Влияние некоторых физико-механических свойств металлической связки на эффективность работы алмазного инструмента

The influence of some physical and mechanical properties of metallic binder on the

performance of the diamond tool Avalishvili Z.1, Tserodze M.2, Loladze N.3

Влияние некоторых физико-механических свойств металлической связки на эффективность работы алмазного инструмента Авалишвили З. А. , Церодзе М. П. , Лоладзе Н. Т.

1Авалишвили Зураб Антонович / Avalishvili Zurab - докторант, научный центр «Алмазов и композиционных материалов»;

2Церодзе Медея Прокофьевна / Tserodze Medea - кандидат химических наук, ассоц. профессор, факультет химической технологии и металлургии;

3Лоладзе Николай Теймуразович/Loladze Nikolai - кандидат технических наук, профессор, зав. научного центра «Алмазов и композиционных материалов»,

Грузинский технический университет, г. Тбилиси, Грузия

Аннотация: в работе представлены экспериментальные данные работоспособности алмазных сверл в зависимости от состава и физико-механических свойств металлической связки при обработке железобетона.

Abstract: the paper presents the experimental date describing workability of tubular diamond drills on the reinforced concrete drilling operation with binding materials having different physical-mechanical properties.

Ключевые слова: алмазокомпозиционный материал, связка, алмазный инструмент Keywords: diamond composite material, binder, diamond tool.

Создание и внедрение новых материалов и композиции делают необходимым разработку новых, эффективных технологии их получения. Возможность придания композиционным материалам широчайшей гаммы заданных свойств обусловливают их широкое применение в различных отраслях техники.

Одним наиболее используемых классов композитов являются металлокерамические и алмазокомпозиционные материалы (АКМ). Одним из самых масштабных и важнейшей сферой применения АКМ является производство алмазного инструмента. Являясь основным функциональным элементом, свойства АКМ в основном и определяет эффективность работы алмазного инструмента в целом.

Высокопроизводительная и рентабельная работа АКМ зависит от целого ряда факторов: физикомеханических, физико-химических и теплофизических свойств алмазных кристаллов принимающих участие в процессе резания. Прочностные и термопрочностные характеристики алмазных кристаллов предопределяют их возможность противостоять возникшим нагрузкам без разрушения.

Металлическая связка АКМ, которая обеспечивает оптимальную прочность закрепления алмазных зерен, а также необходимую износостойкость при контакте с обрабатываемым материалом и шламом в зоне резания. Основное назначение связки - удержание зерен алмаза на рабочей поверхности в течении всего периода их стойкости и постепенное обнажение новых слоев зерен (самозатачивание). Исходя из этого, важнейшим моментом формирования металлоалмазных композиции является соблюдение соответствия прочности алмазного зерна и удерживающая способность связки. Скоростей износа зерен и связки.

Алмазоудерживающая способность металлической связки в свою очередь определяются его физикомеханическими (прочность, твердость, ударная вязкость, модуль Юнга, коэффициент Пуассона), теплофизическими (теплопроводность, коэффициент термического расширения, горячая твердость) и физико-химическими (смачиванием и адгезионной способностью жидкой фазы металлической композиции по отношению к различным граням кристаллов алмаза) свойствами. Кроме всего прочего, прочность закрепления алмазного кристалла в связке может меняться в процессе работы и зависит от цикличности нагрузки и величины самой нагрузки [1,2].

Значение удельной нагрузки, и его динамика приходящие на единичные алмазные кристаллы зависят от таких факторов, как концентрация алмазов в связке и его зернистость, кинематическая схема техпроцесса (шлифование, резка сегментными пилами, бурение и т.д.), а также от свойств и природы обрабатываемого материала. Кроме того, рабочие условия во многом будут определяться режимами обработки, гидродинамикой охлаждающей жидкости и конструкцией рабочей части алмазного инструмента [3,4].

Имеется большое количество работ, посвященных изучению зависимости физико-механических, трибологических и алмазоудерживающих свойств связок на работоспособность АКМ в алмазном инструменте в пределах конкретного технологического процесса [5 - 8]. Но, по сей день, нет единой формулы, которая включала бы в себя совокупность всех параметров на эффективность алмазной обработки и позволяющей безошибочно прогнозировать эксплуатационные характеристики АКМ для различных тех. процессов и обрабатываемых материалов. Поэтому, на наш взгляд расширение и пополнение базы экспериментальных данных новыми результатами ценны как для дальнейшего углубления знаний в области создания новых составов АКМ, так и с практической стороны, поскольку облегчает путь при создании новых эффективных технологии.

