АЛМАЗНЫЙ ИНСТРУМЕНТ НА ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ СВЯЗКЕ
DIAMOND TOOL ON ELECTROPLATING BINDER

Изобретение относится к алмазным инструментам больших и малых габаритных размеров, изготавливаемым с использованием электрохимических процессов (гальваническим методом) закрепления алмазных зерен на поверхности корпуса инструмента и предназначенным для обработки различных металлических и неметаллических материалов. Такими инструментами могут быть шлифовальные круги, в том числе круги сложного профиля, которые должны длительное время сохранять свой профиль; правящие инструменты, такие как правящие ролики, бруски; отрезные круги, сверла и т.п.
Одним из способов увеличения срока службы алмазных инструментов на гальванической связке является изменение физико-механических свойств гальванической связки за счет введения в нее различных твердых наполнителей, в частности алмазных частиц и алмазных порошков, имеющих размеры меньше, чем основные алмазные зерна, производящие съем обрабатываемого материала. Так, в патентах Японии №3729700, кл. B24D 53/12, 2001 г., №3802884, кл. B24D 53/12, 2004 г. в связку, закрепляющую на корпусе инструмента основные алмазные зерна, вводят дополнительные алмазные частицы, размер которых меньше размера основных алмазных зерен. Дополнительные частицы предохраняют разрушение связки шламом, образующимся при работе инструмента, и тем самым способствуют улучшению удержания основных алмазных зерен в связке. В заявке DE №10049605, кл. B24D 5/00, 2001 г. в гальваническую связку вводят дополнительные алмазные частицы, размер которых составляет 5-40% размера основных алмазных зерен. Дополнительные алмазные частицы обеспечивают распределение на поверхности корпуса инструмента алмазных зерен на определенном расстоянии друг от друга и предотвращают их сдвигание под действием усилий, возникающих при работе инструмента, сохраняя прочность их удержания в связке. В известных решениях в качестве дополнительных частиц вводят алмазные частицы достаточно большого размера, частицы распределены по поверхности инструмента на некотором расстоянии друг от друга, т.е. они локально защищают связку от износа шламом. Однако участки поверхности инструмента, находящиеся между алмазными зернами и дополнительными частицами подвергаются воздействию шламом, в результате связка изнашивается, ослабляется удержание алмазных зерен, что приводит к их преждевременному выпадению.
В другом техническом решении по патенту Японии №4372367, кл. B24D 3/00, 1992 г. предложено поверх рабочего слоя алмазного инструмента на гальваническую связку наносить тонкую пленку металла, содержащую ультрамелкие алмазные порошки диаметром не более чем 100 Å. Такая пленка увеличивает срок службы инструмента за счет улучшения смазывающих и антифрикционных характеристик рабочей поверхности инструмента и ее абразивной стойкости. Однако пленка, содержащая ультрамелкие алмазные порошки, имеет небольшую толщину, некоторое время защищает рабочую поверхность инструмента от отрицательного воздействия на нее шлама, но после ее износа инструмент начинает работать как обычный.
Наиболее близким техническим решением является алмазный инструмент, на поверхности корпуса которого закреплены алмазные зерна гальванической связкой, содержащей ультрадисперсный наполнитель, в качестве которого использованы наноалмазные порошки с размером частиц 40-60 нм. Содержание нанопорошков в связке составляет 0,3-1,6% (а.с. СССР №1703427, кл. B24D 3/34, 1992 г.). Наноалмазные порошки равномерно распределены по всему объему связки и служат для дисперсионного ее упрочнения. Связка, упрочненная наноалмазными порошками, не изнашивается более длительное время, чем обычная связка, и дольше удерживает алмазные зерна на корпусе инструмента. Однако известный гальванический инструмент имеет следующие недостатки. Режущий слой инструмента, представляющий собой алмазные зерна и связку, удерживается на корпусе в основном за счет адгезионных сил между корпусом инструмента и металлической составляющей связки. Наноалмазные порошки, находящиеся в связке, ухудшают сцепление режущего слоя с корпусом из-за частичной замены металла связки наноалмазными порошками. В то же время алмазные зерна в связке удерживаются за счет механических сил сцепления зерен и связки, определяемых пластичностью последней. Пластичная связка более плотно прилегает к алмазным зернам, повторяя контур поверхности зерна. Наноалмазные порошки, увеличивая твердость связки, уменьшают ее пластичность и соответственно ухудшают сцепление зерен со связкой. Известно, что для предотвращения отслаивания рабочего слоя от корпуса инструмента под воздействием тепла, возникающего при работе инструмента, коэффициенты термического расширения рабочего слоя и корпуса инструмента должны быть близкими. Введение наноалмазных порошков в связку существенно уменьшает коэффициент термического расширения связки, что создает условия для изменения геометрических размеров корпуса и слоя на различную величину и их расслоению при работе инструмента. Все перечисленные недостатки приводят к снижению стойкости инструмента либо из-за отслаивания рабочего слоя от корпуса, либо от преждевременного выпадения алмазных зерен из связки.
Технической задачей является увеличение срока службы инструмента на гальванической связке за счет улучшения удержания режущего слоя на корпусе инструмента и алмазных зерен в связке.
Для решения технической задачи в алмазном инструменте на гальванической связке, содержащем корпус, на котором закреплены алмазные зерна гальванической связкой, включающей наноалмазный наполнитель, связка выполнена двухслойной с внутренним слоем, примыкающим к корпусу инструмента и имеющим толщину 10-20% от размера алмазных зерен, и внешним слоем, нанесенным на внутренний слой и имеющим толщину 40-70% от размера алмазного зерна, при этом наноалмазный наполнитель содержится только во внешнем слое связки.
