Связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента
COPPER-BASED BINDER FOR DIAMOND TOOL MANUFACTURING

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении алмазного инструмента на металлической связке, применяемого для шлифования твердосплавных изделий, твердосплавного инструмента и его заточки, преимущественно, в условиях ограниченного охлаждения зоны обработки и при его отсутствии.
Как известно (Резников А.Н. Абразивная и алмазная обработка материалов / Справочник / А.Н. Резников, Е.И. Алексенцев, Я.И. Баран и др., под ред. А.Н. Резникова. - М.: Машиностроение, 1977, с. 199; Абрамов Ю.А. Справочник технолога-машиностроителя./ Ю.А. Абрамов, В.Н. Андреев, Б.И. Горбунов и др., под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. Т. 2. М.: Машиностроение, 1985, с. 248), одной из областей эффективного применения алмазного инструмента на металлической связке является обработка твердых сплавов и, в частности, выполнение им таких операций, как получистовое и профильное шлифование твердосплавных изделий, твердосплавного инструмента и его заточка.
Основным назначением связки является удержание алмазных зерен на рабочей поверхности инструмента, в связи с чем, она должна выдерживать весь спектр механических и температурных нагрузок, воздействующих на алмазный инструмент во время его работы. Если учесть, что при шлифовании алмазными кругами на металлической связке пластин из твердого сплава ВК6 температура поверхностного слоя этих пластин может достигать (даже при оптимальной скорости шлифования - 15-17 м/с) значений около 500°C (Галицкий В.Н. Алмазно-абразивный инструмент на металлических связках для обработки твердого сплава и стали / В.Н. Галицкий, А.В. Курищук, В.А. Муровский. - Киев: Наукова думка, 1986. - С.12), то становится очевидным, что материал связки должен быть жаропрочным и, тем самым, иметь незначительное снижение прочностных характеристик, в частности, твердости при нагреве по крайней мере до 500°C. В противном случае участки связки, находящиеся в контакте с обрабатываемой поверхностью, претерпят разупрочнение и потеряют свои первоначальные механические свойства, что, в свою очередь, снизит способность связки к алмазоудержанию и в итоге приведет к увеличению удельного расхода алмазов. Так, по данным источника (Галицкий В.Н. Алмазно-абразивный инструмент на металлических связках для обработки твердого сплава и стали / В.Н. Галицкий, А.В. Курищук, В.А. Муровский. - Киев: Наукова думка, 1986, с.12), повышение температуры поверхностного слоя шлифуемой твердосплавной пластины с 200 до 450°С вызывает увеличение удельного расхода алмазных зерен более чем в 3 раза.
В источнике (Галицкий В.Н. Алмазно-абразивный инструмент на металлических связках для обработки твердого сплава и стали / В.Н. Галицкий, А.В. Курищук, В.А. Муровский. - Киев: Наукова думка, 1986, с. 10, 12) также показано, что одним из критериев, определяющих способность связки к алмазоудержанию, является интенсивность ее изнашивания. Для повышения работоспособности алмазного инструмента эта характеристика, как правило, должна быть минимальной. При этом повышение твердости связки вызывает уменьшение интенсивности изнашивания алмазоносного слоя и, соответственно, снижение удельного расхода алмазных зерен. Связки, имеющие более высокую твердость при нагреве, благодаря лучшей устойчивости к разупрочнению в процессе работы инструмента, обладают большей износостойкостью и, соответственно, обеспечивают меньший удельный расход алмазных зерен. При повышении твердости связки в 1,75 раза удельный расход алмазов снижается в 2 раза.
Таким образом, для снижения удельного расхода алмазных зерен необходимо стремиться, чтобы твердость связки алмазного инструмента была максимально возможной.
С другой стороны, материал связки должен обладать пластичностью, достаточной, чтобы обеспечить способность без зазоров охватывать алмазные зерна любой конфигурации, ибо в алмазном инструменте для обработки твердых сплавов только механического закрепления алмазных зерен обеспечивает их удержание в связке во время работы инструмента (Ягудин Т.Г. Закономерности влияния способа получения связующего компонента на структуру и свойства алмазосодержащего композиционного материала / Т.Г. Ягудин. // Дисс. канд. техн. наук. - М., МАТИ, 2004, с. 7, 9).
Таким образом, пластичность материала связки также оказывает влияние на прочность закрепления алмазных зерен в ней, и необходимо стремиться, чтобы она была максимальной.