В данной работе приводятся экспериментальные данные по производительности и стойкости алмазного инструмента на конкретной технологической операции в зависимости от физико-механических параметров металлической связки АКМ. Эксплуатационные характеристики различного состава АКМ определяли в условиях тех.процесса сверления сквозных отверстии в железобетоне трубчатыми сверлами рабочей коронкой с напаянными сегментами. Диаметр сверла - Ф60мм, размер сегментов 23х3х8мм, количество 6 штук (рис.1).

Рис. 1. Алмазное трубчатое сверло

Алмазные сегменты изготовлялись технологией порошковой металлургии. Спекание проводили методом горячего прессования в графитовых пресс-формах в защитной атмосфере. Температура спекания в зависимости от состава металлической связки составляло 790-8400С; Изотермическая выдержка при Тспек. равнялось 150сек. Приложенное давление горячего прессования Р=400кг/см2Для изготовления сегментов использовали синтетические монокристаллические изометричные алмазы марки АС 125, фракции 400/315 (ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украйны) рис.2. Концентрация алмазов в сегментах 50%-ов.

Рис. 2. Алмазы марки АС 125, фракции 400/315

В качестве металлической связки АКМ были использованы системы Со, Со-Sn и Со- Ni -Sn: Для сравнительного анализа изготовлялись также сегменты с металлической матрицей состава Fe-Cu- Ni -Sn, которая является стандартной широкоприменяемой универсальной связкой обозначением М6-14 (МЖ). Выбор для исследований системы с Со-ом предопредели тот факт, что они широко освещены в научной литературе и имеются многочисленные данные как физико-механических, физико-химических и трибологических параметров, так и технико-экономических показателей алмазных инструментов на кобальтовой основе на различных операциях. Данное относится и к алмазному инструменту на связке М6-

14.

Известно [9], микроструктура, состав, твердость прочность, пластичность, износостойкость горячего прессованных кобальтовых сплавов сильно отличаются от дисперсности исходного порошка и режимов горячего прессования. Нами был использован кобальтовый порошок марки ПК-1У с размером частиц 35мкм (рис.3). Также, для изготовления сегментов использовали порошок олова марки ПО-1, никеля ПНЭ-1, меди ПМС-1 и железа ПЖВ-1 с размерами частиц <40мкм.

Рис.3. Исходный кобальтовый порошок

Изменение физико-механических свойств кобальтовой связки для АКМ достигалось за счет добавления различного количества олова или олово и никеля одновременно. В таблице 1 приведены составы металлических систем, параметры спекания, твердость, прочность и ударная вязкость некоторых характерных спеченных сплавов.

Введение олова в кобальтовую связку способствует существенному повышению твердости сплава (рис.4.кр.1). Так, добавка 15% олова повышает твердость связки не менее на 28%, что хорошо согласуется с данными работы [10]. Проведенный рентгенофазовый анализ (ДРОН4.13С; в излучении железного анода) образцов выявил прибавление образованного интерметаллида кобальта Co3Sn2 (дистанид кобальта) с увеличением количества олова. Об этом свидетельствует повышение интенсивности пика линии Co3Sn2. При этом, фиксируется и некоторое увеличение параметра решетки рСо (высокотемпературная модификация) по всей видимости в результате образования твердого раствора олова в кобальте, что также способствует некоторому увеличению твердости матричного составляющего металла.

Таблица 1. Свойства и исходные составы спеченных металлических систем

Состав связки Т, горяч. прессов. Т 0С Давление гор пресс. Р, кг/см2 Выдержка т, сек. Тверд. HRC Прочн. изгиб аькг/мм2 Удар. вяз KCU, Дж/см2

Ni 880 400 150 - - 12.5

M6-14 (МЖ) 790 350 150 23 101 5.9

Co 840 450 150 28 176 5.5

90%Co-10%Sn 840 400 150 34 95 -

85%Co-15%Sn 840 400 150 36 63 4.4

80%Co-20%Sn 840 400 150 39.5 45 -

90%Co-10%(Ni- Sn) 840 400 150 32 - -

80%Co-20%(Ni- Sn) 840 400 150 33 95 -

70%Co-30%(Ni- Sn) 840 400 150 35 76 5.4

60%Co-40%(Ni- Sn) 840 400 150 37.5 73 5.7

50%Co-50%(Ni- Sn) 840 400 150 40 74 -

40%Co-60%(Ni- Sn) 840 400 150 42.5 - -

Увеличение твердости приводит к охрупчиванию сплава и прочность образцов монотонно снижается (рис.4, кр.2). При введении в исходную кобальтовую связку одновременно олова и никеля - соотношение Ni:Sn всегда сохранялся в пределах 3:2.

