КОМПОЗИЦИОННЫЙ ФЕРРОАБРАЗИВНЫЙ ПОРОШОК И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
COMPOSITIONAL FERROABRASIVE POWDER AND METHOD FOR OBTAINING SAME

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к созданию ферроабразивных порошков как порошков-инструментов при магнитно-абразивной финишной обработке поверхностей.
Абразивные материалы являются основной областью применения тугоплавких соединений. Обладая высокой твердостью, прочностью и химической устойчивостью эти порошки соответствуют требованиям, предъявляемым к абразивам, обеспечивают при абразивной обработке высокую производительность, чистоту обработанных поверхностей, минимальное накопление напряжений на поверхности и в объеме обрабатываемого материала как при шлифовании, так и при полировании [см. Адамовский А.А. Абразивные материалы из металлоподобных тугоплавких соединений. // Порошковая металлургия, 1974, №5, с.49-56; Самсонов Г.В. Новые абразивные материалы для шлифования и доводки. // Порошковая металлургия, 1973, №7, с.72-82].
Основными показателями, характеризующими абразивные материалы, является абразивная способность, прочность зерна на сжатие, шероховатость обрабатываемых материалов.
Известны синтетические абразивные зерна, получаемые в процессе расплавления, когда керамические материалы расплавляются в печи, а затем охлаждаются или медленно, чтобы получить твердый клинкер [патент США №4,685,937 (Hori et al.), МКИ С04В 35/65, 1987], или быстро - погружением в воду для получения мелких кристаллов [патент США №5,009,676 (Rue et al.), МКИ С04В 35/111, 1991].
В последние годы абразивные зерна приготавливают с помощью различных золь-гель процессов. В золь-гель процессе гидратные формы оксида алюминия (т.е. γ-АlOOН или бемит) обычно смешивают с водой и кислотой для получения коллоидальной дисперсии или золя. Коллоидальная дисперсия γ-АlOOН обезвоживается для образования зерна - частицы предшественника, которое обычно прокаливается и затем спекается. На этапе прокаливания γ-АlOOН преобразуется в промежуточный оксид (оксиды) алюминия. На этапе спекания промежуточный оксид (оксиды) алюминия в зернах частиц преобразуется в альфа-оксид алюминия, который затем уплотняется. Такие золь-гель процессы описаны в патентах США: №4,314,827 (Leitheiser et al.), МКИ С09К 3/14, 1982; №4,770,671 (Monroe et al.), МКИ B24D 3/34, 1988; №5,164,348 (Wood) МКИ С04В 35/624, 1992 и №5611829 (Monroe et al.), МКИ C04B 35/111, 1997.
Гидроксид алюминия γ-АlOOН является ключевым компонентом в этих процессах, поскольку он может быть получен в виде вещества высокой степени чистоты, частицы его имеют субмикронные размеры и он без труда образует коллоидальные дисперсии.
Однако имеются альтернативные методы создания керамических абразивных зерен на базе альфа-оксида алюминия.
Одним из таких альтернативных методов [патент США №4,685,937 (Hori et al.), МКИ C04B 35/65, 1987] является магнитно-абразивное шлифование. В соответствии с этим процессом изделие и магнитно-абразивные частицы, чувствительные к магнетизму, помещаются между магнитными полюсами, где магнитно-абразивные частицы попадают в зависимость от магнитного поля. Деталь подвергается вращению или вибрации, в то время как абразивные частицы удерживаются магнитным полем и оказывают на нее абразивное воздействие. Магнитно-абразивные частицы, используемые в этом способе, должны обладать ферромагнетизмом и высокой твердостью. Обычно они являются композитом из железа и материала высокой твердости, таких как оксид алюминия, карбид титана и т.п. Известны следующие способы приготовления таких композитных соединений: процесс, при котором тонко размолотые частицы железа и материалов высокой твердости спекаются в печи после формования давлением или во время горячего прессования; процесс, при котором из сплава металлов и углерода образуется карбид, а также процесс, при котором в результате экзотермической реакции между углеродом и титаном образуется композит титанового карбида и железа. В любом из описанных выше процессов для создания магнитно-абразивных частиц соответствующего размера из композитного материала предполагается его спекание и раздробление.
