Алмазная обработка - справочник

АЛМАЗ И ЕГО СВОЙСТВА

Физико-механические свойства алмаза. Алмаз является кристаллической модификацией углерода. В зависимости от характера примесей и включений и их количества удельный вес алмаза колеб­лется от 3,48 до 3,56 г/см³.

Алмаз имеет кубическую кристаллическую решетку, содержащую 18 ато­мов углерода (рис. 1), из которых восемь расположены в вершинах куба, шесть — в центрах граней куба и четыре — в центрах четырех из восьми кубов, образо­ванных делением элементарной кубической ячейки тремя взаимно перпендику­лярными плоскостями. Постоянная кристаллической решетки алмаза равна 3.5675А (ангстрем равен 0,0001 мкм), а кратчайшее расстояние между атомами составляет 1.54А, т. е. 1,54 - Ю^-4 мкм.

Каждый атом углерода в решетке алмаза связан общими электронами с че­тырьмя эквивалентными атомами, т. е. координационное число структурной ре­шетки равно четырем. Силы связи в четырех направлениях образуют друг с другом угйы, равные 109°30'. Атомы углерода в алмазе обладают чрезвычайно прочными ковалентными связями, которые и обусловливают его исключительно высокую твердость и другие особенности. Алмаз — самый твердый из всех известных в природе минералов. Его абразивная способность значительно выше, чем у всех применяемых абразивных материалов.

Алмаз анизотропен по твердости, т. е. его твердость и износостойкость нео­динаковы в различных направлениях, что обусловлено неодинаковым расстоя­нием между атомами в различных направленнях н неодинаковым количеством атомов, содержащихся в различных плоскостях. Свойство анизотропности алмаза по твердости учитывают при изготовлении однокристаллыюго алмазного инстру­мента.

Высокая степень жесткости — весьма важное свойство алмаза. Модуль упругости алмаза превышает модуль упругости всех известных в природе твердых веществ, он в 2,5—3,0 раза больше, чем у карбида кремния н карбида бора, и зна­чительно больше, чем у твердых сплавов, что способствует уменьшению деформа­ции и внутренних напряжений в обрабатываемом материале.

Кроме высокой твердости н жесткости, алмаз обладает высокой теплопровод­ностью и теплоемкостью, имеет весьма малый коэффициент теплового расширении, низкий коэффициент трения. Теплопроводность алмаза более чем в 9 раз выше, чем у карбида кремния, в 5 раз выше теплопроводности твердого сплава марки Т15К6 и в 2,5 раза —сплава марки ВК8. Высокая теплопроводность и низкая удельная теплоемкость алмаза способствует лучшему отводу тепла и снижению температуры резания.

Коэффициент линейного расширения алмаза во много раз меньше коэффициен­та линейного расширения твердых сплавов, карбида кремния зеленого, электро-

корунда, меньше коэффициента теплового расширени_{и сплава типа ИНВ}ар, имею­щего наименьшее значение коэффициента линейного расширения. Поэтому ин­струменты с кристаллами алмаза обладают малыми температурными деформа­циями. Такое свойство алмаза весьма важно для ^Анокристалльного режущего инструмента.                 ‘    '

Алмаз обладает непревзойденной износостойко^,^ рі_ЗНосостонкость ал­маза тем выше, чем тверже и хрупче обрабатываемы;; материал. Так, например,

износостойкость алмаза превосходит износостойкость обычных абразивных материалов при обработке закаленных сталей в 100—200 раз, твердых сплавов — в 5000—10 000 раз, самых твердых и прочных специальных высокоглиноземистых керамик — в 250 000—500 000 раз.

Алмаз на воздухе сгорает при температуре 850—1000° С, в струе чистого кислорода — при 720—800° С. Температура горения зависит от размеров крис­талла алмаза и с уменьшением их понижается. В атмосфере азота и водорода алмаз не превращается в графит даже при температуре 1200° С и выше. При нагревании в вакууме или инертной среде до температуры 1500—1600° С процесс превращения алмаза в графит резко ускоряется.

Алмазы, как правило, являются изоляторами и только некоторые из них — полупроводники.

Характерным Свойством алмаза является его высокая химическая н корро­зионная стойкость. Самые крепкие кислоты и даже царская водка (смесь соляной и азотной кислоты) не оказывают иа него никакого воздействия. Алмаз растворяется лишь в расплавах щелочей, натриевой и калиевой селитрах, а также в соде. Нагревание алмаза в контакте с железом (или сплавом на основе железа) выше температуры 750—800° С приводит к растворению его в железе, что необходимо учитывать при обработке указанных материалов.

