Способ изготовления алмазного режущего инструмента с металлической гальванической связкой никель-хром Российский патент 2022 года по МПК C25D15/00 B24D3/06 

Изобретение относится к производству алмазного режущего инструмента путем формирования на поверхности заготовки композиционного электрохимического покрытия металлическая матрица с включенными частицами алмаза. Данным способом могут изготавливаться шлифовальные и режущие инструменты, такие как фрезы, боры, сверла и т.п. Способ заключается в закреплении на поверхности заготовки частиц алмаза двухслойной гальванической связкой никель-хром требуемой толщины.

Известен способ производства алмазного режущего инструмента с никелевой гальванической связкой [Ковальчук Ю.М. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента. М.: Машиностроение, 1984. - 288 с.], по которому алмазы на поверхности заготовки закрепляются слоем никеля из сернокислых электролитов никелирования при катодной плотности тока, не превышающей 1-2 А/дм². При такой плотности тока для наращивания толстых слоев никеля, надежно удерживающих крупнодисперсные частицы алмаза, требуется проведение электролиза в течение нескольких часов, что является недостатком, поскольку увеличивает время изготовления единицы продукции. Например, для фракции алмаза 80 мкм, требуется нарастить около 60 мкм никелевого покрытия, для этого при плотности тока 1 А/дм² требуется около 5 часов.

В то же время, никелевые связки для алмазного режущего инструмента не вполне подходят в силу большой разности в твердости и износостойкости алмаза и никеля. Разрушение покрытия происходит часто именно из-за недостаточных физико-механических свойств никелевой связки.

Наиболее близким техническим аналогом предлагаемого способа является способ упрочнения никелевой связки нанодисперсными частицами [RU 2660434 C2. Способ изготовления алмазного инструмента на гальванической связке с повышенной износостойкостью, модифицированной углеродными нанотрубками. Литовка Ю.В., Дьяков И.А., Симагин Д.Н., Соловьев Д.С., Кузнецова О.А., Самородов Н.Н. – опубл. 06.07.2018, Бюл. № 19], Включение наночастиц в никель обеспечивает повышенную износостойкость связки. Однако скорость осаждения покрытия в данном случае все равно невысока вследствие низких рабочих плотностей токов 1-2 А/дм² свойственных для применяемого электролита.

Технический результатом изобретения является существенное сокращение времени изготовления единицы продукции при одновременном повышении износостойкости покрытия алмазного режущего инструмента, который достигается за счет применения электролитов, позволяющих осаждать покрытия со скоростью до 10 мкм/мин, и осаждения двухслойной связки: 1 слой – никель с низкими внутренними напряжениями, 2 слой – твердый, износостойкий хром.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе для повышения износостойкости матрицы применяется двухслойная матрица никель-хром, внешний хромовый слой которой имеет большую микротвердость и износостойкость, чем никель, в том числе упрочненный нанодисперсными частицами. Слой хрома требуемой толщины наносится из электролита, г/л: хромокалиевые квасцы – 150…300, алюминий сернокислый – 100…150, натрия фторид - 15…20, натрий щавелевокислый – 10…50, при плотности тока 25…85 А/дм², температуре 20…50°С и pH 0,8…2,5, скорость роста слоя хрома 2…3 мкм/мин. Сокращение времени нанесения двухслойного покрытия достигается также за счет применения электролита никелирования состава, г/л: никель сернокислый - 250…350, никель хлористый 20…40, аминоуксусная кислота – 10…30, пиколиновая кислота – 1…10, изоникотиновая кислота – 0…3, из которого при катодной плотности тока 10…50 А/дм², температуре 30…55°С и pH 2…3,5 скорость осаждения покрытий достигает 10 мкм/мин. Слой никеля из этого электролита также обладает низкими внутренними напряжениями, что улучшает физико-механические характеристики покрытия.

Двухслойное покрытие никель-хром наносится на заготовку с предварительно закрепленными алмазами тонким слоем никеля, толщиной 1-5% от размера зерна алмаза. Алмазы закрепляются путем погружения заготовки в корзинку из химически стойкой ткани с порошком алмаза фракции 10…1000 мкм, которая опущена в электролит состава, г/л: никель сернокислый– 280…360; никель хлористый 50…60, кислота борная - 25…40, кислота изоникотиновая – 0…1,0, кислота пиколиновая 0…4. Электроосаждение закрепляющего слоя никеля проводится при катодной плотности тока 1-10 А/дм², температуре 20…30°С и pH 4,0…4,5.

Пример 1.

