ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АЛМАЗНЫХ СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШЛИФОВАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ИНСТРУМЕНТ»

Спектр предлагаемых рынком алмазных шлифовальных кругов достаточно велик, и перед каждым металлообработчиком встает вопрос: какими критериями руководствоваться при выборе наиболее подходящего инструмента для работы с твердыми сплавами. Исследования украинских ученых показали, что шлифовальные круги на полимерных связках с алмазными порошками АС20 немагнитной фракции отличаются повышенной износостойкостью как в случае их охлаждения в процессе работы, так и без него.

В промышленности при обработке изделий из твердого сплава, керамики, стекла и других хрупких материалов широко применяются алмазные синтетические порошки марок АС6–АС20. 

Синтез алмазов для таких порошков, как правило, кратковременен и происходит с большой скоростью. Растущий кристалл алмаза во время роста захватывает побочные фазы всех веществ, присутствующих в реак­ционной камере. При этом включения и примеси являются объем­ными дефектами кристаллов алмаза, которые оказывают влияние на их физико-химические характеристики. Эффективность работы шлифовального инструмента с алмазным абразивом зависит именно от свойств синтетических алмазов, формирующихся в процессе их синтеза, последующего извлечения, классификации и сортировки.

Поэтому целью данной работы было исследование механиче­ских и физико-химических свойств алмазных синтетических порош­ков и изучение их влияния на эксплуатационные характеристики изготовленного с их использованием шлифовального инструмента.

В данной работе были исследованы алмазные порошки марки АС20, синтезированные в системе Ni–Mn–C. Это позволило изучить характеристики образцов от АС6 до АС20 для эффективного приме­нения в шлифовальном инструменте.

В ходе испытаний алмазное сырье, извлеченное из продукта синтеза, подвергали дроблению для устранения двойников, друз, слабых дефектных зерен. Дробленый материал после химической обработки поверхности алмазов разделяли в соответствии с разме­рами зерен сначала на сите R‑10 с получением зернистости 100/80.

На фото (рис. 1) видно, что и после такой подготовки зерна алмазов отличаются, особенно по цвету. Это говорит о необходимости даль­нейшего повышения однородности содержания в них примесей и включений.

Исходную смесь данных алмазов зернистости 100/90 разделя­ли в магнитном поле разной напряженности на магнитную и немаг­нитную фракции, а после этого определяли физико-механические характеристики по методикам, разработанным в ИСМ: статическую прочность, удельную магнитную восприимчивость, содержание вну­трикристаллических примесей и включений.

В табл. 1 представлены результаты оценки указанных физико-механических характеристик алмазных порошков марки АС20 маг­нитной (темные зерна — см. рис. 1), немагнитной (светлые зерна — см. рис. 1), а также исходной фракций. Как следует из табл. 1, после разделения в магнитном поле полученные алмазные порошки маг­нитной и немагнитной фракций отличаются по значению удельной магнитной восприимчивости приблизительно в 7 раз: от 30,7 . 10–8 до 4,2 . 10–8 м 3/кг. По содержанию внутрикристаллических примесей и включений крайние фракции магнитного разделения отличаются в 2,3 раза. При этом прочность магнитной фракции увеличивается по сравнению с прочностью немагнитной фракции в 1,4 раза.

Кроме того, для оценки физико-химических характеристик ал­мазных порошков зернистости 100/90 марки АС20 магнитных, не­магнитных и исходных фракций на масс-спектрометре МИ 1201 с ин­тервалом температур 20–1000 °C проводили анализ паров воды и га­зов — диоксида углерода, десорбированных с поверхности образцов (рис. 2).

 

В результате проведенных исследований установлено, что по­верхность всех образцов покрыта определенным количеством ОН-групп, которые, десорбируясь с поверхности алмазных зерен, созда­ют молекулы воды [Лавриненко В. И., Ильницкая Г. Д., Петасюк Г. А. и др. Исследование возможностей улучшения эксплуатационных свойств алмазных порошков марки АС20 при из­менении их размерных и физико-химических характеристик. Сверхтвердые материалы. 2018. № 4. С. 59–70].

Термодесорбционные спектры паров воды наблюдали во всем исследуемом температурном интервале (см. рис. 2). Спектры кривых до 200 °C свидетельствуют о наличии паров воды на поверхности всех образцов, а спектры кривых свыше 200 °C показывают активное выделение паров воды из пористой структуры. Наличие ОН-групп в порошках определяется развитостью поверхности алмазных зе­рен. Термодесорбционная кривая паров воды на поверхности алмаз­ных порошков немагнитной фракции (см. рис. 2, кривая 3) указывает на минимальное содержание паров воды и меньшую развитость их поверхности. В алмазных порошках магнитной фракции наблюдается повышенное содержание паров воды (см. рис. 2, кривая 1), что соот­ветствует большей развитости поверхности.

