АЛМАЗНЫЙ ИНСТРУМЕНТ НА ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ СВЯЗКЕ
DIAMOND TOOL ON ELECTROPLATING BINDER

Изобретение относится к алмазным инструментам, изготавливаемым с использованием процессов закрепления алмазных зерен на корпусе инструмента электроосаждением металлической связки, - инструментам на гальванической связке. Такими инструментами могут быть отрезные круги, трубчатые сверла, различные шлифовальные инструменты и т.д.
Известен алмазный инструмент, содержащий корпус, на поверхности которого закреплены гальванической связкой алмазные зерна, выполняющие роль режущих зерен. Сверху на гальваническую связку между алмазными зернами нанесено покрытие, в состав которого введены ультрамелкие зерна. В качестве ультрамелких зерен использованы алмазные порошки размером 100 Å (патент JР №4372367, 1992 г., кл. B24D 3/02). Срок службы инструмента увеличивается за счет твердого покрытия на связке и улучшения антифрикционных свойств.
Недостатком инструмента является то, что после износа верхнего упрочненного покрытия инструмент работает как обычный, т.к. в слое связки под упрочненным покрытием ультрамелкие алмазы отсутствуют. Известны композиционные покрытия, наносимые на поверхности деталей различных узлов и механизмов, работающих в условиях повышенного трения, вызывающего нагрев трущихся поверхностей до температуры 200-300°С. Для повышения твердости и снижения коэффициента трения покрытия в его состав вводят нанопорошки алмазов. Оптимальная толщина таких покрытий составляет 5-50 мкм и предназначены они преимущественно для защиты этих поверхностей от износа (патенты RU №2059022, кл. C25D 15/00, 1996 г., RU №2094371, кл. С01В 31/06, 1991 г., RU №2203348, кл. С23С 14/06, 2001 г., JP №56163881, кл. B24D 3/06, 1981 г.).
Известен гальванический алмазный инструмент, содержащий корпус, на котором гальванической связкой закреплены режущие алмазные зерна. Гальваническая связка содержит металлическую основу и ультрадисперсный наполнитель, в качестве которого использованы алмазные нанопорошки с размером частиц 40-60 нм. Содержание нанопорошков в связке составляет 0,3-1,6% (а.с. СССР №1703427, кл. B24D 3/34, 1992 г.). Недостаток инструмента заключается в следующем. В алмазном инструменте связка предназначена для закрепления режущих алмазных зерен на корпусе инструмента и удержания их в связке до полной выработки ресурса зерна, который составляет, по меньшей мере, половину его размера. Известно, что алмазные порошки имеют невысокую термостойкость, в частности, нанопорошки алмазов при температуре 450°С начинают окисляться и графитизироваться. Учитывая, что в зоне резания мгновенные температуры достигают 800-900°, через некоторое время алмазные нанопорошки, из-за изменения своих физико-механических свойств, приводят к разупрочнению связки. В связи с этим алмазные зерна начинают выпадать до того, как они выработали свой ресурс.
Кроме того, при обработке деталей связка инструмента находится в контакте с обрабатываемым материалом и при повышенных температурах алмазный нанопорошок в связке, активно вступает во взаимодействие со многими металлическими материалами, растворяющими углерод алмаза или образующими с ним карбиды при высоких температурах, развиваемых в зоне резания. Введение наноалмазных порошков в связку приводит к тому, что при резании происходит «схватывание» алмазного материала с материалом обрабатываемой поверхности, поэтому не любой металлический материал может быть обработан таким алмазным инструментом, что существенно ограничивает круг обрабатываемых материалов.
Технической задачей является увеличение срока службы инструмента, а также расширение диапазона эффективно обрабатываемых материалов.
Для решения технической задачи в алмазном инструменте на гальванической связке, содержащем корпус, на котором закреплены режущие алмазные зерна гальванической связкой, включающей ультрадисперсный наполнитель, в качестве ультрадисперсного наполнителя он содержит порошки, имеющие температуру деструкции выше 800°С, зернистость 20-100 нм, а их объемное содержание в связке составляет 0,3-2,5%.
