RU2437752C1

RU2437752C1 - Diamond tool on electroplating binder

Info

Publication number: RU2437752C1
Application number: RU2010124216/02A
Authority: RU
Inventors: Николай Иванович Полушин (RU); Николай Иванович Полушин; Владимир Васильевич Журавлёв (RU); Владимир Васильевич Журавлёв; Анатолий Львович Маслов (RU); Анатолий Львович Маслов; Андрей Владимирович Кудинов (RU); Андрей Владимирович Кудинов
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2011-12-27

Abstract

FIELD: process engineering. ^ SUBSTANCE: invention relates to diamond tools produced using fixing of diamond grains on tool body by electric deposition of metal binder, that is, tool on electroplating binder. Said tools may represent cutter wheels, annular drill bits, various grinding tools, etc. Diamond tool comprises body whereon cutting diamond grins are fixed by electroplating binder including ultra dispersed filler. The latter represents powders with destruction temperature exceeding 800C, abrasive grit of 20 - 100 nm, their volume content in binder making 0.3 - 2.5 %. Said powders are selected from the group consisting of: Al2O3, SiO2, TiO2, Ti2O3, ZrO2, Fe2O3, Fe3O4, B4C, SiC, AlBi2, SiB4, SiB6, Fe2B. ^ EFFECT: longer life, expanded machining performances. ^ 2 cl, 1 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к алмазным инструментам, изготавливаемым с использованием процессов закрепления алмазных зерен на корпусе инструмента электроосаждением металлической связки, - инструментам на гальванической связке. Такими инструментами могут быть отрезные круги, трубчатые сверла, различные шлифовальные инструменты и т.д.The invention relates to diamond tools made using the processes of fixing diamond grains on the tool body by electrodeposition of a metal bond, to tools on a galvanic bond. Such tools can be cutting wheels, tubular drills, various grinding tools, etc.

Известен алмазный инструмент, содержащий корпус, на поверхности которого закреплены гальванической связкой алмазные зерна, выполняющие роль режущих зерен. Сверху на гальваническую связку между алмазными зернами нанесено покрытие, в состав которого введены ультрамелкие зерна. В качестве ультрамелких зерен использованы алмазные порошки размером 100 Å (патент JР №4372367, 1992 г., кл. B24D 3/02). Срок службы инструмента увеличивается за счет твердого покрытия на связке и улучшения антифрикционных свойств.A known diamond tool containing a housing on the surface of which are fixed galvanic bunch of diamond grains, performing the role of cutting grains. On top of the galvanic bond between the diamond grains, a coating is applied, the composition of which is introduced with ultrafine grains. As ultrafine grains, diamond powders of 100 Å in size were used (Patent JP No. 4372367, 1992, CL B24D 3/02). Tool life is enhanced by hard coating on the bond and improved anti-friction properties.

Недостатком инструмента является то, что после износа верхнего упрочненного покрытия инструмент работает как обычный, т.к. в слое связки под упрочненным покрытием ультрамелкие алмазы отсутствуют. Известны композиционные покрытия, наносимые на поверхности деталей различных узлов и механизмов, работающих в условиях повышенного трения, вызывающего нагрев трущихся поверхностей до температуры 200-300°С. Для повышения твердости и снижения коэффициента трения покрытия в его состав вводят нанопорошки алмазов. Оптимальная толщина таких покрытий составляет 5-50 мкм и предназначены они преимущественно для защиты этих поверхностей от износа (патенты RU №2059022, кл. C25D 15/00, 1996 г., RU №2094371, кл. С01В 31/06, 1991 г., RU №2203348, кл. С23С 14/06, 2001 г., JP №56163881, кл. B24D 3/06, 1981 г.).The disadvantage of the tool is that after the wear of the upper hardened coating, the tool works as usual, because ultrafine diamonds are absent in the binder layer under the hardened coating. Known composite coatings applied to the surface of parts of various components and mechanisms operating in conditions of increased friction, causing the heating of friction surfaces to a temperature of 200-300 ° C. To increase the hardness and reduce the coefficient of friction of the coating, diamond nanopowders are introduced into its composition. The optimum thickness of such coatings is 5-50 microns and they are intended primarily to protect these surfaces from wear (patents RU No. 2059022, class C25D 15/00, 1996, RU No. 2094371, class 0101 31/06, 1991 , RU No. 2203348, class C23C 14/06, 2001, JP No. 56163881, class B24D 3/06, 1981).