Процессы спекания нуждаются в дорогой печи. Кроме того, возникают значительные трудности при раздроблении композита, получившегося в результате такого способа до частиц желаемого размера. Процесс внутреннего нитрирования металлов или процесс изготовления абразивных частиц из сплава нуждается в дорогостоящем оборудовании и имеет недостаточно высокий выход. Таким образом, эти процессы не экономичны. Кроме того, дробление материалов высокой твердости чрезвычайно трудно и при этом нельзя получить тонко размолотые частицы.
Известен также способ получения абразивных микропорошков с размером кристаллов от 0,2 до 2 мкм на основе оксидов алюминия и железа [патент РФ №2212425 (Клещев и др.), МКИ C09G 1/02, 2003], который включает стадии приготовления шихты из гидроксидов алюминия и соединений железа с последующей механохимической обработкой и прокалкой шихты. При этом гидроксид алюминия подвергают предварительной термообработке при температуре 100-250°С, а перед стадией механохимической активации в шихту вводят добавку карбоновых или дикарбоновых кислот в количестве 0,1-5,0 мас.%, а в качестве карбоновых используют стеариновую или бензойную кислоты, а в качестве дикарбоновых - щавелевую, янтарную или фталевую кислоты. Недостатки этого способа заключаются в его относительной сложности, применении большого разнообразия компонентов, и необходимости прокалки шихты, что влечет за собой уже указанные выше недостатки процесса спекания.
Известны также [см, Е.А.Мурашко, Л.П.Круль, Г.В.Гаевская, Н.С.Хомич, Е.П.Власенко «Исследование абразивной способности ферроабразивных порошков, полученных различными методами, композиционные материалы в промышленности». / Материалы 25 Юбилейной конференции и выставки, Ялта, 2005, с.138-139/.] ферроабразивные порошки-инструменты на основе железа и карбидов переходных металлов Ti, W, V и др. Эти материалы успешно используются для полирования и зачистки изделий из металлов и сплавов микротвердостью 80-600 МПа. Поверхность детали полируется порошками, частицы которых прижимаются к ней магнитным полем при перемещении порошка и поверхности детали друг относительно друга. Такая обработка снижает шероховатость на 4-5 классов, не создает прижогов и микротрещин [см. Магнитно-абразивные материалы и методы их испытания. - Киев, 1980; Порошковые материалы для магнитоабразивной обработки. - Порошковая металлургия, 1976, №12, с.63-69]. Однако ферроабразивные порошки-инструменты на основе железа и карбидов малоэффективны при полировании высокотвердых (1000-1600 МПа) кремния и стекол.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является патент США №5846270 (Feygin, et al.), МКИ C09C 001/68 (прототип), в котором для магнитно-абразивного шлифования предложены композиционные ферроабразивные порошки, состоящие из ферромагнитной основы (железа или его сплавов), на поверхности которой распределены алмазные зерна. В процессе изготовления магнитного абразивного порошка в соответствии с данным патентом нет необходимости в высокотемпературных вакуумных печах и прессах. Используется чрезвычайно простое оборудование, поэтому способ приготовления очень дешев, соответственно, уменьшается цена у получающегося порошка при его высоком качестве. Магнитный абразивный порошок состоит, в основном, из магнитного порошкового компонента, абразивного порошкового компонента и связующего компонента, который связывает частицы абразивного порошкового компонента и магнитного порошкового компонента. Способ его создания содержит следующие этапы: смешивание магнитного порошкового и абразивного порошкового компонентов для образования равномерного распределения компонентов в смеси, насыщение смеси связующим компонентом, оставление смеси для затвердения при комнатной температуре, и измельчение затвердевшей смеси.
Недостатками материала, изготавливаемого в соответствии с данным патентом, является повышенный коэффициент трения в зоне контакта с обрабатываемым материалом, а также необходимость разработки специальных полимерных связующих, так как применяемый в качестве режущего компонента алмаз имеет низкие адгезионные свойства.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в создании нового ферроабразивного порошка-инструмента с повышенными полирующими свойствами, необходимыми при достижении высокого качества поверхностей высокотвердых материалов: кремния, оптических стекол и т.п. и в повышении производительности абразивной обработки за счет повышения режущих свойств нового композиционного ферроабразивного порошка.
