Способ упрочнения кристаллов Советский патент 1993 года по МПК C30B33/04 C30B29/04 

Предлагаемое мзобретёйиё относится к области обработки сверхтвердых кристаллических материалов, в частности, к упрочнений синтетических и природных алмазов ,: или других абразивных материалов. / ; ; .Известен способ упрочнения кристаллов, заключающийся в воздействии на них лазерного излучения.

-Задача, на решение которой напра(5ле- но предлагаемое изобретение, заключается

в нахождении параметров режимов обработки, влияющих на обьемное упрочнение кристаллов размером 0,2-2,8 мм. . Техническим результатом, получаемым при осуществлении предлагаемого изобретения, является повышение объемной прочности кристаллических материалов.

Указанный технический результат достигается тем, что. в способе упрочнения кристаллических материалов путем нагрева

кристаллов облучением лазера и последующего естестве иного охлаждения, облучение кристаллов с максимальным л инейным размером 0,2-2,8 мм осуществляют с длиной волны, при которой они являются оптически прозрачными и плотностью мощности излучениям импульсе, определяемой из зависимости: ; . . .. :. . ;

: -У .

где S - максимальный линейный размер кристаллов (мм);

К - коэффициент пропорциональности {кВт/мм3), равный 2,5-4,2 и выбираемый в; зависимости от линейного размера кристаллов из области, ограниченной следующими значениями:

3 0,2 К 4,0-4,2 . 3 0,2 К 2,5-2,6

3 2,6 К 2,5-2,6

СА

onV

ГчЭ

Указанная Зависимость и значения параметров были экспериментально получены для кристаллов (природных и искусственных), алмазов и других абразивных материалов ситового класса (S 0,2-2,8) и обеспечивают в совокупности с другими существенными признаками достижение указанного выше технического результата.

На фиг,1 - схематично Показана установка для упрочнения кристаллических материалов, на которой может быть осуществлён данный способ; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.З - разрез по Б-6 на фиг.2; на фиг.4 - представлен график зависимости К QfS...... / - . . . ..

Установка для осуществления способа содержит лазер 1, лоток 2, установленный на координатном столике 3, связанном с .механизмами 4 и 5 соответственно для1, про- дол ьного и поперечного перемещениялотка 2, в желобах 6 которого расположены обра- батываемыекристаллу. . .:;; --.

При обработке кристаллов Тих распй- лагшот ,в желобках 6 лотка 2. и нагревают облучением лазера 1 Механизмом 4 обёе пёчйэаюг jSKin:. тгродольное -перемещение лотка, чтобы на каждый-кристалл приходился один импульс лазера. После прохождений всего желобка 6 механизмом 5 перемещают лоток 2 в поперечном направлений и производят облучение Кристаллов в следующем желобке. . :

.Поскольку обрабатываемые кристзлль облучаются.с длиной во лны луча, при которой они Являются оптически прозрачными, в процессе облучения не происходит поглощенияэнергии/излучений ; в объеме кристалла; . а осу щёотё ля ётся hо rrt ощёнШ эн е р гай в зонах; tKfifefTbix л видимых .микродефёктое кристалла ( микротрёщины; включёния, пу- ЗЙр ьки и т.д.), что и приводит купрЬчйёнию кристаллов в результате быстрого 6;тжйга йапряжёний(;в областях, прилегающих kyxa- Занный 1иикродёфёкта г, ; . . ,;; / Облучение осуществляют с плотностью мощности излучения в импульсе определяемой из зависимости:

;-

jow-K

Ъ

10

.15

20

25

30

35

40

45

50

новки их в экспериментальную зависимость, то полученная величина р обеспечит эффект упрочнения, но не максимально возможный, В действительности же зависимость К - S не является линейной, однако это можно отнести к ноу-хау способа.

Указанная зависимость плотности мощности от линейного размера кристал- лов: облучения получена экспёрименталь- вьтм путем, при этом установлено, что как при превушении, так и ниже граничных значений плотности мощности излучения происходит разупрочнение кристаллов и технический результат не достигается. .

Следует также отметить, что параметр /9w, как показали эксперименты, является определяющим, необходимым и достаточным для осущестелени-я способа, поскольку, зная, величину pw легко, исходят из технических характеристик л;азера, установить режим облучения, варьируя либо длительностью Шпульса .т , либо величиной энергии ййпулъса 1.V - . ., ,.-.- : .

Технологически ftpou i и быстрее :измё- нять величину/энергии импульса Е, кроме того, очевидыо, что наиболее предпочти- тел ьн ы м я вляётсй сзмш короткий импульс, т.к. он обеспёчмеаетнаибояьшее Значение мощности импульса при рабных его энергиях.- .:, - .:.;: -.:,:-.. ., :- . -/.: :.- . , ..

П ример № t. . .