Известен гальванический алмазный инструмент, содержащий корпус, на котором гальванической связкой закреплены режущие алмазные зерна. Гальваническая связка содержит металлическую основу и ультрадисперсный наполнитель, в качестве которого использованы алмазные нанопорошки 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.). Недостаток инструмента заключается в следующем. В алмазном инструменте связка предназначена для закрепления режущих алмазных зерен на корпусе инструмента и удержания их в связке до полной выработки ресурса зерна, который составляет, по меньшей мере, половину его размера. Известно, что алмазные порошки имеют невысокую термостойкость, в частности, нанопорошки алмазов при температуре 450°С начинают окисляться и графитизироваться. Учитывая, что в зоне резания мгновенные температуры достигают 800-900°, через некоторое время алмазные нанопорошки, из-за изменения своих физико-механических свойств, приводят к разупрочнению связки. В связи с этим алмазные зерна начинают выпадать до того, как они выработали свой ресурс.A galvanic diamond tool is known, comprising a housing on which cutting diamond grains are fixed by a galvanic bond. The galvanic bond contains a metal base and an ultrafine filler, which are used diamond nanopowders 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). The disadvantage of the tool is as follows. In a diamond tool, the bundle is designed to fix the cutting diamond grains on the tool body and hold them in a bundle until the grain is fully depleted, which is at least half its size. It is known that diamond powders have low heat resistance, in particular, diamond nanopowders at a temperature of 450 ° C begin to oxidize and graphitize. Considering that in the cutting zone instantaneous temperatures reach 800-900 °, after some time diamond nanopowders, due to changes in their physical and mechanical properties, lead to softening of the binder. In this regard, diamond grains begin to fall out before they have exhausted their resource.

Кроме того, при обработке деталей связка инструмента находится в контакте с обрабатываемым материалом и при повышенных температурах алмазный нанопорошок в связке, активно вступает во взаимодействие со многими металлическими материалами, растворяющими углерод алмаза или образующими с ним карбиды при высоких температурах, развиваемых в зоне резания. Введение наноалмазных порошков в связку приводит к тому, что при резании происходит «схватывание» алмазного материала с материалом обрабатываемой поверхности, поэтому не любой металлический материал может быть обработан таким алмазным инструментом, что существенно ограничивает круг обрабатываемых материалов.In addition, when processing parts, the tool bundle is in contact with the material being processed and, at elevated temperatures, diamond nanopowder in the bundle actively interacts with many metallic materials that dissolve diamond carbon or form carbides with it at high temperatures developed in the cutting zone. The introduction of nanodiamond powders into the binder leads to the fact that during cutting there is a "setting" of the diamond material with the material of the surface being treated, therefore, not any metal material can be processed with such a diamond tool, which significantly limits the range of processed materials.

Технической задачей является увеличение срока службы инструмента, а также расширение диапазона эффективно обрабатываемых материалов.The technical task is to increase the tool life, as well as expanding the range of effectively processed materials.

Для решения технической задачи в алмазном инструменте на гальванической связке, содержащем корпус, на котором закреплены режущие алмазные зерна гальванической связкой, включающей ультрадисперсный наполнитель, в качестве ультрадисперсного наполнителя он содержит порошки, имеющие температуру деструкции выше 800°С, зернистость 20-100 нм, а их объемное содержание в связке составляет 0,3-2,5%.To solve the technical problem in a diamond tool on a galvanic bunch containing a housing on which cutting diamond grains are mounted with a galvanic bunch, including an ultrafine filler, it contains powders having a temperature of destruction above 800 ° C, grain size of 20-100 nm, and their volume content in the bundle is 0.3-2.5%.

