RU2487006C1 - Copper-based binder for making cutting tool with superhard material - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy, particularly to production of composite materials and may be used in construction and machine building. Proposed composition contains the following substances, in wt %: copper 27.5 - 49.5, cobalt 13.75 - 24.75, iron 13.75 - 24.75, nickel 1- 45, alloyimng additive 0.01 - 3.0.

EFFECT: higher ductility, hardness, strength, specific wear resistance and cutting speed.

4 cl, 8 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, к способам получения композиционных материалов. Изобретение может быть использовано в качестве связок при изготовлении режущего инструмента со сверхтвердым материалом для стройиндустрии, тяжелого машиностроения, нефте- и газоперерабатывающая отрасли и др., включая отрезные сегментные круги различной конструкции (ОСК), применяемые при резке чугунов, и канатных пил для резки массивных конструкций из стали и чугунов.The invention relates to powder metallurgy, to methods for producing composite materials. The invention can be used as ligaments in the manufacture of cutting tools with superhard materials for the construction industry, heavy machinery, oil and gas processing industries, etc., including cutting segment wheels of various designs (OSK) used in the cutting of cast irons and wire saws for cutting massive steel and cast iron constructions.

Связка оказывает влияние на конструкцию инструмента. В зависимости от связки выбирается материал корпуса, метод соединения абразивного слоя с корпусом. Физико-механические свойства связок предопределяют возможную получаемую форму и размеры режущего инструмента на основе CBN и/или алмаза.The bundle affects the design of the tool. Depending on the bond, the material of the body is selected, the method of connecting the abrasive layer with the body. The physicomechanical properties of the ligaments determine the possible resulting shape and dimensions of the cutting tool based on CBN and / or diamond.

Известна связка для изготовления алмазного инструмента (RU 2286241 С2, опубл. 2006.07.07), содержащая металл, выбранный из группы железа Периодической системы, карбид титана и соединение металла с металлоидом. С целью повышения прочности связки и надежности закрепления алмазного зерна в связке дополнительно содержится карбид циркония.Known binder for the manufacture of diamond tools (RU 2286241 C2, publ. 2006.07.07) containing a metal selected from the iron group of the Periodic system, titanium carbide and a metal compound with a metalloid. In order to increase the bond strength and the reliability of fixing diamond grains, the zirconium carbide is additionally contained in the bond.

Недостатком известной связки является использование дорогостоящего и токсичного кобальта, а также более низкой скорости резания высокоармированного железобетона и снижение ресурса работы инструмента.A disadvantage of the known ligament is the use of expensive and toxic cobalt, as well as a lower cutting speed of highly reinforced concrete and a decrease in the tool life.

Прототипом заявленного изобретения является связка для изготовления алмазного инструмента (RU 2432249 С1, опубл. 27.10.2011. Бюл. №30), содержащая основу в виде меди.The prototype of the claimed invention is a bunch for the manufacture of diamond tools (RU 2432249 C1, publ. 10/27/2011. Bull. No. 30), containing a base in the form of copper.

Недостатком известного материала на основе меди является недостаточная износостойкость, твердость, прочность, ударная вязкость и температурная стойкость, а также низкий удельный ресурс при резке стали, чугуна.A disadvantage of the known copper-based material is insufficient wear resistance, hardness, strength, toughness and temperature resistance, as well as a low specific resource when cutting steel and cast iron.

Технической задачей заявленного изобретения является увеличение ударной вязкости KCU, твердости HRB, предела прочности при трехточечном изгибе σ^изг, удельной износостойкости И_обр, удельного ресурса и скорости резания отрезных сегментных дисков при низкой остаточной пористости сегментов, содержащих CBN/алмаз.The technical task of the claimed invention is to increase the impact strength of KCU, HRB hardness, tensile strength at three-point bending σ ^ar , specific wear resistance And _arr , specific resource and cutting speed of cutting segment discs with low residual porosity of CBN / diamond segments.