2
3
2
2
2
3
2
2
3
3
4
4
12
4
6
2
В качестве ультрадисперсного наполнителя связка содержит порошки, выбранные из группы: АlО, SiO, TiO, TiO, ZrO, FеО, FeO, BC, SiC, AlB, SiB, SiB, FeB.
Указанные наноразмерные порошки при температурах, которые возникают в зоне резания, не изменяют своего физико-химического состояния, инертны ко многим обрабатываемым материалам. Кроме того эти порошки стойки в электролитах, которые широко используются при изготовлении алмазного гальванического инструмента, таких как никелирования, хромирования, меднения, не имеют металлической или полупроводниковой проводимости, в связи с чем они могут быть успешно использованы при изготовлении гальванического инструмента.
Нанопорошки, имеющие температуру деструкции ниже 800°С, существенно снизят стойкость инструмента и ограничат область его применения, из-за разупрочнения связки и возможности схватывания ее с обрабатываемым материалом в процессе резания.
Нанопорошки берут размером 20-100 нм, и их объемное содержание в связке составляет 0,3-2,5%. Указанные размер нанопорошков и их содержание в связке взаимосвязаны, такое соотношение указанных параметров обеспечивает требуемую прочность связки, позволяющую достигать оптимальную работоспособность инструмента.
При использовании нанопорошков меньшей зернистости увеличится количество зерен нанопорошков в связке, т.е. увеличится их объемное содержание в связке, что приведет к увеличению коэффициента трения связки об обрабатываемый материал и, соответственно, к интенсификации адгезионных процессов между обрабатываемым материалом и связкой. При использовании нанопорошков большей зернистости и, соответственно, при меньшем их объемном содержании в связке в соответствии с теорией дисперсионного упрочнения уменьшится прочность связки и ухудшится удержание режущих алмазных зерен, которые будут выпадать, не выработав своего ресурса.
Алмазный инструмент поясняется чертежом.
2
3
2
2
2
3
2
2
3
3
4
4
12
4
6
2
Инструмент содержит корпус 1, на поверхности которого закреплен рабочий слой 2. Рабочий слой содержит режущие алмазные зерна 3 и связку 4, которая закрепляет и удерживает алмазные зерна на корпусе инструмента. Связка включает нанопорошки 5 материалов, выбранных из группы: АlО, SiO, TiO, ТiO, ZrO, FеO, FеO, ВС, SiC, AlB, SiB, SiB, FeB.
2
3
2
2
2
3
2
2
3
3
4
4
12
4
6
2
Инструменты, содержащие нанопорошки, выбранные из группы: АlО, SiO, TiO, ТiO, ZrO, FеO, FеО, ВС, SiC, AlB, SiB, SiB, FeB, - могут обрабатывать такие материалы, как минералокерамика, труднообрабатываемые жаропрочные сплавы, твердые сплавы, стекло, хрусталь, камни, бетон, а также такие материалы, как жаропрочные сплавы, не содержащие в качестве легирующих компонентов титан, алюминий, кремний, марганец, т.е группу твердых металлических материалов, которые не рекомендуется обрабатывать алмазными инструментами, содержащими в качестве нанонаполнителя наноалмазные порошки.
В таблице №1 приведены характеристики нанопорошков, используемых при решении технической задачи, отобранных по критериям: отсутствие металлической, полупроводниковой электропроводности, температура деструкции выше 800°С.
Таблица №1 - Характеристики нанопорошков
№
Класс химическая формула вещества нанопорошка
Температура деструкции нанопорошков, °С
Рекомендуемые области применения инструментов с нанопорошками
1
2
3
4
I
Оксиды
Обработка
1
Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
1100
материалов группы
2
SiO<sub>2</sub>
1250
железа, в том числе
3
TiO<sub>2</sub>
1065
легированных: Ni,
Продолжение таблицы №1
1
2
3
4
4
Ti<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
925
Cr, B, Ti
5
ZrO<sub>2</sub>
1107
6
Fе<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
850
7
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
870
II
Карбиды
Обработка твердых
1
B<sub>4</sub>C
1200
сплавов
2
SiC
1000
III
Бориды
Обработка стекла,
1
АlВ<sub>12</sub>
820
хрусталя, камня,
2
SiB<sub>4</sub>
820
бетона
3
SiB<sub>6</sub>
1070
4
Fe<sub>2</sub>B
830
2
4
Были изготовлены алмазные сверла на гальванической связке диаметром 5 мм из алмазов АС32, 160/125. Связкой инструмента служил гальванический никель, полученный из никелевого серно-хлористого электролита при плотности тока 1 А/дм, температуре электролита - 60°С. Использовали в качестве ультрадисперсного наполнителя нанопорошок группы боридов, карбид бора BC зернистостью 40-80 нм с объемным содержанием в связке 1,8% об.