В качестве ультрадисперсного наполнителя связка содержит порошки, выбранные из группы: Аl₂О₃, SiO₂, TiO₂, Ti₂O₃, ZrO₂, Fе₂О₃, Fe₃O₄, B₄C, SiC, AlB₁₂, SiB₄, SiB₆, Fe₂B.As an ultrafine filler, the binder contains powders selected from the group: Al ₂ O ₃ , SiO ₂ , TiO ₂ , Ti ₂ O ₃ , ZrO ₂ , Fe ₂ O ₃ , Fe ₃ O ₄ , B ₄ C, SiC, AlB ₁₂ , SiB ₄ , SiB ₆ , Fe ₂ B.

Указанные наноразмерные порошки при температурах, которые возникают в зоне резания, не изменяют своего физико-химического состояния, инертны ко многим обрабатываемым материалам. Кроме того эти порошки стойки в электролитах, которые широко используются при изготовлении алмазного гальванического инструмента, таких как никелирования, хромирования, меднения, не имеют металлической или полупроводниковой проводимости, в связи с чем они могут быть успешно использованы при изготовлении гальванического инструмента.The indicated nanosized powders at temperatures that arise in the cutting zone do not change their physicochemical state, and are inert to many processed materials. In addition, these powders are resistant to electrolytes, which are widely used in the manufacture of diamond galvanic tools, such as nickel plating, chromium plating, copper plating, do not have metal or semiconductor conductivity, and therefore they can be successfully used in the manufacture of galvanic tools.

Нанопорошки, имеющие температуру деструкции ниже 800°С, существенно снизят стойкость инструмента и ограничат область его применения, из-за разупрочнения связки и возможности схватывания ее с обрабатываемым материалом в процессе резания.Nanopowders having a temperature of destruction below 800 ° C will significantly reduce the tool life and limit the scope of its application, due to softening of the binder and the possibility of grasping it with the processed material during cutting.

Нанопорошки берут размером 20-100 нм, и их объемное содержание в связке составляет 0,3-2,5%. Указанные размер нанопорошков и их содержание в связке взаимосвязаны, такое соотношение указанных параметров обеспечивает требуемую прочность связки, позволяющую достигать оптимальную работоспособность инструмента.Nanopowders are taken in the size of 20-100 nm, and their volume content in the binder is 0.3-2.5%. The indicated size of nanopowders and their content in the binder are interconnected, such a ratio of these parameters provides the required strength of the binder, which allows to achieve optimal tool performance.

При использовании нанопорошков меньшей зернистости увеличится количество зерен нанопорошков в связке, т.е. увеличится их объемное содержание в связке, что приведет к увеличению коэффициента трения связки об обрабатываемый материал и, соответственно, к интенсификации адгезионных процессов между обрабатываемым материалом и связкой. При использовании нанопорошков большей зернистости и, соответственно, при меньшем их объемном содержании в связке в соответствии с теорией дисперсионного упрочнения уменьшится прочность связки и ухудшится удержание режущих алмазных зерен, которые будут выпадать, не выработав своего ресурса.When using nanopowders of lower grain size, the number of grains of nanopowders in the binder will increase, i.e. their volume content in the binder will increase, which will lead to an increase in the friction coefficient of the binder on the processed material and, accordingly, to the intensification of adhesive processes between the processed material and the binder. When using nanopowders of higher granularity and, accordingly, at a lower volume content in the binder, in accordance with the theory of dispersion hardening, the strength of the binder decreases and the retention of cutting diamond grains that will fall out without having developed their resource is worsened.

Алмазный инструмент поясняется чертежом.The diamond tool is illustrated in the drawing.