Алмаз с чистой поверхностью не смачивается водой, но прилипает к некото­рым животным жирам. На алмазодобывающих предприятиях это свойство исполь­зуется для извлечения алмазов из концентратов.

Основные физико-механнческие свойства алмаза, инструментальных и абра­зивных материалов приведены в табл. 1.

Наи­более распространенными формами кристаллов алмаза (рис. 2) являются: октаэдр (восьмигранник с гранями в виде правильных треугольников), ромбододекаэдр (двенадцатигранник с гранями ромбической формы) и реже — куб. Наибольшую твердость имеют грани октаэдра, наименьшую — грани куба.

Алмазы бывают бесцветными, а также окрашенными в желтые, синие.

ных материалов

розовые и другие цвета. Наиболее твердые и износостойкие — бразильские алмазы черного цвета. Благодаря высокому показателю преломления алмазы обладают ярким блеском.

Вес алмазов, встречающихся в природе, колеблется от сотых долей до нес- колькихсот и даже тысяч каратов (1 карат равен0,2г). Чаще всего находят ал­мазы весом 0,01—0,4 карат, реже — алмазы в 1 карат и более и совсем редко — более 10 карат. Чем крупнее алмазы, тем они ценнее и тем реже встречаются.

В отечественной промышленности широко применяются как природные (они обозначаются буквой А), так и синтетические алмазы (условно обозначаются буквами AQ. Одни образовались в глубинных недрах земли, другие созданы человеком, познавшим законы их образования. За границей (Англия, США и др.) синтетические алмазы называются «мен-мейд-даймонд», что означает «чело­веком сделанные алмазы».

Синтетические и природные алмазы нельзя противопоставлять друг другу, они дополняют друг друга и каждый из них имеет свои оптимальные области при­менения. Применение синтетических алмазов непрерывно возрастает, объем их производства планируется в соответствии с увеличивающимися потребностями промышленности. Так, за последние годы (1962—1970 гг.) общий объем добычи и производства алмазов возрос в нашей стране более чем в 18 раз, в то время как добыча природных алмазов возросла более чем в шесть раз, а производство синте­тических алмазов — более чем в 240 раз.

По сравнению с природными алмазами с ровной и гладкой поверхностью синтетические алмазы имеют более шероховатую поверхность с выступами, уг­лублениями и большим числом режущих элементов на одном зерне, меньшие углы заострения и меньшие радиусы округления их вершин (табл. 2). Такая по­верхность зерна обеспечивает более высокую работоспособность синтетических алмазов.

Синтетические и природные алмазы имеют одинаковые кристаллическую решетку, параметры решетки, плотность, твердость и другие физико-механичес­кие свойства. Отличаются они друг от друга только формой зерен, характером

Средние значения радиусов округления и углов при вершине у зерен различных абразивных материалов

Прочность синтетических алмазов колеблется в широких пределах. Отно­шение наименьшей прочности к наибольшей составляет 1 : 12, что позволяет значительно расширить область применения и повысить их эффективность.

В табл. 3 приведены значения средней разрушающей фактической нагрузки по данным разрушения 50 зерен каждой зернистости карбида бора, электроко­рунда и карбида кремния, а также по результатам разрушений 550—850 зерен природных алмазов различной зернистости.

Основная масса алмазов синтезируется с размерами зерен 0,2—0,4 мм, спе­циально синтезируются алмазы с размером 0,6—1,2 леи. В последнее время полу­чены синтетические алмазы в несколько миллиметров.

Чрезвычайно высокая твердость и непревзойденная износостойкость алмаза позволяют успешно применять его, для обработки твердых сплавов, гранита, мрамора, стекла, кварца, корунда, германия, кремния, рубина, самоцветов, бетона, железобетона, самих алмазов и других труднообрабатываемых мате­риалов.

Синтетические алмазы. Наша промышленность выпускает пять марок синтетических алмазов — АСО, АСР, АСВ, АСК и АСС (рис. 3) размером от 0,04 до 0,63 мм и две марки микропорошков — ACM и АСН — раз­мером от 1 до 60 мкм, обладающих различными эксплуатационными свойствами и предназначенных для разнообр із пых видов обработки. Институтом сверх­твердых материалов Госплана УССР (ИСМ) выпускаются синтетические алмазы АСК и АСС размером до 1,2 мм.

