Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ литературных источников и постановка задач исследования 11
1.1 Конструктивные особенности фасонных абразивных инструментов из сверхтвердых материалов 11
1.2 Характеристики абразивных инструментов из сверхтвердых материалов 15
1.3 Методы получения фасонных абразивных инструментов из сверхтвердых материалов 20
1.4 Пайка композиционными припоями возможности ее применения для производства фасонных абразивных инструментов из сверхтвердых материалов 27
1.5 Выбор компонентов композиционных припоев 32
1.6 Сравнение методов получения фасонных алмазно-абразивных инструментов и постановка задач исследования 37
ГЛАВА 2. Методики исследования, установки, приспособления и материалы 40
2.1 Методика получения исследуемых образцов 40
2.3 Измерение твердости образцов и микротвердости структурных составляющих 43
2.4 Стендовые и опытно-промышленные испытания инструментов 43
2.5 Материалы, использованные при экспериментальных исследованиях 44
ГЛАВА 3. Исследование структурообразования алмазосодержащих слоев 50
3.1 Исследование процессов смачивания и растекания при формировании металлических связок з
3.2 Спекание порошков на начальном этапе нагрева и образование горячих трещин 54
3.3 Формирование структуры связок Sn-Cu-Co и Sn-Cu-Co-W при кристаллизации 60
3.4 Влияние содержания олова на структуру и твердость металлических связок 70
3.5 Влияние содержания вольфрама на твердость металлических связок и наличие в них дефектов 74
3.6 Влияние температуры спекания на твердость металлических связок 79
3.7 Влияние твердой фазы на вязкость композиционных припоев 81
3.8 Исследование взаимодействия композиционных припоев с алмазом 88
3.9 Выводы 95
ГЛАВА 4. Разработка технологии производства и исследование свойств фасонных алмазно-абразивных инструментов 98
4.1 Технологическая схема формования алмазно-абразивных фасонных инструментов 98
4.2 Установка для накатки с ручным приводом 99
4.3 Установка для накатки с электрическим приводом 101
4.4 Исследование влияния связующих веществ на технологические свойства смесей металлических порошков и алмазов 103
4.5 Исследование формообразования рабочих поверхностей алмазных инструментов при нанесении припоя и алмазов 108
4.6 Внешний вид, точность формы и размеров инструментов, полученных композиционной пайкой 111
4.7 Стендовые и опытно-промышленные испытания инструментов 115
4.8 Технология получения фасонных алмазно-абразивных инструментов пайкой композиционными припоями 120
4.9 Выводы 122
Основные выводы 124
Литература 127
- Пайка композиционными припоями возможности ее применения для производства фасонных абразивных инструментов из сверхтвердых материалов
- Измерение твердости образцов и микротвердости структурных составляющих
- Влияние содержания олова на структуру и твердость металлических связок
- Исследование формообразования рабочих поверхностей алмазных инструментов при нанесении припоя и алмазов
Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Алмазные абразивные инструменты с рабочими поверхностями сложной фасонной формы применяются в различных отраслях промышленности, таких как камнеобработка, машиностроение, нефтедобыча. Использование фасонных алмазно-абразивных инструментов вместо стандартных простой формы во многих случаях позволяет существенно повысить точность и производительность обработки. При некоторых видах работ применение абразивных инструментов с фасонными рабочими поверхностями является единственно возможным.
Фасонные алмазно-абразивные инструменты, как правило, имеют металлический корпус, на который нанесен алмазосодержащий слой, состоящий из частиц алмаза и охватывающей их металлической связки. Формирование алмазосодержащих слоев на сложных фасонных поверхностях является сложной технической задачей, которая в настоящее время решена не в полной мере. Металлические связки, применяемые для сложнопрофильных алмазных инструментов, не всегда обеспечивают высокую стойкость алмазосодержащих слоев.
В связи с этим большой научный и практический интерес представляют исследования, направленные на повышение эксплуатационного ресурса фасонных алмазно-абразивных инструментов и совершенствование технологии их производства.
Актуальность темы исследования подтверждена заключенным на конкурсной основе Государственным контрактом №7869р/11329 от 15.04.2010 на выполнение НИОКР «Исследование физико-химических процессов получения фасонного абразивного инструмента из сверхтвердых материалов и анализ влияния структуры инструмента на его эксплуатационные свойства».
Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы – повышение эксплуатационных свойств фасонных алмазно-абразивных инструментов за счет формирования на их поверхности алмазосодержащих слоев с износостойкими металлическими связками.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научно-технические задачи:
- установить основные закономерности формирования структуры алмазо
содержащих слоев при пайке порошковыми композиционными припоями;
- установить влияние химического состава и структуры металлических
связок на их твердость и прочность удержания алмазов;
- определить оптимальный состав порошковых композиционных припоев
и режимы пайки алмазосодержащих слоев, обеспечивающие получение инстру
мента с высокими эксплуатационными свойствами;
- разработать технологию получения алмазно-абразивных инструментов с рабочими поверхностями сложной фасонной формы и оборудование для ее осуществления.