В источнике (Ягудин Т.Г. Закономерности влияния способа получения связующего компонента на структуру и свойства алмазосодержащего композиционного материала / Т.Г. Ягудин. // Дисс. канд. техн. наук. - М., МАТИ, 2004, с. 6, 5) установлено, что еще одним критерием алмазоудержания для связок одной группы может служить прочность при сжатии материала связки, а также показано, что лучшие параметры связки обеспечиваются в том случае, если ее материал имеет исходную мелкозернистую структуру и высокую степень гомогенизации легирующих элементов в матричном материале связки, что, в частности, достигается механическим легированием порошков, из которых создается связка.
Эффективность связки в процессе работы алмазного инструмента зависит также от ее теплопроводности, поскольку теплопроводность во многом определяет интенсивность отвода теплового потока из зоны шлифования. Очевидно, что чем выше теплопроводность материала связки, тем нагрев алмазного инструмента будет меньше, и, следовательно, отрицательное влияние температуры на удельный расход алмазных зерен будет снижено.
Именно, благодаря высокой теплопроводности, а также хорошей технологичности, обусловливаемой, прежде всего, высокой пластичностью при достаточно высокой твердости и широкой доступности, в большинстве случаев в качестве матричного материала для изготовления связок для алмазного инструмента, используемого для обработки твердых сплавов, применяется медь.
Однако в чистом виде она в связках не используется, т.к. приводит к очень интенсивному «засаливанию» и, тем самым, к потере режущей способности алмазного инструмента, особенно, при заточке и шлифовании твердых сплавов и композитов. Данное явление объясняется (Архипов П.В. Повышение режущих свойств алмазных кругов на металлической связке путем устранения их засаливания / П.В. Архипов // Автореф. дисс…канд. техн. наук. - Томск: НИТПУ, 2010, с. 7, 8) тем, что во время обработки твердый сплав образует навалы на боковой поверхности алмазных зерен и налипы (нарост) на вершинах, которые, взаимодействуя со связкой, способствуют развитию «засаливания». Такая поверхность шлифовального круга фактически теряет режущие свойства, а дальнейшая обработка приводит к росту «засаленного» слоя, который полностью скрывает алмазные зерна. Сформировавшийся на поверхности алмазного круга засаленный слой создает в зоне резания условия, при которых непосредственное резание алмазными зернами отсутствует, процесс переходит в трение этого слоя о поверхность обрабатываемой детали, сопровождающееся появлением дефектов на обрабатываемом твердом сплаве. Далее за счет возрастания силовых и ударных нагрузок, а также теплового воздействия, обрабатываемая поверхность покрывается сплошной сеткой трещин и, в зависимости от времени обработки, частично или полностью разрушается.
В связках для указанных целей используются значительное количество материалов на основе меди, которые содержат различные легирующие медь элементы, а также добавки, существенно улучшающие физико-механические свойства и режущую способность алмазного инструмента.
Тем не менее, процесс шлифования твердых сплавов алмазным инструментом даже с многокомпонентными связками на основе меди всегда сопровождается применением смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). Для обеспечения процесса жидкостного охлаждения поток СОЖ направляется в сторону режущей кромки алмазного инструмента, однако, из-за особенностей конструкции станка, конфигурации и крепления обрабатываемых изделий, он в ряде случаев может не достигать зоны резания, в результате чего некоторые части изделия (например, канавки, различные поднутрения сложной конфигурации) подвергаются обработке в условиях отсутствия СОЖ или ограниченного ее присутствия в зоне резания. Также следует учесть, что даже при нормальном доступе СОЖ в зону резания, по мере роста температуры в этой зоне образуется пар из охлаждающей жидкости. В результате формируются микроскопические пузырьки с температурой выше 1000°С, которые не дают жидкости соприкасаться с зоной резания (Farthing J. Cool groove / J. Farthing // Cutting Tool Engineering. - 2014. - Vol. 66. - p. 34).
Вышеизложенное обусловливает значительное количество проводимых в России и за рубежом исследований как по использованию различных электрохимических и электрофизических методов, так и по созданию связок для изготовления алмазного инструмента, способных обеспечить его работоспособность при обработке твердых сплавов в условиях ограниченного использования СОЖ или вообще при ее отсутствии.
