Улучшение свойств синтетических алмазов для оснащения ими правящего инструмента

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «АБРАЗИВНЫЙ ИНСТРУМЕНТ»

Лавриненко В. И., д‑р техн. наук

Ильницкая Г. Д., канд. техн. наук

Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины

Доброскок В. Л., д‑р техн. наук

Островерх Е. В., канд. техн. наук

Национальный технический университет «ХПИ» МОН Украины

Солод В. Ю., канд. техн. наук

Днепровский государственный технический университет МОН Украины

Всякий раз, когда речь где бы то ни было заходит об алмазах, многие, прежде всего, представляют себе бриллианты — ограненные алмазы. Они характеризуются цветом, чистотой, огранкой и размером. Разные оттенки они приобретают вследствие различного химсостава, реакции на радиацию и пластическую деформацию атомной решетки. Но это всё о природных алмазах. Металлообработчики для изготовления дорогостоящего прецизионного правящего инструмента также выбирают высококачественные алмазы, хотя и синтетические. Они так же, как и природные, могут иметь разную окраску, зависящую от наличия примесей в их составе. Исследования украинских ученых доказали, что свойства таких высокопрочных синтетических алмазов можно улучшить посредством термохимической обработки.

Во многих отраслях промышленности, таких как подшипниковая, инструментальная и оптико-механическая, использование высокоточного абразивного инструмента в общем объеме инструмента достигает 50 %. Между тем, стоимость прецизионного алмазного инструмента может достигать 1000 $ США за единицу и более, поэтому для покупателя важно, чтобы он обладал высокой износостойкостью. Конечно, с точки зрения производства он очень выгоден, поскольку стоимость алмазов в нем достигает 200 $ США за карат. Но важно, что бы прецизионный инструмент оправдывал свою стоимость и был конкурентоспособным на рынке благодаря своим эксплуатационным характеристикам. Поэтому необходимо улучшать свойства алмазов, предназначенных для производства инструмента, повышая их ресурс, что в итоге сказывается на снижении себестоимости изделий, обрабатываемых данным инструментом.

Вместе с тем, развитие прогрессивных технологий обработки деталей машин правящими роликами обусловливает необходимость применения для их производства высокопрочных порошков синтетического алмаза, характеристики прочности и термостойкости которых улучшены и контроли руемы. И вот здесь мы сталкиваемся с тем, что, как и природные, синтетические алмазы могут быть цветными.

Именно это мы и наблюдаем при сравнении алмазов марки АС100 630/500 от разных производителей (рис. 1). Например, на фото 1 а все алмазы зеленого цвета, а на фото 1 б алмазы разные: как светлые, так и темные. Разберемся, в чем тут дело.

 

 Рис. 1. Алмазы марки АС100 630/500 разных производителей

Прочность алмазов, используемых для изготовления прецизионных правящих ро ликов, — важная, но не единственная характеристика. Еще одним показателем качества синтетических алмазов является количество примесей и включений, содержащихся в них. Оно зависит от условий, в которых происходил синтез. Именно сплав — растворитель углерода и придает кристаллам алмаза цвет и различные свойства: магнитные и прочностные.

На примере алмазов разных марок зернистостью 400/315, синтезированных в системах Ni-Mn–C, Fe-Co-C и Fe-Ni-C (табл. 1), видно, что химические элементы сплава- растворителя преобладают и составляют от 93,6 до 58,5 % от общего количества имеющихся примесей и включений в порошках алмаза этих систем. Причем кристаллы алмазов всех ростовых систем, содержащие меньшее количество внутрикристаллических примесей и включений, обладают боль шей прочностью. Также алмазы с примесями и включениями обладают и магнитными свойствами, которые характеризуются по казателем удельной магнитной восприимчивости (χ).

Таблица 1. Физико-механические характеристики алмазов, синтезированных в разных ростовых системах

На графике (рис. 2) удельная магнитная восприимчивость шлифпорошков синтетического алмаза, синтезированных в системах Ni‑Mn‑C, Fe-Co-C и Fe-Ni-C, растет при повышении в них количества внутрикристаллических примесей и включений.