Научная новизна.
-
Впервые для формирования алмазосодержащих слоев на фасонных поверхностях инструментов предложен порошковый композиционный припой Sn-Cu-Co-W, отличающийся от известных повышенной вязкостью, более низкой температурой пайки, исключающей карбидизацию и графитизацию алмазов, обеспечивающий получение износостойких металлических связок.
-
Выявлен механизм формирования металлических связок Sn-Cu-Co-W, заключающийся в том, что при температуре пайки образуется жидкая фаза в количестве 65…73 % от объема припоя, при этом частицы твердой фазы остаются разобщенными жидкой фазой и не образуют твердый каркас, при последующем охлаждении жидкая фаза кристаллизуется в виде твердых растворов кобальта в интерметаллидах Cu13,7Sn и Cu10Sn3. Впервые определена растворимость кобальта в интерметаллидных фазах Cu13,7Sn и Cu10Sn3, составляющая 2 и 3 % (масс.) соответственно, и показано, что наличие растворимости кобальта способствует образованию химических связей между частицами алмаза и связкой и повышению прочности адгезии алмазов к связке.
-
Установлено влияние состава порошковых композиционных припоев Sn-Cu-Co-W и режимов спекания на структуру и твердость получаемых металлических связок. Впервые определены значения микротвердости твердых растворов кобальта в интерметаллидах Cu13,7Sn и Cu10Sn3, составляющие 238…259 HV и 363…394 HV соответственно, и показано, что твердость связок Sn-Cu-Co-W зависит от соотношения объемных долей фаз Cu13,7Sn и Cu10Sn3 в их структуре. На этой основе разработана износостойкая связка Sn-Cu-Co-W с твердостью 96…98 HRB, обеспечивающая значительное повышение эксплуатационного ресурса алмазно-абразивных инструментов по сравнению с аналогичными инструментами на никелевых связках.
4. Установлено, что добавка порошка вольфрама в композиционный припой блокирует межчастичное взаимодействие компонентов на начальной стадии спекания, что способствует снижению усадочных напряжений и предотвращает образование трещин в формирующейся из припоя металлической связке при содержании, % (масс.): 16…22 Sn, 41…55 Cu, 24…32 Co и 6…7 W.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Установленные закономерности формирования алмазосодержащих слоев позволяют создавать алмазно-металлические композиции с заданными свойствами, отвечающими условиям эксплуатации фасонных алмазных инструментов. На этой основе разработан технологический процесс получения алмазно-абразивных инструментов с рабочими поверхностями фасонной формы и обору-
дование для его осуществления. Данный процесс может быть полностью реализован с использованием материалов и оборудования российского производства. Инструменты со связкой Sn-Cu-Co-W, изготовленные по разработанной технологии, обладают эксплуатационным ресурсом, повышенным в 1,5…2 раза, по сравнению с аналогичными импортными инструментами, изготовленными по существующей технологии вакуумной пайки твердыми припоями на никелевой основе. Новизна разработанного способа получения алмазных инструментов подтверждена патентом РФ на изобретение № 2457935. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке технологических процессов производства шлифовальных, правящих, буровых алмазных инструментов.
Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ООО «Алмаз-Инженеринг», г. Краснодар, где используются при производстве фасонных камнеобрабатывающих инструментов.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы применялись следующие методы исследования: макроструктурный анализ, метод оптической металлографии, растровая электронная микроскопия, микрорентге-носпектральный анализ, рентгенодифракционный анализ, микродюрометриче-ский анализ с использованием специализированного программного обеспечения и современного оборудования.
При проведении исследований использовалось оборудование центра коллективного пользования «Материаловедение и металлургия» НИТУ «МИСиС», г. Москва, и научно-образовательного центра «НОЦ машиностроения, материаловедения и конструкций» ФГБОУ ВО «КубГТУ», г. Краснодар.
Положения, выносимые на защиту:
алмазосодержащий композиционный материал с новым составом металлической связки на основе Sn-Cu-Co-W и способ его получения;
механизм формирования алмазосодержащих слоев при пайке порошковыми композиционными припоями Sn-Cu-Co и Sn-Cu-Co-W и взаимосвязь между составом, структурой и твердостью получаемых связок;
оптимальные составы порошковых композиционных припоев и режимы пайки алмазно-абразивных инструментов, обоснованные результатами исследований;
- разработанная технология производства алмазно-абразивных инстру
ментов со сложными рабочими поверхностями.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных экспериментальных данных подтверждается использованием современных методов исследования и воспроизводимостью результатов. Основные положения и выводы подтверждены результатами опытно-промышленных испы-
таний и согласуются с современными представлениями о формировании алмазно-металлических композитов.
