НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Связки и алмазы при резке гранитов подвергаются сильным динамическим нагрузкам, таким образом, связка должна обладать достаточной прочностью и хорошо удерживать алмазы. В то же время, связка должна обладать достаточно высокой износостойкостью и теплопроводностью.

Режимы изготовления связки определяются свойствами закладываемых в нее алмазов. Так как для резки гранита в настоящее время используются как природные, так и синтетические алмазы, то при разработке технологических параметров нами учитывались их термостойкость и дробимость.

В данной работе рассматриваются вопросы выбора компонентов, позволяющих создать связку, пригодную для резки гранитов. Такая связка должна обладать достаточно высокой твердостью и износостойкостью, прочно удерживать алмазы. Кроме того, она должна обладать достаточной механической прочностью, чтобы выдерживать удары, возникающих при работе. Также в работе, приведены результаты исследований разрабатываемой связки с этих точек зрения. В этих исследованиях применяются способы металлографии, измерение механических свойств образцов (сегментов) и испытания в реальных условиях работы связки.

Разработка безвольфрамовой связки и изготовление алмазного инструмента для резки гранита

1. Материалы

Порошковая связка (шихта) должна обладать достаточно высокими механическими свойствами и твердостью, сравнительно низкой температурой спекания и давление прессования не должно превышать давления, при котором происходит раздрабливание зерен алмазов в связке.

Известно, что сплавы на основе системы кобальт-олово имеют высокие механические свойства, обладают высокой теплопроводностью [1-2]. Система кобалът-олово в области высокого содержания кобальта соответствует диаграмме состояния эвтектического типа (рис. 1.) [3]. Температура солидуса равняется, примерно, 1112 °С. Поэтому в качестве основы для связки была выбрана эта система.

Для определения влияния содержания олова на свойства получаемых сплавов были приготовлены и исследованы следующие составы шихты:

1.      90 вес.(%) Со + 10 вес.(%) Sn;

2.       80 вес.(%) Со +  20 вес.(%) Sn;

3.      66 вес.(%) Co +  34 вес.(%) Sn.

Рис. 1. Диаграмма состояния кобальт – олово.

2. Определение твердости

Измерение твердости образцов (сегментов) проводили на приборе типа Роквелл.

Сущность метода заключается во вдавливании наконечника со стальным шариком диаметром 1,5875 мм (шкала В) в испытуемый образец (сегмент) под действием последовательно прилагаемых нагрузок и измерений остаточного увеличения глубины внедрения наконечника после снятия основной нагрузки и сохранения предварительной нагрузки в единицах измерения 0,002 мм.

Под нагрузкой индикатор прибора вдавливается в образец на глубину h_o. Затем на испытуемый образец подается полная нагрузка, и глубина погружения наконечника возрастает. После снятия основной нагрузки прибор показывает число твердости по Роквеллу HR. Чем меньше глубина вдавливания h, тем выше твердость испытуемого материала.

По шкале B предварительная нагрузка  составляет 98 (10) Н (кгс), основная 883 (90) H (кгс) и общая 981 (100) Н (кгс).

Единица твердости по Роквеллу - безразмерная величина, соответствующая своему перемещению индикатора на 0,002 мм. Пределы измерения твердости по шкале В соответствуют 25—100 единиц. Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, буквами HR с указанием шкалы твердости. Например, 90 HRВ (твердость 90 по шкале В).

По шкале С определяют твердость материалов с высокой твердостью (>450 HB), когда стальной шарик может деформироваться.

Шкала А используется для определения твердости тонких (0,5 – 1,0 мм.) поверхностных слоев и очень твердых материалов.

По шкале В определяют твердость сравнительно мягких материалов (<400 HB).

Величина твердости по Роквеллу не имеет точного метода перевода в другие величины твердости или прочности при растяжении.

3. Испытание на изгиб

Для хрупких материалов (чугун, инструментальные стали после поверхностного упрочнения и т.д.) широко применяют испытания на изгиб (ГОСТ 14019-80) [4-5]. Чаще испытания проводят сосредоточенной нагрузкой на образец, лежащий на двух опорах (рис. 2.). Предел прочности при изгибе подсчитывают по формуле:

q_изг (q_изг) = M_max/w;

где M_max – максимальный изгибающий момент; w =(bh)²/6 – для прямоугольного сечения образца (h и  b – высота и ширина образца-сегмента); w = (пd)³/32 – для круглого сечения.

