RU2432248C1

RU2432248C1 - Diamond tool on electroplating binder

Info

Publication number: RU2432248C1
Application number: RU2010130371/02A
Authority: RU
Inventors: Николай Иванович Полушин (RU); Николай Иванович Полушин; Андрей Владимирович Кудинов (RU); Андрей Владимирович Кудинов; Владимир Васильевич Журавлёв (RU); Владимир Васильевич Журавлёв; Анатолий Львович Маслов (RU); Анатолий Львович Маслов
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2011-10-27

Abstract

FIELD: process engineering. ^ SUBSTANCE: invention relates to abrasive processing and may be used in producing diamond tools incorporating diamond grains bound on tool case surface by electroplating. Electroplating binder comprises two layers and nanodiamond filler. Inner layer adjoins tool case and features thickness of 10-20% of diamond grain size. Outer layer is arranged on inner layer and features thickness of 40-70% of diamond grain size. Nanodiamond filler is contained solely in binder outer layer. ^ EFFECT: longer life, higher tool efficiency. ^ 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к алмазным инструментам больших и малых габаритных размеров, изготавливаемым с использованием электрохимических процессов (гальваническим методом) закрепления алмазных зерен на поверхности корпуса инструмента и предназначенным для обработки различных металлических и неметаллических материалов. Такими инструментами могут быть шлифовальные круги, в том числе круги сложного профиля, которые должны длительное время сохранять свой профиль; правящие инструменты, такие как правящие ролики, бруски; отрезные круги, сверла и т.п.The invention relates to diamond tools of large and small overall dimensions, manufactured using electrochemical processes (galvanic method) of fixing diamond grains on the surface of the tool body and intended for processing various metallic and non-metallic materials. Such tools can be grinding wheels, including circles of complex profile, which must maintain their profile for a long time; ruling tools, such as ruling rollers, bars; cutting wheels, drills, etc.

Одним из способов увеличения срока службы алмазных инструментов на гальванической связке является изменение физико-механических свойств гальванической связки за счет введения в нее различных твердых наполнителей, в частности алмазных частиц и алмазных порошков, имеющих размеры меньше, чем основные алмазные зерна, производящие съем обрабатываемого материала. Так, в патентах Японии №3729700, кл. B24D 53/12, 2001 г., №3802884, кл. B24D 53/12, 2004 г. в связку, закрепляющую на корпусе инструмента основные алмазные зерна, вводят дополнительные алмазные частицы, размер которых меньше размера основных алмазных зерен. Дополнительные частицы предохраняют разрушение связки шламом, образующимся при работе инструмента, и тем самым способствуют улучшению удержания основных алмазных зерен в связке. В заявке DE №10049605, кл. B24D 5/00, 2001 г. в гальваническую связку вводят дополнительные алмазные частицы, размер которых составляет 5-40% размера основных алмазных зерен. Дополнительные алмазные частицы обеспечивают распределение на поверхности корпуса инструмента алмазных зерен на определенном расстоянии друг от друга и предотвращают их сдвигание под действием усилий, возникающих при работе инструмента, сохраняя прочность их удержания в связке. В известных решениях в качестве дополнительных частиц вводят алмазные частицы достаточно большого размера, частицы распределены по поверхности инструмента на некотором расстоянии друг от друга, т.е. они локально защищают связку от износа шламом. Однако участки поверхности инструмента, находящиеся между алмазными зернами и дополнительными частицами подвергаются воздействию шламом, в результате связка изнашивается, ослабляется удержание алмазных зерен, что приводит к их преждевременному выпадению.One way to increase the service life of diamond tools on a galvanic bond is to change the physicomechanical properties of the galvanic bond due to the introduction of various solid fillers, in particular diamond particles and diamond powders, which are smaller than the main diamond grains that take out the processed material. So, in Japanese patents No. 3729700, cl. B24D 53/12, 2001, No. 3802884, cl. B24D 53/12, 2004, additional diamond particles smaller than the size of the main diamond grains are introduced into the bundle securing the main diamond grains to the tool body. Additional particles prevent the destruction of the bundle by the sludge formed during the operation of the tool, and thereby contribute to improving the retention of the main diamond grains in the bundle. In the application DE No. 10049605, cl. B24D 5/00, 2001, additional diamond particles are introduced into the galvanic bond, the size of which is 5-40% of the size of the main diamond grains. Additional diamond particles ensure the distribution on the surface of the tool body of diamond grains at a certain distance from each other and prevent their displacement under the action of the forces arising from the operation of the tool, while maintaining their retention strength in the bundle. In known solutions, diamond particles of a sufficiently large size are introduced as additional particles, the particles are distributed over the surface of the tool at a certain distance from each other, i.e. they locally protect the bond from wear by sludge. However, the surface areas of the tool located between the diamond grains and additional particles are exposed to sludge, as a result, the bundle wears out, and the holding of diamond grains is weakened, which leads to their premature precipitation.