Основные результаты работы были представлены и прошли обсуждение на VI Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2010 г.), на XIV Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2010 г.), на VIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (ИМЕТ РАН, Москва, 2011 г.). Результаты исследования были представлены в отчете по НИОКР «Исследование физико-химических процессов получения фасонного абразивного инструмента из сверхтвердых материалов и анализ влияния структуры инструмента на его эксплуатационные свойства» (№гр1201056769), который прошел экспертизу и получил положительную оценку в Фонде содействия развитию малых предприятий в научно-технической сфере.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе: 1 статья в журнале, индексируемом в базе данных Scopus; 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ; 1 патент на изобретение; 4 статьи в сборниках международных конференций и других изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 154 страницы, 50 рисунков, 18 таблиц. В списке литературы 143 наименования. В приложениях приведены эскизы разработанной оснастки для изготовления фасонных алмазно-абразивных инструментов, патент на изобретение, акт внедрения результатов работы.
Пайка композиционными припоями возможности ее применения для производства фасонных абразивных инструментов из сверхтвердых материалов
По определению авторов [55] композиционной пайкой называется «технологический процесс применения композиционных припоев, имеющих структуру псевдосплава, или формирование в шве композиционной структуры с требуемым комплексом эксплуатационных свойств».
Основными преимуществами композиционной пайки являются возможность получения композиционной структуры в паяемом изделии и возможность пайки конструкций с неравномерными и некапиллярными зазорами [56]. Эти преимущества композиционной пайки очень важны при производстве алмазных абразивных инструментов.
Формирование композиционной структуры в материале приводит к тому, что совместная работа разнородных материалов, входящих в его состав, в процессе эксплуатации дает эффект, равноценный созданию нового материала. При пайке алмазных абразивных инструментов получение композиционной структуры металлической связки представляет большой интерес с точки зрения обеспечения ее износостойкости. В работах [57, 58] рассмотрены возможности и перспективы получения композиционных материалов при пайке. Композиционная структура может быть получена за счет применения композиционного припоя, при диспергировании паяемых материалов или в процессе диффузионной пайки.
Композиционные припои, как правило, содержат в себе тугоплавкий наполнитель и легкоплавкую матрицу [55, 56, 59]. Температура плавления наполнителя должна быть выше температуры пайки.
Наполнитель композиционного припоя в виде порошка, сетки, волокон образует разветвленный капилляр, удерживающий большую часть легкоплавкой матрицы, излишками которой осуществляется смачивание поверхностей паяемых деталей. Благодаря наличию тугоплавкого наполнителя композиционные припои обладают повышенной вязкостью, хорошо удерживаются в широких зазорах и на вертикальных поверхностях [60, 61]. Это чрезвычайно важно при пайке алмазосодержащих слоев большой толщины на сложных рабочих поверхностях фасонных абразивных инструментов.
Наполнитель в припое в большинстве случаев обеспечивает основные физико-механические, в частности прочностные, свойства паяного соединения. Матрица может вводиться в припой в виде порошков или покрытий, которые наносятся на паяемые поверхности. Наполнитель, как и матрицу, выбирают исходя из эксплуатационных требований. Основное требование к матрице сводится к обеспечению качественного смачивания наполнителя и паяемых поверхностей.
В настоящее время применяют три основных способа композиционной пайки. Первый способ характеризуется применением припоя, сохраняющего композиционную структуру после пайки. Например, методами волокнистой металлургии получают губкообразную сетку, состоящую из стальных волокон диаметром 10 мкм. Сетку спекают, пропитывают расплавом припоя и прокатывают до нужной толщины (0,05 мм и более). Объемная доля волокна составляет более 10...20 %. Полученную ленту припоя укладывают на соединяемые поверхности, которые собираются с зазором или без зазора, и производят пайку. В качестве пропиточного материала используют сплавы Pb-Sn и другие. Сетку, волокна можно также помещать в зазор шириной свыше 1 мм с последующим частичным спеканием или без него. В этом случае металл легкоплавкой матрицы укладывается около зазора и в процессе пайки пропитывает пористый материал.