2
2
3
Известен (Галицкий В.Н. Алмазно-абразивный инструмент на металлических связках для обработки твердого сплава и стали / В.Н. Галицкий, А.В. Курищук, В.А. Муровский. - Киев: Наукова думка, 1986, с. 53, 60, 64, 66) материал системы Cu-Al для связки алмазного инструмента, в котором содержание алюминия составляет 50 мас.% Этот материал изготавливается методом порошковой металлургии. В его медной матрице содержатся зерна интерметаллида CuAl, а также тонкие пленки оксида AlO, которыми покрыт используемый алюминиевый порошок и которые в процессе спекания и горячего прессования упрочняют материал, улучшая его физико-механические свойства.
3
a
Усилие вырыва алмазного зерна из этой связки, характеризующее ее способность к алмазоудержанию, имеет достаточно высокое значение, составляющее 7,9 Н. Шлифование пластин из твердого сплава ВК6 алмазными кругами на данной связке, содержащей синтетические алмазы марки АС6 зернистостью 125/100 при их концентрации 100%, при производительности шлифования 300 мм/мин и использовании в качестве охлаждающей жидкости 3%-ного водного раствора кальцинированной соды, показало, что удельный расход алмазов для этих кругов составил 0,37 мг/г, а шероховатость обработанной поверхности не превышает R=0,25 мкм, что свидетельствует об удовлетворительной работоспособности испытанных алмазных кругов на указанной связке.
Однако, несмотря на то, что материал связки при комнатной температуре обладает достаточно высокой твердостью (до 90 HRB), он при нагреве до температуры 450°C интенсивно разупрочняется - его твердость снижается в 18 раз и не превосходит 5 HRB, что свидетельствует о низкой жаропрочности этого материала. Кроме того, материал обладает склонностью к горячеломкости, проявляемой в возможности появления трещин в алмазоносном слое инструмента.
Указанные недостатки не позволяют использовать данный материал в качестве связки для изготовления алмазного инструмента, предназначенного для обработки твердых сплавов при повышенной производительности шлифования и, особенно, в условиях недостаточного охлаждения зоны обработки.
Известна (Галицкий В.Н. Алмазно-абразивный инструмент на металлических связках для обработки твердого сплава и стали / В.Н. Галицкий, А.В. Курищук, В.А. Муровский. - Киев: Наукова думка, 1986, с. 27, 28, 53, 60, 66) связка на основе сплава системы Cu-Al-Zn, имеющая обозначение согласно ТУ 2-037-410-83 как M1-01 (предыдущее обозначение - МВ1) и широко применяемая в отечественной практике для изготовления алмазного инструмента, предназначенного для шлифования, заточки и доводки твердосплавного инструмента.
2
3
Помимо меди, алюминия и цинка, материал этой связки содержит также небольшие количества олова (1,0-1,5 мас.%), кремния (до 0,8 мас.%) и магния (до 0,6 мас.%). В структуре материала связки присутствуют три фазы: твердый раствор на основе интерметаллида CuAl, сплав алюминия с цинком и кристаллы кремния. При этом, объемное содержание твердых хрупких фаз в связке составляет 62%, благодаря чему материал связки при нормальной температуре имеет достаточно высокую твердость - 88 HRB, а также низкую интенсивность изнашивания, которая не превосходит 4 мкм/км. Удельный расход алмазов инструмента на данной связке при обработке твердых сплавов, в частности, марки Т15К6 с производительностью 300 мм/мин и использовании в качестве охлаждающей жидкости 3%-ного водного раствора кальцинированной соды составляет 0,22 мг/г, что существенно ниже, чем у ранее описанной связки системы Cu-Al.
Однако усилие вырыва алмазного зерна из связки на основе сплава системы Cu-Al-Zn не превосходит 6,8 Н, что ниже аналогичного показателя для связки системы Cu-А1. Кроме того, при нагреве алмазоносного слоя до 160°C твердость материала связки снижается в 1,5 раза и становиться, равной 57 HRB, а при достижении температуры 300°С связка размягчается до такой степени, что замер твердости становится невозможным.
С учетом изложенного, использование алмазного инструмента на указанной связке для обработки твердых сплавов при любой производительности без применения интенсивного охлаждения с помощью СОЖ невозможно.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является принятая за прототип связка на основе меди, содержащая 20 мас.% олова (Patent GB 707780. Improvements in or relating to cutting tools / N.N. Philips Gloellampenfabrieken. - Опубл. 21.04.1954), которая относится к одной из самых технологичных металлических связок и нашла широкое применение как за рубежом, так и в России, где она обозначается согласно ТУ23-56748-84 как М2-01 (предыдущее обозначение - M1), для изготовления алмазного инструмента, рекомендуемого для шлифования твердосплавных изделий, твердосплавного многолезвийного инструмента и его заточки.
