Алмазный инструмент на теплопроводной металлической связке
DIAMOND TOOLS ON THERMAL-WIRE METAL CONNECTION

Изобретение относится к производству алмазных инструментов, используемых для абразивной обработки преимущественно высокотвердых труднообрабатываемых материалов, таких как керамика, в том числе нитридная керамика. Алмазный инструмент может быть также использован для обработки твердых сплавов, строительных материалов, природных и искусственных камней и т.п.
Уникальные свойства керамики позволяют использовать ее в различных областях техники. Из-за высокой твердости материала механическая обработка изделий возможна преимущественно с использованием алмазного инструмента. Алмазные инструменты, как правило, содержат корпус, на рабочей поверхности которого закреплен алмазный слой, содержащий алмазные порошки и металлическую связку. Алмазная обработка протекает в тяжелых условиях резания, сопровождающегося высокими нагрузками, и температурой, возникающей в зоне резания. В результате под действием зерен алмаза и трения, возникающего между рабочей поверхностью инструмента и обрабатываемой деталью керамика испытывает сильные как механические, так и термические нагрузки, которые приводят к растрескиванию, выкрашиванию обрабатываемого материала и прочим дефектам, влияющим на качество обработанных изделий. Кроме того, из-за высоких температур в зоне резания алмазы графитизируются, что негативно влияет на стойкость, производительность инструмента. Поэтому желательно уменьшать температуру в зоне резания.
Известны алмазные инструменты, в состав связки которых введены компоненты, выполняющие роль твердых смазок. Например, в состав связок вводят тальк, графит, дисульфид молибдена, нитрид бора и др. (Авт. свид. №833436, B24D 3/34, 1979 г., US 5011510, кл. B24D 3/00, 1991 г). Твердые смазки способствуют снижению трения между алмазными зернами, материалом связующего, заполняющим пространства между алмазными зернам, и материалом обрабатываемой поверхности, что способствует снижению температуры в зоне резания. Однако введение смазочных материалов ограничено, т.к. большое количество таких добавок ослабляет связку, вызывая повышенное выпадение алмазных зерен из связки в процессе обработки. В то же время при небольшом количестве смазочного материала не всегда может быть достигнут желаемый эффект.
Снижение температуры в зоне резании при шлифовании алмазным инструментом можно достичь введением в состав связки рабочего слоя инструмента порообразователей, например, в виде пустотелых шариков, которые способствуют снижению температуры рабочего слоя инструмента. Так например, известны алмазные инструменты (RU 1815196 кл. B24D 3/14,1991 г. DE 2604482, кл. B24D 3/00, 1977 г. JP 57-21280, кл. B24D 3/00, 1980 г.), в состав связующего материала которого введены пустотелые шарики из жаропрочного материала. Недостаток инструмента заключается в том, что пустотелые шарики вводятся в состав рабочего слоя за счет абразивных зерен, что снижает стойкость инструмента, уменьшает прочность связки, и, следовательно, уменьшает порог эффективности подач при обработке таким инструментом. Поэтому введение пустотелых шариков не всегда может решить проблемы, связанные с образованием большого количества тепла в зоне резания.
Известны способы улучшения теплопроводности связки, а, следовательно, снижения температуры в зоне резания, за счет введения в связку углеродосодержащих компонентов. Так известен алмазный инструмент по патенту RU 2172238, кл. B24D 3/06, 1999 г., применяемый для обработки изделий из мрамора и гранита, связка которого выполнена на основе меди и дополнительно содержит ультрадисперсный алмаз (УДА) в количестве 0,2-5 мас. %.. Порошок УДА обеспечивает формирование структуры абразивного слоя с высокими физико-механическими характеристиками и повышает теплопроводность связки в целом.
Известен алмазный инструмент по патенту RU 2534713, кл. В24D 3/06, 2013 г., используемый для обработки деталей из высокотвердых и труднообрабатываемых материалов, рабочий слой которого выполнен из композиционного материала, содержащего металлическую связку на основе меди и наполнитель - частицы ультрадисперсного порошка алмаза с зернистостью 2/0 мкм в количестве 1-3 мас %
Наиболее близким техническим решением является изобретение по патенту RU 2432249, кл. B24D 3/06, 2010 г.), касающееся алмазного инструмента, используемого для обработки труднообрабатываемых материалов, таких как материалы для стройиндустрии и машиностроения. В соответствии с известным техническим решением, в металлическую связку вводят легирующую добавку в виде нанопорошков - углеродные нанотрубки или нанодисперсный алмаз. Инструмент готовится спеканием в присутствии жидкой фазы. При этом связка алмазного инструмента в качестве твердофазного компонент содержит медь а в качестве компонента, образующего жидкую фазу - олово.