Этапы изготовления алмазного режущего инструмента с фракцией алмаза 80 мкм (время осаждения для других фракций пересчитывается пропорционально необходимой толщине слоя):

1. Заготовку с предварительно подготовленной для электроосаждения покрытия поверхностью (метод подготовки определяется в зависимости от материала заготовки) опускалась в корзинку из химически стойкой ткани с насыпанным порошком алмаза и пропитанным электролитом для предварительного закрепления алмаза, в который опущена корзинка. Использовался электролит состава, г/л: никель сернокислый – 280; никель хлористый – 50, кислота борная – 25, кислота изоникотиновая – 0,5, кислота пиколиновая 3. Электроосаждение осуществилось при условиях: катодная плотность тока 4 А/дм², температура 20°С, pH 4,0, никелевые аноды. Время электролиза 7 минут для осаждения слоя толщиной 5 мкм.

2. Производили непроточную промывку заготовки с предварительно закрепленными алмазами дистиллированной водой в течении 1 минуты.

3. Осуществляли электроосаждение никелевого слоя из электролита состава, г/л: никель сернокислый 250, никель хлористый - 30, аминоуксусная кислота – 20, пиколиновая кислота – 3. Условия электроосаждения: катодная плотность тока 20 А/дм², температура 50°С, pH 2,5, никелевые аноды. Время электролиза 10 минут для осаждения слоя толщиной 40 мкм.

4. Производили проточную промывку дистиллированной водой в течении 1 минуты.

5. Осуществляли электроосаждение хромового слоя из электролита состава, г/л: хромокалиевые квасцы – 250, алюминий сернокислый – 100, натрия фторид - 17, натрий щавелевокислый – 40. Условия электролиза: катодная плотность тока 55 А/дм², температура 40^оС, pH 1,5, аноды из платинированного титана. Время электролиза 10 минут для осаждения слоя толщиной 20 мкм.

6. Производили проточную промывку дистиллированной водой в течение 1-2 минут.

7. Осуществляли сушку при температуре не выше 60°С.

Таким образом, за время 30-35 минут на предварительно подготовленной поверхности заготовки для фракции алмазов 80 мкм формируется алмазное покрытие с двухслойной связкой никель-хром с суммарной толщиной связки 65 мкм, способной удержать частицы алмаза.

Пример 2.

Этапы изготовления алмазного режущего инструмента с фракцией алмаза 80 мкм (время осаждения для других фракций пересчитывается пропорционально необходимой толщине слоя):

1. Заготовку с предварительно подготовленной для электроосаждения покрытия поверхностью (метод подготовки определяется в зависимости от материала заготовки) опускалась в корзинку из химически стойкой ткани с насыпанным порошком алмаза и пропитанным электролитом для предварительного закрепления алмаза, в который опущена корзинка. Использовался электролит состава, г/л: никель сернокислый – 360; никель хлористый 60, кислота борная – 40. Электроосаждение осуществилось при условиях: катодная плотность тока 1 А/дм², температура 30°С, pH 4,5, никелевые аноды. Время электролиза 15 минут для осаждения слоя толщиной 3-5 мкм.

2. Производили непроточную промывку заготовки с предварительно закрепленными алмазами дистиллированной водой в течение 1 минуты.

3. Осуществляли электроосаждение никелевого слоя из электролита состава, г/л: никель сернокислый 350, никель хлористый - 40, аминоуксусная кислота – 30, пиколиновая кислота – 10, изоникотиновая кислота – 3. Условия электроосаждения: катодная плотность тока 50 А/дм², температура 55°С, pH 2, никелевые аноды. Время электролиза 10 минут для осаждения слоя толщиной 40 мкм.

4. Производили проточную промывку дистиллированной водой в течении 1 минуты.

5. Осуществляли электроосаждение хромового слоя из электролита состава, г/л: хромокалиевые квасцы – 300, алюминий сернокислый – 150, натрия фторид - 20, натрий щавелевокислый – 50. Условия электролиза: катодная плотность тока 85 А/дм², температура 50^°С, pH 0,8, аноды из платинированного титана. Время электролиза 7 минут для осаждения слоя толщиной 20 мкм.

6. Производили проточную промывку дистиллированной водой в течение 1-2 минут.

7. Осуществляли сушку при температуре не выше 60°С.

Таким образом, за время 35-40 минут на предварительно подготовленной поверхности заготовки для фракции алмазов 80 мкм формируется алмазное покрытие с двухслойной связкой никель-хром с суммарной толщиной связки 60-65 мкм, способной удержать частицы алмаза.

Пример 3.