Рис. 4. Зависимость твердости (1) и прочности (2) от спеченных образцов Co-Sn от содержания олова

Аналогично, добавки Ni и Sn способствуют повышению твердости и она монотонно возрастает с увеличением концентрации. Прочность образцов при этом падает, однако, угол наклона кривой несколько смягчен, а при концентрации Ni >18.5%, т.е. (Ni- Sn) >30%, практически остается неизменной и это на фоне всё возрастающей твердости (рис.5). Добавки никеля в сплав Co-Sn приводят и некоторому повышению и ударной вязкости последнего (табл.1). Рентгенофазовый анализ выявил наличия интерметалида Co3Sn2 и твердого раствора олова или никеля на основе кобальта. Интерметалид никеля не зафиксирован.

Рис. 5. Зависимость твердости и прочности образцов системы Со -Ni -Sn от процентного содержания

Приводя анализ полученных данных для изготовления алмазных сегментов были выбраны металлические связки состава:

1. 100%Со

2. 85%Со, 15% Sn

3. 60%Со, 40%

Спекались также сегменты на связке М6-14

Операции сверления проводили на вертикально сверильном станке модели 2М-125. Рабочие обороты сверла 700об/мин., соответственно линейная скорость резания Vрез.=0.8м/с; вертикальная подача под постоянным давлением Р=7кг; подача охлаждающей жидкости через спец. приемники в корпусе сверла (рис.1) расход воды 5л/мин. Обрабатывали железобетонные плиты толщиной 550мм. Марка бетона М -450, степень армирования 3.3%. Определяли скорость сверления ^верл.см/мин. и удельный ресурс инструмента Им/мм - суммарная длина просверленной отверстии на 1мм износа алмазного сегмента.

Данные по производительности и стойкости алмазных сверл различного состава представлены на рис.6. Первое, что необходимо отметить, скорость сверления и удельный ресурс инструментов на железоникелевой (МЖ) и кобальтовых связках близки по значению данными по сверлению железобетона представленных в работе [11]. Полученные данные указывают о достоверности и воспроизводимости полученных результатов. Алмазные инструменты на связке Со-Sn и Со-Ni- Sn показали существенное увеличение как производительности, так и стойкости по сравнению с инструментом на кобальтовой связке. Увеличение ресурса достигает до 60 и 85%-ов соответственно. Повышения рабочего ресурса (Rs) алмазногосверла можно связать в какой-то мере, с увеличением износостойкости материала связки по мере повышения её твердости [5].

Рис. 6. Производительности и стойкости алмазных сверл различного состава

Одновременное увеличение скорости резания ^сверл.) которое имеет место при применении связок Со-Sn и Со-Ni-Sn можно было бы объяснить повышением алмазоудерживающей способностью связок влекущий уменьшение критической глубины заделки алмазного зерна ^з.кр.). При этом увеличивается высота выступа зерен из связки (Ив.), увеличивается объем срезанного с обрабатывающего материала в единице времени стружки. Некоторую ясность в объяснении основных факторов повлекших значительное увеличение ресурса (Rs) и производительности ^сверл.) инструмента дало изучение динамики изменения морфологии рабочих поверхностей режущих сегментов.

На рис. 7 представлены микрофотографии характерных участков рабочих поверхностей сегментов различного состава. Общей для всех композиции сегментов является минимальная количество вырванных из матрицы кристаллов (лунок) свидетельствующий о приемлемых значениях алмазоудерживающей способности связок для данного тех.процесса. Основной отличительной чертой сегментов на железоникелевой связке от кобальтовой и особенно от связок систем Со-Sn и Со-Ni-Sn является различие в габитусе и морфологии кристаллов алмазов принимающих участие в процессе резания. Алмазы в связке М6 -14 имеют отпечаток сильного износа. Присутствуют как площадки износа, также и многочисленные микросколы, поверхность последнего шероховато (рис.7.а). Проявляются следы как абразивного, так адгезионного износа [12]. Режущая способность единичных алмазных кристаллов снижается в связи их затупления. Производительность и стойкость не высокая.

Алмазы в кобальтовой связке износу и соответственно затуплению подвергаются значительно в меньшей степени (рис.7,б). Особо отличаются алмазы, на рабочей поверхности сегиентов составов Со-Sn и Со-Ni-Sn. Алмазные кристаллы практически сохранили исходную гладкую поверхность кубоктаедрических граней. Высота выступа (ha.), кристаллов из связки очень высокая. При такой картине рабочей поверхности реализуется высокая скорость резания.