 

Рис. 2. Зависимость удельной магнитной восприимчивости шлифпорошков синтетического алмаза зернистости 400/315, синтезированных в системах Ni‑Mn‑C, Fe‑Co‑C и Fe‑Ni‑C, от содержания в них внутри кристаллических примесей и включений

Стоит иметь в виду, что среди алмазов, предназначенных для изготовления инструмента, могут быть и неоднородные по со ставу алмазы, разного цвета (см. рис. 1 б). Например, темный цвет алмазов указывает на повышенное содержание в них включений и примесей. Как быть в этом случае?

Для улучшения прочностных характеристик и повышения однородности алмазных порошков необходимо алмазы сортировать. Способ адгезионно-магнитной сортировки шлифпорошков синтетических алмазов был усовершенствован авторами статьи. Он предполагает введение в со став порошков электропроводящих тонкодисперсных частиц размером не более 1000 нм, которые в результате адгезии надежно покрывают поверхность алмазов и придают им магнитные свойства. Благодаря этому их можно сортировать в электромагнитном поле и разделять на фракции, в том числе по прочностным характеристикам (рис. 3).

а) Fe‑Co‑C; б) Fe‑Ni‑C

Рис. 3. Однородность по прочностным характеристикам шлифпорошков синтетического алмаза зернистостью 400/315, синтезированных в системах

Это дает возможность выделить алмазные шлифпорошки с повышенной прочностью и значительно повысить их однородность по сравнению с исходными: в си стеме Fe-Ni-C — в 4,2–3,0 раза; в системе Fe-Co-C — в 3,5–2,4 раза.

Как сказано выше, в шлифпорошках синтетического алмаза содержатся включения, на которые можно воздействовать раз личными способами, например термической обработкой. Это можно продемонстрировать на алмазах марки АС200 зернистостью 500/400 и 250/200. Они были отсортированы в магнитном поле на фракции порошков, в соответствии с удельной магнитной восприимчивостью. После этого их подвергали термической обработке в инертной среде при температуре 800 °C и 1100 °C. Увеличение содержания металлических включений в кристаллах алмазов всех исследованных систем приводит к снижению прочности после термической обработки при тем пературе как 800 °C, так и 1100 °C. Снижение прочности кристаллов алмазов тем интенсивнее, чем больше в них примесей и включений. После нагревания до 800 °C происходит незначительное (не более 5 %) повышение прочности алмазов с более низ ким содержанием примесей, которое можно объяснить снижением внутренних напряжений в них при термообработке. Кроме того, шлифпорошки алмазов зернистостью 500/400 и 250/200 разделяются в магнитном поле на фракции с разной удельной магнитной восприимчивостью (соответствен но, с разным содержанием металлических включений) и разной прочностью. При этом выделяются порошки, которые при комнат ной температуре отличаются между собой по прочности на 10 ÷ 30 % и имеют более высокую однородность. В целом наиболее термостойкими являются высокопрочные алмазные порошки с меньшим содержанием примесей и включений.

Термостойкость алмазных шлифпорошков

Немаловажно, что в процессе алмазной обработки на воздухе температура в зоне контакта может достигать 1000 °C.

Термостойкость абразивных порош ков определяется способностью их зерен сохранять прочность в результате термической обработки. Для изготовления инструмента необходимы именно термостойкие шлифпорошки. Именно поэтому и важна оценка термической стойкости алмазов в воздушной среде при высокотемпературной обработке.

После разделения в магнитном поле алмазов АС200 зернистостью 315/250 раз ных ростовых систем и их нагрева до 900 °C на воздухе и в среде инертных газов алмазы были разделены на фракции: магнитные, немагнитные и исходные. Затем были определены показатели прочности при статическом сжатии зерен алмазов с раз личной скоростью окисления в зависимости от удельной магнитной восприимчивости и содержания внутрикристаллических металлических включений (табл. 2).