В другом техническом решении по патенту Японии №4372367, кл. B24D 3/00, 1992 г. предложено поверх рабочего слоя алмазного инструмента на гальваническую связку наносить тонкую пленку металла, содержащую ультрамелкие алмазные порошки диаметром не более чем 100 Å. Такая пленка увеличивает срок службы инструмента за счет улучшения смазывающих и антифрикционных характеристик рабочей поверхности инструмента и ее абразивной стойкости. Однако пленка, содержащая ультрамелкие алмазные порошки, имеет небольшую толщину, некоторое время защищает рабочую поверхность инструмента от отрицательного воздействия на нее шлама, но после ее износа инструмент начинает работать как обычный.In another technical solution according to Japanese patent No. 4372367, class. B24D 3/00, 1992, it was proposed that a thin film of metal containing ultrafine diamond powders with a diameter of not more than 100 Å be applied to the galvanic bond on top of the working layer of a diamond tool. Such a film increases the tool life by improving the lubricating and antifriction characteristics of the working surface of the tool and its abrasion resistance. However, the film containing ultrafine diamond powders has a small thickness, for some time it protects the working surface of the tool from the negative impact of sludge on it, but after its wear the tool starts to work as usual.

Наиболее близким техническим решением является алмазный инструмент, на поверхности корпуса которого закреплены алмазные зерна гальванической связкой, содержащей ультрадисперсный наполнитель, в качестве которого использованы наноалмазные порошки с размером частиц 40-60 нм. Содержание нанопорошков в связке составляет 0,3-1,6% (а.с. СССР №1703427, кл. B24D 3/34, 1992 г.). Наноалмазные порошки равномерно распределены по всему объему связки и служат для дисперсионного ее упрочнения. Связка, упрочненная наноалмазными порошками, не изнашивается более длительное время, чем обычная связка, и дольше удерживает алмазные зерна на корпусе инструмента. Однако известный гальванический инструмент имеет следующие недостатки. Режущий слой инструмента, представляющий собой алмазные зерна и связку, удерживается на корпусе в основном за счет адгезионных сил между корпусом инструмента и металлической составляющей связки. Наноалмазные порошки, находящиеся в связке, ухудшают сцепление режущего слоя с корпусом из-за частичной замены металла связки наноалмазными порошками. В то же время алмазные зерна в связке удерживаются за счет механических сил сцепления зерен и связки, определяемых пластичностью последней. Пластичная связка более плотно прилегает к алмазным зернам, повторяя контур поверхности зерна. Наноалмазные порошки, увеличивая твердость связки, уменьшают ее пластичность и соответственно ухудшают сцепление зерен со связкой. Известно, что для предотвращения отслаивания рабочего слоя от корпуса инструмента под воздействием тепла, возникающего при работе инструмента, коэффициенты термического расширения рабочего слоя и корпуса инструмента должны быть близкими. Введение наноалмазных порошков в связку существенно уменьшает коэффициент термического расширения связки, что создает условия для изменения геометрических размеров корпуса и слоя на различную величину и их расслоению при работе инструмента. Все перечисленные недостатки приводят к снижению стойкости инструмента либо из-за отслаивания рабочего слоя от корпуса, либо от преждевременного выпадения алмазных зерен из связки.The closest technical solution is a diamond tool, on the surface of the body of which diamond grains are fixed with a galvanic bunch containing an ultrafine filler, which are used as nanodiamond powders with a particle size of 40-60 nm. The content of nanopowders in the binder is 0.3-1.6% (AS USSR No. 1703427, class B24D 3/34, 1992). Nanodiamond powders are evenly distributed over the entire volume of the binder and serve for its dispersion hardening. A bond hardened by nanodiamond powders does not wear out longer than a conventional bond and holds diamond grains on the tool body longer. However, the known galvanic tool has the following disadvantages. The cutting layer of the tool, which is diamond grains and a bunch, is held on the body mainly due to the adhesive forces between the tool body and the metal component of the bundle. The nanodiamond powders in the binder impair the adhesion of the cutting layer to the body due to the partial replacement of the metal of the binder with nanodiamond powders. At the same time, diamond grains in a bundle are retained due to the mechanical adhesion forces of grains and bundles, determined by the ductility of the latter. The plastic bundle adheres more closely to diamond grains, repeating the contour of the grain surface. Nanodiamond powders, increasing the hardness of the binder, reduce its ductility and, accordingly, worsen the adhesion of grains to the binder. It is known that to prevent peeling of the working layer from the tool body under the influence of heat arising from the tool, the coefficients of thermal expansion of the working layer and the tool body should be close. The introduction of nanodiamond powders into the binder significantly reduces the coefficient of thermal expansion of the binder, which creates the conditions for changing the geometric dimensions of the body and layer by a different amount and their separation during operation of the tool. All these shortcomings lead to a decrease in tool life either due to peeling of the working layer from the body, or from premature precipitation of diamond grains from the bundle.