Структура связки М2-01 системы Cu-Sn состоит из зерен α-(твердый раствор Sn в Cu) фазы, между которыми располагаются колонки эвтектоида, состоящие из смеси δ- и α-фаз, причем α-фаза отличается сравнительно высокой прочностью и пластичностью. Прочность и пластичность δ-фазы ниже, но эта фаза обладает более высокой твердостью, чем α-фаза. Соотношение между объемами α-фазы и эвтектоида составляет 40:60.
Как показали приведенные в (Галицкий В.Н. Алмазно-абразивный инструмент на металлических связках для обработки твердого сплава и стали / В.Н. Галицкий, А.В. Курищук, В.А. Муровский. - Киев: Наукова думка, 1986, с. 28÷30, 38, 39, 41, 42, 123) исследования, благодаря указанной структуре, связка М2-01 обладает высокими показателями прочностных свойств, в частности, предел прочности при сжатии составляет 830 МПа, а твердость - 89 HRB. При этом она имеет достаточно хорошую пластичность и теплопроводность, почти в 2 раза превышающую теплопроводность связки на основе системы Cu-Al-Zn. Кроме того, материал связки менее чувствителен к воздействию нагрева, и при температуре 300°C его твердость снижается всего до 81 HRB, т.е. на 8%. Данная связка обладает и более высокой прочностью алмазоудержания - усилие вырыва алмазного зерна из этой связки имеет значение - 8,2 Н.
3
Тем не менее, удельный расход алмазов инструмента на данной связке при обработке твердых сплавов, в частности, марки Т15К6 с производительностью 300 мм/мин и использовании в качестве охлаждающей жидкости 3%-ного водного раствора кальцинированной соды составляет 0,6 мг/г, что превышает аналогичный показатель для ранее приведенных связок на основе систем Cu-Al и Cu-Al-Zn. Кроме того, интенсивность изнашивания алмазонесущего слоя достигает значительных значений - 29,3 мкм/км, в результате чего алмазный инструмент на связке М2-01 даже при минимальной производительности шлифования быстро «засаливается», и для восстановления режущей способности его необходимо править, в результате чего значительно повышается расход алмазов, требуются дополнительные затраты времени и средств и снижается качество обрабатываемых изделий, что в конечном итоге негативно сказывается на их себестоимости и конкурентоспособности.
Исходя из изложенного выше алмазный инструмент на связке системы Cu-Sn не может использоваться для обработки твердых сплавов при любой производительности без применения интенсивного охлаждения с помощью СОЖ и периодического проведения его правки.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание связки на основе меди для изготовления алмазного инструмента, предназначенного для шлифования твердосплавных изделий, твердосплавного инструмента и его заточки, преимущественно, в условиях ограниченного охлаждения зоны обработки и при его отсутствии.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является достижение у предлагаемой связки на основе меди сбалансированных между собою химического состава, структуры, физико-механических и эксплуатационных свойств, основные характеристики которых, согласно произведенным на основании источника (Салов П.М. Рациональное использование рабочей поверхности абразивных кругов / П.М. Салов, Д.П. Салова. - Чебоксары: Чебоксар, политехн. ин-т (филиал) МГОУ, 2010. - 332 с.) расчетов применительно к шлифованию твердых сплавов и, в частности, твердого сплава ВК8 в условиях отсутствия охлаждения зоны обработки, должны составлять:
абсолютная плотность, кг/м<sup>3</sup>
8000-8500
теплопроводность, Вт/(м⋅К), не менее
30
температура рекристаллизации, °С, не менее
700
твердость по Роквеллу, HRB, не менее:
- при 20°C
90
- при 300°C
80
- при 500°C
60
временное сопротивление сжатию, МПа, не менее
1200
относительная деформация при сжатии до разрушения, %, не менее
20
усилие вырыва алмазного зерна, Н, не менее
9
интенсивность абразивного изнашивания, мкм/м, не более
3,7
удельный расход алмазов, мг/г, не более
- при производительности 40-50 мм<sup>3</sup>/мин
0,7
- при производительности 80-100 мм<sup>3</sup>/мин
0,9
- при производительности 110-150 мм<sup>3</sup>/мин
1,0
Указанный технический результат достигается за счет того, что связка на основе меди для изготовления алмазного инструмента, содержащая олово, содержит также механолегированные гранулы, включающие алюминий и углерод, при следующем соотношении компонентов,  мас.%:
олово
5,0…8,0
алюминий
0,9…2,8
углерод
0,4…0,8
медь
остальное
Из уровня техники не известны аналоги, обладающие тождественной совокупностью признаков.