Поставленная задача достигается тем, что в связку на основе меди, кобальта и железа дополнительно вводят от 1 до 45 мас.% никеля и легирующую добавку в количестве от 0,01 до 3 мас.%.The problem is achieved in that in a binder based on copper, cobalt and iron, an additional 1 to 45 wt.% Nickel and a dopant are added in an amount of 0.01 to 3 wt.%.

Связки могут быть получены методом порошковой металлургии: спеканием с последующим прессованием при температуре спекания. Этот метод является высокопроизводительным, т.к. продолжительность процесса нагрева до температуры спекания, выдержка при температуре спекания, прессование и охлаждение до комнатной температуры не превышают 15 минут. Высокие скорости нагрева и равномерное распределение температур в рабочей камере обеспечиваются за счет пропускания электрического тока через спекальную форму, которая одновременно является и пресс-формой.Bundles can be obtained by powder metallurgy: sintering followed by pressing at a sintering temperature. This method is highly productive because the duration of the heating process to sintering temperature, holding at sintering temperature, pressing and cooling to room temperature do not exceed 15 minutes. High heating rates and a uniform temperature distribution in the working chamber are ensured by passing an electric current through a sinter mold, which is also a mold.

По окончании выдержки при температуре отжига сразу же проводится прессование для обеспечения необходимой плотности и формы изделий. Конструкция пресс-формы позволяет проводить процесс в инертной и защитной атмосфере, что повышает качество инструмента.At the end of exposure at the annealing temperature, pressing is immediately carried out to ensure the necessary density and shape of the products. The mold design allows the process to be carried out in an inert and protective atmosphere, which improves the quality of the tool.

Полученные сегменты с CBN и/или алмазом напаиваются на диск. Испытания дисков проводят при резке массивной отливки из серого чугуна марки СЧ20.The resulting segments with CBN and / or diamond are soldered to the disk. Tests of the disks are carried out when cutting a massive casting of gray cast iron grade SCH20.

Материалы связок по изобретению обеспечивают лучшие экономические показатели по сравнению с аналогами ведущих мировых производителей по критериям цена/ресурс и цена/производительность.The materials of the ligaments according to the invention provide better economic indicators compared with analogues of the world's leading manufacturers according to the criteria of price / resource and price / performance.

Пример. В связку на основе меди состава (мас.%):Example. In a bunch based on copper composition (wt.%):

Cu - 27,5-49,5Cu - 27.5-49.5

Со - 13,75-24,75Co - 13.75-24.75

Fe - 13,75-24,75Fe - 13.75-24.75

Ni - 1-45Ni - 1-45

Легирующая добавка - 0,01-3,0Alloy Additive - 0.01-3.0

Влияние содержания никеля и количества вводимых легирующих компонентов приведено в таблицах 1-6. В качестве легирующей добавки вводят углеродные материалы.The effect of nickel content and the amount of alloying components introduced is shown in tables 1-6. As an alloying agent, carbon materials are introduced.

Приведенные примеры составов связки (таблицы 1-6) обосновывают пределы содержания легирующих добавок.The above examples of the composition of the ligament (table 1-6) justify the limits of the content of alloying additives.

Удельный ресурс ОСК и скорость резания в таблицах 1-6, 8 приведены по данным испытания отрезного сегментного диска с сегментами на основе CBN при резки чугуна марки СЧ20. Общая концентрация абразива в сегменте составляет 10 об.%, крупность зерен CBN 45/50 mesh. The specific OSK resource and cutting speed in Tables 1-6, 8 are given according to the test data of a cutting segment disk with CBN-based segments when cutting SCh20 grade cast iron. The total concentration of abrasive in the segment is 10 vol.%, The grain size of CBN 45/50 mesh.