Технической задачей является увеличение срока службы инструмента на гальванической связке за счет улучшения удержания режущего слоя на корпусе инструмента и алмазных зерен в связке.The technical task is to increase the service life of the tool on a galvanic bunch by improving the retention of the cutting layer on the tool body and diamond grains in a bunch.

Для решения технической задачи в алмазном инструменте на гальванической связке, содержащем корпус, на котором закреплены алмазные зерна гальванической связкой, включающей наноалмазный наполнитель, связка выполнена двухслойной с внутренним слоем, примыкающим к корпусу инструмента и имеющим толщину 10-20% от размера алмазных зерен, и внешним слоем, нанесенным на внутренний слой и имеющим толщину 40-70% от размера алмазного зерна, при этом наноалмазный наполнитель содержится только во внешнем слое связки.To solve the technical problem in a diamond tool on a galvanic bunch containing a housing on which diamond grains are fixed with a galvanic bunch including nanodiamonds, the bunch is made of two layers with an inner layer adjacent to the tool body and having a thickness of 10-20% of the size of the diamond grains, and the outer layer deposited on the inner layer and having a thickness of 40-70% of the size of the diamond grain, while the nanodiamond filler is contained only in the outer layer of the binder.

В алмазном инструменте в качестве наноалмазного наполнителя берут наноалмазные порошки зернистостью 2-100 нм, при объемном содержании их в связке 4,0-5,0%.In a diamond tool, nanodiamond powders with a grain size of 2-100 nm are taken as a nanodiamond filler, with a volume content of 4.0-5.0% in a binder.

Известно, что износ алмазного гальванического инструмента наступает тогда, когда на корпусе остается слой связки, удерживающий алмазные зерна, толщина которого составляет примерно 40-50% величины алмазного зерна. Поэтому внутренний слой связки, равный 10-20% от величины зерна, в гальваническом инструменте не подвергается воздействию образующимся при работе инструмента шламом. Этот слой служит только для прочного соединения рабочего слоя с корпусом и удержания алмазных зерен в связке. Отсутствие наноалмазных порошков в этом слое позволит улучшить адгезионные свойства внутреннего слоя связки, улучшить удержание алмазных зерен в связке механическими силами и обеспечить близость коэффициентов термического расширения материала корпуса и связки.It is known that the wear of a diamond galvanic tool occurs when a layer of a bundle that holds diamond grains remains on the body, the thickness of which is approximately 40-50% of the size of the diamond grain. Therefore, the inner layer of the bundle, equal to 10-20% of the grain size, in the galvanic tool is not affected by the sludge generated during the operation of the tool. This layer only serves to firmly connect the working layer to the body and to hold diamond grains in a bundle. The absence of nanodiamond powders in this layer will improve the adhesive properties of the inner layer of the binder, improve the retention of diamond grains in the binder by mechanical forces and ensure the proximity of the thermal expansion coefficients of the material of the body and binder.

