СВЯЗУЮЩЕЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АБРАЗИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИНСТРУМЕНТОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК C09K3/14 

Изобретение относится к производству абразивных элементов и инструментов на органических связующих, в том числе из порошков сверхтвердых материалов.

В настоящее время наибольший объем абразивного инструмента на органических связующих изготавливается из связующих на основе фенолоформальдегидных и полиамидных смол. Эти изделия имеют относительно невысокий уровень эксплуатационных свойств (размерная стойкость, коэффициент шлифования), вызванный низкими значениями теплостойкости, химической стойкости и теплопроводности этих связующих, их высокими коэффициентами линейного термического расширения.

Существенно более высокие эксплуатационные свойства имеют абразивные изделия на связующем (варианты), описанном в патенте РФ [1], которое представляет собой две комбинации твердых продуктов пиролиза углеродсодержащих газов (мас.%):

- волокнистый углерод - 0,1-99,5; пироуглерод - остальное; -волокнистый углерод - 0,1-99,51, пироуглерод и алмаз -остальное.

Связующее образуется в результате термической обработки "сырой" пористой заготовки абразивного инструмента в среде углеродсодержащего газа. В процессе этой обработки в поровой структуре заготовки абразивного инструмента (в его объеме) отлагаются твердые продукты пиролиза углеродсодержащих газов (связующее), которые прочно консолидируют порошкообразные ингредиенты рецептур абразивных изделий. Это изобретение выбрано в качестве аналога.

В процессе работы любого абразивного инструмента происходит притупление абразивных зерен. При этом, за счет возрастания нагрузки на затупившиеся зерна, должно происходить их удаление (вырыв) из рабочего слоя. Абразивный инструмент при этом продолжает работать с прежней производительностью (режим самозатачивания). Если же абразивные зерна удерживаются связующим очень прочно (высокая адгезия) и оно имеет высокую механическую прочность, то происходит постепенное увеличение сил резания, снижение производительности шлифования.

Известно, что образование технического углерода является объемным процессом. Если учесть, что удельная поверхность абразивного изделия, подвергаемого насыщению, довольно высока, то при пиролизе чистого природного газа в поровой структуре изделия образование технического углерода (сажи) маловероятно [2]. В работе [4] показано, что при термическом разложении ацетилена скорость роста пироуглерода на поверхности значительно ниже скорости роста технического углерода. Поэтому, если в природный газ добавлять ацетилен в концентрации 0,1-0,3 об.% [3], то в поровой структуре одновременно с пироуглеродом начинает выделяться технический углерод в виде отдельных микрочастиц. Это наблюдение предлагается использовать в настоящем изобретении для введения технического углерода в связующее. Его количество в связующем, необходимое для прерывания роста пироуглерода и уменьшения его адгезии к абразивным зернам, составляет от 0,01 до 3 мас.%. При большем количестве технического углерода происходит снижение плотности связующего и существенно уменьшается коэффициент шлифования. Операцию введения технического углерода в состав связующего предлагается осуществлять в два этапа: в начале процесса насыщения и в его середине. После каждого этапа введения технического углерода должна проводиться термоокислительная деструкция технического углерода, пироуглерода и волокнистого углерода на поверхности абразивных изделий. При этом «вскрываются» места (поры) входа газа в объем изделий. Термоокислительная деструкция реализуется за счет подачи в реактор насыщения диоксида углерода, паров воды и пр. Дальнейшее совершенствование этого вида связующих было осуществлено в заявке РФ [5]. В нем описаны два варианта связующих:

- чистый пироуглерод; - эпитаксиальный алмаз - 0,1-60 мас.%; пироуглерод - остальное.

При этом были устранены недостатки, связанные с отрицательными последствиями введения в состав кругов металлов-катализаторов образования волокнистого углерода (графитизация алмаза) и была повышена полнота заполнения поровой структуры абразивных изделий продуктами пиролиза углеродсодержащих газов. Это изобретение выбрано в качестве прототипа: связующее для изготовления абразивных элементов и инструментов на основе продуктов пиролиза углеродсодержащих газов.

При пиролизе углеродсодержащих газов возможно образование следующих продуктов: технический углерод (сажа), пироуглерод, волокнистый углерод, эпитаксиальный алмаз.

Связующие, описанные в прототипе, содержат либо чистый пироуглерод, либо пироуглерод в смеси с эпитаксиальным алмазом. Пироуглерод осаждается в поровой структуре сырых абразивных изделий в виде «микроконусов», начинающихся от исходной поверхности и ориентированных нормально к поверхности роста. Материал является сильно текстурированным и анизотропным [2]. Учитывая высокую адгезию пироуглерода к поверхностям абразивных материалов, связующее прочно удерживает абразивные зерна и не дает возможности их удаления при затуплении режущих кромок. Дополнительное сопротивление удалению зерен оказывают порошкообразные компоненты наполнителей, «пропитанные» прочными связующими (как в аналоге, так и в прототипе).

Если в процессе насыщения удастся доставить в зону роста пироуглерода микрочастицы изометрической формы, то они, включаясь в растущую структуру пироуглерода, будут являться местами роста новых «микроконусов» пироуглерода, будут уменьшать поверхность контакта пироуглерода с зернами абразива (снижать адгезию). Тем самым можно регулируемо снижать прочность удержания абразивных зерен. Дополнительно, образующаяся «бимодальная» структура приводит к высокой изотропности свойств связующего. Роль «прерывателя» роста пироуглерода может выполнить технический углерод (сажа) при определенных технологических режимах процесса насыщения. Для качественной и количественной оценки состава предлагаемого связующего были проведены эксперименты на модельных рецептурах абразивных изделий.