Эксплуатационные свойства шлифпорошков из синтетических алмазов за­висят от формы зерен, характера их поверхности и механической прочности. Наиболее развитую поверхность имеют зерна алмаза марки АСО, наиболее глад­кую — АСС. Механическая прочность зерна алмаза возрастает в направлении АСО -* АСР -* АСВ -» АСК АСС. В зависимости от размера зерен алмазы марки АСС обладают прочностью в 1,3—2,0 раза больше прочности природйых алмазов.

В табл. 4 приведено обозначение и назначение сн_1)Тетических алмазов раз­личных марок, изготовляемых в СССР, Англии, США, Швеции и Японии.

Зернистость порошков из си н те. тических алма­зов. Синтетические алмазы подвергаются дробление „ последующей класси­фикации по размерам на фракции. Порошки предствляют собой совокупность

из различных абразивных материалов и алмазов

основной фракции, мкм

в                                                                    г

тических алмазов: в — АСВ; г — АСК

зерен различном величины и формы в виде монокристаллов, их осколков, срост­ков и поликристаллов. В зависимости от размера зерен, метода их получения н контроля порошки делятся (по ГОСТ 9206—70) на две группы: шлифпорошки и микропорошки.

Шлифпорошки получают путем рассева на ситах, зерновой состав их контро­лируют ситовым методом.

Микропорошки получают путем осаждения в жидкости с контролем зернового состава микроскопическим методом. Зерновой состав порошков характеризуется совокупностью основной, преобладающей по количеству, и побочных фракций -— крупной и мелкой, выраженных в процентах, для шлифпорошков — по массе (весу), для микропорошков — по числу зерен.

Качество шлифпорошков характеризуется их зерновым составом и проч­ностью, а микропорошков — зерновым составом, абразивной способностью и шероховатостью обработанной ими поверхности.

Размер зерен в каждой фракции шлифпорошков определяется размерами сторон ячеек двух контрольных сит в микронах по ГОСТ 3584—53, из которых через верхнее сито зерна должны проходить, а на нижнем задерживаться. Зер­нистость шлифпорошка определяется по основной фракции и обозначается дробью, у которой числитель соответствует размеру стороны ячейки верхнего сита, зна­менатель — размеру стороны ячейки нижнего сита.

Шлифпорошки выпускаются двух диапазонов зернистости — широкого и уз­кого. Диапазоны зернистости, обозначение зернистости и размер зерен основной фракции шлифпорошков из алмаза приведены в табл. 5.

Зерновой состав микропорошков определяется линейными размерами проек­ции зерен под микроскопом. За размер зерна принимается полусумма длины и ширины прямоугольника, условно описанного вокруг проекции зерна таким образом, чтобы большая сторона прямоугольника соответствовала наибольшей длине проекции зерна. Зернистость микропорошка обозначается дробью, у которой числитель соответствует наибольшему, а знаменатель — наименьшему размерам зерен основной фракции.

Зернистость шлифпорошков из синтетических алмазов марок АСО, АСР и АСВ приведена в табл. 6.

Зерновой состав шлифпорошков должен соответствовать указанному в табл. 7. Весовое содержание примесей в шлифпорошках не должно быть более 2,5%, а влаги — более 0,2%.

Зернистость

микропорошков

Расфасовка порошков всех зернистостей производится по 10, 25, 50, 100, 250, 500, 1000, 2500 и 5000 карат.

Микропорошки из синтетических алмазов выпуска­ются двух марок: ACM и АСН. ACM обладают нормальной абразивной способ­ностью. Они рекомендуются для изготовления инструмента, паст и суспензий, применяемых при обработке твердых сплавов, закаленных сталей, стекла и дру­гих твердых материалов. АСИ обладают повышенной абразивной Способностью: они рекомендуются для изготовления инструментов, паст и суспензий, применяе­мых при обработке природных и синтетических алмазов, корунда, специальной керамики и других труднообрабатываемых материалов.

Зернистость микропорошков должна соответствовать указанной в табл. 8.

Зерновой состав микропорошков должен соответствовать указанному в табл 9.