Аналогично производят пайку с использованием смеси порошков. Применение смеси порошков позволяет паять материалы с большими зазорами и соединять разнородные материалы с резко различающимися значениями термического коэффициента линейного расширения, снижать напряжения в шве при пайке инструмента, регулировать степень растекания припоя, паять пористые материалы с компактными, а также тонкостенные конструкции, исключая эрозию паяемых материалов. Формирование соединения может включать подготовительную стадию – заполнение зазора, и основную – формирование шва в процессе смачивания наполнителя и паяемых поверхностей, пропитки и жидкофазного спекания с последующей кристаллизацией. При использовании этой технологии в качестве наполнителя применяют порошки Cu, Fe, Ni, Co, Al2O3, TiC и другие. Матрицей обычно служат припои стандартных составов, например систем Pb-Sn, Cu-Ni-Mg, Ni-Cr-Si и другие [57, 62]. Рассматриваемый способ композиционной пайки позволяет получать износостойкие покрытия на стальных деталях [63-65]. Структура таких покрытий состоит из частиц карбида вольфрама, заключенных в матрицу из никелевого, медного или кобальтового сплава. Толщина покрытий, полученных композиционной пайкой, может достигать нескольких миллиметров [63].
Второй способ характеризуется получением в материале композиционной структуры за счет диспергирования или взаимной диффузии компонентов припоя и паяемого материала, причем исходный припой может не иметь композиционной структуры. Примером является пайка жаропрочного никелевого сплава Udimet 700, содержащего % (масс.): Ni-15, Cr-18,5, Со-5, Мо-4,3, Аl-3,3, Ti-0,07, C-0,03 [66]. Основу припоя составляет сплав, по составу аналогичный паяемому металлу. При этом из него исключены титан и алюминий, образующие хрупкие соединения на межфазных границах, и введен бор (в количестве до 3 %). Расплав припоя состава, % (масс.): Ni-15; Cr-15; Co-5; Мо-2,5; В – вводится в зазор шириной 0,025 ... 0,1 мм. В процессе пайки при температуре 1150 С с выдержкой 24 ч, происходит диффузия в шов титана и алюминия и выпадение из расплава тугоплавкой интер 30 металлидной фазы Ni3(AlTi). Образующиеся паяные соединения за счет композиционной структуры обладают высокой прочностью при температурах до 980С.
Третий способ – пайка припоями, обеспечивающими получение в материале структуры, состоящей из твердых растворов. В этом случае композиционные припои используются в виде многослойных фольг, покрытий, послойного нанесения порошков, сеток в сочетании с ленточным или порошковым припоями. Для снижения температуры пайки компоненты слоев подбирают таким образом, чтобы в процессе контактного плавления происходило образование жидкой фазы, обеспечивающей смачивание и растворение паяемых материалов, покрытий, буферных прослоек и легирование шва, что придает соединению высокие механические и антикоррозионные свойства.
Измерение твердости образцов и микротвердости структурных составляющих
Как показано выше, на начальном этапе нагрева композиционного припоя при температурах, не достаточных для растекания легкоплавкой матрицы, происходит образование «шеек» контактов между частицами порошков меди и кобальта. При этом слой припоя, нанесенного на стальную подложку, дает некоторую усадку. После достижения температуры пайки легкоплавкие составляющие припоя расплавляются и под действием капиллярных сил проникают в пустоты между тугоплавкими частицами. В слое припоя появляются сжимающие капиллярные усилия, стягивающие частицы твердой фазы и приводящие к заметной усадке припоя.
Благодаря наличию тугоплавкого наполнителя композиционный припой хорошо удерживается на вертикальных поверхностях и острых кромках стальной подложки. Это объясняется следующими причинами: - при достаточно большом содержании тугоплавкого наполнителя, его частицы спекаются между собой и образуют пористый каркас, в капиллярах которого удерживается жидкая фаза; - в том случае, если содержание тугоплавкого наполнителя недостаточно для образования в припое сплошного каркаса, частицы тугоплавкого наполнителя оказываются разобщенными прослойками жидкой фазы. Не расплавившиеся частицы, находясь в жидкой фазе, повышают ее внутреннее трение и, тем самым, увеличивают вязкость [115]; - тугоплавкий наполнитель растворяется в жидкой фазе и снижает ее жид котекучесть [116]. Таким образом, содержание тугоплавкого наполнителя в композиционном припое значительно влияет на механизм и кинетику процесса пайки.
В результате экспериментальных исследований установлено, что при пайке припоями Sn-Cu-Co, содержащими менее 26…28 % кобальта, на образцах наблюдаются подтки и наплывы, возникающие за счет стекания припоев с вертикальных и наклонных поверхностей к основанию образцов. Содержание порошка кобальта менее 26 % является недостаточным для придания композиционному припою Sn-Cu-Co необходимой вязкости.