Поставленная задача решается тем, что в композиционный порошок, состоящий из ферромагнитной основы, абразивного и связующего компонентов, предназначенного для использования в качестве абразивного при полировании высокотвердых кремния и стекла, вводят в качестве адгезионного структурирующего компонента нанокристаллический гидроксид алюминия γ-АlOOН (бемит). Размер кристаллов γ-AlOOH, получаемых промышленными способами обычно составляет 50-60 нанометров, размер частиц около 1 микрона. Кроме того, благодаря нанокристалличности и малым размерам частиц γ-АlOOН гомогенно распределяется по объему, обеспечивает высокую развитость и микропористость поверхности каждого зерна всей композиции, что значительно увеличивает адгезионные свойства композиции, содержащей абразивный компонент. За счет присутствия в материале порошка инструмента оксида алюминия, имеющего более низкий коэффициент трения, снижается коэффициент трения композиции с обрабатываемой поверхностью, снижается температура в зоне резания, что приводит к повышению работоспособности абразивного материала [см. Корундовые огнеупоры и керамика. М., Металлургия, 1981 г., с.172]. Таким образом, достигается модификация свойств ферроабразивного порошка, обусловленная введением в его состав нанокристаллического гидроксида алюминия.
Сущность данного изобретения состоит в том, что предлагается ферроабразивный композиционный порошок, предназначенный для использования в качестве абразивного при полировании высокотвердых кремния и стекла, состоящий из ферромагнитного компонента, в качестве которого применяется порошковое железо, абразивного компонента, в качестве которого применяется алмазный порошок и связующего компонента.
Причем ферроабразивный композиционный порошок содержит дополнительно адгезионный структурирующий компонент - нанокристаллический гидроксид алюминия γ-АlOOН, причем компоненты находятся в следующем объемном соотношении: 30 - 65% ферромагнитного компонента, до 15% абразивного компонента (включительно), 30-40% адгезионного структурирующего компонента и остальное - связующий компонент.
Кроме того, предлагается ферроабразивный композиционный порошок, где в качестве алмазного порошка применяется порошок из синтетического алмаза.
Кроме того, предлагается ферроабразивный композиционный порошок, где в качестве связующего компонента используется полимер, выбранный из группы: полистирол, бакелит, ударопрочный полистирол, поликарбонат, акрилонитрилбутадиенстирольный сополимер, новолачная смола, цианакриловый клей и их смеси.
Сущность предлагаемого изобретения состоит также в том, что предлагается способ изготовления ферроабразивного композиционного порошка, содержащий этапы смешивания ферромагнитного, абразивного и связующего компонентов.
Причем увлажненный ферромагнитный порошковый компонент - порошковое железо - смешивают с высушенным при температуре 80-120°С порошком нанокристаллического гидроксида алюминия γ-АlOOН, добавляют абразивный порошковый компонент - алмазный порошок, связующий компонент, перемешивают смесь до получения гомогенной структуры, подвергают смесь нагреву до температуры 290-350°С дегидратации композиции, и формируют ферроабразивный композиционный порошок с необходимым размером зерен путем протирания через калибровочные сита.
Кроме того, предлагается способ изготовления ферроабразивного композиционного порошка, где применяемые компоненты имеют следующее объемное соотношение: 30-65% ферромагнитного компонента, до 15% абразивного компонента, 30-40% порошка нанокристаллического гидроксида алюминия γ-АlOOН и остальное - связующий компонент.
Кроме того, предлагается способ изготовления ферроабразивного композиционного порошка, где в качестве алмазного порошка используют порошок из синтетического алмаза.
Кроме того, предлагается способ изготовления ферроабразивного композиционного порошка, где в качестве связующего компонента используют полимер, выбранный из группы: полистирол, бакелит, ударопрочный полистирол, поликарбонат, акрилонитрил-бутадиенстирольный сополимер, новолачная смола, цианакриловый клей и их смеси.
Выбор предложенных соотношений компонентов в объемном соотношении: 30-65% - ферромагнитного компонента, до 15% - абразивного компонента, 30-40% - порошка нанокристаллического гидроксида алюминия - γ-АlOOН и остальное - связующий компонент объясняется следующим:
- содержание гидроксида алюминия γ-АlOOН ниже 30% ухудшает полирующие свойства композита;
- превышение количества гидроксида алюминия γ-АlOOН свыше 40% приводит к расслоению композита;
- введение алмазного порошка свыше 15% приводит к увеличению стоимости материала в целом;
- содержание связующего компонента в композиции ниже 5% не обеспечивает смачивание всех зерен и конгломератов композиции, а превышение содержания связующего выше 15% приводит к снижению прочности.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в улучшении качества обрабатываемой поверхности, обеспечении возможности абразивной обработки при повышенных скоростях и подачах путем введения в качестве компонента ферроабразивного порошка нанокристаллического гидроксида алюминия γ-АlOOН, снижающего коэффициент трения с обрабатываемым материалом за счет ультрадисперсности и собственного более низкого коэффициента трения. Кроме того, появляются дополнительные технические эффекты: снижение температуры в рабочей зоне, понижение сил резания, гомогенность состава и свойств по объему абразивного инструмента.
