Способ изготовления алмазного инструмента
METHOD OF DIAMOND TOOL MAKING

Изобретение относится к производству алмазного инструмента, который эффективно осуществляет обработку деталей в режиме самозатачивания.
Самозатачивание позволяет восстанавливать режущую способность инструмента без принудительного удаления правкой с его рабочей поверхности затупившихся алмазных зерен. Алмазные инструменты для шлифования и других работ традиционно изготавливаются на металлических и органических связках. Самозатачивание инструмента обеспечивается выкрашиванием алмазных зерен из связки под действием возрастающего давления на деталь в зоне резания из-за образования на них площадок износа. При этом увеличивающееся давление либо выкрашивает алмазные зерна частями, либо, если давление превышает прочность удерживающей силы связки, выкрашивают их полностью. В то же время при чрезмерно интенсивном самозатачивании значительно сокращается срок службы инструмента. Интенсивность самозатачивания алмазного инструмента зависит от многих факторов, в частности от прочности алмазного порошка и в большой степени от удерживающей способности алмазных зерен связкой. Рациональное сочетание прочностных характеристик алмазного порошка, удерживающей способности связки с самозатачиваемостью является существенным фактором эффективной работы алмазного инструмента.
Прочность синтетических алмазных зерен в значительной степени обусловливается наличием внутренних дефектов в основном в виде внутрикристаллических металлических включений, которыми являются металлы или сплавы катализаторов-растворителей, захваченных при синтезе алмазных порошков. После синтеза алмазные порошки проходят очистку от неалмазного углерода и металлов или сплавов катализаторов-растворителей. Прошедшие очистку алмазные порошки, например порошки марок АС2, АС4, АС6, могут содержать металлические включения в количестве до 1,5%. Эти порошки характеризуются хрупкостью и соответственно невысокой износостойкостью инструмента при обработке деталей.
Известно, что повысить износостойкость инструмента возможно увеличением прочности удержания алмазных зерен связующим материалом путем нанесения покрытия на поверхность зерен (металлизация алмазных порошков). Наиболее часто используемым способом нанесения металлического покрытия на алмазные порошки является электрохимическое осаждение никеля (гальваническое покрытие) на поверхность алмазных зерен порошка. («Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента», под ред. В.Н. Бакуля. М.: Машиностроение, 1975, с. 58). Однако гальваническое покрытие химически не связано с поверхностью алмаза, поэтому алмазные зерна недостаточно надежно удерживаются связкой.
Известно, что получение сильной связи металлического покрытия с поверхностью алмаза может быть достигнуто сцеплением поверхности алмаза с металлом покрытия через образование межфазного карбидного слоя. Карбидный слой образуется деградацией при температуре процесса покрытия алмаза с формированием графита и химическим взаимодействием полученного графита с металлом покрытия. Межфазный карбидный слой может быть получен различными способами металлизации алмазных порошков. Известен способ нанесения покрытия на алмазные порошки методом газотранспортных реакций в вакууме, в частности термическим разложением карбонильных соединений карбидообразующих металлов, которые при определенных температурах химической реакции образуют межфазный карбидный слой (SU N 414052, кл. C23C 11/02, 1970, US №2382666, 51-309, 1945). Известен способ нанесения покрытия из карбидообразующих металлов с использованием тлеющего разряда (US №3351543, 204-192, 1964). Известен способ жидкофазного покрытия алмазных порошков. При этом шихту, состоящую из порошков алмаза и карбидообразующего металла, подвергают спеканию при температуре плавления металла в защитных средах. Затем образующийся при спекании пористый спек дробят до необходимых размеров, вплоть до единичного зерна («Теория и практика металлизации алмазных порошков», Тер-Азарян Г.И., Оганян А.П., Казарян А.Н., Манукян Н.Н., Ереван - 1991, с. 7-8; US №4606738, кл. B24D 3/04, 1986). Известные способы металлизации позволяют получать непрерывное металлическое покрытие, которое создает оболочку вокруг зерна и мешает выпадению изношенных зерен и их осколков из связки. При обработке деталей хорошо удерживаемое связующей матрицей алмазное зерно при затуплении должно удаляться с помощью процесса правки. Правка способствует восстановлению режущей способности инструмента, но эта дополнительная технологическая операция усложняет процесс обработки деталей. При правке с поверхности инструмента наряду с затупившимися алмазными зернами удаляются еще вполне работоспособные зерна.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ изготовления алмазного инструмента, включающий изменение плотности и прочности зерна и последующее нанесение на зерно металлического покрытия (US №4278448, B24D 3/00, 1979). Плотность зерна предлагается изменять химическим травлением для удаления металлов или сплавов катализаторов-растворителей, а прочность - помолом в шаровой мельнице или резким нагревом и охлаждением. При резком нагреве и охлаждении слабые дефектные зерна разрушаются по микротрещинам. Неразрушенные алмазные зерна имеют более высокие прочностные характеристики. Инструмент, изготовленный из упрочненных алмазных зерен, используется для материалов, при обработке которых возникают большие силы резания, при этом для лучшего удержания алмазных зерен связующим материалом на алмазные зерна наносят металлическое покрытие, которое может быть образовано любыми известными способами, такими как гальваническое или химическое осаждение металла, вакуумное напыление и т.п. Покрытие полностью покрывает алмазное зерно слоем металла и не создает условия для самозатачиваемости инструмента.