Рис. 2. Схема испытания на изгиб

4. Металлографический анализ

Металлографические исследования проводили на предварительно прессованных образцах (сегментах). Для этого приготавливали шлифы путем механической шлифовки и последующей полировки.

Для изучения микроструктуры образцов (сегментов) после прессования использовали горизонтальный микроскоп  типа «NEOPHOT–21» при увеличении х 5 и х 125.

5. Прессование образцов (сегментов) для алмазного инструмента

Прессование образцов (сегментов) проводили на гидравлическом прессе типа ГП с установленной мощностью до 10 кВт и удельным давлением до 10000 кг/смІ. Пресс предназначен для прессования алмазного инструмента

Гидравлический пресс состоят из следующих основных узлов: кожух, стол, ползун, гидропривод, пульт управления. Питание пресса осуществляется от сети переменного тока напряжением 380 В.

6. Исследование и разработка безвольфрамовой связки

Как уже говорилось выше, связка должна обладать достаточно высокими механическими свойствами, сравнительно низкой температурой спекания и давление прессования не должно превышать давления, при котором происходит дробление зерен алмазов в связке.

В связи с этим, были выбраны сплавы на основе системы кобальт-олово имеющие высокие механические свойства. Для определения влияния содержания олова на свойства получаемых сплавов были приготовлены смеси на основе кобальта с различным содержанием олова: 90% Co + 10% Sn; 80% Co + 20% Sn и 66% Co + 34% Sn. В качестве критерия механической прочности был выбран предел прочности на изгиб, измеряемый по схеме сосредоточенной нагрузкой (см. п. 3.). Кроме того, измерялась твердость образцов, изготовленных по следующему режиму:

-        температура спекания 800°С,

-        время спекания 1 час,

-        горячая допрессовка по объему с учетом 5% остаточной пористости.

Результаты измерений приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Твердость и прочность на изгиб образцов (сегментов) с различным содержанием олова

Как видно из таблицы 1. максимальная твердость и прочность наблюдаются у состава, содержащего 10 вес.(%) олова. Однако, этот состав обладает самой низкой прессуемостью, то есть, для получения образца заданного размера необходимо прикладывать максимальное для всех трех образцов давление. Поэтому соотношение основных компонентов связки мы принимаем более низкое, то есть Co: Sn = 4 : 1 (80% Co + 20% Sn), которое обеспечивает лучшую прессуемость. Результаты по определению прессуемости этого состава будут приведены ниже. Для повышения механических свойств и прессуемости было решено ввести в основной состав легирующие добавки железа и углерода. Влияние добавок железа и углерода на прессуемость в холодном состоянии показано в таблицах 2 и 3. Для сравнения в таблице 2 показана прессуемость смеси следующего состава: 80% Co + 20% Sn. Из таблице 2 следует, что добавки углерода в количестве до 0,3 вес. % положительно влияют на прессуемость смеси. Углерод работает как твердая смазка.

Таблица 2.

Влияние углерода на прессуемость образцов в холодном состоянии

Изучение влияния указанных выше добавок на спекание смеси и свойства конечного изделия производилось на образцах прямоугольной формы, которые брикетировались при удельном давлении 3000 кг/см², спекались в муфельной печи при температуре 800 °С, в течение 30 мин и допрессовывались в горячем состоянии при удельном давлении 2100 кг/см² или до расчётной высоты, то есть прессовались по объему.

В таблицах 4 и 5 представлены полученные результаты.

Добавление углерода несколько повышает твердость и прочность, что видно из таблицы 4. Кроме того, добавка углерода 0,2% увеличивает прессуемость смеси, а дальнейшее увеличение содержания углерода до 0,3% не влияет на нее, что следует из замеров высоты образцов при прессовании по давлению.

Таблица 3.

Влияние железа на прессуемость образцов в холодном состоянии

Таблица 4.