С целью увеличить удельный ресурс и скорость резания в связки вместе CBN водят алмаз. В таблице 7 представлены свойства связки и инструмента с сегментами, в которых в качестве абразива взят алмаз и CBN в пропорции 50/50%. Общая концентрация абразива в сегменте составляет 10 об.%, крупность 45/50 mesh.In order to increase the specific resource and the cutting speed, CBN drives diamond together. Table 7 presents the properties of the bond and tool with segments in which diamond and CBN are taken as an abrasive in a proportion of 50/50%. The total concentration of abrasive in the segment is 10 vol.%, Particle size 45/50 mesh.

Таблица 7Table 7 Влияние легирующей добавки углеродных нанотрубок С_нт на свойства связки и инструмента с кубическим нитридом бора и алмазом.The effect of doping additives of carbon nanotubes With _NT on the properties of the bundle and tool with cubic boron nitride and diamond. Состав, об(мас).%Composition, about (wt.).% П, %P, % Твердость, HRBHardness, HRB σ^изг, МПаσ ^mfd, MPa KCU, Дж/мм² KCU, J / mm ² И_обр, мм³/(Н×м)×10⁴ And _arr , mm ³ / (N × m) × 10 ⁴ Удельный ресурс ОСК*, м²/ммSpecific OSK * resource, m ² / mm Скорость резания, см²/часCutting speed, cm ² / hour 100%Cu_{связка2} ^* 100% Cu _{bond 2} ^* 1,31.3 9595 11201120 5,65,6 0,390.39 0,960.96 720720 99,995%Cu_{связка2}+0,005 Снт _99.995 % Cu _bond 2 + 0.005 Sint 1,51,5 9292 10401040 5,05,0       0,440.44 0,820.82 680680 99,99%Cu_{связка2}+0,01% Снт99.99% Cu _{bond 2} + 0.01% CST 1,51,5 9797 11601160 5,85.8       0,370.37 0,990.99 730730 99%Cu_{связка2}+1% Снт99% Cu _{bond 2} + 1% 1,71.7 104104 13301330 6,46.4       0,260.26 1,221.22 740740 98%Cu_{связка2}+2% Снт98% Cu _bond 2 + 2% Sint 2,12.1 9898 11801180 5,95.9       0,310.31 1,111,11 730730 97%Cu_{связка2}+3% Снт97% Cu _{bond 2} + 3% Sct 3,13,1 9797 11601160 5,75.7       0,370.37 1,051.05 720720 96%Cu_{связка2}+4% Снт96% Cu _{bond 2} + 4% 3,73,7 8989 930930 4,44.4       0,550.55 0,780.78 650650 Состав: Cuсвязка2 35%Cu; 17,5%Co; 17,5%Co; 30%NiComposition: Cu binding 2 35% Cu; 17.5% Co; 17.5% Co; 30% Ni

Как видно из таблиц 1÷7, содержание легирующей добавки менее 0,01 мас.% не обеспечивает достижение поставленной цели, т.к. их количества недостаточно для эффективного дисперсионного упрочнения связки, и их влияние на структуру и свойства полученного материала незначительноAs can be seen from tables 1 ÷ 7, the content of the dopant less than 0.01 wt.% Does not ensure the achievement of the goal, because their quantity is insufficient for effective dispersion hardening of the binder, and their effect on the structure and properties of the obtained material is negligible

Введение в связку более 3 мас.% приводит к увеличению пористости и других свойств, т.к. легирующие добавки являются более тугоплавкими, твердыми и имеющими высокие модули упругости материала по сравнению с медью и никелем, то они выступают в роли концентраторов напряжений, что сильно охрупчивает материал и приводит к снижению прочностных характеристик и износостойкости связки, а также требуют повышения температуры спекания и обладают плохой прессуемостью.Introduction to the binder of more than 3 wt.% Leads to an increase in porosity and other properties, because alloying additives are more refractory, harder and have higher moduli of elasticity of the material compared to copper and nickel, they act as stress concentrators, which greatly embrittle the material and leads to a decrease in the strength characteristics and wear resistance of the binder, and also require an increase in sintering temperature and have poor compressibility.