Задачей настоящего изобретения явилось повышение в процессе эксплуатации абразивных изделий производительности шлифования, свойственной начальному периоду работы, техническим же результатом оптимизация структуры, механических свойств связующего и его адгезии к абразивным зернам.

Для этого связующее на основе смеси продуктов пиролиза углеродсодержащих газов содержит, мас.%:

- технический углерод - 0,01-3%, пироуглерод - остальное;

- технический углерод - 0,01-3%, пироуглерод и волокнистый углерод - остальное;

- технический углерод - 0,01-3%, пироуглерод, волокнистый углерод и алмаз - остальное;

- технический углерод - 0,01-3%, пироуглерод и алмаз - остальное.

Компоненты связующего могут быть легированы бором, кремнием, титаном и другими химическими элементами и соединениями или их смесями.

Как показали результаты длительной эксплуатации алмазного инструмента (по прототипу) при резке твердого сплава наблюдается устойчивое, весьма нежелательное снижение производительности шлифования в зависимости от времени работы. При абразивной обработке других, более твердых материалов наблюдается еще более сильное снижение производительности шлифования. В этих случаях требуется прерывать работу и производить правку инструмента для восстановления его режущей способности. Кроме этого следует учитывать, что в процессе правок в шлам может удаляться до 20-30% объема круга.

Отрезные круги по предлагаемому техническому решению и по прототипу изготавливались одинаковых составов:

- алмазный порошок АС₆ 80/63 - 46 мас.%

- электрокорунд белый М3 - 54 мас.%

Исходные порошки смешивали и пластифицировали. Из них прессовали отрезные круги 1А8 115×85 мм, высотой 0,7 мм. После сушки при 200°С и карбонизации при 800°С отрезные круги подвергались насыщению в среде природного газа при 1000°С при атмосферном давлении. Методами оптической и электронной микроскопии, термогравиметрическими исследованиями было установлено, что связующее в прототипе полностью состоит из пироуглерода.

По предлагаемому изобретению в состав связующего дополнительно вводили технический углерод в количестве 0,3, 3,0 и 3,5 мас.% за счет различного времени насыщения природным газом с подмешиванием 0,15 об.% ацетилена. Испытания проводились в условиях резки твердого сплава ВК8 твердостью 87,5 HRA. Перед испытаниями проводилась однократная правка кругов мягким бруском из зеленого карбида кремния. Рабочая скорость кругов 25 м/с, нагрузка на круг - 10 ньютонов. Круги при испытаниях интенсивно охлаждались 3% раствором каустической соды.

Результаты испытаний представлены в таблице №1:

 Производительность шлифования (резки), [см²/мин] (числитель), коэффициент шлифования (знаменатель).ТехнологияВ начале экспериментаЧерез 10 минутЧерез 30 минутЧерез 40 минутПрототип1,9/2001,7/2001,3/2100,9/220Опытная №1 (0,3 мас.% технического углерода)2,1/1902,0/2052,0/2101,95/205Опытная №2 (3,0 мас.% технического углерода)2,3/1602,3/1702,25/1652,2/180Опытная №3 (3,5 мас.% технического углерода)2,5/302,6/252,5/302,4/35

Результаты испытаний показали, что при содержании технического углерода в составе связующего больше 3 мас.% наблюдается катастрофическое снижение эксплуатационных свойств за счет сильного снижения адгезии связующего к абразивным зернам и его общего разупрочнения. Меньшие количества технического углерода в составе связующего положительно влияют на эксплуатационные свойства абразивных изделий. Производительность резки твердого сплава (после 40 минут работы) у опытного состава №1 более чем в два раза выше, чем у прототипа. При этом отпадает необходимость прерывать работу и производить дорогостоящую правку инструмента.

Источники информации

1. Патент РФ №2166425, В24D 3/00, С08J 5/14, 5/04, 2001.

2. Р.Г.Аварбэ. Химическое газофазное осаждение тугоплавких конструкционных материалов. Ленинград, ГИПХ, 1976, с.9.

3. П.А.Теснер. Образование углерода из углеводородов газовой фазы, М., Химия, 1972.

4. С.С.Абаджаев, П.А.Теснер, В.У.Шевчук. Газовая промышленность, №10, 36, 1969.

5. Заявка РФ №2001134226/02, В24D 3/20, 18/00, 2003.

Связующее, образующееся при обработке углеводородного газа в условиях пиролиза в порах заготовки абразивного изделия, имеет следующий состав, мас.%: технический углерод - 0,01-3%, пироуглерод или пироуглерод с волокнистым углеродом - остальное. Улеводородный газ может дополнительно содержать 0,15 об.% ацитилена. Абразивное изделие, содержащее вышеуказанное связующее, может быть использовано с высокой производительностью для резки твердого сплава без необходимости правки. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Связующее, образованное при обработке углеводородного газа в условиях пиролиза в порах заготовки абразивного изделия, отличающееся тем, что связующее имеет следующий состав, мас.%:

Технический углерод0,01-3Пироуглеродостальное

Технический углерод0,01-3Пироуглерод и волокнистый углеродостальное