Инструмент содержит корпус 1, на поверхности которого закреплен рабочий слой 2. Рабочий слой содержит режущие алмазные зерна 3 и связку 4, которая закрепляет и удерживает алмазные зерна на корпусе инструмента. Связка включает нанопорошки 5 материалов, выбранных из группы: Аl₂О₃, SiO₂, TiO₂, Тi₂O₃, ZrO₂, Fе₂O₃, Fе₃O₄, В₄С, SiC, AlB₁₂, SiB₄, SiB₆, Fe₂B.The tool contains a housing 1, on the surface of which a working layer is fixed 2. The working layer contains cutting diamond grains 3 and a bunch 4, which secures and holds the diamond grains on the tool body. The bundle includes nanopowders of 5 materials selected from the group: Al ₂ O ₃ , SiO ₂ , TiO ₂ , Ti ₂ O ₃ , ZrO ₂ , Fe ₂ O ₃ , Fe ₃ O ₄ , ₄ C, SiC, AlB ₁₂ , SiB ₄ , SiB ₆ , Fe ₂ B.

Инструменты, содержащие нанопорошки, выбранные из группы: Аl₂О₃, SiO₂, TiO₂, Тi₂O₃, ZrO₂, Fе₂O₃, Fе₃О₄, В₄С, SiC, AlB₁₂, SiB₄, SiB₆, Fe₂B, - могут обрабатывать такие материалы, как минералокерамика, труднообрабатываемые жаропрочные сплавы, твердые сплавы, стекло, хрусталь, камни, бетон, а также такие материалы, как жаропрочные сплавы, не содержащие в качестве легирующих компонентов титан, алюминий, кремний, марганец, т.е группу твердых металлических материалов, которые не рекомендуется обрабатывать алмазными инструментами, содержащими в качестве нанонаполнителя наноалмазные порошки.Instruments containing nanopowders selected from the group: Al ₂ O ₃ , SiO ₂ , TiO ₂ , Ti ₂ O ₃ , ZrO ₂ , Fe ₂ O ₃ , Fe ₃ O ₄ , ₄ C, SiC, AlB ₁₂ , SiB ₄ , SiB ₆ , Fe ₂ B, - can process materials such as cermets, hard-to-work heat-resistant alloys, hard alloys, glass, crystal, stones, concrete, as well as materials such as heat-resistant alloys that do not contain titanium and aluminum as alloying components, silicon, manganese, i.e. a group of solid metal materials that are not recommended to be processed with diamond tools containing as nanon fillers nanodiamond powders.

В таблице №1 приведены характеристики нанопорошков, используемых при решении технической задачи, отобранных по критериям: отсутствие металлической, полупроводниковой электропроводности, температура деструкции выше 800°С.Table 1 shows the characteristics of nanopowders used to solve the technical problem, selected according to the criteria: lack of metal, semiconductor electrical conductivity, temperature of destruction above 800 ° C.

Таблица №1 - Характеристики нанопорошковTable No. 1 - Characteristics of nanopowders №No. Класс химическая формула вещества нанопорошкаClass chemical formula of substance nanopowder Температура деструкции нанопорошков, °СThe temperature of the destruction of nanopowders, ° C Рекомендуемые области применения инструментов с нанопорошкамиRecommended Applications for Nanopowder Tools 1one 22 33 4four II ОксидыOxides ОбработкаTreatment 1one Аl₂О₃ Al ₂ O ₃ 11001100 материалов группыgroup materials 22 SiO₂ SiO ₂ 12501250 железа, в том числеiron, including 33 TiO₂ TiO ₂ 10651065 легированных: Ni,alloyed: Ni,

Продолжение таблицы №1Continuation of table No. 1 1one 22 33 4four 4four Ti₂O₃ Ti ₂ O ₃ 925925 Cr, B, TiCr, B, Ti 55 ZrO₂ ZrO ₂ 11071107 66 Fе₂О₃ Fe ₂ O ₃ 850850 77 Fe₃O₄ Fe ₃ O ₄ 870870 IIII КарбидыCarbides Обработка твердыхSolid processing 1one B₄CB ₄ C 12001200 сплавовalloys 22 SiCSiC 10001000 IIIIII БоридыBorides Обработка стекла,Glass processing, 1one АlВ₁₂ AlB ₁₂ 820820 хрусталя, камня,crystal, stone, 22 SiB₄ SiB ₄ 820820 бетонаconcrete 33 SiB₆ SiB ₆ 10701070 4four Fe₂BFe ₂ B 830830