Предлагаемый качественный и количественный состав связки на основе меди обеспечивает получение связки со следующими физико-механическими и эксплуатационными свойствами (см. результаты испытаний, представленные в таблице):
абсолютная плотность, кг/м<sup>3</sup>
8000-8150
теплопроводность, Вт/(м⋅К)
60-85
температура рекристаллизации, °С, не менее
720-750
твердость по Роквеллу, HRB
- при 20°С
92-98
- при 300°С
85-91
- при 500°С
76-83
временное сопротивление при сжатии, МПа
1310-1440
относительная деформация при сжатии до разрушения, %
23-28
усилие вырыва алмазного зерна, Н, не менее
9,4-11,2
интенсивность абразивного изнашивания, мкм/м
3,1-3,5
удельный расход алмазов, мг/г
0,4-0,9
при производительности 43,9-47,5 мм<sup>3</sup>/мин
0,40-0,65
при производительности 86,3-89,4 мм<sup>3</sup>/мин
0,45-0,82
при производительности 118,3-130,6 мм<sup>3</sup>/мин
0,55-0,95
Предложенная связка изготавливается из исходной гранульно-порошковой смеси, содержащей порошки меди и олова, а также механолегированные гранулы на основе меди системы Cu-Al-С, и в конечном состоянии представляет собой достаточно пластичную матрицу из порошкового материала системы Cu-Sn, в которой равномерно распределены более твердые гранулы.
Для получения механолегированных гранул использовался метод реакционного механического легирования в высокоэнергетической шаровой мельнице - аттриторе -, основанный на интенсивной обработке смеси порошков меди и алюминия с добавками углерода в виде графита в среде воздуха рабочей камеры аттритора (Шалунов Е.П. О механизмах формирования структуры и свойств композиционных материалов системы Cu-Al-С-O, получаемых на основе метода реакционного механического легирования / Е.П. Шалунов, В.М. Смирнов // Вестник Чувашского университета. Естественные и технические науки. - 2013. - №3. - С. 314-322). В результате механохимического синтеза, осуществляемого во время обработки в аттриторе в виде твердофазных реакций между алюминием и кислородом воздуха и медью и кислородом, образуются оксидные фазы - оксиды алюминия и меди. При этом графит участвует в этом процессе в качестве как восстановителя меди из ее оксидов, ибо оксиды меди снижают ее теплопроводность, так и в остаточном после восстановления количестве - сухой смазки, снижающей коэффициент трения получаемой на основе меди связки для изготовления алмазного инструмента.
Для получения конечного материала связки из смеси порошков меди, олова и гранул использовалась технология порошковой металлургии.
2
3
С целью определения основных физико-механических свойств предложенной связки, из нее были изготовлены цилиндрические образцы диаметром 12 мм и высотой 10…14 мм. Для этого сначала изготавливались механолегированные гранулы на основе меди системы Cu-Al-С путем обработки в воздушной среде аттритора емкостью 15 л исходной порошковой смеси, при этом такая обработка проводилась в два этапа. На первом этапе проводилась обработка смеси из электролитического порошка меди марки ПМС-1 (ГОСТ 4960-75), порошка технического алюминия марки ПП-1 (ГОСТ 5592-71) и порошка карандашного графита марки ГК-3 (ГОСТ 4404-78) при соотношении массы порошковой, смеси и мелющих шаров 1:15 в течение 60 мин при частоте вращения ротора аттритора 600 об/мин. На втором этапе дальнейшая обработка порошковой смеси продолжалась при соотношении массы шихты и стальных шаров 1:10 в течение 30 мин при той же частоте вращения ротора аттритора. Для предотвращения попадания в обрабатываемую порошковую смесь и, соответственно, в получаемые из нее гранулы вредных для свойств связки продуктов износа мелющих тел, ударных бил ротора и стенок камеры аттритора, изготовленных из стали, ротор с ударными билами и стенки камеры аттритора были покрыты с использованием метода вакуумного ионно-плазменного напыления несколькими слоями износостойких композиций, не содержащих железо, а вместо стальных мелющих тел использовались высокотвердые и изностостойкие керамические (AlO) шарики HiDur™ диаметром 8 мм.