Использование наночастиц алмаза, УДА, в виде добавок в небольших количествах повышает прочность и твердость композиционного материала, уменьшает его пористость, в результате чего повышается износостойкость шлифовального инструмента. В тоже время, наночастицы алмаза, обладая достаточно высокой теплопроводностью, несколько повышают теплопроводность связки алмазного инструмента. Однако введение в металлическую связку наночастиц алмаза в количестве не более 5 мас. % способствует повышению износостойкости инструмента, но для эффективного повышения теплопроводности инструмента такое их количество является недостаточным. Введение наноалмазов в количествах более 5 об. % приводит к разупрочнению связки
Известно, что эффективность шлифования, помимо прочих условий, определяется степенью однородности распределения алмазных порошков и порошков связки на поверхности и в объеме режущего слоя инструмента, Но при смешивании порошков, отличающихся по зернистости, особенно, когда в состав связки входят наночастицы, распределение порошков в такой смеси носит случайный характер. Это означает, что в некоторых зонах наночастицы могут находиться близко друг к другу, в то время как в других зонах инструмента может иметь место низкая плотность наночастиц. Это отрицательно сказывается на работоспособности инструмента. Получение связки с равномерным распределением компонентов является трудоемкой операцией.
Технической задачей изобретения является повышение эксплуатационных характеристик алмазного инструмента за счет увеличения физико-механических свойств связки инструмента, теплопроводности рабочего слоя инструмента, упрощения технологии его изготовления.
Решение технической задачи заключается в том, что в алмазном инструменте, содержащем корпус и рабочий алмазный слой, изготавливаемый спеканием в присутствии жидкой фазы из массы, содержащей алмазные порошки и порошки связки, включающей основной твердофазный компонент, и содержащей углеродный наполнитель, в качестве углеродного наполнителя связка содержит графен в виде, по меньшей мере, однослойного покрытия, нанесенного, на порошок связки, являющийся основным твердофазным компонентом.
Алмазный инструмент, содержит основной компонент связки, покрытый графеном, в количестве 10-25 об. % от общего количества основного твердофазного компонента связки.
Сущность изобретения заключается в следующем.
В настоящее время наиболее технологичными металлическими связками для изготовления алмазных инструментов, используемых для обработки керамических и многих других материалов, являются связки, изготавливаемые спеканием по схеме исчезающей жидкой фазы. Такие связки содержат твердофазный компонент, являющийся основным компонентом связки и имеющий достаточно высокую температуру плавления. Связки содержат также легкоплавкий компонент, выполняющий роль связующего материала. Среди различных видов металлов и сплавов, используемых в качестве металлического связующего материала, особенно предпочтительными являются, например, сплавы на основе меди, такие как сплав медь - олово, медь - алюминий, медь - цинк и др. В таких сплавах медь является твердофазным компонентом и выполняет роль основного компонента связки.
Известно, что графен, обладает рекордно большой теплопроводностью, которая более чем в два раза превышает теплопроводность алмаза. Учитывая, что медь в металлических связках, является основным наиболее теплопроводным компонентом связки, то композиция - медь, покрытая графеном, кумулирует основное количество тепла. Покрытая графеном медь в связке служит теплоотводящими «каналами» для отвода тепла от алмазных зерен и с рабочей поверхности инструмента в металлическую связку и к корпусу инструмента и тем самым уменьшает скопление тепла на рабочей поверхности инструмента и внутри алмазного слоя. Кроме того, известно, что графен преимущественно бывает в виде нанодисперсных частиц, либо в виде нанодисперсных чешуек, равномерно распределить которые по объему массы при обычном смешивании компонентов весьма проблематично, либо трудоемко. Нанесение графена на твердофазные медные порошки (зерна) в виде покрытия обеспечит равномерное его распределение по объему инструмента. Кроме того, графен, имея слоистую структуру, также служит в алмазном инструменте на металлической связке материалом, уменьшающим трение между алмазным инструментом и обрабатываемой поверхностью, и тем самым снижающим температуру на поверхности раздела между абразивными зернами и обрабатываемой деталью.
Количество основного твердофазного компонента с графеновым покрытием в связке составляет 10-25 об. %. от общего количества основного твердофазного компонента в связке в целом. Такое количество является оптимальным для получения инструмента с требуемыми физико-механическими характеристиками. С увеличением содержания основного твердофазного компонента связки, покрытого графеном, свыше 25 об. % от общего количества основного твердофазного порошка связки твердость связки несколько повышается, но при этом увеличивается ее хрупкость, что отрицательно сказывается на работоспособности инструмента. Меньшее содержание графена в связке не приводит к существенному улучшению физико-механических характеристик связки по сравнению со связками, не содержащими графен.