Пример осуществления изобретения
Увлажненный порошок ферромагнитной основы перемешивают с высушенным при температуре 80-120°С порошком гидроксида алюминия γ-АlOOН, который при перемешивании налипает к каждой порошинке основы. Далее к этим компонентам добавляют алмазный и полимерный порошки и путем смешивания формируют композиционный ферроабразивный порошок. Затем смесь для гидратации подвергают нагреву до температуры 290-350°С и далее, после охлаждения, полученную композицию протирают для измельчения на протирочной машине ПС-1 с калиброванными ситами 0,63 мм.
Абразивную способность порошков на основе оксидов алюминия и их твердых растворов определяли по ГОСТ 2912-79 (п.4.14) на полировальном станке С-15 с планшайбой из битума марки №5. Полируемый образец представлял собой шайбу из стали У10А, закаленную до твердости HRC 58-60. Полировальную суспензию готовили из 50 г анализируемого порошка и 150 мл дистиллированной воды. Абразивную производительность порошка вычисляли по убыли массы по формуле:
,
где ΔМ- изменение массы образца в процессе полировки;
2
S - площадь поверхности образца, мм;
τ - время полирования.
z
Определение шероховатости R поверхности после полировки проводили с помощью микроинтерферометра МИМ-4 по ГОСТ 5425-70 на базовой длине 0,08 мм.
В таблице приведены значения интенсивности съема материала путем полирования в магнитном поле образцов монокристалла кремния и оптического стекла К8 по методике, изложенной в [см. Хомич Н.С., Алексеев Ю.Г., Нисс B.C. и др. «Нанотехнология полирования в магнитном поле поверхностей деталей оптики, электроники и лазерной техники»: Порошковая металлургия: достижение и проблемы. // Сб. докладов междун. Научно-техн. конференции, Мн.: БНТУ, 2005, - с.223-225], согласно которой поверхность детали полируется порошками-инструментами, частицы которых прижимаются к детали магнитным полем. Полирование происходит при перемещении порошка и поверхности детали друг относительно друга при времени полирования 30 мин.
В данной серии испытаний в качестве связующего компонента применялся порошок бакелита, полученный из новалочного фенолформальдегидного олигомера.
Результаты испытаний ферроабразивного композиционного порошка
№ п/п
Состав композитного порошка, об.%
Интенсивность съема материала, мкм/мин
Шероховатость поверхности, Rz, мкм
стекло К8
кремний
стекло К8
кремний
1.
Прототип АП (45) + ФП (40) + П (15)
0,1
0,09
>50
>50
2.
АЛ (15) + ФП (45) + ГА (30) + П (10)
0,12
0,145
0,1
0,1
3.
АП (10) + ФП (40) + ГА (40) + П (10)
0,15
0,14
0,1
0,08
4.
АП (10) + ФП (45) + ГА (40) + П (15)
0,13
0,14
0,1
0,07
5.
АП (5) + ФП (45) + ГА (40) + П (10)
0,11
0,13
0,12
0,12
В таблице приняты следующие условные обозначения: АП - алмазный порошок, ФП - ферропорошок, ГА - гидрооксид алюминия, П - полимер, Rz - шероховатость нанорельефа образца.
Анализ таблицы показывает, что использование при магнитно-абразивной обработке предлагаемых композиционных порошков-инструментов, содержащих порошковое железо, порошок гидроксида алюминия γ-АlOOН, алмазный порошок, полимерное связующее обеспечивает по сравнению с композицией прототипа формирование значительно лучшего нанорельефа с шероховатостью до 0,12 мкм (120 нм) и повышенную интенсивность съема материала до 1,5 раза. Эти показатели соответствуют современным требованиям и перспективам развития массового производства изделий электронной и оптической промышленности.