Масса для изготовления алмазного инструмента
Владельцы патента RU 2535195:
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт природных, синтетических алмазов и инструмента"-ОАО "ВНИИАЛМАЗ" (RU)
Изобретение относится к области инструментального производства и может быть использовано, в частности, при изготовлении алмазных инструментов. Масса для алмазного инструмента содержит алмаз, органическое связующее и углеродный наполнитель. Дополнительно она содержит хрупкий наполнитель. В качестве углеродного наполнителя она содержит углерод в виде графена с кристаллической решеткой при следующем соотношении компонентов, об.%: алмаз - 6,0-25,0; углерод в виде графена с кристаллической решеткой - 2,0-20,0; хрупкий наполнитель - 10,0-23,0; органическое связующее - остальное. В результате увеличивается износостойкость алмазного инструмента. 1 табл.
Изобретение относится к области инструментального производства, в частности к алмазным инструментам, содержащим алмазные зерна, связанные органическим связующим. Инструменты на органическом связующем используются для получистовой, чистовой и доводочной обработки металлических и неметаллических материалов, твердого сплава и др. материалов.
Алмазные инструменты должны иметь длительный срок службы, обладать хорошими шлифующими свойствами и обеспечивать бездефектную обработку поверхности. Одним из наиболее простых и экономичных способов повышения работоспособности шлифовального инструмента является введение в состав шихты различных наполнителей.
Известна масса для изготовления абразивного инструмента, содержащая абразив, органическое связующее и наполнители в виде порошкообразного графита и графитовых волокон (SU №931443, кл. B24D 3/28, 1980 г. Графитовые волокна имеют длину 0,5-8 мм и выполняют функцию армирующего наполнителя, а дисперсный графит выполняет функцию дисперсноупрочняющего наполнителя. Однако введение указанных графитовых наполнителей в недостаточной степени повышает стойкость инструмента.
Известна масса для изготовления абразивного инструмента, содержащая абразив, органическое связующее и в качестве наполнителя - сухой коллоидно-графитовый препарат, который вводится в массу для повышения механической прочности инструмента (SU №852526, кл. B24D 3/34, 1978 г.). Известны абразивные инструменты на органической связке, в состав которых входит абразив, органическое связующее и различные наполнители, в том числе углеродная сажа (RU №2361718, кл. B24D 3/28, 2006 г.). Из патента RU №1463460, кл. B24D 3/20, 1987 г., известно введение в алмазно-абразивную массу на органической связке тонкодисперсного терморасщепленного графита (ТРГ), представляющего собой углеводородные ультрадисперсные порошки, в которых нарушено плоскопараллельное расположение молекул графита с образованием пространственного нерегулярного расположения решеток графита. Введение в массу ТРГ повышает прочность шлифовальных кругов. Все вышеназванные известные массы в качестве упрочняющего наполнителя содержат углеродные материалы разной модификации. Основным недостатком этих композиций является недостаточное улучшение физико-механических характеристик инструмента, включая прочностные характеристики, которые оказывают существенное влияние на износостойкость инструмента.
Наиболее близким техническим решением является изобретение по патенту RU №2460631, кл. B24D 18/00, 2010 г., касающееся массы для изготовления абразивного инструмента, содержащей абразив, наполнитель - фуллереновую сажу - и органическое связующее. Введение в массу фуллереновой сажи за счет создания оптимальных условий протекания процесса полимеризации связующего позволяет повысить качество абразивного инструмента. В то же время известно, что введение фуллеренов в полимерные композиции повышает их прочностные характеристики. Однако повышение фуллеренами прочностных характеристик абразивного инструмента является недостаточным, особенно при использовании инструмента при скоростных режимах обработки.
Целью изобретения является создание абразивной массы, из которой изготавливают алмазные инструменты с повышенной износостойкостью и который может быть использован как для обычного, так и для скоростного шлифования.
Технический результат достигается тем, что в массу для изготовления алмазного инструмента, содержащую алмаз, органическое связующее и углеродный наполнитель, в качестве углеродного наполнителя масса содержит углерод в виде кристаллической решетки графена и дополнительно содержит хрупкий наполнитель при следующем соотношении компонентов, об.%:
| алмаз | 6,0-25,0 |
| углерод в виде кристаллической решетки графена | 2,0-20,0 |
| хрупкий наполнитель | 10,0-23,0 |
| Органическое связующее | остальное |
Сущность изобретения заключается в следующем. Углерод в виде кристаллической решетки графена - это наноразмерный углеродный материал, который обладает целым рядом уникальных физико-механических свойств. Материал имеет высокую механическую прочность, позволяющую изготавливать высокопрочный алмазный инструмент. Введенный в массу хрупкий наполнитель обеспечивает получение оптимального сочетания прочности и хрупкости связки, благодаря которым инструмент имеет высокую износостойкость.
Углерод в виде кристаллической решетки графена имеет высокую теплопроводность, позволяющую эффективно отводить тепло из зоны резания, при этом алмазные зерна, находящиеся в контакте с обрабатываемой поверхностью, более длительное время сохраняют свои режущие качества. На стадии изготовления инструмента углерод в виде кристаллической решетки графена образует прочные связи со связующим материалом.