Учитывая высокую теплопроводность (до 5000 Вт/м, °К) и антифрикционные свойства графена, при 10 об. % графена уже существенно снижается количество образующегося в зоне резания тепла и повышается теплопроводность металлической связки. Содержание графена, превышающее 25 об. % ухудшает физико-механические характеристики связки. Графен нанесен на твердофазные порошки, по меньшей мере, в виде одного слоя. Максимально можно наносить на металлические порошки до 10 слоев. Большее количество углеродных слоев будет соответствовать структуре графита, который по комплексу свойств существенно отличается от графена.
Алмазный инструмент в соответствии с изобретением содержит корпус, на котором закреплен алмазный слой. Алмазный слой содержит алмазные порошки и связующий материал - связку. Связка в частности содержит основной твердофазный компонент, преимущественно - медь и легкоплавкий компонент - олово, алюминий, цинк и др. Связка также содержит графен в виде покрытия на части основного твердосплавного компонента. Количество покрытых графеном основных порошков составляет 10-25 мас. % от общего количества основных твердофазных порошков связки. Учитывая, что для большинства связок основным твердофазным компонентом связки является медь, то графен введен в связку в виде покрытия на меди. Количество покрытой графеном меди определяет общее содержание графена в связке.
Как правило, связки помимо основных компонентов содержат другие металлические и неметаллические порошки. В зависимости от обрабатываемого материала, условий обработки и т.п. связка может содержать такие компоненты, как, никель, хром, железо кобальт и другие для получения сплавов с требуемыми характеристиками. Связки также могут содержать функциональные добавки, например твердые смазки, поверхностно-активные добавки, порообразующие добавки и т.п.
Графен можно нанести на медные порошки любым известным способом. Например, для получения графенового покрытия медные порошки и оксид графена диспергируют в органическом или неорганическом растворителе в шаровой мельнице, получая медные порошки покрытые оксидом графена. Полученные порошки термообрабатывают до восстановления оксида графена в графен. Графеновое покрытие на порошках можно получить нанесением полиметилметакрилата при совместной обработке в шаровой мельнице медного порошка, полиметилметакрилата в присутствии стальных шариков, с последующей термообработкой, при которой на частицах меди кристаллизуется графен. Этими примерами не ограничиваются варианты способов нанесения графенового покрытия на порошки меди.
В качестве алмазного материала могут быть использованы природные и синтетические алмазные порошки, алмазные зерна, дробленные спеченные алмазные материалы. Но могут быть использованы другие сверхтвердые материалы, такие как порошки кубического нитрида бора, дробленные спеченные материалы на основе кубического нитрида бора, которые также широко используются в абразивных инструментах, и которые в зависимости от обрабатываемого материала, решаемых задач, могут с успехом заменить алмазные режущие материалы.
Алмазный инструмент изготавливают методом порошковой металлургии. Готовят алмазную массу смешиванием компонентов по стандартной технологии, например, в шаровой мельнице: алмазных порошков и связки, содержащей покрытые графеном порошки твердофазного компонента (например - меди), порошки твердофазного компонента без покрытия - меди, и порошки, образующие жидкую фазу, например - олово. Алмазную массу помещают в прессформу, прессуют и спекают при температуре, соответствующей температуре спекания связки. Для связок на основе меди температура спекания, как правило, составляет 500-800°С и конкретно будет зависеть от того, какие легирующие компоненты будут введены в состав связки.
Для резки булей ∅20 мм из рубина использовались круги алмазные отрезные 1A1R ∅150×0,6×5×32, изготовленные из алмазов марки АС65/125 на модифицированной связке М2-01. Связка состояла из двух частей. 80% связки соответствовала связке М2-01 (медь без покрытия - олово) и в 20% связки медь была покрыта графеном. Резка производилась с применением СОЖ. Контролировалось время резки (режущая способность круга) и ресурс инструмента. Испытания показали, что режущая способность кругов, содержащих графен, на 25-20%, а ресурс на 10-15% выше, чему базовых кругов на связке М2-01 без графена, а удельный расход алмазов ниже, чем у стандартных кругов.
Таким образом, введение графена в массу алмазного инструмента в виде покрытия на твердофазных порошках связки позволяет получить инструмент с равномерным распределением графена в объеме рабочего слоя инструмента при использовании простой технологии смешивания компонентов связки, получить упрочненный графеном инструмент с высокими физико-механическими характеристиками, и высокой теплопроводностью рабочего слоя.