Вместе с тем, при содержании кобальта более 20 % наблюдается растрескивание слоя припоя. С повышением содержания кобальта трещины на образцах проявляются более выражено, возрастает их количество. На рисунке 3.3 показан внешний вид образцов, на которые нанесены припои с большим содержанием кобальта. Их состав приведен в таблице 3.1. При спекании в аргоне при 1100 С с выдержкой 20 мин все припои подверглись сильному растрескиванию. Причина растрескивания заключается в следующем.
В п. 3.1 показано, что на начальном этапе нагрева припоя растекание олова затруднено. Вследствие этого между тугоплавкими частицами без участия жидкой фазы образуются и развиваются «шейки» контактов [117, 118]. На рисунке 3.2 представлена структура, сформировавшаяся в результате этих процессов. Отчетливо видно, что между частицами кобальта, не смоченными оловом при температуре 820 С образовались шейки. В композиционном припое возник жесткий каркас. Образование и последующее утолщение «шеек» сопровождается сближением частиц порошка и усадкой припоя. Поскольку припой нанесен на жесткую стальную основу, не подверженную усадке, в слое возникают внутренние напряжения, приводящие к его растрескиванию.
Растрескивание припоя можно предотвратить, путем введения в припой компонентов, препятствующих спеканию на начальной стадии нагрева. С этой целью в состав композиционных припоев вводили порошки тугоплавких веществ, не подверженных спеканию в интервале температур 800…1100 С.
В качестве таких веществ были выбраны порошки вольфрама и карбида вольфрама. Рисунок 3.3 – Растрескивание композиционных припоев Sn-Cu-Co и Sn-Co (спекание в аргоне при 1100 С, 20 мин)
При нагреве вольфрамового порошка до температур 1150…1300 С в восстановительной среде наблюдается слабое развитие межчастичных связей [113]. Усадка порошка карбида вольфрама при температурах спекания до 1400 С равна нулю [119]. Кроме тугоплавкости и высоких температур спекания указанные вещества обладают большой твердостью, необходимой для обеспечения износостойкости связки алмазного инструмента. Величина твердости составляет для металлического вольфрама 542 HV [91, 120], для карбида вольфрама – 1730…1850 HV [113, 121].
Спекание и усадка многокомпонентных порошковых смесей во многом зависят от характера взаимодействия компонентов, от процессов их взаимной диффузии и растворения. Согласно литературным данным, вольфрам и карбид вольфрама взаимодействуют с компонентами композиционного припоя Sn-Cu-Co следующим образом: - с оловом вольфрам не взаимодействует до температуры 1680 С [122]; - с медью вольфрам и карбид вольфрама не взаимодействуют до температуры ее плавления [100, 113]; - вольфрам и карбид вольфрама при нагреве растворяются в кобальте. Спекание и усадка смеси порошков карбида вольфрама и кобальта становятся заметны при температуре 800 С [100, 119].
Анализ приведенных данных показывает, что при добавке в композиционный припой Sn-Cu-Co порошков вольфрама или карбида вольфрама может происходить их припекание к частицам кобальта. В связи с этим, для выбора оптимальной инертной добавки, препятствующей спеканию порошков припоя на начальной стадии нагрева, проведено экспериментальное исследование взаимодействия порошков вольфрама и карбида вольфрама с кобальтом.
Были приготовлены смеси порошков следующего состава (содержание компонентов по массе): 1) 50% W, 50 % Co; 2) 50% WC, 50 % Co. Порошки смешивали с поливиниловым спиртом в количестве 12 % от массы металлических порошков. Полученные таким образом пастообразные смеси помещали в обечайки из стали Ст3 с внутренним диаметром 16,5 мм, и устанавливали их на графитовом основании. Спекание смесей проводили в вакууме при температурах 820 и 1000 С с выдержкой 40 мин. При спекании смеси не приваривались к обечайкам, но давали усадку, отделяясь от их внутренних стенок. После спекания образцы удаляли из обечаек и измеряли их диаметр штангенциркулем. Величину линейной усадки определяли, как разность диаметров образцов до и после спекания, выраженную в процентах. Минимальная усадка, равная 9,1 %, наблюдалась у смеси вольфрама с кобальтом при температуре спекания 820 С. Максимальная усадка, равная 15,2 % – у карбида вольфрама с кобальтом при температуре 1000 С. Структуры этих сплавов представлены на рисунках 3.4 и 3.5.
Таким образом, в интервале температур 820…1000 С вольфрам спекается с кобальтом менее интенсивно, чем карбид вольфрама. В связи с этим, порошок вольфрама был выбран в качестве «инертной» добавки, препятствующей спеканию порошков композиционного припоя. В целях определения количества вольфрама, необходимого для предотвращения растрескивания припоя, проведены следующие исследования.
