Абразивный инструмент на основе полимеров и технических алмазных порошков природного происхождения

АБРАЗИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ АЛМАЗНЫХ ПОРОШКОВ ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Алмаз занимает исключительное положение в современной цивилизации и воплощает в себе некий абсолют.выступая в трех ипостасях: драгоценный камень -сверхтвердый кристалл для инструмента - эталонный полупроводник для электроники. Алмаз - минерал с уникальными физико-механическими свойствами. Он обладает самой высокой твердостью среди существующих на земле веществ, высоким модулем упругости и теплопроводностью, низким коэффициентом трения, достаточно высокой прочностью, устойчивостью к температурным воздействиям и рядом других свойств, которые выгодно отличают его от различных природных и искусственных материалов. Высокие абразивные свойства кристаллов алмаза в широком температурном диапазоне (вплоть до 1000-1400° К), химическая стойкость в большинстве агрессивных сред и уникальные теплофизические свойства предопределили крупномасштабное применение алмаза в качестве сырья для производства абразивного и режущего инструмента.

Прогресс в машиностроении и электронике, строительной индустрии, горной промышленности, нефтедобыче.медицине и оптике.а также во многих других сферах деятельности немыслим без использования алмазов. Значение технических алмазов в промышленности настолько велика, что их относят к стратегическим материалам, а одним из критериев оценки уровня технологии развитых стран является количество потребляемых технических синтетических и природных алмазов.

О происхождении алмазов бытует множество легенд. Одна из них гласит, что когда Создатель с огромным мешком алмазов в руках облетал землю, обозревая свое творение,он оказался над Якутией. В то время,как и сейчас, в этих местах было очень холодно. Руки у Создателя закоченели, поэтому он не смог удержать мешок и драгоценные камни рассыпались мириадами звезд. Так, по этой легенде,возникли якутские месторождения алмазов.

Более или менее достоверная история добычи алмазов начинается с III в. до н.э., когда в индийской провинции Голконда были открыты первые алмазные россыпи и начата их разработка. Промышленное же освоение якутских алмазных месторождений началось только в 50-х годах XX века. Первые алмазы были получены 10 июня 1957 года на обогатительной фабрике № 1 в г. Мирном.

В настоящее время 99,8% российских алмазов добывается на территории Республики Саха (Якутия). Здесь также организована их огранка в бриллианты. Сама по себе огранка алмазов в бриллианты расточительна и ведет к потере примерно половины начальной их массы. Эта проблема особенно актуальна для гранильных предприятий Якутии, которых насчитывается более 20-ти. В республике создана широкая инфраструктура предприятий, занимающихся алмазными проблемами. С

Е. Ю. Шиц, Н. Н. Петрова

помощью АК "Алмазы России-Саха","Туймаада-Даймонд" и других организован выпуск технических алмазных порошков, обладающих высокими качеством и абразивными способностями. Стоимость их близка к стоимости искусственных алмазных порошков. Технические алмазные порошки могут и должны быть использованы по своему прямому назначению на территории республики - в производстве алмазных инструментов, паст, шлифовального и полировального оборудования, в которых так нуждаются гранильные предприятия не только Якутии, России, но и Ближнего и Дальнего зарубежья.

Интенсивное развитие алмазоперерабатывающей промышленности в Якутии показало необходимость разработки новых абразивных материалов и инструмента, которые необходимы для обработки алмазовдрагоценных и полудрагоценных камней,различных металлов и сплавов.

Абразивный инструмент применяется при шлифовании,чистовой отделке,полировании,хонинговании и суперфинишной обработке различных по свойствам природных и искусственных материалов. Отличительными признаками любого абразивного инструмента являются:

- абразивный материал (его вид, зернистость и концентрация);

- связка (ее физико-химические, технологические и эксплуатационные особенности);

- форма и размеры инструмента.

Необходимо отметить, что из всех абразивных материалов естественного происхождения алмазный порошок является самым лучшим. Уникальные свойства алмаза определяют высокие производительность инструмента и качество обработки разнообразных поверхностей. Причем высокая прочность алмазного зерна сочетается с хрупкостью, что обеспечивает постоянное обновление режущих кромок и работу инструмента в режиме самозатачивания. Перечисленные свойства природных алмазов предопределяют его использование для разработки и производства эффективных шлифовальных инструментов.