Таблица 2. Результаты исследований шлифпорошков алмазов, синтезированных в разных системах

Из табл. 2 следует, что значения скорости окисления алмазных шлифпорош ков, синтезированных в системах Fe‑Ni‑C и Fe‑Co‑C, у всех фракций, отличающихся между собой по удельной магнитной восприимчивости, прочности и содержанию внутрикристаллических включений, близки. При этом скорость окисления алмазов магнитных фракций систем Fe‑Ni‑C и Fe‑Co‑C приблизительно в 2 раза выше, чем ско рость окисления алмазов немагнитных фракций. Это говорит о том, что стойкость к окислению на воздухе и прочность алмазных порошков зависит от концентрации в них металлических примесей. Чем больше металлических примесей содержится в алмазных порошках, тем их термостойкость и прочность ниже.

Способ термохимической обработки алмазных порошков

Авторами статьи был разработан способ термохимической обработки алмазных порошков, который позволяет существен но снизить концентрацию металлических примесей и повысить стойкость порошков к окислению, а также их прочность. На рис. 4 представлены алмазы, синтезированные в системе Fe-Ni-C. После термообработки они хотя и сохранили темный цвет (коричневый оттенок), но стали уже более прозрачными.

 

Рис. 4. Внешний вид алмазов АС250 630/500 после термохимической обработки (исходные алмазы — темные, см. рис. 1 б)

В табл. 3 представлены характеристики широко применяющихся для изготовления правящего инструмента шлифпорошков из искусственных алмазов марок АС250, АС200 и АС160, синтезированных в системе Fe-Ni-C.

Из табл. 3 видно, что прочность данных алмазных шлифпорошков изменяется в зависимости от содержания в них включений: при повышении их от 0,331 до 0,617 атом. % прочность алмазов при комнатной температуре снижается от 414,2 до 305,5 Н, а при нагреве — от 393,5 до 220,0 Н. Коэффициент термостабильности алмазов (КТС) снижается с 95 до 72 %. Алмазам марок АС250 и АС200 присвоена высокая (ВТ) категория термостабильности, а АС160 — средняя (СТ).

Таблица 3. Свойства алмазных шлифпорошков разных марок зернистостью 400/315, синтезированных в системе Fe-Ni-C

Коэффициент однородности шлифпорошков синтетических алмазов изменяется от 76 до 48 %. Удельная магнитная восприимчивость алмазов с ростом содержания включений увеличивается с 3,2 × 10–8 до 24,7 × 10–8 м 3/кг. Дефектность поверхности шлифпорошков разных марок по коэффициенту поверхностной активности изменяется от 0,05 до 0,23 %.

Таким образом, проведенные исследования показали возможность эффективной сортировки по дефектности поверхности зерен алмазных шлифпорошков, синтезированных с применением ферросплавов.

Установлено, что физико-механические характеристики алмазных шлифпорошков (прочность и термостойкость), синтезированных в разных ростовых системах Ni‑Mn‑C, Fe-Co-C и Fe-Ni-C, как исходных, так и после высокотемпературной обработки, могут изменяться в 3÷5 раз. При этом могут формироваться высокопрочные и термостойкие алмазные зерна. Использование для производства прецизионного абразивного правящего инструмента таких улучшенных алмазных шлифпорошков позволит повысить его эффективность.

Наличие в Национальной академии наук Украины, а именно: в Институте сверх твердых материалов, опытно-производственного участка по изготовлению наукоемкого прецизионного алмазного правящего инструмента позволяет обеспечить им машиностроительные предприятия Украины, сэкономив валюту, расходуемую для покупки аналогов за рубежом.

При этом вполне реально привлекать в Украину валютные средства в результате выхода с данным инструментом на рынки других стран.


По вопросам изготовления специального шлифовального инструмента с использованием улучшенных алмазных шлифпорошков, внедрения эффективных процессов алмазно-абразивной обработки и получения более детальной информации можно обращаться в ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, отдел алмазно-абразивной и физико-технической обработки.

Тел. (044) 432–95–15

e‑mail — lavrinenko@ism.kiev.ua

Похожие статьи


Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

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