Сопутствующим эффектом технического решения является экономия дорогостоящего алмазного нанопорошка в результате уменьшения его количества в слое в целом, и в частности во внутреннем слое связки, которая остается после износа инструмента на корпусе и практически представляет собой безвозвратные потери.A concomitant effect of the technical solution is the saving of expensive diamond nanopowder as a result of reducing its amount in the layer as a whole, and in particular in the inner layer of the bundle, which remains after tool wear on the case and practically represents an irretrievable loss.

Наноалмазные порошки берут размером 2-100 нм. Порошки такого размера обеспечивают необходимую прочность связки, позволяющую достигать оптимальную работоспособность инструмента. Объемное содержание их в связке, равное 4,0-5,0%, обеспечивает коэффициент термического расширения внешнего слоя связки, достаточно близкий к коэффициенту термического расширения внутреннего слоя связки.Nanodiamond powders are 2-100 nm in size. Powders of this size provide the necessary strength of the binder, which allows to achieve optimal tool performance. Their volume content in the bundle, equal to 4.0-5.0%, provides a coefficient of thermal expansion of the outer layer of the bundle, quite close to the coefficient of thermal expansion of the inner layer of the bundle.

На чертеже показан алмазный инструмент со связкой, содержащей два слоя.The drawing shows a diamond tool with a bundle containing two layers.

Инструмент содержит корпус поз.1, на поверхности которого закреплены алмазные зерна поз.2 гальванической связкой. Гальваническая связка содержит два слоя: внутренний слой поз.3, примыкающий к корпусу инструмента, и внешний слой поз.4, расположенный поверх внутреннего слоя. Внутренний слой поз.3 связки имеет толщину h₁=10-20% от размера алмазных зерен. Этот слой наносят на корпус инструмента для прикрепления алмазных зерен поз.2. Слой наносят при режимах, обеспечивающих беспористую прочную структуру, которая способствует удержанию режущего слоя на корпусе и алмазных зерен в связке как за счет механических сил сцепления, так и адгезионных свойств материала связки. Внешний слой поз.4 связки имеет толщину h₂=40-70%. Этот слой 4 содержит наноалмазные порошки поз.5. Внешний слой также, как и внутренний слой служит для удержания алмазных зерен поз.3 и упрочняется наноалмазными порошками для уменьшения износа связки от действия, образующегося при работе инструмента шлама.The tool contains a housing pos. 1, on the surface of which diamond grains pos. 2 are galvanized. The galvanic bond contains two layers: the inner layer pos. 3 adjacent to the tool body, and the outer layer pos. 4 located on top of the inner layer. The inner layer pos. 3 ligaments has a thickness h ₁ = 10-20% of the size of diamond grains. This layer is applied to the tool body for attaching diamond grains pos.2. The layer is applied under conditions providing a non-porous strong structure, which helps to keep the cutting layer on the body and diamond grains in the bond both due to the mechanical adhesion forces and the adhesive properties of the bond material. The outer layer pos. 4 ligaments has a thickness h ₂ = 40-70%. This layer 4 contains nanodiamond powders, item 5. The outer layer as well as the inner layer serves to hold diamond grains pos.3 and is hardened by nanodiamond powders to reduce the wear of the binder from the action resulting from the operation of the sludge tool.

