Способ получения абразивных зерен

 

Изобретение относится к области получения сверхтвердых материалов, а точнее алмазных порошков, и может найти применение в производстве абразивного инструмента. Способ получения абразивных зерен включает дробление композиционного материала, состоящего из отдельных алмазных кристаллов, размещенных в матрице, образованной карбидом кремния и кремнием до величины зерен не менее 40 мкм с последующей классификацией по размерам. Полученные зерна обладают повышенными статической и динамической прочностью. 3 з.п.ф-лы, 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к области получения сверхтвердых материалов, а точнее алмазных порошков, и может найти применение в производстве абразивного инструмента.

Выпускаемые шлифпорошки алмаза, как правило, имеют размер до 600 мкм. В то же время для ряда операций (шаржирование кожи, резины, деревообработка) требуется использование более крупных зерен. Такие зерна могут быть изготовлены из композиционных алмазных материалов, в которых сформирован единый алмазный каркас (алмазные поликристаллы) или в которых частицы алмаза связаны износостойкой матрицей.

Принципиальная технологическая схема получения абразивных зерен из композиционных материалов включает в этом случае изготовление композиционного материала из мелких алмазных зерен (например, спеканием в камерах высокого давления), его последующее дробление и классификацию зерен композиционного материала. Таким образом получают зерна алмазных композиционных материалов типа баллас (АРВ1), карбонадо (АСРК), спеков (АРС3, АРС4) [1].

Недостатками процесса получения указанных материалов является сложность технологии получения самого композиционного материала. Для этого используют камеры высокого давления (до 50 тыс. атм), а сам процесс осуществляют при высоких температурах (≈ 1500^oC). Такая технологическая стадия имеет, кроме того, и низкую производительность.

Известен способ получения алмазосодержащих зерен путем дробления алмазного поликристалла, содержащего алмазный каркас (70-90% от объема поликристалла) и вторую фазу - кремний и/или карбид кремния [2]. Такой алмазный поликристалл получают спеканием смеси алмаза, карбида кремния и/или кремния в камере высокого давления. В известном решении полученные дроблением зерна материала затем вторично спекают для получения нового алмазного материала.

Полученные известным способом зерна имеют недостаточную прочность. Это связано с высоким объемным содержанием алмаза в поликристалле, подвергнутом дроблению. Исходные зерна алмаза в поликристалле спекают в единый каркас, обладающий значительной хрупкостью, соответствующей хрупкости алмаза. Небольшое содержание второй фазы, локализованной в отдельных частях материала, не препятствует развитию трещин по каркасу. Все это обусловливает понижение прочностных свойств алмазосодержащих зерен, особенно при динамических нагрузках.

Задачей настоящего изобретения является улучшение свойств абразивных зерен.

Технический результат достигается тем, что зерна получают путем дробления композиционного материала, состоящего из отдельных алмазных кристаллов, размещенных в матрице, образованной из карбида кремния и кремния, до величины зерен не менее 40 мкм. Далее полученную смесь классифицируют по размерам.

Схематично строение алмазосодержащего зерна, полученного заявляемым способом, показано на фиг. 1, где 1 - алмаз, 2 - карбид кремния, 3 - кремний. Как видно из фигуры, в отличие от прототипа, заявляемые зерна не имеют сплошного алмазного каркаса. Отдельные алмазные частицы связаны карбидокремниевой матрицей. За счет этого они обладают большей стойкостью к разрушению, особенно при динамических воздействиях, т.к. развитию в зернах трещин препятствуют границы раздела алмазное зерно - матрица. В прототипе же развитие трещины в хрупком алмазном каркасе приводит к разрушению всего зерна.

Используемый для дробления алмазосодержащий композит, содержащий 20-60 об. % алмазных кристаллов, 0,1-75 об.% карбида кремния и 1-40 об.% кремния, является однородным по своей структуре благодаря уникальной технологии получения, позволяющей объединить алмазные кристаллы матрицей с высокой жесткостью и твердостью, сохраняя при этом целостность самих кристаллов.

Способ получения алмазосодержащего композита с кристаллами алмаза размером 3-500 мкм заключается в том, что из шихты, содержащей алмазные кристаллы в количестве более 95 об.% известными методами со связующим или без него (прессованием, шликерным литьем, шликерным наливом и т.п.) формуют заготовку с пористостью 30-60 об.%, которую далее подвергают термообработке в среде газообразного углеводорода (углеводородов) или в инертной среде (вакуум, инертный газ) до изменения концентрации алмаза в заготовке не более чем на 50 мас. %, после чего пористый полуфабрикат пропитывают расплавленным кремнием. В итоге получают монолитный композит, форма и размеры которого соответствуют заданным форме и размерам конечного изделия.

