Алмазный инструмент на металлической связке для обработки твердых материалов
DIAMOND TOOLS ON THE METAL BOND FOR TREATMENT OF HARD MATERIALS

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.
Особую группу труднообрабатываемых материалов составляют керамические материалы, преимущественно нитридная керамика. Уникальные свойства керамики позволяют использовать ее в различных областях техники. Из-за высокой твердости материала механическая обработка изделий возможна преимущественно с использованием алмазного инструмента. При обработке алмазным инструментом на металлической связке, последняя заволакивает алмазные зерна, заполняя углубления на поверхности инструмента между алмазными зернами. При этом трение между связкой и обрабатываемым материалом возрастает, в результате процесс обработки сопровождается выделением большого количества тепла, вызывающего интенсивный локальный разогрев кристаллов алмаза, приводящий к их графитизации, и разогрев обрабатываемого материала, приводящий к его растрескиванию, выкрашиванию и другим дефектам, влияющим на качество поверхности обработанных изделий. Кроме того, из-за высоких температур в зоне резания алмазы графитизируются, что негативно влияет на стойкость, производительность инструмента. Поэтому желательно уменьшить температуру в зоне реза
Известно введение в состав рабочего слоя инструмента на металлической связке порообразователей, например, в виде пустотелых шариков, которые способствуют снижению температуры рабочего слоя инструмента в процессе шлифования. Так например, известен алмазный инструмент (DE 2604482, кл. B24D 3/00, 1977 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, однако снижение количества абразивных зерен увеличивает нагрузку на абразивные зерна, находящиеся на режущей поверхности инструмента, соответственно увеличивает теплообразование. В то же время известно, что тепло, генерируемое в процессе обработки на поверхностях алмазных зерен, вызывает локальное повышение температуры, которое может оказывать вредное воздействие на срок службы алмазной частицы.
Известны алмазные инструменты на металлической связке, которая содержит 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.
Широко известно использование в алмазных инструментах алмазных зерен, имеющих покрытие из металлов, сплавов металлов, и других материалов. Металлизация алмазов, преимущественно, способствует повышению прочности зерна, улучшению степени удержания их в связках, увеличению теплопроводности и в результате повышению срока службы инструмента. Известен абразивный материал, содержащий алмазное зерно с композиционным покрытием, выполненным из никеля, включающего твердые смазки, такие как порошки гексагонального нитрида бора, талька, дисульфида молибдена, графита. (Н-П сборник «Синтетические алмазы», «Наукова Думка», Киев, 1978 г. №2, с. 60-61) Введение твердых смазок в покрытие на алмазном зерне позволяет улучшить условия шлифования благодаря снижению тепловыделения в зоне обработки и соответственно снижению поступления тепла в металлическую матрицу инструмента. Недостаток материала заключается в том, что содержание твердых смазок в металлическом покрытии, имеющем ограниченную толщину, является недостаточным для требуемого снижения температуры и в тоже время твердые смазки в покрытии на алмазном зерне не способствуют теплопроводности связки, необходимой для удаления тепла из зоны резания в объем рабочего слоя с последующим его выведением из рабочего слоя.
Наиболее близким является техническое решение по патенту US 4184853, кл. B24D 3/06, 1980 г., которое касается абразивного материала, содержащего алмазные зерна с покрытием на основе кремния, включающим, по меньшей мере, один элемент группы, состоящий из меди, серебра, золота, алюминия и переходных металлов 4-8 групп периодической системы и элемент, выбранный из группы, состоящей из галлия, индия, таллия, германия, олова, свинца, фосфора, сурьмы, теллура и серы Покрытие на основе кремния обеспечивает упрочнение алмазных зерен, повышение эффективности обработки поверхности обрабатываемого материала. В то же время покрытие является достаточно теплопроводным, так как содержит металлы, обладающие наиболее высокой теплопроводностью по сравнению с другими компонентами связки. Недостаток абразивного материала заключается в том, что покрытие является многокомпонентным, что усложняет технологию его изготовления, нанесение покрытия на алмазные зерна осуществляется при достаточно высоких температурах, оказывающих отрицательное воздействие на алмазы. Кроме того, несмотря на то, что покрытие выполнено на основе кремния, являющегося наиболее теплопроводным материалом, оно содержит другие компоненты, которые, выполняя роль поверхностно-активных веществ, снижают теплопроводность покрытия и связки в целом. В то же время тепло, генерируемое в покрытии на поверхности алмазных частиц, если оно не легко передается от алмазных зерен в матрицу и плохо поглощается металлической матрицей, вызывает локальное повышение температуры, которое может оказывать вредное воздействие на срок службы алмазных зерен и инструмента в целом.