Указанные диапазоны концентраций легирующих добавок 0,01÷3 мас.%. Справедливы только для нанодисперсных порошков. На свойства связки оказывает влияние размер частиц легирующего элемента. Для получения заданной удельной поверхности порошки разделялись на фракции заданной дисперсности, обеспечивающей требуемые значения удельной поверхности. В таблице 8 представлена зависимость легирующих элементов от размера частиц (удельной поверхности).The indicated concentration ranges of dopants are 0.01–3 wt.%. Valid only for nanodispersed powders. The particle size is influenced by the particle size of the alloying element. To obtain a given specific surface area, the powders were divided into fractions of a given dispersion, providing the required specific surface area. Table 8 presents the dependence of the alloying elements on the particle size (specific surface).

Таблица 8Table 8 Влияние дисперсности легирующей добавки углеродных нанотрубок С_нт на свойства связки инструмента с кубическим нитридом бораThe effect of dispersion of the dopant of carbon nanotubes C _nt on the properties of a tool bundle with cubic boron nitride Состав, об(мас).%Composition, about (wt.).% П, %P, % Твердость, HRBHardness, HRB σ^изг, МПаσ ^mfd, MPa KCU, Дж/мм² KCU, J / mm ² И_обр, мм³/(Н×м)×10⁴ And _arr , mm ³ / (N × m) × 10 ⁴ Удельный ресурс ОСК*, м²/ммSpecific OSK * resource, m ² / mm Скорость резания, см²/часCutting speed, cm ² / hour 100%Сu_{связка2} ^* 100% Cu _{bundle 2} ^* 1,31.3 9595 11201120 5,65,6 0,390.39 0,830.83 650650 7070 1,41.4 9393 10501050 5,05,0 0,440.44 0,720.72 630630 7575 1,41.4 9797 11701170 5,85.8 0,300.30 0,850.85 680680 100one hundred 1,51,5 100one hundred 12601260 6,46.4 0,250.25 0,980.98 700700 125125 1,61,6 103103 13201320 6,86.8 0,220.22 1,181.18 710710 150150 1,81.8 9696 11901190 6,16.1 0,360.36 0,850.85 660660 160160 2,52,5 9191 10101010 4,84.8 0,520.52 0,660.66 640640 Состав: Сu_{связка2} 35%Cu; 17,5%Со; 17,5%Со; 30%NiComposition: Cu _bond2 35% Cu; 17.5% Co; 17.5% Co; 30% Ni

Материалы связок по изобретению обеспечивают лучшие экономические показатели по сравнению с аналогами ведущих мировых производителей по критериям цена/ресурс и цена/производительность.The materials of the ligaments according to the invention provide better economic indicators compared with analogues of the world's leading manufacturers according to the criteria of price / resource and price / performance.

Claims (4)

1. Связка на основе меди, используемая при изготовлении инструмента, включающего сверхтвердый материал, содержащая кобальт, железо, никель и легирующую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Cu 27,5-49,5 Со 13,75-24,75 Fe 13,75-24,75 Ni 1-45 легирующая добавка 0,01-3,0 1. A copper-based binder used in the manufacture of a tool comprising a superhard material containing cobalt, iron, nickel and an alloying additive in the following ratio of components, wt.%:
Cu 27.5-49.5 With 13.75-24.75 Fe 13.75-24.75 Ni 1-45 dopant 0.01-3.0 2. Связка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве легирующей добавки она содержит углеродные нанотрубки и ультрадисперсный алмаз.2. A bond according to claim 1, characterized in that it contains carbon nanotubes and an ultrafine diamond as an alloying additive. 3. Связка по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит легирующую добавку в виде нанопорошков с удельной поверхностью 75 - 150 м²/г.3. The bond according to claim 1, characterized in that it contains a dopant in the form of nanopowders with a specific surface area of 75 - 150 m ² / g. 4. Связка по п. 1, отличающаяся тем, что сверхтвердый материал представляет собой кубический нитрид бора и/или алмаз. 4. The bond according to claim 1, characterized in that the superhard material is a cubic boron nitride and / or diamond.