Были изготовлены алмазные сверла на гальванической связке диаметром 5 мм из алмазов АС32, 160/125. Связкой инструмента служил гальванический никель, полученный из никелевого серно-хлористого электролита при плотности тока 1 А/дм², температуре электролита - 60°С. Использовали в качестве ультрадисперсного наполнителя нанопорошок группы боридов, карбид бора B₄C зернистостью 40-80 нм с объемным содержанием в связке 1,8% об.Diamond drills on a galvanic bond with a diameter of 5 mm were made from diamonds AC32, 160/125. The instrument bundle was galvanic nickel obtained from nickel sulfur-chloride electrolyte at a current density of 1 A / dm ² and an electrolyte temperature of 60 ° C. Used as an ultrafine filler nanopowder of the group of borides, boron carbide B ₄ C with a grain size of 40-80 nm with a bulk content in the binder of 1.8% vol.

Сверлами сверлили отверстия в оконном стекле.Drills drilled holes in the window pane.

Общая стойкость инструмента без ультрадисперсного наполнителя составила 800 мм просверленных отверстий, а инструмента с нанопорошками - 1,8 м.The total tool life without ultrafine filler was 800 mm of drilled holes, and the tool with nanopowders was 1.8 m.

Также были изготовлены гальванические шлифовальные круги 1А1 диаметром 400 мм из алмазных порошков АС32 80/63 и нанопорошков группы оксидов SiO₂ (двуокись крмения). Производили тонкое плоское шлифование вкладыша пресс-формы, изготовленного из жаропрочного сплава ЖС6У (никелевая основа), при следующих режимах: Vкр.=20 м/мин, Sпоп=0,2 мм/дв. ход, Sпр=0,5 м/мин.Also, 1A1 galvanic grinding wheels with a diameter of 400 mm were made from diamond powders АС32 80/63 and nanopowders of the group of oxides SiO ₂ (silicon dioxide). Thin flat grinding of the mold insert made of the heat-resistant alloy ZhS6U (nickel base) was performed under the following conditions: Vcr = 20 m / min, Spp = 0.2 mm / dv. stroke, Spr = 0.5 m / min.

Удельный расход кругов в среднем составил 2,8 мг/г, а алмазных кругов без ультрадисперсного наполнителя - 6,2 мг/г. Алмазные круги с наноалмазным наполнителем по материалу ЖС6У не работали из-за быстрого растворения в никеле сверхмелких алмазных порошков.The specific consumption of wheels on average was 2.8 mg / g, and diamond wheels without ultrafine filler - 6.2 mg / g. Diamond wheels with nanodiamond filler based on ZhS6U material did not work due to the rapid dissolution of ultrafine diamond powders in nickel.

Алмазные отрезные круги диаметром 300 мм, толщиной 6,5 мм из алмазных порошков А5 400/315 и нанопорошков группы боридов AlB₁₂, изготовленных по режимам (см. первый пример), испытывались при резке полупроводникового кремния (операция калибровки слитка). Скорость круга V=22 м/с, продольная подача S_пр=1 м/мин, S_поп=0,5 мм/ход. Круги снимались с испытаний по условию допустимых выкрашиваний на образующих поверхностях слитка при заходе круга и его выходе из зоны обработки. Круг с наноалмазами обработал 230 слитков. Круг с нанопорошками группы боридов AlB₁₂ - 383 слитка.Diamond cutting wheels with a diameter of 300 mm, a thickness of 6.5 mm from diamond powders A5 400/315 and nanopowders of the AlB ₁₂ boride group manufactured according to the regimes (see the first example) were tested during cutting of semiconductor silicon (ingot calibration operation). Lap speed V = 22 m / s, longitudinal feed S _pr = 1 m / min, S _pop = 0.5 mm / stroke. The circles were removed from the tests under the condition of permissible spalling on the forming surfaces of the ingot when the circle entered and exited the processing zone. The circle with nanodiamonds processed 230 bars. Circle with nanopowders of AlB ₁₂ boride group - 383 ingots.