Количество углерода в виде кристаллической решетки графена в массе составляет 2,0-20,0 об.%. Такое его количество совместно с хрупким наполнителем позволяет получить инструмент с оптимальной прочностью и хрупкостью и, соответственно, с оптимальной износостойкостью.
В качестве хрупкого наполнителя в массу могут быть введены такие материалы, как карбид бора, электрокорунд, карбид кремния и другие. Хрупкие наполнители разрушаются в процессе работы инструмента, обеспечивая повышение режущих свойств инструмента, производительности процесса и качества обработанной поверхности. Оптимальное количество хрупкого наполнителя составляет 10,0-23,0 об.%. Количество хрупкого наполнителя взаимосвязано с количеством углерода в виде кристаллической решетки графена. При меньшем количестве хрупкого наполнителя рабочий слой инструмента будет слишком прочным, инструмент не будет иметь возможность самозатачиваться в процессе работы, из-за чего режущие свойства его значительно снизятся вплоть до наступления полной непригодности инструмента для дальнейшей работы. При большом количестве хрупкого наполнителя износостойкость инструмента будет очень невысокой.
В качестве органического связующего могут быть использованы термореактивная или термопластичная смола. Наиболее широко применяемыми связующими алмазных инструментов являются фенолформальдегидные смолы, полиамидные, полиимидные, эпоксидные и другие.
В качестве алмазного материала могут быть использованы преимущественно синтетические алмазные порошки, алмазные зерна, размельченные спеченные алмазные материалы. Однако в качестве абразивных зерен в инструментах могут быть использованы порошки кубического нитрида бора, размельченные спеченные материалы на основе кубического нитрида бора, которые широко используются в абразивных инструментах как сверхтвердый абразивный материал и в зависимости от заданной цели применения эффективно заменяют алмаз.
В зависимости от условий обработки алмазные инструменты могут содержать алмазный порошок в количестве 6,0-25,0 об.%. Известно, что при меньшем чем 6,0 об.% содержании алмазного порошка режущая способность инструмента будет очень низкой из-за малого количества режущих зерен на рабочей поверхности инструмента; при содержании алмазного порошка более чем 25,0 об. % также режущая способность инструмента будет снижена из-за плохого удержания алмазных зерен небольшим количеством связующего материала, значительного засаливания рабочей поверхности инструмента из-за плохого отвода образующегося в процессе обработки шлама.
В массу для изготовления алмазного инструмента могут быть введены наполнители для придания инструменту специальных характеристик или обеспечивающих технологичность процесса изготовления инструмента и др. Например, в массу могут быть введены наполнители для улучшения диспергирования компонентов массы при изготовлении инструмента, наполнители для улучшения взаимодействия связующего с компонентами массы, различные активные наполнители, облегчающие обработку тех или иных материалов и т.п.
Из заявленной массы были изготовлены шлифовальные круги формы 12А2. Масса содержала алмазные порошки марки АС6 зернистостью 125/100, концентрация алмазов - 25 об.% (100), в качестве связующего - пульвебакелит, а также наполнители - углерод в виде кристаллической решетки графена и В4С. Шлифовальный круг готовили по общепринятой технологии. Подготовленные компоненты смешивали для получения шихты, шихту помещали в прессформу и подвергали прессованию при давлении 600 кгс/см2 и термообрабатывали при температуре 200°C с выдержкой 10 мин.
Круги испытывали на плоскошлифовальном станке при обработке твердого сплава марки ВК8. Режимы испытания: скорость круга - 22 м/с, продольная подача - 1,0 м/мин, поперечная подача - 0,03 мм/ход.
Было изготовлено три круга со следующим содержанием компонентов в об.%:
| № пп | Компоненты массы | Содержание компонентов, об.% | ||
| 1 | Алмаз | 25 | ||
| 2 | Углерод в виде кристаллической решетки графена | 20,0 | 12,0 | 2,0 |
| 3 | В4С | 10,0 | 12,0 | 23,0 |
| 4 | Пульвебакелит | 45,0 | 51,0 | 32,0 |
Круги сравнивали со стандартными кругами на связке В2-01, которые обычно используются для обработки аналогичного материала. Средний расход алмазов в кругах на связке В2-01, АС6, 125/100 100 составил 3 мг/г твердого сплава, средний расход алмазов в кругах, содержащих углерод в виде кристаллической решетки графена, составил 1,5 мг/г твердого сплава.
Таким образом, введение в алмазную массу на органическом связующем углерода в виде кристаллической решетки графена совместно с хрупким наполнителем позволило существенно увеличить износостойкость кругов.
Масса для изготовления алмазного инструмента, содержащая алмаз, органическое связующее и углеродный наполнитель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит хрупкий наполнитель, а в качестве углеродного наполнителя она содержит углерод в виде графена с кристаллической решеткой при следующем соотношении компонентов, об.%:
| алмаз | 6,0-25,0 |
| углерод в виде графена | |
| с кристаллической решеткой | 2,0-20,0 |
| хрупкий наполнитель | 10,0-23,0 |
| органическое связующее | остальное |