Шероховатость поверхности, обра ботанной алмазным микропорошком

ковых материалов, корунда, кварца, оптического стекла, керамики, твердых сплавов и закаленных сталей. Микропорошки представляют собой совокупность осколков кристаллов различных форм определенных размеров. Основной харак­теристикой микропорошка является зернистость. Зерновой состав микропорош* кон характеризуется совокупностью фракций: основной, преобладающей по ко­личеству зерен, крупной и мелкой, выраженных в процентах.

Зерновой состав субмикропорошков определяется линейными размерами проекции не менее 800 зерен под электронным микроскопом при увеличении в 10 000 раз. Качество субмикропорошкон определяется зерновым составом их (табл. 11), величиной съема материала и шероховатостью обработанной ими по­верхности (табл. 12).

Зерновой состав субмикропорошков из синтетических алмазов зернистостью 1/0,5—1/0

Таблица 12

Величина съема и шероховатость поверхности пластин нз кремния, обработанных субмикропорошками зернистостью 1/0,5—0,1/0

Не допускается, чтобы в состав суб- микропорошков входили зерна удлинен­ной формы с отношением проекций длины к ширине более трех. Не допускается так­же содержание примесей более 2,5% и вла­ги более 0,2% от веса микропорошка.

Субмикропорошки рекомендуется упа­ковывать в стеклянные флаконы, закры­ваемые резиновыми пробками и завальцо- вываемые алюминиевыми колпачками, ре­зиновая пробка должна быть защищена

пластинками и выражается в граммах. Число'граммов соответствует величине усилия, при котором зерно разрушается.

В качестве пластинок, между которыми помещается зерно, используется ко­рунд как прозрачный и наиболее твердый после алмаза материал. Другие меиее твердые прозрачные материалы для этой цели мало пригодны из-за внедрения в них алмазных зерен при разрушении их и изменении вследствие этого условий разрушения испытываемых зерен.

При определении прочности в условиях статического сжатия между двумя корундовыми пластинками зерно разрушается либо сразу, расколовшись на мел­кие частицы, либо постепенно от него откалываются мелкие осколки. Зерно счи­тается разрушенным, когда от него остается часть, не превышающая половины его первоначального размера. В Институте сверхтвердых материалов Госплана УССР создан прибор ДА-2, автоматизирующий процесс раздавливания алмаз­ного зерна и подсчет величины разрушающей нагрузки.

Прочность шлифпорошков марок АСО, АСР, АСВ должна быть не ниже зна­чений, приведенных в табл. 13.

Определяющим условием получения определенной марки шлифпорошка является режим синтеза алмазов, поэтому при контроле на прочность порошков, полученных из алмазов марки АСО и АСР, не допускается перевод их соответ­ственно в марки АСР и АСВ. При прочности порошков, меньше указанной в табл. 13, их следует переводить: марку АСВ в АСР или АСО, а АСР в АСО.

Абразивная способность. Зерна алмаза при шлифовании непрерывно размельчаются, сохраняя форму, характерную для каждой марки алмаза. Чем больше сошлифовано материала при полном размельчении алмазных зерен, тем выше абразивная способность порошка.

Абразивная способность алмазного микропорошка определяется как отноше­ние веса еошлифованного корунда к весу израсходованного алмазного микро­порошка. При определении абразивной способности должны соблюдаться посто­янные условия шлифования (количество алмаза, нагрузка при испытаниях и продолжительность ее).

Абразивные свойства шлифпорошка при постоянных условиях испытания зависят от его твердости, прочности и формы зерна. Абразивная способность по­рошка тем выше, чем больше размер зерна и его прочность.

Микропорошки из синтетических алмазов не уступают по своим абразивным свойствам лучшим микропорошкам из природных алмазов.

Абразивная способность микропорошков из синтетических алмазов определя­ется на установке УАС-2М конструкции ИСМ при числе оборотов планшайбы 100 об/мин, числе двойных ходов шлифуемых образцов по планшайбе 60 в минуту, длине хода 50 мм.

Образцы в виде прямоугольной призмы с основанием 10 X 10 мм и высотой 7 мм изготовляются из синтетического корунда (лейкосапфира) по ГОСТ 9618—61. Вес груза, прижимающего три образца, наклеенные на плоскость стального бло­ка диаметром 50 мм по его краям на равном расстоянии друг от друга, к план­шайбе составляет 2 кг. Планшайба диаметром 110 мм и толщиною не более 15 мм изготовляется из керамики марки 22ХС. Поверхности образцов должны лежать в одной плоскости, для чего после наклепки на блок их обрабатывают на уста­новке УАС-2М алмазными микропорошками зернистостью 40/28 в смеси с инду­стриальным маслом.