Попытки изготовления и испытания алмазных инструментов с использованием нанопорошков оксидов, карбидов, боридов, не соотвествующих требованиям по электропроводности, металлической проводимости, температуре деструкции, например, см. таблицу №2.Attempts to manufacture and test diamond tools using nanopowders of oxides, carbides, borides that do not meet the requirements for electrical conductivity, metal conductivity, temperature of destruction, for example, see table No. 2.

Таблица №2 - Использование не соответсвующих требованиям нанопорошков в алмазном инстурментеTable 2 - Use of non-compliant nanopowders in diamond tools №No. Класс, химическая формула вещества нанопоршкаClass, chemical formula of nanopowder substance Температура деструкции, °СThe temperature of destruction, ° C Причины плохого качества инструментаReasons for poor tool quality 1one 22 33 4four II ОксидыOxides НизкаяLow 1one VO₂ VO ₂ 670670 прочностойкостьdurability 22 CrOCrO 700700 инструментаinstrument

Продолжение таблицы №2Continuation of table No. 2 1one 22 33 4four IIII КарбидыCarbides ПористостьPorosity 1one Аl₄С₃ Al ₄ C ₃ Разлагается приDecomposes on алмазного слояdiamond layer контакте с СОЖcontact with coolant 22 Cr₃С₂ Cr ₃ C ₂ 600600 IIIIII БоридыBorides Грубое обрастаниеRough fouling 1one СO₂ВCO ₂ V МеталлическаяMetal частиц связкой,a bunch of particles прововодимостьconductivity пористость, сколыporosity, chips 22 V₂В₃ V ₂ v ₃ ВысокаяHigh на обработаннойon processed электропроводностьelectrical conductivity поверхностиsurface

В результате экспериментов было установлено, что введение в гальваническую связку нанопорошков, выбранных из группы Аl₂О₃, SiO₂, TiO₂, Ti₂O₃, ZrO₂, Fe₂O₃, Fе₃O₄, В₄С, SiC, AlB₁₂, SiB₄, SiB₆, Fe₂B, Fe₂B размером 10-100 нм с объемным содержанием 0,3-2,5%, позволило увеличить прочность связки и, соответственно, увеличить срок службы инструмента по сравнению со связкой, содержащей нанопорошки алмазов. Инструментом обрабатывали в том числе и такие материалы, которые не могли быть обработаны инструментами с наноалмазными порошками, например, ЖССУ.As a result of experiments, it was found that the introduction into the galvanic bond of nanopowders selected from the group Al ₂ O ₃ , SiO ₂ , TiO ₂ , Ti ₂ O ₃ , ZrO ₂ , Fe ₂ O ₃ , Fe ₃ O ₄ , ₄ C, SiC , AlB ₁₂ , SiB ₄ , SiB ₆ , Fe ₂ B, Fe ₂ B measuring 10-100 nm with a volume content of 0.3-2.5%, allowed to increase the bond strength and, accordingly, increase the tool life compared to the bond containing diamond nanopowders. Included in the tool were also those materials that could not be processed with tools with nanodiamond powders, for example, ZSSU.

Claims

1. A diamond tool on a galvanic bond, comprising a housing on which cutting diamond grains are mounted on a galvanic bond, including an ultrafine filler, characterized in that as an ultrafine filler it contains powders having a temperature of destruction above 800 ° C, grain size 20-100 nm, and their volumetric content in the bundle is 0.3-2.5%.

2. The diamond tool according to claim 1, characterized in that, as an ultrafine filler, the binder contains powders selected from the group Al ₂ O ₃ , SiO ₂ , TiO ₂ , Ti ₂ O ₃ , ZrO ₂ , Fe ₂ O ₃ , Fe ₃ O ₄ , B ₄ C, SiC, AlB ₁₂ , SiB ₄ , SiB ₆ , Fe ₂ B.