В композиционные припои Sn-Cu-Co, содержащие по массе 20…32 % Co (при соотношении Sn/Cu, равном 0,4) вводили порошок вольфрама в количестве от 4 до 11 % (масс.). В полученные смеси добавляли поливиниловый спирт в количестве 12 % от массы металлических порошков. Припои наносили на цилиндрические образцы из стали Ст3 диаметром 10 и 20 мм. Образцы с нанесенным припоем спекали в аргоне при температуре 820 С с выдержкой 40 мин.
После спекания трещины отсутствовали на образцах с содержанием вольфрама 6…7 % и более. Очевидно, что в указанных припоях порошок вольфрама препятствовал преждевременному спеканию частиц меди и кобальта в твердой фазе при температурах, недостаточных для растекания жидкой фазы.
Влияние содержания олова на структуру и твердость металлических связок
Это выражение показывает, что вязкость припоев понижается с увеличением температуры.
Между изотермами вязкости расплава и диаграммой состояния системы существует связь [116]. В том случае, если компоненты сплава образуют устойчивое химическое соединение, на диаграмме «состав - вязкость» ему соответствует выраженный максимум. В случае образования твердого раствора изотермы вязкости слабо выпуклые или слабо вогнутые. Следовательно, образование химических соединений (в том числе интерметаллидов) в композиционном припое способствует повышению его вязкости.
Сведения о диаграмме состояния Sn-Cu-Co-W в литературе отсутствуют. В работах [132, 135] показано, что при пайке композиционным припоем Sn-Cu-Co-W порошок вольфрама не растворяется в легкоплавкой матрице и, таким образом, является инертным наполнителем. Поэтому о взаимосвязи состава и вязкости припоя можно судить по тройной диаграмме состояния Sn-Cu-Co [96-98].
Наличие тройных интерметаллидных фаз в системе Sn-Cu-Co свидетельствует о большом химическом сродстве компонентов. Сильная химическая связь между атомами, очевидно, способствует повышению вязкости расплавленного припоя. Помимо структуры жидкой фазы на вязкость композиционных припоев влияет содержание порошка тугоплавкого наполнителя, его дисперсность и форма частиц [136, 137]. Исследование структур сплавов Sn-Cu-Co и Sn-Cu-Co-W показало, что при пайке частицы твердой фазы не образуют жесткий каркас. При температуре пайки частицы остаются разобщенными жидкой фазой их коалесценция практически отсутствует. В связи с этим свойства композиционного припоя, содержащего жидкую и твердую фазы можно описать на основе реологии суспензий. Зависимость вязкости припоя от содержания в нем твердых частиц определяется выражением [115]: где 0 – вязкость жидкой матрицы без твердых частиц, Па с; – относительная объемная доля твердой фазы; – относительная объемная доля присоединенной (движущейся вместе с твердыми частицами) жидкой фазы.
Из выражения (3.2) следует, что с увеличением объемной доли твердой фазы вязкость припоя возрастает. С увеличением дисперсности тугоплавкого наполнителя возрастает величина , и соответственно возрастает вязкость припоя. Увеличению объемной доли присоединенной жидкой фазы способствует также неправильная форма тугоплавких частиц.
При достаточно большом содержании тугоплавкого наполнителя его частицы могут образовать в припое сплошной каркас, в порах которого легкоплавкая матрица удерживается за счет капиллярного эффекта [59].
Влияние содержания тугоплавких наполнителей на вязкость композиционных припоев Sn-Cu-Co-W определено с помощью описанного ниже экспериментального исследования.
В таблице 3.7 представлен состав исследованных припоев Sn-Cu-Co-W с различным содержанием порошка кобальта. Содержание порошка вольфрама во всех припоях составляло 7 % (масс.). Соотношение олова и меди во всех припоях было одинаковым и составляло Sn/Cu = 0,36. Исследованные композиционные припои с различным содержанием порошка кобальта № п/п Содержание компонентов, % (масс.) Относительная объемная доля твердой фазы, (при 820 С) Co Sn Си W 1 18 20 55 7 0,21 2 20 19,5 53,5 7 0,23 3 22 19 52 7 0,25 4 24 18,5 50,5 7 0,27 5 26 18 49 7 0,29 6 28 17,5 47,5 7 0,31 7 ЗО 17 46 7 0,33 8 32 16,5 44,5 7 0,35 В результате микрорентгеноспектрального и фазового анализа установлено, что при температуре пайки 820 С в сплавах Sn-Cu-Co-W формируется структура, состоящая из следующих составляющих (рисунок 3.14): - частицы кобальта; - твердый раствор кобальта в интерметаллиде Cu13,7Sn; - твердый раствор кобальта в интерметаллиде Cu10Sn3; - частицы вольфрама.