а)

б)

в) г)

Рис. 7. Микрофотографии характерных участков рабочих поверхностей сегментов различного состава; а) связка

М6-14, б) связка Со, в) связка Со—Sn, г) связка Со—Ni-Sn

Учитывая, что во всех сегментах марка алмазов, концентрация, зернистость и заданные параметры тех. процесса идентичны, значительное разрушение алмазов в связке М6-14 можно объяснить дополнительными тепловыми нагрузками возникших в процессе трения материала связки с обрабатываемым материалом и шламом. Причиной выделения дополнительной тепловой энергии может являться сравнительно высокий коэффициент трения железоникелевого сплава по отношению к стальной арматуре (низкоуглеродная сталь) так и к бетону. Можно предположить, что коэффициент трения связок составов Со-Sn и Со-Ni-Sn по отношению к обрабатываемым материалам значительно ниже. Естественно, данное предположение требует экспериментального подтверждения, что и будет реализовано в последующих исследованиях.

Литература

1. Коновалов В.А., Ткач В.Н., Шатохин В.В. Разрушение металлической связки при высокоскоростном циклическом нагружении алмазного зерна. // Породоразрушающий металлообрабатывающий инструмент - техника, технология его изготовления и применения: XII межд. конф.(Крым, 17 сентября - 22 сентября 2009), Киев,Изд-во ИСМ им.В.Н.Бакуля НАН Украйны, 2009. С. 504 - 508.

2. Коновалов В.А., Шатохин В.В. Взаимосвязь прочности закрепления зерен в связке со стойкостью алмазно-абразивного инструмента. // Породоразрушающий металлообрабатывающий инструмент -техника, технология его изготовления и применения: XII межд. конф.(Крым, 17 сентября - 22 сентября 2009), Киев, Изд-во ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украйны, 2009. С. 508 - 513.

3. Пегловский В.В., Сидорко В.И., Ляхов В.Н., Поталыко Е.М. Исследование производительности и трудоемкости шлифования природных камней алмазным инструментом. // Породоразрушающий металлообрабатывающий инструмент - техника, технология его изготовления и применения: XII межд. конф. (Крым, 17 сентября - 22 сентября 2009), Киев,Изд-во ИСМ им.В.Н.Бакуля НАН Украйны, 2009. С. 500 - 604.

4. Лоладзе Н.Т., Церодзе М.П., Дзидзишвили Ю.Г., Авалишвили З.А. Исследование взаимосвязи производительности и стойкости алмазных сверл от различных факторов. // Породоразрушающий металлообрабатывающий инструмент - техника, технология его изготовления и применения: XII межд. конф. (Крым, 18 сентября - 24 сентября 2011), Киев, Изд-во ИСМ им.В.Н.Бакуля НАН Украйны, 2011. С. 537 - 541.

5. Коновалов В.А., Александров В.А, Левин М.Д. Влияние прочности алмазоудержания и скорости абразивного износа связки на работоспособность олмазно-абаразивного камнерезного инструмента// Синтетические Алмазы. 1975. вып. 2. С. 26-28

6. Janusz Konstanty.Theoretical analysis of stone sawing with diamonds// Journal of Materials Processing Technology. 2002. 123. p.146-154

7. Коновалов B.A., Александров B.A. Исследование износостойкости связок алмазного камнерезного инструмента // Синтетические Алмазы. 1974. вып.5. С. 27 - 29.

8. Лоладзе Н. Т., Церодзе М.П., Дзидзишвили Ю.Г. Физико-Химические Основы Получения и Применение Алмазкомпозиционных Материалов для Обработки Неметаллов.Тбилиси: «Технический Университет», 2009,226 стр.

9. MoliraniA.,Marchetti F., Gialanelta S., Scardi P., Tiziani A. Study of the Diamond-Matrix Interface in Hot-pressed Cobalt-based Tools//Materials Science and Engineering A.1990.Vol.130. p.257-262

10. Nitkiewicz Z., Swierzy M. Tin influence on diamond-metal matrix hot pressed tools for stone cutting//Journal of Materials Processing Technology. 2006.vol 175 p.306-315.

11. Зайцев А.А. Разработка дисперсно-упрочненных наночастицами металлических связок и технологии получения алмазосодержащих сегментов для режущего инструмента.: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2009. 160с.

12. Захаренко И.П. Основы алмазной обработки твердосплавного инструмента. Киев: Наукова

Думка,1981,298с.