Для обработки отобрана партия в 400 кристаллов природных алмазов ХХ-а группы размером S-2,0 мм, 0ся партия разбита на 8: групп по; 50 Ш, в.каждой, Первоначально

определена с.р вдн.яя .прочность алмазов. Остальные 7 групп- располагают в желобках б лотка 2 ко о рдйнаторйого столика 3 для об- работ(ш азёро;м/: ;v ./:: V . ...-.-i;:, ,.;; 0 качёствейс очникаййпуяьсногойзлу- чёйия исполцевана установка Квант-43. Устанавливаем длительность импульса 0,5 мс и фокальное пяҐно Прямоугольной, формы общей площадью 38 м2 (10x3,8). Из экспе- рймёнтал/ьной зависимости устанавливаем, что для айМаз.бв с .размером S 2,0 коэффициент К 2,64. По дайным значениям Ки$ определяет величину плотности мощности излучения;/:

Использование: обработка свер хтеер- дых кристаллических материалов, в частности природных и синтетических алмазов и д-ругах вн ых материалов, для увели- чения объемной прочности. Сущность изо-: бретения: кристаллы облучают лазером с длиной нояны луча, при которой они являются оптически прозрачными. Плотность мощ- ности излучения оДределяется из зашеимоетй. К S , где S - максимальный линейный размер кристаллов: К - коэффициент пропорммстапьности, равный 2,5-4,2 и выбираемый #3 отраниченкой ре- шмендуёмой области в зависимости от линейного размера кристаллов.- .При облучении происходит гюглощение энергии излучения в объеме кристаллов в зонах микродефектов. Упрочнение достигается э результате отжига напряжений, прилегающих к указанным зонам. 4 ил., 4 табл. .

Величина коэффициента К изменяется в диапазоне 2,5-4,2 и его изменение обратно пропорционально изменению линейного размера «фисталла. Для малых размеров S 0,2, ,0-4,2, а для 5 2.0-2,8 и К 2,5-2,6.

Следует OtMetHTb, что если даже принять прямую линейную эавйсимасть S 0,2 - ,2; S 2,8 - К 2,6, для нахождения по известной величине, значений К и ПОДСТЙР

/Л 2,64 ;.

3,72 кВт/мм2.

При длительности импульса г 0,5 мс плотность энергии излучения составляет:

; -fa ..- .

3,72 х 0,5 11ёбДж/мм2.

Величина энергии импульса при площади фокального пятна Я 38 мм2 составляет: Ё ре Р 1,86 х 38 70,68 Дж.

Для получения такой энергии устанавливаем напряжение накачки, изменяем энергию импульса и производим облучение следующей группы алмазов в 50 шт, и после облучения определяем твердость этой труп- пы. Результаты обработки этой партии алмазов представлены в табл. 1...

П ри мер №2. .

По технологии, описанной в примере № 1, обрабатываем партию алмазов разме- ром S 1,0 мм. Для алмазов такого мера величина К 3,1:

При этой же длительности импульса F 0,5 мс плотность мощности излучения составляет:/ . : :

РЕ -pw - 3,1 х 0,5 1,55 Дж/мм2.

При площади пятна излучения 38 мм2 энергия излучения равна:;

Е рЕР 1155х38 58,9Дж. . Для получения такой энергии устанавливаем напряжение накачки U I860 В. В табл,2 приведены результаты обработки алмазов. Как видно из таблицы, увеличение прочности составляет 130 ±2%. В табл.3 . приведены результаты обработки алмазов размером S 0.5. - .: ;: :;/ V : . :

В табл.4 приведены сводные результаты обработки алмазов различного размера.

В данной таблице прочность, алмазов размером от 0,4 и менее определялась статическим нагруженном, а прочность алмазов 0.5 и выше проверялась на динамические нагрузки.

Таким образом, данный способ позволяет повысить объемную прочность кристаллов, а, следовательно, и свойства изготавливаемых с их использованием инструментов.

Формула изобретения Способ упрочнения кристаллов путе м воздействия на них импульсного лазерного облучения, отличающийся тем, что облучений кристаллов с линейным размером 0,2-2,8 мм осуществляют с длиной вол- «ы луча, при которой они являются оптически призрачными, и плотностью мощности облучения в импульсе, определяемой из зависимости.

р« К

где S - линейный размер кристалла, мм;

К - коэффициент пропорциональности, кВт/мм , равный 2,5-4,2 и выбираемый в зависимости от линейного размера кристалла из области, ограниченной следующими значениями: S 6,2, К 4,0-4,2; S 0,2, К 2,5-2,6; 3 2.8, К 2.6-2.5.

..;, :.. , .. : ;. (../... Т а б л и ц а 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблиц а 4

: НЗИРЭШ-

ЛвНЕЯ ДВИшиш лотка, - .. -,,-. :

Ж

/

Лазе|шов иайучшие.

c:K -;-Sf

а

б

;;-;,фйГ,.;Й-;

Ґ-Г: : : -:

ГЈгАч ОД 4р $. $ 4$ Ф ty %

Фй. 4