В алмазном инструменте в качестве наноалмазного наполнителя берут наноалмазные порошки зернистостью 2-100 нм, при объемном содержании их в связке 4,0-5,0%.
Известно, что износ алмазного гальванического инструмента наступает тогда, когда на корпусе остается слой связки, удерживающий алмазные зерна, толщина которого составляет примерно 40-50% величины алмазного зерна. Поэтому внутренний слой связки, равный 10-20% от величины зерна, в гальваническом инструменте не подвергается воздействию образующимся при работе инструмента шламом. Этот слой служит только для прочного соединения рабочего слоя с корпусом и удержания алмазных зерен в связке. Отсутствие наноалмазных порошков в этом слое позволит улучшить адгезионные свойства внутреннего слоя связки, улучшить удержание алмазных зерен в связке механическими силами и обеспечить близость коэффициентов термического расширения материала корпуса и связки.
Сопутствующим эффектом технического решения является экономия дорогостоящего алмазного нанопорошка в результате уменьшения его количества в слое в целом, и в частности во внутреннем слое связки, которая остается после износа инструмента на корпусе и практически представляет собой безвозвратные потери.
Наноалмазные порошки берут размером 2-100 нм. Порошки такого размера обеспечивают необходимую прочность связки, позволяющую достигать оптимальную работоспособность инструмента. Объемное содержание их в связке, равное 4,0-5,0%, обеспечивает коэффициент термического расширения внешнего слоя связки, достаточно близкий к коэффициенту термического расширения внутреннего слоя связки.
На чертеже показан алмазный инструмент со связкой, содержащей два слоя.
1
2
Инструмент содержит корпус поз.1, на поверхности которого закреплены алмазные зерна поз.2 гальванической связкой. Гальваническая связка содержит два слоя: внутренний слой поз.3, примыкающий к корпусу инструмента, и внешний слой поз.4, расположенный поверх внутреннего слоя. Внутренний слой поз.3 связки имеет толщину h=10-20% от размера алмазных зерен. Этот слой наносят на корпус инструмента для прикрепления алмазных зерен поз.2. Слой наносят при режимах, обеспечивающих беспористую прочную структуру, которая способствует удержанию режущего слоя на корпусе и алмазных зерен в связке как за счет механических сил сцепления, так и адгезионных свойств материала связки. Внешний слой поз.4 связки имеет толщину h=40-70%. Этот слой 4 содержит наноалмазные порошки поз.5. Внешний слой также, как и внутренний слой служит для удержания алмазных зерен поз.3 и упрочняется наноалмазными порошками для уменьшения износа связки от действия, образующегося при работе инструмента шлама.
2
3
Установлено, что толщина hi внутреннего слоя поз.3 связки, равная 10-20%, достаточна для надежного прикрепления алмазных зерен к корпусу инструмента. Уменьшение толщины этого слоя приведет к снижению стойкости инструмента из-за уменьшения площади поверхности алмазных зерен, контактирующей со связкой, а увеличение толщины внутреннего слоя приведет к уменьшению толщины упрочненного внешнего слоя поз.4. Толщина h упрочненного внешнего слоя поз.4 связки, равная 40-70% от величины алмазного зерна, обеспечивает заращивание алмазных зерен на величину от 50% до 90% его размера, создавая необходимый вылет h алмазных зерен из слоя связки для осуществления процесса резания различных материалов. Уменьшение толщины внешнего слоя приведет к слишком большому вылету алмазных зерен из связки, которые под действием сил резания будут легко выпадать, а увеличение толщины внешнего слоя уменьшит вылет алмазных зерен и соответственно снизит работоспособность инструмента. Внешний слой связки можно выполнить большей толщины, вплоть до толщины, обеспечивающей полное заращивание алмазных зерен. В этом случае перед работой инструмента алмазные зерна необходимо будет вскрыть путем удаления части связки с поверхности инструмента. Это усложнит процесс изготовления инструмента. Известно, что в зависимости от обрабатываемого материала, условий обработки оптимальной величиной заращивания алмазных зерен у гальванического инструмента является толщина, равная 50-90% от размера зерна.
Инструмент изготавливали в гальванической ванне в два этапа. Вначале в ванну с электролитом, не содержащим наноалмазных порошков, помещают корпус поз.1 инструмента, на который осаждались алмазные зерна поз.2, и проводят процесс прикрепления алмазных зерен к корпусу при режимах осаждения связки, обеспечивающих плотную структуру. После того как гальваническая связка образовала внутренний слой поз.3, его переносят в гальваническую ванну, содержащую электролит с тщательно перемешанным наноалмазным порошком, и проводят процесс заращивания алмазных зерен до тех пор, пока внешний слой поз.4 связки не зарастит алмазные зерна на требуемую высоту.
В результате был изготовлен алмазный инструмент, у которого связка содержала два слоя: внутренний - без наноалмазных порошков, прочно удерживающий алмазные зерна на корпусе до гарантированного износа инструмента, и наружный, подвергаемый активному воздействию образующимся при работе инструмента шламом, слой дисперсно-упрочненный наноалмазными порошками. Благодаря присутствию в инструменте двух слоев связки, имеющих различные характеристики, увеличивается стойкость алмазного гальванического инструмента в целом.