Этапы изготовления алмазного режущего инструмента с фракцией алмаза 80 мкм (время осаждения для других фракций пересчитывается пропорционально необходимой толщине слоя):

1. Заготовку с предварительно подготовленной для электроосаждения покрытия поверхностью (метод подготовки определяется в зависимости от материала заготовки) опускалась в корзинку из химически стойкой ткани с насыпанным порошком алмаза и пропитанным электролитом для предварительного закрепления алмаза, в который опущена корзинка. Использовался электролит состава, г/л: никель сернокислый – 360; никель хлористый 60, кислота борная – 40, кислота изоникотиновая – 1,0, кислота пиколиновая 4. Электроосаждение осуществилось при условиях: катодная плотность тока – 10 А/дм², температура 30°С, pH 4,0, никелевые аноды. Время электролиза 5 минут для осаждения слоя толщиной 5-6 мкм.

2. Производили непроточную промывку заготовки с предварительно закрепленными алмазами дистиллированной водой в течении 1 минуты.

3. Осуществляли электроосаждение никелевого слоя из электролита состава, г/л: никель сернокислый 250, никель хлористый - 20, аминоуксусная кислота – 10, пиколиновая кислота – 1. Условия электроосаждения: катодная плотность тока 10 А/дм², температура 30°С, pH 3,5, никелевые аноды. Время электролиза 25 минут для осаждения слоя толщиной 40 мкм.

4. Производили проточную промывку дистиллированной водой в течении 1 минуты.

5. Осуществляли электроосаждение хромового слоя из электролита состава, г/л: хромокалиевые квасцы – 150, алюминий сернокислый – 100, натрия фторид - 15, натрий щавелевокислый – 10. Условия электролиза: катодная плотность тока 25 А/дм², температура 20°С, pH 2,5, аноды из платинированного титана. Время электролиза 20 минут для осаждения слоя толщиной 20 мкм.

6. Производили проточную промывку дистиллированной водой в течение 1-2 минут.

7. Осуществляли сушку при температуре не выше 60°С.

Таким образом, за время 55-60 минут на предварительно подготовленной поверхности заготовки для фракции алмазов 80 мкм формируется алмазное покрытие с двухслойной связкой никель-хром с суммарной толщиной связки 65 мкм, способной удержать частицы алмаза.

Изобретение относится к электроосаждению композиционных покрытий и может быть использовано для изготовления алмазного режущего инструмента с гальванической связкой. Способ включает нанесение на заготовку с предварительно закрепленными алмазами первого никелевого слоя покрытия из электролита никелирования состава, г/л: никель сернокислый 250-350, никель хлористый 20-40, аминоуксусная кислота 10-30, пиколиновая кислота 1-10, изоникотиновая кислота 0-3, при катодной плотности тока 10-50 А/дм², температуре 30-55°С и pH 2-3,5; нанесение второго хромового слоя из электролита, г/л: хромокалиевые квасцы 150-300, алюминий сернокислый 100-150, натрия фторид 15-20, натрий щавелевокислый 10-50, при катодной плотности тока 25-85 А/дм², температуре 20-50^оС и pH 0,8-2,5. Технический результат: сокращение времени изготовления единицы продукции при одновременном повышении износостойкости покрытия алмазного режущего инструмента. 1 з.п. ф-лы, 3 пр.

1. Способ изготовления алмазного режущего инструмента с металлической гальванической связкой никель-хром, включающий нанесение на заготовку с предварительно закрепленными алмазами первого никелевого слоя покрытия из электролита никелирования состава, г/л: никель сернокислый – 250…350, никель хлористый – 20…40, аминоуксусная кислота – 10…30, пиколиновая кислота – 1…10, изоникотиновая кислота – 0…3, при катодной плотности тока 10…50 А/дм², температуре 30…55°С и pH 2…3,5; нанесение второго хромового слоя из электролита, г/л: хромокалиевые квасцы – 150…300, алюминий сернокислый – 100…150, натрия фторид – 15…20, натрий щавелевокислый – 10…50, при катодной плотности тока 25…85 А/дм², температуре 20…50°С и pH 0,8…2,5.

2. Способ по п. 1, включающий предварительное закрепление на поверхности заготовки алмазов путем ее погружения в корзинку из химически стойкой ткани с порошком алмаза фракции 10…1000 мкм, опущенную в электролит состава, г/л: никель сернокислый – 280…360; никель хлористый – 50…60, кислота борная – 25…40, кислота изоникотиновая – 0…1,0, кислота пиколиновая – 0…4, и электроосаждения слоя никеля при катодной плотности тока 1-10 А/дм², температуре 20…30°С и pH 4,0…4,5.