Технической задачей является разработка способа изготовления алмазного инструмента, в котором сочетается оптимальная удерживающая способность алмазных зерен связкой с самозатачиваемостью алмазного инструмента.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления алмазного инструмента, включающем термическую обработку синтетических алмазных порошков и формование из обработанных алмазных порошков алмазного инструмента, в качестве алмазных порошков берут синтетические алмазные порошки, содержащие внутрикристаллические металлические включения в количестве до 1,5% вес., проводят термическую обработку порошков в защитной атмосфере при температуре перехода внутрикристаллических металлических включений в жидкую фазу до выделения на поверхности зерен расплава и последующее охлаждение при температуре окружающей среды для образования из расплава покрытия в виде капель.
Температура термообработки составляет 1200-1600°C.
Время термообработки составляет 15-30 мин.
По общепринятой технологии алмазные порошки после синтеза подвергают обработке (очистке) различными кислотами для удаления из алмазных зерен металлических включений в виде металлов или сплавов катализаторов-растворителей (Сверхтвердые материалы» 1989, №2, с. 30-31). При обработке кислотами металлические включения удаляются как из кристаллической решетки алмазов, так и с поверхности кристалла. Однако после очистке кислотами порошки с удельной прочностью до 50Н представляют собой синтетические алмазные зерна, содержащие внутрикристаллические металлические включения в количестве до 1,5%. Эти порошки в зависимости от марки алмаза представлены агрегатами, сростками, несовершенными кристаллами, обломками, целыми кристаллами. Это порошки марок АС4, АС6, АС8, АС10, АС15, АС20, АС32, АС50 по ГОСТ 9206-80. Прочность определяется величиной разрушающей нагрузки в ньютонах на алмазные зерна, при которой начинается момент разрушения зерна. В качестве внутрикристаллических включений синтетические алмазные порошки содержат металлы или сплавы катализаторов-растворителей, которые использовались при синтезе алмаза. В основном для промышленных целей в качестве катализаторов-растворителей используются такие металлы, как железо, кобальт никель, марганец или их сплавы. При нагреве до температуры, при которой металлические включения приобретают жидкотекучее состояние, они выступают на поверхности зерен в виде капель. При охлаждении при температуре окружающей среды капли металла или сплава застывают, образуя прерывистое покрытие на поверхности алмазного зерна в виде бугорков, при этом сохраняется рельефная поверхность исходного алмазного зерна, включающая как выступающие части, так и впадины. Такое покрытие способствует более прочному удерживанию алмазных зерен в связке.
Известна термохимическая очистка алмазных порошков, при которой алмазные порошки подвергают термообработке при температуре перехода металлов или сплавов катализаторов-растворителей в жидкую фазу, при которой металлические включения диффундируют к поверхности кристалла. После термообработки порошки подвергают химической очистке для удаления выделившихся металлических включений с поверхности зерен (Сверхтвердые материалы», №3, 1982, с. 29-30). В известном решении термообработка проводится для выделения металлических включений из внутрикристаллической решетки алмаза на его поверхность, которые удаляются химической обработкой.
