Алмазные инструменты

ИЗГОТОВЛЕНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ АЛМАЗНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

Центральная научно-исследовательская лаборатория камней-самоцветов Ленсовнархоза с 1955 г. проводит экспериментальные работы по созданию специальных алмазных инструментов на металлической связке для механической обработки различных твердых материа­лов (минералов, горных пород, стекла, керамики, полу­проводников, ферритов, твердых сплавов и др.). Иссле­довательские работы проводятся в творческом содру­жестве с предприятиями Ленсовнархоза, научно-иссле­довательскими институтами и лабораториями.

Алмазные инструменты в настоящее время в основ­ном изготовляются тремя методами: 1) шаржированием; 2) гальваническим; 3) порошковой металлургией.

Метод шаржирования заключается в закреплении зерен алмаза в металлической основе (корпусе) механи­ческим путем (запеканкой или завальцовкой). Этот метод нерационален, так как не обеспечивает надеж­ного закрепления зерен в инструменте.

Гальванический метод в основном применяется для изготовления малогабаритного инструмента (надфили, притиры, зубоврачебный инструмент).

Первый и второй методы изготовления алмазного инструмента применяются в том случае, когда нельзя применить метод порошковой металлургии, который является самым прогрессивным, так как дает возмож­ность надежно закрепить зерна алмаза и тем самым обеспечить высокую стойкость инструмента и резко

повысить коэффициент полезного использования алмаза. Этим методом изготовляются алмазные круги, шлифо- вальники, трубчатые сверла и др.

В настоящее время ЦНИЛКС Ленсовнархоза создал 16 типов специальных алмазных инструментов (рис. 1), часть которых внедрена в промышленность, а некоторые из них находятся на испытании в институтах и на за­водах.

При изготовлении алмазного инструмента методом порошковой металлургии металлические или органиче­ские порошки тщательно перемешиваются с классифи­цированным алмазным порошком в определенных про­порциях, спрессовываются и затем спекаются. Геомет­рическая форма инструмента определяется конструк­цией пресс-формы, предназначенной для конкретного инструмента.

ЦНИЛКС Ленсовнархоза изготовляет алмазные инструменты на металлической связке, основными ком­понентами которой являются порошки меди, свинца, олова, вольфрама и кобальта.

Основные операции изготовления алмазного инстру­мента методом порошковой металлургии следующие.

Прессование порошков имеет целью получение бри­кета с размерами и формой, необходимыми для получе­ния готовых инструментов с учетом деформаций на по­следующих операциях. Кроме того, прессование брике­тов обеспечивает наибольшую их плотность (уменьше­ние пор внутри прессуемого порошка), что создает луч­шие условия для дальнейшего процесса изготовления инструмента — спекания.

На давление прессования большое влияние оказы­вают физические характеристики порошков. Наличие примесей, особенно окислов, значительно повышает не­обходимую величину давления.

При наличии алмаза в шихте за максимально воз­можные давления прессования следует принимать те, которые хрупкий алмаз выдерживает не разрушаясь.

Для алмаза критические давления разрушения зави­сят от его зернистости. Чем меньше величина зерна алмаза, тем больше могут быть критические давле­ния.

Для мелкого алмазного зерна (А5, АЗ и др.) удель­ное давление прессования может достигать 100 кг/мм².

Плавность прессования и отсутствие рывков дает возможность алмазу выдерживать значительно большие давления не разрушаясь.

Важное значение имеют выдержка под прессом в течение 2—3 мин. при рабочем давлении и последую­щее постепенное снятие давления. Этим уничтожается обратное действие упругих сил, вызывающих расслое­ние прессовки.

Спекание брикета производится при температуре не­сколько ниже точки плавления основного компонента. Спекание повышает механическую прочность алмазного инструмента.

При спекании происходят следующие основные про­цессы :

• повышение подвижности атомов в связи с ростом температуры;
• увеличение прочности контактной поверхности частиц:
• амортизация остаточных напряжений, сосредото­ченных в местах контакта частиц; после спекания кон­тактная поверхность становится ненапряженной;
• рекристаллизация частиц шихты за счет роста зерен через контактные участки;
• изменение всей поверхности частиц;
• качественные изменения контакта.

Таким образом, все явления, наблюдающиеся при спекании порошков, косвенно связаны с количествен­ными и качественными изменениями контакта между частицами.

Связность брикетов в основном обусловлена меха­ническим сцеплением частиц порошка. У спеченного материала связность обеспечивается сцеплением под действием сил электростатического взаимодействия атомов.

Оптимальная температура спекания находится в пре­делах ²/₃—^ZU от температуры плавления компонентов связки. Для крупнозернистых порошков температура повышается и достигает почти температуры плавления; для высокодисперсных порошков она может опускаться почти до половины температуры плавления.

Превышение температуры спекания ведет к значи­тельному зональному обособлению усадки шихты и к неупорядоченно сосредоточенному изменению частиц, что в свою очередь может вызвать коробление и растрескивание брикета.