Микроструктура, представленная на рисунке 3.20, соответствует сплаву состава №5 (таблица 3.7). Процентное соотношение структурных составляющих для этого сплава определено на основе анализа карт распределения компонентов и с помощью программного обеспечения AxioVision. На столбчатой диаграмме (рисунок 3.20) F, % –доля указанной составляющей на поверхности шлифа.
Интерметаллидные фазы Cu13,7Sn и Cu10Sn3, очевидно, формируются из жидкой матрицы композиционного припоя. Наличие кобальта в этих фазах свидетельствует о том, что при температурах пайки порошок кобальта частично растворяется в жидкой матрице. F, % 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 а Структура сплава Sn-Cu-Co-W, содержащего 26 % (масс.) кобальта, и процентное соотношение структурных составляющих на поверхности шлифа: а – частицы кобальта; б – твердый раствор кобальта в интерметаллиде Cu13,7Sn; в – твердый раствор кобальта в интерметаллиде Cu10Sn3; г – частицы вольфрама Вольфрам при температуре пайки, по-видимому, не растворяется в жидкой матрице. Микрорентгеноспектральным анализом установлено, что вольфрам не содержится в интерметаллидных фазах Cu13,7Sn и Cu10Sn3 и в частицах кобальта.
Нерастворенные частицы кобальта и вольфрама повышают вязкость композиционного припоя. Объемная доля твердой фазы при температуре 820 С для припоев с различным содержанием кобальта приведена в таблице 3.7. Если в выражении (3.2) пренебречь величиной , то согласно этому выражению, при объемной доле твердой фазы =0,21 вязкость припоя увеличивается в 1,27 раза, а при =0,35 – в 1,54 раза по сравнению с припоем, не содержащим твердых частиц.
Следует отметить, что температура плавления соединения Cu13,7Sn близка к температуре композиционной пайки [123]. Это способствует дополнительному повышению вязкости жидкой фазы [116].
Эксперименты по пайке алмазосодержащего слоя на фасонных роликах подтвердили увеличение вязкости композиционного припоя с увеличением объемной доли твердой фазы. Припои, указанные в таблице 3.7 смешивали с алмазами АС150 (размер зерна 400/315 мкм). Смесь припоя с алмазами, содержащую по объему 25 % алмазов, наносили слоем толщиной 3 мм на ролики фасонного профиля из стали 45 с максимальным диаметром 79 мм (приложение 1, рисунок 2). Пайку проводили в вакууме при 820 С с выдержкой 40 мин.
В результате экспериментальных исследований установлено, что при содержании в припое менее 24 % (масс.) кобальтового порошка на поверхности роликов образуются наплывы и подтки. Очевидно, такое содержание порошка кобальта является недостаточным для придания расплавленному композиционному припою необходимой вязкости.
Исследование формообразования рабочих поверхностей алмазных инструментов при нанесении припоя и алмазов
Важнейшими характеристиками абразивного инструмента из сверхтвердых материалов являются эксплуатационный ресурс и производительность обработки.
Фасонные врезы из сверхтвердых материалов используются при обработке камня на кантофрезерных станках. С помощью таких фрез обрабатывают кромки каменных плит, придавая им фасонный профиль, например, при изготовлении столешниц, лестниц, карнизов. Процесс обработки природного камня абразивным инструментом характеризуется режимом резания, элементами которого являются скорость резания, величина подачи инструмента и глубина резания. При заданном режиме резания эксплуатационный ресурс определяется длиной обработанной кромки и измеряется в погонных метрах.
Стойкость абразивного инструмента из сверхтвердых материалов зависит от ряда факторов: от твердости и прочности зерен сверхтвердого материала, от скорости изнашивания удерживающей их металлической связки, а также от прочности удержания зерен в связке.
Испытания стойкости инструмента проводили при обработке гранита марки «Шаньси Блэк», обладающего следующими свойствами: плотность 3098 кг/м3, предел прочности при сжатии 180,0 МПа, предел прочности при изгибе 36,0 МПа, твердость по Моосу 6,7.