Следующим составляющим элементом абразивного инструмента является связка, вид и свойства которой определяют важнейшие характеристики шлифовального инструмента. От вида, качества и состава связки зависят коэффициент использования потенциальных возможностей алмаза, область применения и работоспособность инструмента, производительность, экономическая эффективность и качество процессов обработки. В настоящее время производство алмазного инструмента ориентировано на получение абразивных материалов с металлическим, керамическим и органическим связующим в качестве основы.

Производство инструмента на полимерных связках составляет не менее 45% от общего объёма выпуска

абразивных инструментов и включает в себя широкую номенклатуру инструментов различных типоразмеров. Органическая связка довольно широко применяется, благодаря низкой стоимости инструмента и простоты технологии его изготовления. Инструмент на органической связке изготавливают при более низких температурах,чем на металлической и керамической [1].

Полимерное связующее инструмента должно обладать целым комплексом необходимых параметров,а именно:

- определенным уровнем физико-механических свойств (твёрдость,прочность);

- износостойкостью и динамической выносливостью;

- достаточной термостойкостью;

- низким коэффициентом трения;

механизм резания и характер взаимодействия инструмента с обрабатываемым материалом зависят от антифрикционных свойств связки [2]. ПТФЭ является одним из антифрикционных полимеров. Коэффициент трения политетрафторэтилена составляет 0,02-0,04, что значительно ниже,чем для большинства других полимеров (для них Ктр =0,2 - 0,6) [3,4].

Качество алмазного инструмента определяется также способами и режимами переработки полимерного связующего, особенно важным из которых является температурный режим изготовления инструмента. Температура спекания ПТФЭ составляет 375°С, что не превышает термостойкости алмазов, поэтому алмазные порошки при переработке ПТФЭ не подвергаются

Таблица 1

Триботехнические свойства алмазосодержащих композиций на основе модифицированного ПТФЭ

Состав, мас.% Износ при обработке стали, мг Износ при обработке минерала, мг Шероховатость обработанной поверхности, мкм Шероховатость обработанной поверхности минерала,мкм Коэффициент трения

ПАП-40 Флуорекс-2 в-сиалон-2 ПТФЭ-56 13,5 3,8 0,46 0,52 0,46

ПАП-40 Флуорекс-3 в -сиалон-2 ПТФЭ-55 11,5 1,9 0,43 0,45 0,40

ПАП-40 Флуорекс-5 в -сиалон-2 ПТФЭ-53 8,5 1,5 0,36 0,4 0,36

ПАП-40 Флуорекс-6 в -сиалон-2 ПТФЭ-52 12,0 2,4 0,45 0,45 0,48

ПАП-40 ПТФЭ-60 14,0 5,0 0,42 0,5 0,42

^Условия проведения триботехнических испытаний: машина трения СМЦ-2; нагрузка 50Н; скорость 1м/с.

- высокой адгезией к абразивному зерну;

- стойкостью к смазочно-охлаждающим жидкостям;

- простотой технологии изготовления инструмента заданных точных форм и размеров.

На основании вышеизложенного нами проведены исследования, обосновывающие использование политетрафторэтилена (ПТФЭ) для разработки эффективного, стабильного и качественно работающего алмазосодержащего инструмента. Политетрафторэтилен является хорошо освоенным отечественной промышленностью полимером, который наиболее полно отвечает рассмотренным выше требованиям, предъявляемым к связующему или матрице как основе алмазного абразивного инструмента.

Это один из наиболее термостойких полимеров. Температура его разложения составляет 415°С. Однако даже при более высокой температуре этот полимер не переходит в вязкотекучее состояние. Чрезвычайно важным свойством ПТФЭ является его уникальная химическая стойкость к большинству агрессивных сред. Его можно эксплуатировать в агрессивных средах в широком интервале температур (от минус 269 до плюс 268°С). Известно, что износ алмазного абразивного инструмента,

графитизации и сохраняют свое первоначальное качество и абразивные свойства.

В Институте неметаллических материалов СО РАН разработаны рецептуры композиционных алмазосодержащих материалов на основе ПТФЭ, включающие различные ультрадисперсные наполнители неорганической и органической природы и природные алмазные порошки различных зернистостей. Примеры состава композиционных полимерных материалов и результаты испытаний приведены в табл. 1.