При изготовлении алмазного инструмента чаще всего мы имеем дело с двухкомпонентной системой (на­пример, медь—олово), где спекание идет до образова­ния жидкой фазы, так как температура спекания нахо­дится выше температуры плавления олова (232°С). Плавясь, олово играет роль жидкой фазы, диффузия идет через нее, и наиболее активные атомы, переходя в жидкую фазу, растворяются в ней до насыщения. В насыщенном растворе устанавливается динамическое равновесие между растворяющимися и выделяющимися из раствора атомами. Наиболее подвижные атомы растворяются, а наименее подвижные оседают в местах контакта. Однако через некоторое время жидкая фаза (олово + растворенная медь) диффундирует в основной компонент (медь) с образованием однородного твердого раствора. С дальнейшим повышением температуры (до 798° С) начинается вновь выделение жидкой фазы в виде легкоплавкой эвтектики, благодаря чему про­исходит в основном рост контактной поверхности.

Следовательно, для очень дисперсных медных порош­ков с оловом температура спекания может быть в пре­делах 750—780° С.

Чаще всего для изготовления алмазных инструмен­тов применяют медные порошки крупностью 40—50 мк. Для таких порошков температуру следовало бы держать в пределах 850—900° С, но только в том случае, если спекание происходит в защитной среде, в противном случае при температуре 800° С и выше начинается гра- фитизация алмаза. Спекание алмазного инструмента на бронзовой связке в защитной среде проводится при температуре 780° С.

Спекание алмазного инструмента на твердосплавной связке вообще невозможно без защитной среды, так как температура спекания не может быть менее 1100°С. Только при такой температуре обеспечивается необхо­димая механическая прочность инструмента.

Значение защитной среды при спекании совершенно очевидно, так как кислород воздуха энергично окисляет поверхность даже монолитных металлов, а окисление изделий из спрессованного порошка чрезвычайно воз­растает из-за сильно развитой поверхности в порах. Следовательно, главным назначением защитной среды является предотвращение проникновения вредных газов в изделия.

Защитная среда должна быть инертной или восста­новительной. Спекание в нейтральной среде имеет смысл применять только в том случае, когда на поверх­ности изделий ранее не образовывались окислы. В этом случае такой средой может быть азот. Если же спекае­мый брикет уже окислен, даже частично, то азот недо­статочен и нужно применять восстановительную среду, чтобы устранить пленки окислов с частиц порошка и этим увеличить силы, связывающие их во время спе­кания.

Наиболее эффективным газом, широко применяемым в порошковой металлургии, считается водород. Однако он является довольно дорогой защитной средой и, кроме того, требует особых мер по предотвращению возможного взрыва. Наиболее экономичной и доста­точно подходящей защитной средой при спекании алмазного инструмента является диссоциированный аммиак, состоящий из 75% водорода и 25% азота.

Время выдержки. Получить качественное спекание, т. е. получить качественный инструмент, нельзя, если не дать возможности совершиться всем необходимым изменениям шихты по времени, так как диффузия про­текает медленно, особенно в олове и меди.

О протекании процесса спекания во времени судят по объемной усадке, которая является результатом взаимодействия сжимающих и растягивающих сил. Усадка прекращается, когда все активные атомы расходуются.

Сжатие вызывается действием межатомных сил, а также заполнением пор при термическом расширении частиц. Растяжение вызывается амортизацией остаточ­ных напряжений прессования. Если силы растяжения превзойдут силы сжатия, то излишняя выдержка при­ведет к растрескиванию и короблению брикета. Проч­ность изделия быстро достигает максимума, пластич­ность же растет значительно медленнее.

Наилучшие результаты получены при длительной выдержке (1,5—2 часа), но не следует забывать, что чем больше выдержка, тем больше окисление. В восста­новительной или защитной среде следует давать вы­держку 1—1,5 часа при 800°С; при спекании в обычной среде выдержка должна составлять 30—40 мин. при температуре 780° С.

Чем выше температура спекания, тем меньше может быть выдержка. Практически выдержка при спекании алмазного инструмента определяется в зависимости от размера и формы изделия, от состава шихты, защитной среды и конструкции печи.

При изготовлении инструментов применялась вы­держка при спекании от 10 до 60 мин. без защитной среды и 50—120 мин. — в водородной среде.

Горячее прессование (допрессовка). Не менее важ­ной операцией при изготовлении алмазного инструмента является горячее прессование или горячая допрессовка. Эта операция повышает плотность, твердость и проч­ность инструмента.

Горячая допрессовка обеспечивает увеличение кон­такта как за счет деформации внешними силами, так и за счет собственной температурной подвижности ато­мов. И в данном случае большое значение имеет время выдержки под прессом. Достаточная выдержка ведет к более полному протеканию всех процессов смещения и диффузии. Важную роль играет плавность горячего прессования. Чем плавнее ведется прессование, тем выше достигается (при том же давлении) прочность.

Для безалмазного материала давление допрессовки должно быть как можно выше, при этом нагрев практи­чески очень незначительно увеличивает хрупкость алма­за и лишь в той степени, в какой это связано с его окислением.

Разрушение алмаза при горячем прессовании в основном объясняется резким подъемом давления. Поэтому величина удельных давлений допрессовки должна лишь немного уступать удельным давлениям холодного прессования. Рабочая температура при горя­чей допрессовке должна быть порядка 680—720° С с выдержкой под прессом до температуры 400—500° С для снятия упругих сил.