Отличие заявленного способа обработки от известного состоит в том, что после выступания капель на поверхности алмазных зерен металлов или сплавов растворителей-катализаторов их не удаляют с поверхности зерен, а используют в качестве прерывистого металлического покрытия в виде капель. Застывшие металлические капли надежно удерживаются на поверхности алмазного зерна, т.к. металлы или сплавы металлов катализаторов-растворителей преимущественно находятся на поверхности зерна и частично остаются в приповерхностных микротрещинах алмазного зерна. Известны алмазные порошки с прерывистым покрытием (RU №2274541, кл. B24D 3/00, 2004). Такое покрытие улучшает режущую способность алмазного порошка за счет исключения времени, при котором во время обработки вначале снимается слой металла покрытия для вскрытия алмазных зерен, после чего алмазные зерна выполняют функции резания. Однако указанное техническое решение не предусматривает охрупчивание алмазных зерен, обеспечивающее самозатачиваемость инструмента.
В тоже время известно, что термическая обработка алмазного порошка при температуре выше 1000°C снижает прочностные характеристики алмазных зерен, что связано со структурными изменениями алмазных зерен при нагреве из-за удаления из внутрикристаллической решетки алмаза металлических включений («Физико-химические свойства алмазов», труды «ВНИИАЛМАЗа» №3, М., 1974, с. 27-31).
При обработке деталей термообработанные алмазные зерна с прерывистым металлическим покрытием растрескиваются под действием сил резания с частичным выпадением осколков из связки, образуя новые режущие кромки, но в тоже время достаточно длительное время удерживаются связующим материалом. Такой инструмент может длительное время работать в режиме самозатачивания.
На фотографии показан прошедший термообработку кристалл алмаза, на грани которого белые пятна относятся к каплям застывшего металла или сплава металлов катализаторов-растворителей.
-2
Способ изготовления алмазного инструмента осуществляется следующим образом. Алмазные порошки с удельной прочностью ниже 50Н предварительно подвергают очистке химическими растворителями для удаления поверхностных загрязнений. Очищенные порошки помещают в термостойкий контейнер, который устанавливают в печь с защитной атмосферой: вакуум, аргон и т.п. Термообработку алмазных порошков можно проводить в стандартных печах, например, типа СВШЛ 0,6/25 с вольфрамовым нагревателем, в которых создают ваккум не ниже 10 мм рт.ст. Можно использовать любые другие печи, обеспечивающие необходимую температуру и защитную атмосферу для исключения деградации алмазных зерен. Порошки нагревают до соответствующей температуры и выдерживают в течение 15-30 мин. После выдержки порошки вынимают из печи и охлаждают при температуре окружающей среды.
Температура термообработки составляет 1200-1600°C. При этой температуре приобретают жидкую фазу большинство металлов или сплавов металлов, используемых при синтезе алмазных порошков в качестве катализаторов-растворителей. При температуре до 1200°C хрупкость алмазных зерен марок с прочностью до 50Н снижается незначительно, нагрев до температуры выше 1600°C приводит к чрезмерной деградации алмазных зерен. Время выдержки 15-30 мин, также как и температура, зависит от характеристик используемых металлов или сплавов металлов катализаторов-растворителей. В течение этого времени происходит более полное выделение металлических включений на поверхности алмаза. Алмазные порошки прочностью до 50Н содержат металлические включения до 1,5%. Такого количества выплавленного на поверхность алмазного зерна металла или сплава достаточно, чтобы выполнять роль прерывистого покрытия и способствовать удержанию алмазных зерен связкой. Более прочные порошки содержат меньшее количество металлических включений и при термообработке алмазные зерна несущественно изменяют свою хрупкость, а количество выделившегося металла на поверхности алмазного зерна не оказывает существенного влияния для удержания алмазных зерен связкой.
Изготовление алмазного инструмента из термообработанных алмазных порошков осуществляют по известным технологиям. Термообработанные алмазные порошки смешивают со связующим материалом, в качестве которого могут быть использованы связки на органической или металлической основе. Из полученной шихты формируют алмазоносный слой и спекают сформованный слой при температуре спекания соответствующей связки. Инструмент на металлической связке может быть изготовлен также по технологии пропитки алмазных зерен связующим материалом.
Таким образом, предложенный способ изготовления алмазного инструмента из алмазных порошков, включающий предварительную термообработку алмазного порошка, позволяет изготавливать алмазный инструмент для шлифования с оптимальной самозатачиваемостью.