мм, так как, если он меньше чем 20 мм, качество не идет в сравнение с его стоимостью.

Когда площадь спеченного тела из алмазных зерен имеет самое большее 50% сечения по толщине в диапазоне от 0,05 до 0,4 мм, возникает проблема, что эффект от снижения внутреннего напряжения утрачивается, и технический результат данного изобретения не может быть достигнут.

Алмазную спеченную заготовку данного изобретения предпочтительно формируют из алмазных зерен, имеющих размер зерна от 0,1 до 60 мкм, и от 85 до 99 об. % спеченного тела предпочтительно составляют алмазные зерна, связанные друг с другом. В этом случае не требуется использовать связующее для алмазных зерен перед спеканием, и в качестве связующего используют Со, диффундирующий из цементированной карбидной подложки во время спекания, так что прочность на сдвиг на поверхности раздела между спеченным телом из алмазных зерен и цементированной карбидной подложкой является очень высокой.

Причиной того, почему внутреннее остаточное напряжение снижается в материале для алмазной спеченной заготовки, может считаться следующее. Так как способ получения алмазной спеченной заготовки согласно данному изобретению отличается от известных способов и содержит спекание за счет использования Со, диффундирующего из цементированной карбидной подложки типа WC-Co, в качестве связующего без предварительного размещения пластины из металла группы железа, такого как Со, формируют промежуточную композицию из спеченного тела из алмазных зерен и цементированного карбида в течение того же времени вблизи поверхности раздела между слоем спеченного тела из алмазных зерен и цементированной карбидной подложкой, где термическое напряжение смягчают во время спекания алмаза.

В дополнение, толщина слоя спеченного тела из алмазных зерен является тонкой, как представлено толщиной от 0,05 до 0,4 мм, и эта область составляет до 85 - 99 об.%. Соответственно напряжение, добавленное спеченным телом из алмазных зерен к цементированной карбидной подложке, является таким малым, что внутреннее остаточное напряжение является маленьким.

Согласно указанной выше причине напряжение снижается, результатом чего является усиление прочности алмазной спеченной заготовки и еще увеличение прочности на сдвиг на поверхности раздела между спеченным телом из алмазных зерен и цементированной карбидной подложкой, например по меньшей мере до 40 кг/мм², благодаря использованию Со, диффундирующего из цементированной карбидной подложки типа WC-Co.

Более того, толщина слоя спеченного тела из алмазных зерен является такой тонкой, например, как представлено 0,05 до 0,4 мм, что во время механической обработки режущей кромки количество алмазных отходов снижается с уменьшением стоимости механической обработки.

Данное изобретение теперь будет пояснено следующими примерами без его ограничения.

Пример 1
Диск, изготовленный из цементированного карбида (WC-4 до 6% Со), с диаметром 29,5 мм и толщиной 3 мм помещают в тигель, изготовленный из Та, с внутренним диаметром 30 мм. На цементированный карбидный диск загружают алмазные зерна, которые затем покрывают еще диском, изготовленным из цементированного карбида, с диаметром 29,5 мм и толщиной 3 мм и слегка подпрессовывают при давлении около 100 МПа. Загруженные алмазные зерна имеют диаметры зерен, как показано в таблице. Загруженное количество алмазных зерен при этом регулируют так, чтобы толщина слоя алмазных зерен была от 0, 7 до 0,8 мм.

Когда этот тигель подвергают обработке при сверхвысоком давлении и высокой температуре, например, при давлении 5,5 ГПа и температуре 1450^oС, получают алмазную спеченную заготовку с толщиной от 0,3 до 0,4 мм, прослоенную между цементированными карбидными дисками. Чтобы получить структуру, подходящую для инструментального материала, цементированный карбид на одной стороне спеченной заготовки полностью удаляют с помощью плоскошлифовального станка и устройства для обработки электрическим разрядом. После этого получают материал для алмазного спеченного компактного инструмента, имеющий общую толщину около 3 мм и содержащий структуру из слоя спеченного тела из алмазных зерен с толщиной от 0,2 до 0,25 мм, связанного с цементированной карбидной подложкой, имеющей максимальную разность в высоте волнистости 0,1 мм. Площадь слоя спеченного тела из алмазных зерен в пределах этой толщины занимает около 80% всей площади.

Затем с полученного таким образом спеченного тела из алмазных зерен удаляют основную часть цементированного карбида, чтобы получить образец для измерения прочности, состоящий из простого вещества алмазной спеченной заготовки. Образец для измерения прочности подвергают окончательной механической обработке до длины 6 мм, ширины 3 мм и толщины 0,2 мм.

Для сравнения готовят сравнительные образцы того же размера, используя алмазные спеченные заготовки (примеры А-D, см. табл.) согласно уровню техники. Используя эти образцы, измеряют прочность (сопротивление поперечному изгибу) спеченных материалов путем испытания на изгиб в трех точках при условии расстояния между опорами 4 мм.

Результаты испытаний на прочность, проведенных таким образом, сведены в таблицу, где диаметр зерна (мкм) показывает распределение от минимума до максимума.

Как очевидно из таблицы, алмазные спеченные заготовки данного изобретения имеют более высокие прочности, чем алмазные спеченные заготовки предшествующего уровня техники, имеющие тот же размер зерна.

Пример 2
Образец 1 и образец А алмазных спеченных заготовок, полученных в примере 1, режут на объекты заданной формы и соответственно паяют твердым припоем к основаниям инструментов, чтобы получить режущие инструменты [алмазная спеченная заготовка, припаянная твердым припоем к одному углу цементированного карбида, в форме правильного треугольника с вписанной окружностью 9,525 мм, углом рельефа вставки 11^o (общая периферия) и толщиной 3,18 мм и режущей кромкой в R-форме радиусом 0,4 мм].

Используя полученный режущий инструмент, оценку режущих свойств проводят при следующих условиях:
Обрабатываемый предмет: круглый стержень из сплава Аl - 16 мас.% Si.

Скорость вращения поверхности обрабатываемого предмета: 600 м/мин (экспериментальные данные).

Глубина резки: 0,5 мм (экспериментальные данные).

Скорость подачи: 0,12 мм/обор. (экспериментальные данные).

Влажный процесс.

Результаты испытания для оценки режущих свойств показаны на фиг.3. Будет ясно для понимания из фиг.3, что инструмент, в котором используют алмазный спеченный материал согласно данному изобретению (образец 1), обнаруживает режущее свойство такое же, как инструмент, изготовленный из алмазной спеченной заготовки предшествующего уровня техники (образец А).

Алмазная спеченная заготовка согласно данному изобретению имеет превосходную прочность в качестве материала режущего инструмента и намного улучшенную, чем алмазные спеченные заготовки предшествующего уровня техники. Более того, алмазная спеченная заготовка данного изобретения может быть произведена более экономично в отношении стоимости по сравнению с алмазными спеченными заготовками предшествующего уровня техники.

Реферат

Изобретение относится к материалам для режущего инструмента. Заготовка содержит цементированную карбидную подложку типа WC-Co, имеющую легкую волнистость, и спеченное тело в виде слоя из алмазных зерен и связующего. Толщина слоя спеченного тела из алмазных зерен составляет от 0,05 до 0,4 мм, его площадь в пределах этой толщины занимает по меньшей мере 50% всей площади, а в качестве связующего оно содержит Со, диффундировавший из цементированной карбидной подложки. Изобретение позволяет создать материал для высокопрочного алмазного компактного инструмента. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Формула