Полученные гранулы подвергались просеву и для дальнейшего их применения при изготовлении связки использовались гранулы с размерами менее 50 мкм, объем которых составлял, в зависимости от исходного химического состава порошковой смеси, 80…90% от всего объема полученных гранул.
Далее исходная гранульно-порошковая смесь, приготовленная путем смешивания в смесителе типа «пьяная бочка» полученных в аттриторе механолегированных гранул, электролитического порошка меди марки ПМС-1 и порошка олова марки ПОЭ (ГОСТ 9723-73), подвергали холодному двустороннему прессованию на гидропрессе в пресс-инструменте при давлении 300 МПа. Полученные прессовки подвергали спеканию под слоем смеси графита и твердого карбюризатора (50:50) при температуре 750°C в течение 60 мин, после чего с этой температуры их направляли в контейнер пресс-инструмента, нагретого встроенной в него кольцевой электропечью до 550°C, и производили их горячее доуплотнение на гидропрессе давлением 300 МПа.
Аналогичные образцы из связки, выбранной в качестве прототипа, изготавливались из смеси 80 мас.% электролитического порошка меди марки ПМС-1 и 20 мас.% порошка олова марки ПОЭ, предварительно смешанных в течение 2 ч в смесителе типа «пьяная бочка». Далее эта порошковая смесь была подвергнута холодному двустороннему прессованию на гидропрессе в пресс-инструменте при давлении 300 МПа. Полученные прессовки спекались под слоем смеси графита и твердого карбюризатора (50:50) при температуре 700±5°C в течение 60 мин, после чего с этой температуры их направляли в контейнер пресс-инструмента, нагретого до 550°С, и производили их горячее доуплотнение на гидропрессе давлением 100 МПа.
Для проведения испытаний по определению эксплуатационных характеристик алмазного инструмента на основе предложенной связки были изготовлены образцы шлифовальных головок типа AW (ГОСТ 17122-85) диаметром 12 мм и высотой 10 мм со 100%-ной концентрацией алмазного порошка марки АС32 200/160 (ГОСТ 9206-80). Для этого по описанной выше технологии сначала приготавливалась исходная гранульно-порошковая смесь, в которую затем добавлялся алмазный порошок марки АС32 200/160. Указанные компоненты рабочей смеси подвергали смешиванию в течение 2 ч в смесителе типа «пьяная бочка». Для исключения расслоения смеси в конце процесса смешивания в нее добавлялся изопропиловый спирт в количестве 2 мас.% по отношению к массе рабочей смеси.
Остальные операции по получению образцов шлифовальных головок типа AW были те же и проводились при тех же режимах, что были указаны выше.
Образцы аналогичного алмазного инструмента на связке, выбранной в качестве прототипа, со 100%-ной концентрацией алмазного порошка марки АС32 200/160 изготавливались по той же приведенной выше технологии и по тем же режимам, что и образцы из самой связки - прототипа. Только в качестве рабочей смеси была использована смесь, состоящая из 80 мас.% электролитического порошка меди марки ПМС-1 и 20 мас.% порошка олова марки ПОЭ, в которую добавлялся указанный алмазный порошок. Такая смесь была подвергнута обработке в смесителе типа «пьяная бочка» в течение 2 ч, в результате которой порошковые компоненты рабочей смеси были равномерно распределены по ее объему. Для исключения расслоения смеси в конце процесса смешивания в нее добавлялся изопропиловый спирт в количестве 2 мас.% по отношению к массе рабочей смеси.
По приведенным выше технологическим процессам были изготовлены образцы предлагаемой связки и алмазного инструмента на ее основе в соответствии с тремя примерами конкретного осуществления связки на основе меди по заявляемому изобретению.
Пример №1. Химический состав исходной гранульно-порошковой смеси для изготовления связки по заявляемому изобретению содержит следующее соотношение компонентов, мас.%: олово - 5,0; алюминий - 0,9; углерод - 0,4; медь - остальное.
Пример №2. Химический состав исходной гранульно-порошковой смеси для изготовления связки по заявляемому изобретению содержит следующее соотношение компонентов, мас.%: олово - 7,0; алюминий - 1,9; углерод - 0,5; медь - остальное.