Сверлами сверлили отверстия в оконном стекле.
Общая стойкость инструмента без ультрадисперсного наполнителя составила 800 мм просверленных отверстий, а инструмента с нанопорошками - 1,8 м.
2
Также были изготовлены гальванические шлифовальные круги 1А1 диаметром 400 мм из алмазных порошков АС32 80/63 и нанопорошков группы оксидов SiO (двуокись крмения). Производили тонкое плоское шлифование вкладыша пресс-формы, изготовленного из жаропрочного сплава ЖС6У (никелевая основа), при следующих режимах: Vкр.=20 м/мин, Sпоп=0,2 мм/дв. ход, Sпр=0,5 м/мин.
Удельный расход кругов в среднем составил 2,8 мг/г, а алмазных кругов без ультрадисперсного наполнителя - 6,2 мг/г. Алмазные круги с наноалмазным наполнителем по материалу ЖС6У не работали из-за быстрого растворения в никеле сверхмелких алмазных порошков.
12
пр
поп
12
Алмазные отрезные круги диаметром 300 мм, толщиной 6,5 мм из алмазных порошков А5 400/315 и нанопорошков группы боридов AlB, изготовленных по режимам (см. первый пример), испытывались при резке полупроводникового кремния (операция калибровки слитка). Скорость круга V=22 м/с, продольная подача S=1 м/мин, S=0,5 мм/ход. Круги снимались с испытаний по условию допустимых выкрашиваний на образующих поверхностях слитка при заходе круга и его выходе из зоны обработки. Круг с наноалмазами обработал 230 слитков. Круг с нанопорошками группы боридов AlB - 383 слитка.
Попытки изготовления и испытания алмазных инструментов с использованием нанопорошков оксидов, карбидов, боридов, не соотвествующих требованиям по электропроводности, металлической проводимости, температуре деструкции, например, см. таблицу №2.
Таблица №2 - Использование не соответсвующих требованиям нанопорошков в алмазном инстурменте
№
Класс, химическая формула вещества нанопоршка
Температура деструкции, °С
Причины плохого качества инструмента
1
2
3
4
I
Оксиды
Низкая
1
VO<sub>2</sub>
670
прочностойкость
2
CrO
700
инструмента
Продолжение таблицы №2
1
2
3
4
II
Карбиды
Пористость
1
Аl<sub>4</sub>С<sub>3</sub>
Разлагается при
алмазного слоя
контакте с СОЖ
2
Cr<sub>3</sub>С<sub>2</sub>
600
III
Бориды
Грубое обрастание
1
СO<sub>2</sub>В
Металлическая
частиц связкой,
прововодимость
пористость, сколы
2
V<sub>2</sub>В<sub>3</sub>
Высокая
на обработанной
электропроводность
поверхности
2
3
2
2
2
3
2
2
3
3
4
4
12
4
6
2
2
В результате экспериментов было установлено, что введение в гальваническую связку нанопорошков, выбранных из группы АlО, SiO, TiO, TiO, ZrO, FeO, FеO, ВС, SiC, AlB, SiB, SiB, FeB, FeB размером 10-100 нм с объемным содержанием 0,3-2,5%, позволило увеличить прочность связки и, соответственно, увеличить срок службы инструмента по сравнению со связкой, содержащей нанопорошки алмазов. Инструментом обрабатывали в том числе и такие материалы, которые не могли быть обработаны инструментами с наноалмазными порошками, например, ЖССУ.