Как следует из рис. 3, термодинамические спектры исследуе­мых шлифовальных порошков марки АС20 зернистости 100/90 со­держат пики диоксида углерода (СО2) в интервале температур от 300 до 500 °C. При этом выделение диоксида углерода из алмаз­ных порошков магнитной фракции (кривая 1) происходит более ин­тенсивно, т. е. при равных навесках именно в алмазных порошках магнитной фракции содержится больше СО2. Следует отметить, что в исходных порошках присутствует небольшое (15–20 %) количество алмазных зерен магнитной фракции, но СО2 находится преимуще­ственно именно в них.

Дополнительно методом комплексного дифференциального термического анализа проведены исследования процесса окисле­ния на воздухе алмазных порошков указанных выше фракций.

 

Уста­новлено, что реакции окисления кислородом воздуха порошков магнитной фракции выше, чем порошков немагнитной фракции. Так, алмазные порошки немагнитной фракции начинают окислять­ся при температуре 900 °C, а магнитной, из-за высокого содержания в них примесей и включений, — при температуре, превышающей 600 °C (рис. 4).

 

Процесс термоокисления алмазных шлифпорошков кислоро­дом воздуха имеет диффузионно-кинетический механизм с каталити­ческой составляющей. Влияние каталитического эффекта металличе­ских включений оказывает воздействие на образование монооксида углерода и окисление его до диоксида углерода. Установлено, что скорость окисления алмазных порошков магнитной фракции в срав­нении с порошками немагнитной фракции возрастает в 1,2–1,5 раза. Это подтверждают и термодесорбционные кривые на рис. 2 и рис. 3. Логично предположить, что алмазные порошки магнитной фракции, в силу указанного выше, будут менее износостойкими в кругах при шлифовании без охлаждения, когда в зоне обработки возникают до­статочно высокие температуры.

Полученные после разделения в магнитном поле фракции ал­мазных порошков использовали для изготовления шлифовальных кругов на полимерной связке 12 А2–45° 125 × 5 × 3 × 32 — АС20 100/90– В2–08–100 %. Шлифовали образцы из твердого сплава Т15 К6 с произ­водительностью обработки 400 мм 3/мин без охлаждения (табл. 2).

Из данных табл. 2 видно, что по показателю износа кругов (от­носительному расходу алмазных порошков) для шлифования твер­дых сплавов без охлаждения в шлифовальных кругах на полимер­ных связках предпочтительно использование алмазных порошков АС20 немагнитной фракции, которые, хотя и имеют несколько мень­шую прочность, но более устойчивы к изменениям в процессе об­работки без охлаждения, когда возникающие в зоне обработки тем­пературы могут привести к нарушениям поверхности алмазов в по­рошках магнитной фракции и снизить их удержание в связке. 

В этом случае даже большая прочность алмазов не имеет значения, так как они могут просто выпасть из общей массы. Очевидно, что зерна ал­мазов порошков АС20 магнитной фракции следует использовать в кругах на металлических связках и при обработке с охлаждением. В этом случае большая прочность алмазных зерен и отсутствие нежелательного для них теплового воздействия способствуют повыше­нию износостойкости шлифованных кругов.

Для глобальной проверки приведенного выше вывода нами были изготовлены шлифовальные круги типоразмера 12 А2–45° 125 × 5 × 3 × 32 на металлической связке М1–10 при 100 %-ной относи­тельной концентрации алмазов АС20 зернистостью 125/100. Предва­рительно алмазы были разделены на три фракции: исходную (смесь), немагнитную и магнитную. Далее было исследовано влияние такого разделения на эксплуатационные показатели алмазных кругов при шлифовании твердого сплава ВК8 с охлаждением 1 %-ным содовым раствором при производительности обработки от 50 до 400 мм 3/мин. Регистрировались относительный расход алмазов в кругах и шеро­ховатость обработанной поверхности по параметру Ra. Результаты испытаний, приведенные в табл. 3, подтверждают наш вывод: именно магнитные алмазы являются наиболее устойчивыми к износу и нена­много уступают немагнитным алмазам по шероховатости обработан­ной поверхности.

После разделения в магнитном поле алмазных порошков мар­ки АС20 зернистости 100/90 получены магнитная и немагнитная фракции. В результате исследования выявлено, что они отличаются по значению удельной магнитной восприимчивости приблизительно в 7,0 раз (от 30,7 * 10–8 до 4,2 * 10–8 м3/кг), по содержанию включений — в 2,0 раза, а прочность магнитной фракции по сравнению с прочно­стью немагнитной выше в 1,4 раза.

Для снижения износа шлифовальных кругов на полимерных связках, используемых для шлифования твердых сплавов без охлаж­дения, предпочтительно использовать алмазные порошки АС20 не­магнитной фракции.

Для обработки с охлаждением лучше использовать шлифоваль­ные круг с алмазными порошками АС20 магнитной фракции на ме­таллических связках благодаря их повышенной прочности и отсут­ствию нежелательного теплового воздействия.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.