Техническая задача заключается в повышении срока службы алмазного инструмента на металлической связке, улучшение качества обработки за счет снижения образования тепла в зоне обработки, улучшения отвода тепла от алмазных зерен в рабочий слой инструмента, и повышение физико-механических характеристик связки.
Техническое решение заключается в том, что в алмазном инструменте на металлической связке для обработки твердых материалов, содержащем корпус с закрепленным на нем рабочим слоем, включающим металлическую связку и алмазные зерна, снабженные покрытием, покрытие выполнено из графена, имеющего слоистую структуру, содержащую, по меньшей мере, один слой и нанесенное, по меньшей мере, на часть поверхности алмазного зерна.
Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что графен является в настоящее время самым теплопроводным материалом. Его теплопроводность превышает теплопроводность алмаза более, чем в 2 раза. Поскольку для высокой теплопроводности характерно быстрое распространение энергии нагрева по всей массе, графеновое покрытие вместе с металлическим связующим материалом способствует существенному увеличению скорости переноса тепла от алмазных зерен в тело инструмента. Кроме того, сам по себе графен, имея слоистую структуру, выполняет роль твердой смазки, уменьшая трение и усилия шлифования, и тем самым снижая температуру поверхности раздела между алмазными зернами и обрабатываемой поверхностью. Кроме того введенный в связку графен способствует повышению физико-механических характеристик связки. В результате срок службы инструмента существенно увеличивается.
Алмазный инструмент для обработки твердых материалов содержит корпус и рабочий слой. В алмазных инструментах алмаз в качестве абразивного материала используется в виде порошков, связанных различными связками, образуя рабочий слой, закрепленный на корпусе инструмента. Алмазные зерна содержат графеновое покрытие. Графеновое покрытие служит твердой смазкой, уменьшающий тепловыделение, а также теплопроводным материалом, обеспечивающим отведение тепла от алмазных зерен и рассеивание его в объеме рабочего слоя инструмента. Так как графен имеет слоистую структуру покрытие из графена может содержать, по меньшей мере, один слой. С увеличением количества слоев графена в покрытии уменьшается его теплопроводность, в связи с этим количество слоев будет определяться достаточностью отвода тепла от алмазных зерен. В зависимости от толщины покрытия либо от способа нанесения покрытия, графеновый слой может быть нанесен на всю поверхность алмазного зерна, либо на часть поверхности алмазного зерна. В любом случае графеновое покрытие будет выполнять свою функцию.
Инструмент может быть использован в виде шлифовальных и полировальных кругов, отрезных дисков, правящих инструментов и т.п. В качестве связующих материалов чаще всего используются составы типа бронз с различным содержанием меди, олова, цинка, алюминия и других материалов. Алмазные инструменты, используемые в качестве сверлильных и буровых инструментов и т.п.в качестве связующего материала используют твердые сплавы с кобальтовым связующим материалом. Металлические связки дополнительно могут содержать различные специфические наполнители, повышающие эффективность обработки.
Для изготовления инструмента шихту, содержащую алмазные зерна, покрытые графеном, и порошки металлической связки помещают в прессформу, прессуют и спекают при температуре спекания связки. По другому способу можно прессование и спекание проводить одновременно. Инструмент можно готовить пропиткой тугоплавких порошков шихты металлом с низкой температурой плавления.
Таким образом, введение графена в рабочий слой алмазного инструмента в виде покрытия на алмазных зернах позволит повысить срок службы инструмента и улучшить качество обработки, так как графеновое покрытие будет способствовать снижению выделения тепла в зоне резания, особенно непосредственно в зоне алмазных зерен, улучшению отвода тепла от алмазных зерен и передачу его в связующий материал, а также графен будет способствовать повышению физико-механических характеристик инструмента.