Влияние добавок углерода на твердость и прочность на изгиб

Таблица 5.

Влияние добавок железа на твердость и прочность на изгиб прессованных образцов

Как видно из таблицы 5, железо почти не влияет на твердость при прессовании по объему и, до некоторой степени, снижает прессуемость смеси.

Однако, его добавление повышает прочность образцов и наиболее рациональным интервалом содержания железа является интервал, равный 7-9%, в которой влияние железа на прессуемость смеси незначительно, но обеспечивается максимальная прочность. При увеличении содержания железа до 11% прочность не меняется, а прессуемость падает, а при уменьшении до 5% падает прочность.

Таким образом, можно сделать вывод, что введение углерода в состав кобальт-олово улучшает прессуемость, как в холодном, так и в горячем состоянии, незначительно влияя на твердость и прочность изделий. Не взаимодействуя с компонентами состава при температуре спекания, углерод, играет роль твердой смазки, способствуя большему уплотнению при прессовании в холодном и горячем состояниях.

Введение железа в тот же состав в количестве 7-9% несколько снижает исходную твердость, но в 1,5 раза увеличивает прочность.

На основании полученных результатов исследований, в качестве связки был выбран следующий состав (вес.%):

кобальт - 72,5

олово   - 18,3

железо   -   9,0

углерод -   0,2

Из этого состава были изготовлены алмазные бруски (рис. 3.) по следующему режиму: давление холодного прессования - 2000 кгс/см², температура спекания 800 °С, время выдержки при температуре спекании – 1 час, горячая допрессовка по объему. Полученные образцы имели следующие характеристики: HRB 102-104 и σ изг. =  80 кг/мм².

Из этого состава был изготовлен отрезной круг диаметром 500 мм, который был испытан по граниту на МКК (г. Долгопрудный). В круге были использованы природные алмазы зернистостью 400/315 мкм с концентрацией 50 (рис. 4.).

Резке подвергался Янцевский гранит. Режимы резания были следующие: подача 0,8 - 1,0 м/мин.; глубина реза 10-20 мм.

При работе кругом потреблялся ток 10 – 15А, круг не требовал дополнительного вскрытия, искрение отсутствовало. Удельный расход алмазов составлял, около, 1 карата/м².

Износ круга определялся весовым способом. Удельный расход алмазов составил, примерно 1 карат/м², потребляемая мощность 3 квт. В случае связки М50 расход алмазов находиться в пределах 0,8-1,4 карата/м².

При рассмотрении рабочих поверхностей сегментов круга на безвольфрамовой основе было установлено, что, по сравнению с ранее исследованным кругом изготовленном из связки М50 диаметром 500 мм значительно уменьшилось выпадение алмазов из связки, алмазы выступали в виде цельных зерен, то есть отсутствует их дробимость во время прессования в результате снижения давления горячей допрессовки (рис. 3.). Этим можно объяснить снижение удельного расхода алмазов в случае круга, изготовленного из новой безвольфрамовой связки, по сравнению с кругом на связке М50.

Рис. 3. Алмазные режущие бруски                              Рис. 4. Природные алмазы зернистостью

                             на безвольфрамовой основе                                                       400/315 мкм

(увеличение х 5)                                                            (увеличение х 125)

ВЫВОДЫ

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. Разработана безвольфрамовая связка для отрезных кругов, предназначенных для обработки гранитов, обеспечивающая достаточно высокую стойкость (удельный расход алмазов в случае этой связки составляет, около, 1 карата/м² против 0,8-1,4 карата/м² для серий­ной связки М50), работу в режиме самозатачивания и невысокое потребление мощности (приблизительно в 1,5 раза ниже, чем для связки М50).

2. Разработанная связка выполнена на кобальтовой основе с добавлением ряда металлических и неметаллических компонентов, обеспечивающих повышение прочности, абразивной стойкости и прессуемости связки.

Список литературы

1.      Айзенкольб Ф. Успехи порошковой металлургии. - М.: Металлургия, 1969.

2.      Физико-химические свойства элементов: Справочник. - Киев: Наукова думка.

3.      Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. - М.: Металлургия, 1962.

4.      Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990.

5.      Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. - М.: Металлургия, 1975.