Для определения абразивной способности синтетических алмазов данной зернистости навеску порошка в 0,01 а помещают на середину планшайбы и добав­ляют 10 капель индустриального масла 12. Количество еошлифованного корунда определяют по средней величине уменьшения массы образцов в результате двух испытаний пробы порошка.

Величина абразивной способности порошков марок ACM и АСН зернистостью 60/40—5/3 должна быть не меньше з н а чеуяй,р р и веде і ш ы х в табл. 14. Микропо-

рошки зернистостью 3/2, 2/1 и 1/0 испытанию на абразивную способность не под­вергаются.

Испытания по определению шероховатости поверхности, обработанной мик­ропорошками ACM и АСН, производятся на той же установке и при тех же усло­виях, что и испытание шлифпорошков на абразивную способность. Для испытания

применяются образцы в виде цилиндра или прямоугольной призмы с площадью основания, равной 1 см², и высотой не более 6 мм. Исходная шероховатость поверх­ностей планшайбы, образцов и пластинки из твердого сплава для испытания должна быть не более чем на один класс ниже против установленной для данной зернистости. При этом следует учитывать, что для каждой зернистости порошка следует применять специальную планшайбу.

После пяти испытаний с рабочей поверхности планшайбы необходимо уда­лить нашаржированный алмазными зернами слой с помощью абразивного круга, а затем произвести доводку пастой из карбида кремния зеленого или электро­корунда.

Для испытания различных микропорошков с целью определения шерохова­тости обработанной ими поверхности применяют навески:

Зернистость порошка                               вес навески, г

60/40; 40/28 ; 28/20; 20    14                          0.010

14/10; 10/7; 7/5; 5'3                                         0,006

3/2; 2/1; 1/0                                                     0,003

На планшайбу наносят навеску порошка и одну каплю эмульсии, состоящей из одной весовой части керосина, одной весовой части бензина и 0,2 весовых частей стеарина. Затем распределяют порошок равномерно по рабочей поверх­ности планшайбы и шаржируют ее с помощью твердосплавной пластинки в те­чение примерно 0,5 мин. Доводку образцов порошком производят в течение 2— 3 мин, добавляя при необходимости через каждую минуту одну каплю эмульсии.

При ручном испытании микропорошков на шероховатость обработанной ими поверхности применяются притиры с размерами рабочей поверхности 200 X X 100 мм из серого мелкозернистого чугуна марки СЧ18-36 по ГОСТ 1412—54.

Твердосплавные образцы в виде цилиндра или прямоугольной призмы долж­ны иметь площадь основания, равную 7 см², и высоту не более 10 мм. Для испыта­ния таких образцов применяются навески:

Зернистость порошка                               Вес навески, г

60/40; 40/28; 28,20; 20/14                              0.003

14/10; 10/7; 7/5; 5/3                                        0,002

3/2; 2/1; 1/0                                                     0.001

После нанесения навески порошка и одной капли эмульсии производят руч­ную доводку в течение 2—3 мин порошками зернистостью 60/40—5/3 и 5 мин порошками зернистостью 3/2—1/0.

Для испытаний микропорошков зернистостью 1/0,5—0,1/0 с целью опреде­ления шероховатости обработанной ими поверхности применяются станки для доводки и полирования плоских поверхностей с числом оборотов 800—850 об/мин притира диаметром 80—130 мм, числом двойных ходов обрабатываемых образцов 16—20 в минуту, удельным давлением образца диаметром 30—40 мм из твердого сплава или стали 0,2—0,3 кГ/см². Исходная шероховатость образцов не должна быть более чем на два разряда ниже против установленных норм для данной зернистости микропорошка и материала образца. Время испытания — 10—6 мин.

Алмазные микропорошки испытывают в виде смываемых водой паст, состоя­щих из испытуемого порошка в количестве 0,02 г, стеарина — 0,25 г и вспомога­тельного вещества ОП-7—0,73 г.

При проведении испытания всех микропорошков необходимо соблюдать условия вакуумной гигиены, принятые на предприятиях электронной промышлен­ности, и выполнять правила по технике безопасности при работе с легковоспла­меняющимися жидкостями.

Другие технические требования, предъявляемые к порошкам из синтети­ческих алмазов, методы испытании этих порошков, маркировка и упаковка при­ведены в ГОСТ 9206—70.