Установлено, что толщина hi внутреннего слоя поз.3 связки, равная 10-20%, достаточна для надежного прикрепления алмазных зерен к корпусу инструмента. Уменьшение толщины этого слоя приведет к снижению стойкости инструмента из-за уменьшения площади поверхности алмазных зерен, контактирующей со связкой, а увеличение толщины внутреннего слоя приведет к уменьшению толщины упрочненного внешнего слоя поз.4. Толщина h₂ упрочненного внешнего слоя поз.4 связки, равная 40-70% от величины алмазного зерна, обеспечивает заращивание алмазных зерен на величину от 50% до 90% его размера, создавая необходимый вылет h₃ алмазных зерен из слоя связки для осуществления процесса резания различных материалов. Уменьшение толщины внешнего слоя приведет к слишком большому вылету алмазных зерен из связки, которые под действием сил резания будут легко выпадать, а увеличение толщины внешнего слоя уменьшит вылет алмазных зерен и соответственно снизит работоспособность инструмента. Внешний слой связки можно выполнить большей толщины, вплоть до толщины, обеспечивающей полное заращивание алмазных зерен. В этом случае перед работой инструмента алмазные зерна необходимо будет вскрыть путем удаления части связки с поверхности инструмента. Это усложнит процесс изготовления инструмента. Известно, что в зависимости от обрабатываемого материала, условий обработки оптимальной величиной заращивания алмазных зерен у гальванического инструмента является толщина, равная 50-90% от размера зерна.It was found that the thickness hi of the inner layer, pos. 3 of the bundle, equal to 10-20%, is sufficient for reliable attachment of diamond grains to the tool body. A decrease in the thickness of this layer will lead to a decrease in tool life due to a decrease in the surface area of diamond grains in contact with the binder, and an increase in the thickness of the inner layer will lead to a decrease in the thickness of the hardened outer layer pos.4. The thickness h _{2 of the} hardened outer layer, pos. 4 of the binder, equal to 40-70% of the size of the diamond grain, provides for the overgrowing of diamond grains by a value of 50% to 90% of its size, creating the necessary h ₃ diamond grains from the binder layer to carry out the cutting process various materials. A decrease in the thickness of the outer layer will lead to too large a departure of diamond grains from the binder, which will easily fall out under the action of cutting forces, and an increase in the thickness of the outer layer will reduce the outflow of diamond grains and, accordingly, reduce the tool working capacity. The outer layer of the ligament can be made of greater thickness, up to a thickness that ensures complete overgrowing of diamond grains. In this case, before operating the tool, diamond grains will need to be opened by removing part of the bundle from the surface of the tool. This will complicate the tool manufacturing process. It is known that, depending on the material being processed, the processing conditions, the optimum value for overgrowing diamond grains in a galvanic tool is a thickness equal to 50-90% of the grain size.

Инструмент изготавливали в гальванической ванне в два этапа. Вначале в ванну с электролитом, не содержащим наноалмазных порошков, помещают корпус поз.1 инструмента, на который осаждались алмазные зерна поз.2, и проводят процесс прикрепления алмазных зерен к корпусу при режимах осаждения связки, обеспечивающих плотную структуру. После того как гальваническая связка образовала внутренний слой поз.3, его переносят в гальваническую ванну, содержащую электролит с тщательно перемешанным наноалмазным порошком, и проводят процесс заращивания алмазных зерен до тех пор, пока внешний слой поз.4 связки не зарастит алмазные зерна на требуемую высоту.The tool was made in a galvanic bath in two stages. First, in the bath with an electrolyte that does not contain nanodiamond powders, place the tool case 1, on which diamond grains 2 are deposited, and carry out the process of attaching diamond grains to the case under the deposition regimes of the binder, providing a dense structure. After the galvanic bond has formed the inner layer of pos. 3, it is transferred to a galvanic bath containing an electrolyte with thoroughly mixed nanodiamond powder, and the process of overgrowing diamond grains is carried out until the outer layer of pos.4 of the bundle overgrows the diamond grains to the required height .

В результате был изготовлен алмазный инструмент, у которого связка содержала два слоя: внутренний - без наноалмазных порошков, прочно удерживающий алмазные зерна на корпусе до гарантированного износа инструмента, и наружный, подвергаемый активному воздействию образующимся при работе инструмента шламом, слой дисперсно-упрочненный наноалмазными порошками. Благодаря присутствию в инструменте двух слоев связки, имеющих различные характеристики, увеличивается стойкость алмазного гальванического инструмента в целом.As a result, a diamond tool was made in which the binder contained two layers: the inner one without nanodiamond powders, firmly holding diamond grains on the body until guaranteed tool wear, and the outer one, which is actively exposed to the sludge formed during the operation of the tool, a dispersion-hardened nanodiamond powder layer. Due to the presence in the tool of two layers of a bundle having different characteristics, the resistance of the diamond electroplating tool as a whole increases.

Claims

1. A diamond tool on a galvanic bond, comprising a housing on which diamond grains are fixed with a galvanic bond, including a nanodiamond filler, characterized in that the galvanic bond is made of two layers, the inner layer adjacent to the tool body and has a thickness of 10-20% of the size of diamond grains and the outer layer is deposited on the inner layer and has a thickness of 40-70% of the size of the diamond grain, while the nanodiamond filler is contained only in the outer layer of the binder.

2. The diamond tool according to claim 1, characterized in that nanodiamond powders with a grain size of 2-100 nm are used as a nanodiamond filler with a volume content of 4.0-5.0% in a binder.