Пример №3. Химический состав исходной гранульно-порошковой смеси для изготовления связки по заявляемому изобретению содержит следующее соотношение компонентов, мас.%: олово - 8,0; алюминий - 2,8; углерод - 0,8; медь - остальное.
Полученные образцы связки указанных в примерах химических составов и образцы связки - прототипа были подвергнуты испытаниям и исследованиям, результаты которых приведены в таблице.
Плотность определяли путем взвешивания образцов на весах ВЛР-200 с точностью ±0,001 г. Объем определяли путем замера диаметра с точностью ±0,01 мм и высоты образца с точностью ±0,05 мм. Твердость измеряли на приборе Роквелла по шкале В в соответствии с ИСО 6508-86. При определении твердости по Роквеллу при температурах 300°C и 500°C для нагрева испытуемого образца использовалась термовоздуходувка модели 8003 SKIL мощностью 1800 Вт. При этом температуру цилиндрического образца контролировали при помощи инфракрасного термометра (пирометра) testo 845 (диапазон измерений - от 35 до +950°C, разрешение -0,1°C).
Испытания на сжатие цилиндрических образцов проводили на гидравлическом прессе 2ПГ-50 в соответствии с ГОСТ25.503-97.
Временное сопротивление сжатию рассчитывали по нагрузке, предшествующей разрушению образца или появлению первой трещины на нем. Относительную деформацию при сжатии до разрушения определяли, исходя из замеренных значений высоты цилиндрического образца до его сжатия и после разрушения или появления первой трещины на нем.
Теплопроводность исследуемых образцов материалов связки определяли стационарным методом сравнения с эталоном (Коротких А.Г. Теплопроводность материалов: учебное пособие / А.Г. Коротких. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011, с. 23). В качестве эталона использовали медь марки M1 (ГОСТ 859-2001).
Температура рекристаллизации определялась согласно ISO 5182.
Эксперименты по определению алмазоудерживающей способности связок проводились в соответствии с методикой, приведенной в источнике (Лоладзе Т.Н. Износ алмазов и алмазных кругов / Т.Н. Лоладзе, Г.В. Бокучаева. - М.: Машиностроение, 1967, с.112). Согласно этой методике, алмазные зерна вырывались из связки с регистрацией усилия вырыва, а также замером глубины оставшейся после вырыва зерна лунки, для чего использовался стереоскопический микроскоп МБС2 с микронной индикаторной головкой ИГМ-1М, имеющей игольчатый наконечник. Таким образом, параметрами, характеризующими алмазоудерживающую способность связки, являлись усилие вырыва алмазного зерна и глубина его заделки в связке. А поскольку каждому конкретному алмазному зерну всегда соответствовала своя пара значений усилия вырыва зерна и глубина его заделки в связке, то в качестве практической характеристики алмазоудерживающей способности связки принималось усилие вырыва, приведенное к глубине заделки зерна, равной 100 мкм (Галицкий В.Н. Алмазно-абразивный инструмент на металлических связках для обработки твердого сплава и стали / В.Н. Галицкий, А.В. Курищук, В.А. Муровский. - Киев: Наукова думка, 1986, с. 20).
Абразивный износ связок определяли в соответствии с методикой, изложенной в источнике (Галицкий В.Н. Алмазно-абразивный инструмент на металлических связках для обработки твердого сплава и стали / В.Н. Галицкий, А.В. Курищук, В.А. Муровский. - Киев: Наукова думка, 1986. - С. 20), при трении цилиндрических образцов диаметром 12 мм и высотой 12 мм по абразивной шкурке, прикрепленной на поверхность чугунного диска машины трения ЛКИ-3. Для проведения испытаний применялась шлифовальная шкурка М10 с зернистостью 8…10 мкм (ГОСТ 3647-80). Скорость перемещения образца по поверхности шкурки составляла 0,8 м/с. Нагрузка на образец составляла 3 МПа. Величина массового износа определялась на основе результатов взвешивания образцов на весах ВЛР-200 до и после испытания. Интенсивность абразивного изнашивания рассчитывалась, исходя из полученных значений массового износа и пройденного пути трения.
поп
пр
Проверка работоспособности образцов шлифовальных головок типа AW диаметром 12 мм и высотой 10 мм со 100%-ной концентрацией алмазного порошка марки АС32 200/160, изготовленных на основе связок, указанных в приведенных выше трех примерах, а также на основе связки - прототипа, проводилась на операции шлифования твердосплавных пластин Т15К6 на фрезерно-гравировальном станке модели CARVER Mini-0609. Испытания проводились на следующих режимах: частота вращения шлифовальной головки - 12000 об/мин, поперечная подача (глубина шлифования) S - 0,02 мм, 0,04 мм и 0,06 мм на двойной ход, продольная подача S=0,5 м/мин. Шлифование осуществлялось без подачи в зону резания какого-либо смазочно-охлаждающего средства.