Проведенные исследования, показали, что композиционные абразивные материалы (KAM) на основе модифицированного материала, по сравнению с KAM на основе чистого ПТФЭ, обладают в 1,5-3 раза большей износостойкостью, что обеспечивает повышение ресурса его работы при обработке сталей и минерального камнецветного сырья. Кроме того, в результате испытаний установлено, что, по сравнению с KAM, на основе чистого ПТФЭ разработанный материал обладает более низким коэффициентом трения (в 1,2- 1,3 раза). Это приводит к снижению износа алмазного абразивного инструмента и позволяет проводить процесс обработки сталей без принудительного охлаждения. Значительно улучшается

также качество обрабатываемых поверхностей [5]. Новизна разработанных в ИНМ СО РАН композиционных алмазосодержащих материалов для абразивного инструмента защищена патентами РФ.

Области применения алмазного инструмента на основе ПТФЭ - это операции шлифования,полирования при обработке сталей,сплавов,драгоценных металлов.камней и камнецветов. Данный инструмент обеспечивает повышенный ресурс работы (в 3-4 раза выше по сравнению с серийно выпускаемым), более высокое качество обрабатываемых поверхностей и не требуют периодического выполнения операций правки инструмента в течение всего времени их эксплуатации. Установлено,что применение инструмента на основе ПТФЭ позволяет сократить вдвое цикл производства изделий из минералов

инструменты как на основе эбонита, так и синтетических каучуков. Регулируя степень вулканизации каучуков, входящих в состав вулканитовой связки, количество и дисперсность алмазного порошка, можно регулировать жесткость и абразивные свойства материала.

Преимуществом инструмента на вулканитовом связующем, по сравнению с ПТФЭ, является также простота и технологичность его изготовления. При организации его производства на базе ИНМ СО РАН не потребуется дополнительных финансовых вложений, поскольку инструмент может выпускаться на стандартном оборудовании по переработке резин, которое имеется на опытном участке института.

Алмазные абразивные материалы на основе бутадиен-нитрильного эбонита для повышения термостойкости и

Таблица 2

Основные свойства абразивных материалов на основе эбонита и фенолформальдегидной смолы

Показатели Эбонитовая связка Бакелитовая связка

МК-1 МК-2 МК-3 МК-4

Плотность, г\см2 1,83 1,91 2,19 1,84 210

Условная прочность при сжатиии, МПа 67,7 59,5 79,8 128,3 181,2

Модуль при сжатиии, МПа 179,3 201,5 89,3 137,9 2368,3

Массовый* износ образца абразивного материала,мг 4,5 3,1 6,2 3,6 1,8

Массовый износ контртела,мг 1024 1239 706 1986 92

* Условия проведения триботехнических испытаний: машина трения СМЦ-2; нагрузка 100Н; скорость 2,5м/с.

и камнецветов за счет исключения ряда операций шлифования.

Однако, несмотря на высокое качество и производительность алмазного абразивного инструмента на основе ПТФЭ, он не может удовлетворить все потребности обрабатывающей промышленности. В силу специфики своих свойств применение инструмента на основе ПТФЭ имеет ряд ограничений. В Республике Саха (Якутия) интенсивно развивается гранильная и ювелирная промышленность.традиционные виды ремесел.связанные с обработкой камня и кости. Ассортимент абразивных инструментов и приспособлений, применяемых в самых различных технологических процессах, огромен, а требования к ним разнообразны. Все это требует не только создания инструментов на принципиально новом связующем, но и усовершенствования традиционно существующих связующих на бакелитовой и вулканитовой основе.

В последнее время в ИНМ СО РАН начата разработка материалов на вулканитовой связке. Инструменты на вулканитовом связующем можно разделить на жесткие, в которых связкой служит эбонит, и гибкие, где связкой является резина. Последние находят широкое применение в ювелирной промышленности, когда приходится обрабатывать изделия сложных форм, полировать труднодоступные места. В институте разработаны

теплопроводности содержат порошки металлов (медь, оксид железа), а для повышения прочности связи между полимерной матрицей и алмазными зернами - небольшие добавки фенолформальдегидной смолы. Полученные материалы обладают высокой жесткостью и твердостью. Основная область применения инструментов, изготовленных на их основе, - стадии обдирочного шлифования. Свойства абразивных материалов на основе вулканитового связующего приведены в таблице 2.