Дробление композита производят известными методами на известном оборудовании, например гидропрессе, в металлических ступках, шлицевой дробилке, роторной дробилке и др. В результате получают зерна абразива, представляющие собой алмазные кристаллы, размещенные в матрице, образованной кремнием и карбидом кремния, готовые к дальнейшему применению как без дополнительной обработки, так и после овализации порошков, осуществленной стандартными методами, например в вихревом овализаторе. Овализованные порошки возможно использовать в алмазных пастах, алмазном инструменте на органической матрице и т.п.

Оптимальный размер получаемых частиц - 40 мкм.

Изготовление частиц размером менее 40 мкм нецелесообразно, т.к. в этом случае процесс оказывается нетехнологичен из-за сложностей классификации зерен (седиментационная классификация).

Свойства абразивных зерен зависят от состава материала, используемого для дробления; так, при содержании карбида кремния менее 0,1 об.% в исходном материале полученные зерна имеют низкие прочностные характеристики, при концентрации карбида кремния более 75 об.% снижаются абразивные свойства порошка из-за низкой концентрации алмаза. На практике композиты данного класса с содержанием кремния менее 1 об.% не реализуются, а при увеличении концентрации кремния более 40 об.% порошки имеют низкую прочность.

Хорошие результаты показали порошки, полученные дроблением поликристаллического тела указанного состава с алмазными кристаллами размером 3-500 мкм.

Заявляемое изобретение может быть пояснено следующими примерами: Пример 1. Таблетки размером ⊘ = 20 мм, h = 2 мм из композита алмаз - карбид кремния - кремний, изготовленного из порошка алмаза марки АСМ 10/7 с содержанием компонентов соответственно: алмаз - 41 об.%, карбид кремния - 44 об.%, кремний - 15 об.% дробят на гидропрессе с усилием 1,5 МН. После крупного дробления проводят трехстадийное избирательное дробление на шлицевой дробилке с отсевом порошка по граничному зерну 1000 мкм. После дробления на шлицевой дробилке проводят двухстадийное дробление материала по граничному зерну 500 мкм. Ситовую классификацию осуществляют на стандартных наборах сит. Ситовой контроль зернового состава шлифпорошков осуществляют по приложению 1 ГОСТ 9206-80.

Часть зерен, полученных по примеру 1, подверглась овализации на вихревом овализаторе.

На основе полученных порошков были изготовлены абразивные пасты типа "0" по следующей методике: в специальной емкости отвешивали по расчету компоненты основы - стеарин, эмульсионный воск, вазелин и определенную часть олеиновой кислоты. Смесь нагревали на водяной бане до полного расплавления до 60-76^oC. Отдельно отвешивали алмазный порошок и смачивали его оставшейся частью олеиновой кислоты при перемешивании и нагреве до 40-50^oC. Далее подготовленные таким образом части пасты соединяли путем перемешивания.

Пример 2. Способ осуществляют аналогично условиям примера 1 с использованием таблеток композита, полученного из микропорошка алмаза марки АСМ-40, имеющего состав: алмаз - 43 об.%, карбид кремния - 39 об.%, кремний - 18 об. %.

На полученных образцах зерен определялись показатели статической и динамической прочности (по ГОСТ 9206-80) и абразивная способность (по ГОСТ 25593-83).

Результаты испытания приведены в таблицах 1-3, которые приведены в конце описания.

Как видно из табл. 1 и 2, полученные зерна композиционного материала обладают высокими значениями показателей статической и динамической прочности. Зерна отличаются особой стойкостью к динамическим воздействиям - на это указывают повышенные значения показателей динамической прочности. Так, показатель статической прочности овализованных зерен класса 500/400 соответствует синтетическим алмазам марки АС65, тогда как показатель их динамической прочности превышает уровень алмазов марки АС160.

Абразивная способность зерен также превышает требования, предъявляемые к синтетическим алмазам, несмотря на то, что в них содержится менее 50 об.% алмаза.

Таким образом, применение предлагаемого способа обеспечивает получение алмазосодержащих зерен с повышенными параметрами статической и динамической прочности. При этом сам процесс получения зерен оказывается довольно простым и высокопроизводительным.

По результатам испытаний, проведенных в Институте сверхтвердых материалов НАН Украины, зерна могут быть рекомендованы к изготовлению и применению в шлифовальном инструменте и абразивных пастах.

Источники информации 1. ГОСТ 9206-80. Порошки алмазные.

2. Заявка на ЕР 0435501, B 01 J 3/06.

Формула изобретения

1. Способ получения абразивных зерен путем дробления алмазосодержащего материала, отличающийся тем, что для дробления используют поликристаллическое изделие, включающее кристаллы алмаза, размещенные в матрице, выполненной на основе карбида кремния.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дробление осуществляют до получения зерен размером не менее 40 мкм.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что поликристаллическое изделие содержит: 20-60 об.% частиц алмаза, 0,1-75 об.% карбида кремния и 1-40 об.% кремния.

4. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что поликристаллическое изделие содержит алмазные кристаллы размером 3-500 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2