Работоспособность оценивали по удельному расходу алмаза и режущей способности (производительности) шлифовальнох головок в соответствии с рекомендациями ГОСТ 17122-85. Удельный расход алмазов q (мг/г) определяли по формуле
a
где G - износ алмазоносного слоя головки за время испытания, мг;
M
G - износ твердосплавной пластины за время испытания, г;
3
3
с
α - коэффициент, определяемый как отношение массы алмазов к массе алмазоносного слоя в объеме, равном 1 см. Коэффициент α зависит от концентрации алмаза и плотности связки ρ, г/см.
3
Режущую способность Q (мм/мин) рассчитывали по формуле
где Т - чистое время шлифования в мин.
Исследование структуры предложенной связки на основе меди, представленной на фиг. 1, показало, что структура связки представляет матрицу из порошкового материала на основе меди, содержащего олово, в которой равномерно распределены гранулы на основе меди со средним размером менее 50 мкм, содержащие алюминий и углерод.
2
3
2
3
Исследования тонкой структуры полученной связки с использованием просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), выполненный на микрофольгах и угольных экстракционных репликах, приготовленных из образцов связки, показали, что содержащиеся в ней гранулы имеют дисперсно-упрочненную структуру, характеризующуюся, во-первых, наличием в гранулах частиц AlO со средним размером от 28 до 74 нм (в зависимости от исходного химического состава гранул и технологических режимов получения связки), а, во-вторых, ярко выраженной субзеренной структурой со средним размером субзерен от 90 до 185 нм (в зависимости от исходного химического состава гранул и технологических режимов получения связки). Как известно (Портной К.И. Дисперсно упрочненные материалы / К.И. Портной, Б.Н. Бабич. - М.: Металлургия, 1974, 268 с.), такие параметры тонкой структуры, характеризующейся наличием в ней как наночастиц AlO, так и субзерен указанной выше нанодисперсности, обеспечивают материалам высокий уровень прочностных свойств и, особенно, при повышенных температурах и, соответственно, высокий уровень температуры рекристаллизации, что особенно важно для связки алмазного инструмента при его работе в условиях ограниченного охлаждения и, тем более, при его полном отсутствии.
Ввиду чрезвычайно малых размеров гранул, измерить их твердость при разных температурах нагрева, чтобы определить температуру рекристаллизации материала гранул, не представлялось возможным. Однако эффективное влияние указанных выше параметров их тонкой структуры на упрочнение самой связки показано в таблице, откуда следует, что прочностные характеристики (временное сопротивление сжатию и твердость) предложенной связки превышает аналогичные характеристики связки - прототипа, а твердость связки системы Cu-Sn-Al-C при повышенных температурах (300°C и 500°C) выше твердости при этих же температурах связки - прототипа системы Cu-Sn. Температура рекристаллизации предложенной связки на 31…36% превышает температуру рекристаллизации связки, выбранной в качестве прототипа. Теплопроводность предложенной связки выше теплопроводности связки - прототипа.
Интенсивность абразивного изнашивания связки по заявляемому изобретению меньше, а усилие вырыва алмазного зерна из связки выше, чем у связки - прототипа.
При указанных в таблице значениях производительности удельный расход алмаза у алмазного инструмента на основе предлагаемой связки при работе без охлаждения меньше, чем у алмазного инструмента на основе связки - прототипа, который при поперечной подаче, равной 0,06 мм/дв. ход, вообще перестает работать ввиду сильного «засаливания» и образования прижогов на инструменте и обрабатываемом твердом сплаве.
Таким образом, данные таблицы позволяют утверждать, что физико-механические и эксплуатационные характеристики связки на основе меди по заявляемому изобретению превосходят аналогичные характеристики связки, выбранной в качестве прототипа, а алмазный инструмент, изготовленный из предложенной связки на основе меди, действительно может использоваться для шлифования твердосплавных изделий, твердосплавного инструмента и его заточки, причем в условиях ограниченного охлаждения зоны обработки и при его отсутствии, что может свидетельствовать о решении поставленной в данном изобретении задачи.