Из разработанных алмазосодержащих материалов были изготовлены опытно-промышленные партии различных инструментов, которые хорошо зарекомендовали себя при обработке камнецветного сырья и стали. Высокая гибкость эластичных инструментов на основе синтетических каучуков, их способность легко деформироваться, а затем восстанавливать свою форму, позволяет качественно обрабатывать поверхности сложной геометрической формы, что очень важно при полировке ювелирных изделий из золота и серебра. Инструменты на эластичной основе,разработанные в ИНМ СО РАН, прошли успешные испытания в УПК «Гелиос» и АО «Маарыкчан».

Жесткие инструменты на вулканитовом связующем также были опробованы для обработки алмазов на стадии обдирки. В настоящее время, при обработке алмазов на стандартном оборудовании, применяются обдирочные

диски на металлическом связующем,которые завозятся из-за пределов республики. Потребность гранильных предприятий Якутии в обдирочных дисках достаточно высока и составляет не менее 1000 штук в год. Наиболее рациональным, по нашему мнению, должно стать восстановление отработанных дисков путем нанесения алмазосодержащего эбонитового слоя. Работы в данном направлении продолжаются.

Поскольку ИНМ СО РАН является практически единственным учреждением на территории Республики Саха (Якутия), занимающимся исследованием и разработкой полимерных композиционных материалов, то сотрудникам института приходится сталкиваться со всем комплексом проблем, связанных с применением полимерных изделий в различных отраслях народного хозяйства, в частности в гранильной промышленности. В институте разработаны разнообразные абразивные материалы на основе как принципиально новых типов связующих (ПТФЭ), так и традиционных полимеров (бакелиты, синтетические каучуки, смолы) и порошков природных алмазов якутских месторождений. В подобных материалах и инструментах остро нуждаются предприятия многих отраслей республики, что в значительной степени обусловлено бурным развитием ювелирной и гранильной промышленности, накоплением запасов технических алмазов, необходимостью решения проблем ресурсосбережения при огранке алмазов. В настоящее время назрел вопрос об организации промышленного выпуска алмазных абразивных инструментов с

применением разработок якутских ученых. Решение данного вопроса позволит создать в республике замкнутый цикл использования алмазов, включающий добычу, получение бриллиантов,технических алмазных порошков и изготовление алмазного абразивного инструмента на их основе.

Список литературы

1. Бочаров A.M.,Климович А.Ф. и др. Изнашивание монокристаллов алмаза. - Минск: Беларуская наука,1996,-С.142.

2. Алмазные инструменты / Под ред. А.К. Петросяна. - М.: Машиностроение,1962. - 98 с.

3.Справочник по пластическим массам // Под ред.

B.М. Катаева,В.А. Попова и др. -М.: Химия,1975. -Т.1, -

C. 123,127,129,445.

4. Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторполимеров. - М.: Наука,1981. - С. 146,180.

НОВЫЕ КНИГИ

В ЯКУТСКОМФИЛИАЛЕ ИЗДАТЕЛЬСТВА СО РАН ВЫШЛА ИЗ ПЕчАТИ КНИГА:

Шумилов Ю.В., Саввинов Д.Д., Иванов В.В. и др. Проблемы и практика экологическогонормирования на Севере. - Якутск: Академия наук Республики Саха (Якутия),Институт прикладной экологии Севера,2001. -304 с.

В систематизированном виде изложены материалы к постановке и путям решения проблемы экологического нормирования природопользования в условиях Севера. Обосновано представление о Российском Севере,как регионе, специфические особенности которого наиболее благоприятны для отработки методологии и практического применения экологического нормирования. Это обусловлено относительно невысоким общим уровнем техногенной нагрузки на северные экосистемы и локальным характером промышленного освоения, что создает стартовые возможности для дальнейшего освоения северных территорий на эколого-нормативной основе.

На примере Якутии рассмотрены специфические условия постановки эколого-нормативных исследований на Севере,оптимальное сочетание различных специальных методов и возможности оценки экологического состояния экосистем на основе макроэкологических параметров (критериев).

Работа может рассматриваться как тематическое пособие к постановке эколого-нормативных исследований в северных регионах России. Данная монография представляет интерес для специалистов в области прикладной экологии,геоэкологии,а также для экологов-экспертов и разработчиков ОВОС.