Для испытаний были изготовлены фасонные алмазные фрезы со следующими характеристиками: - ширина рабочей поверхности фрез (ширина обрабатываемой кромки) 20 мм, диаметр фрез 76 мм; - профиль рабочей поверхности «Н+» (см. рисунок 1.2 и 4.7); - размер зерен алмаза 400/315 мкм (ГОСТ 9206-80); - концентрация алмазов в алмазосодержащем слое – 25% по объему; - толщина алмазосодержащего слоя – 2 мм; - состав металлической связки, (% масс.): 20 Sn, 43 Cu, 30 Co, 7 W; - материал корпуса фрез – сталь 45; - фрезы выполнены со стандартными присоединительными размерами, обеспечивающими их установку на кантофрезерные станки. Пайку фрез проводили в вакууме при температуре 820 С с выдержкой 40 мин. 117 Стенд для испытаний образцов был оборудован на базе горизонтально-фрезерного станка 6Р81Г. Испытания стойкости фрез проводили при следующих условиях. 1) Скорость резания определяли по формуле (6.1): К = —,м/мин; (6.1) 1000 где D - максимальный диаметр фрезы, мм; n - число оборотов фрезы в минуту. Скорость резания при проведенных испытаниях составляла 20 м/мин. 2) Величина подачи (поступательного движения заготовки) составляла 0,3 м/мин. 3) Глубина резания (толщина слоя, срезаемого за один проход) составляла 2 мм. При обработке гранита использовали водяное охлаждение. Испытания вели до момента износа алмазосодержащего слоя на поверхности фрезы. Стойкость фрез оценивали по длине обработанной кромки гранитной заготовки при заданном режиме резания. В результате проведенных испытаний эта величина составила 160 м. В зависимости от свойств зерен сверхтвердых материалов, металлической связки и условий обработки механизм износа инструмента может быть различным: а) разрушение зерен сверхтвердого материала и последующий износ метал лической связки; б) износ металлической связки между зернами сверхтвердого материала и последующий их отрыв от рабочей поверхности инструмента; в) выкрашивание зерен сверхтвердого материала при незначительном их выходе из связки и последующее е изнашивание.
Крайне нежелательными механизмами износа являются разрушение зерен сверхтвердого материала, а также их выкрашивание из связки, так как в этих слу 118 чаях значительно снижается режущая способность инструмента. В связи с этим в процессе испытаний оценивали прочность удержания алмазов в металлической связке по параметру их выхода из связки до выкрашивания. С этой целью процесс шлифования прекращали после прохода каждых 20 м обрабатываемой кромки и измеряли величину выхода алмазов из связки. Измерения проводили с помощью индикатора часового типа с точностью до 0,01 мм. Внешний вид фрезы после обработки 20 м фасонной кромки показан на рисунке 4.10. Установлено, что алмазы выкрашиваются при выходе из связки в среднем на 120…130 мкм, т.е. на 33…35 % от их поперечного размера (рисунок 4.10, б). Таким образом, связка Sn-Cu-Co-W обеспечивает прочное удержание алмазов.
Эксплуатационные свойства фрез были исследованы в ходе опытно-промышленных испытаний, которые подтвердили результаты стендовых испытаний, описанных выше. Опытно-промышленные испытания фрез проводили на оборудовании фирмы ООО «Фараон-Гранит» (faraongranit.ru, г. Краснодар). Фасонные алмазные фрезы, описанные в п. 6.1, были установлены на кантофрезерный станок модели «КАНТ 1290». Частота вращения фрез составляла 2000 об/мин. Каждой фрезой обрабатывали фасонную кромку на граните марки «Шаньси Блэк» длиной 20 м. Использование фрез, полученных композиционной пайкой, позволило повысить производительность обработки гранита в 1,2…1,5 раза по сравнению с аналогичным инструментом, изготовленным по существующим технологиям, что объясняется прочным закреплением алмазов в связке и отсутствием их карбидизации и графитизации при температуре пайки 820 С.
Стендовые и опытно-промышленные испытания показали, что эксплуатационный ресурс фасонных алмазно-абразивных инструментов, полученных композиционной пайкой, в 1,5…2 раза выше, чем аналогичных инструментов, полученных по известной технологии пайки твердыми припоями в вакууме. Повышение эксплуатационного ресурса объясняется тем, что при композиционной пайке формируется металлическая связка со структурой псевдосплава, состоящая из мягких и твердых составляющих. Такая связка обладает большей стойкостью к абразивному износу, чем известные связки на никелевой основе, получаемые гальваническим способом или вакуумной пайкой.
Кроме того, композиционная пайка позволяет получать алмазосодержащий слой значительно большей толщины, чем пайка известными твердыми припоями. Алмазосодержащий слой толщиной 2 мм по мере износа можно подвергать правке (например, электрохимическим способом) и восстанавливать заданный профиль инструмента. Однослойные инструменты, получаемые по известным технологиям, правке не подлежат.
Благодаря повышенным эксплуатационным свойствам полученные алмазные инструменты конкурентоспособны по сравнению с импортными инструментами, изготовленными гальваническим способом или вакуумной пайкой. Составы металлических связок и режимы пайки, установленные в настоящей диссертационной работе, могут быть использованы при разработке технологических процессов производства фасонных алмазных инструментов различного назначения: профильных шлифовальных кругов, правящих алмазных роликов, буровых инструментов.