Закономірності формування та абразивного застосування двокаркасних металополімерних композитів з порошкових алмазів та кубоніту

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ім. В.М. БАКУЛЯ

Спеціальність: 05.02.01 - Матеріалознавство

УДК 621.921

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЗАКОНОМІРНОСТІ ФОРМУВАННЯ ТА АБРАЗИВНОГО ЗАСТОСУВАННЯ ДВОКАРКАСНИХ МЕТАЛОПОЛІМЕРНИХ КОМПОЗИТІВ З ПОРОШКОВИХ АЛМАЗІВ ТА КУБОНІТУ

ДУБРОВА ОЛЕКСАНДР

ЄВГЕНОВИЧ

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України.

Науковий керівник:

академік НАН України, доктор технічних наук, професор, Новіков Микола Васильович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, директор інституту.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Роїк Тетяна Анатоліївна

Національний технічний університет України «КПІ» професор кафедри фізики металів

доктор технічних наук, с.н.с. Пащенко Євген Олександрович Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, зав. лабораторією

Захист відбудеться 6 листопада 2008 р. о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.230.01 при Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України за адресою: 04074, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України за адресою: 04074, м. Київ, вул. Автозаводська, 2

Автореферат розісланий « 3 » жовтня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н. В.І. Лавріненко

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У машинобудуванні України для абразивної механообробки сталевих і твердосплавних інструментальних, композиційних та керамічних матеріалів ефективно використовуються шліфувальні інструменти з порошкових абразивних надтвердих матеріалів (НТМ) - синтетичних алмазів (АС) та кубічного нітриду бору (КНБ). Шлях до якісно нових результатів у розробці високоефективних шліфувальних інструментів з НТМ полягає в поглибленому дослідженні закономірностей формування структури їх композитного робочого шару. Робочий шар шліфувального інструменту з наповнювачами із НТМ представляє собою гетерофазний композит, в якому абразивні зерна (АС і КНБ) рівномірно чи нерівномірно розподілені в матриці - зв'язці, яка, як правило, складається з основи (металевої, полімерної, керамічної) і функціональних добавок в т. ч. високотемпературного твердого мастила.

Для виробництва абразивного інструменту з НТМ використовують композити на основі металів, полімерів та кераміки. Найбільшого застосування, майже 70 %, мають полімерні композити. Їх використання дозволяє забезпечити необхідну продуктивність шліфувальному інструменту і якість обробленої поверхні виробів. Недоліком є недостатня зносостійкість такого інструменту, для усунення якого до полімерної матриці вводять метали та функціональні добавки, які б обумовлювали ефективний процес контактної взаємодії робочого шару інструменту з оброблюваним матеріалом.

В промисловості та з літератури відомі розробки металополімерних (В1-01, В1-02, В1-13) зв'язок для інструментів з НТМ, які містять у своєму складі метали. Вони є ефективними і дозволяють вирішити такі недоліки полімерних зв'язок, як недостатню кромкостійкість. При цьому такі композити формуються таким чином, що в них головною є полімерна складова, яка виконує роль каркасу, а металева складова виступає в ролі наповнювача. Між тим, для умов продуктивного шліфування матеріалів, зокрема інструментальних сталей та твердого сплаву, коли формується достатньо тверда, гостра і розвинена стружка, бажано було б мати в полімерній матриці додатково металевий каркас, що надавав би композиту додаткової міцності. Тому в даній роботі запропоновано регульоване поєднання металевої та полімерної складових в єдиний металополімерний композит таким чином, щоб одержати двокаркасний композит з включеннями функціональних добавок та наповнювачів з порошкових абразивних надтвердих матеріалів. Такі металополімерні композити є актуальними для шліфувальних кругів з КНБ, оскільки розробки в цьому напрямку в Україні відсутні. Разом з тим, потреба в ефективному інструменті для обробки інструментальних сталей та твердих сплавів зростає. Виходячи з цього розробки в створенні нових металополімерних композитів для абразивних інструментів з НТМ, є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Дана робота є частиною досліджень, що проводились в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України в рамках держбюджетних тем: 1.6.7.1952 (№ державної реєстрації 0100U004821) «Дослідження та оптимізація процесів локального термічного та лазерного спікання інструментальних однорядних багатошарових композитів з надтвердих абразивних матеріалів»; 1.6.7.1953 (№ державної реєстрації 0101U004588) «Дослідження процесів енергозберігаючої продуктивної та прецизійної абразивної обробки металевих і керамічних матеріалів»; 1.6.7.1955 (№ державної реєстрації 0104U007015) «Дослідження закономірностей формування структурно-орієнтованого робочого шару абразивного інструменту з надтвердих матеріалів» та науково-дослідної роботи за договором №Р8.1/2005 від 5.04.2005 р. «Створення системи виготовлення та постачання спеціалізованого інструменту для швидкої ліквідації аварій та виконання ремонтних робіт» в рамках наукового проекту 8.1 «Створення системи оперативного забезпечення науковими розробками, виготовлення та постачання спеціалізованого інструменту для швидкої ліквідації аварій, а також виконання ремонтних робіт на базі Інституту надтвердих матеріалів» комплексної програми «Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин (Ресурс)».

Мета роботи полягає у встановленні закономірностей формування двокаркасних металополімерних композитів підвищеної зносостійкості при їх застосуванні в абразивному інструменті з порошкових алмазів та кубоніту.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вивчені закономірності формування металополімерних композитів з НТМ на основі Cu, Sn, фенолформальдегідних олігомерів (ПБ) та виявлено, що умовою формування металевого каркасу є початок утворення в композиті інтерметалідів (Cu6Sn5 і Cu3Sn), а умовою збереження полімерного каркасу є обмеження температури спікання до 250 С, вище якої починається його деструкція, що дозволяє визначити та оптимізувати температурні умови спрямованого формування зносостійкого двокаркасного абразивного металополімерного композиту.

2. Показано, що врахування в процесі формування двокаркасного металополімерного композиту нарівні із температурним фактором також силового та часового при проходженні характерних точок формування композиту по залежності «температура - тиск - час» (процес «програмованого спікання») дозволяє досягти більшої однорідності в металополімерному композиті, що визначається зменшенням показника структурної неоднорідності (анізотропії) з 70 до 15 %.

3. Вперше для двокаркасних металополімерних композитів визначено діапазони концентрацій функціональних добавок, зокрема, таких як MoS2, CaF2, WS2,, графіт, УДА, в межах 5-8 % (за масою), та показано, що найкращі результати має введення до складу композитів добавок MoS2, графіту та їх суміші, що дозволяє підвищити зносостійкість композитів при їх абразивному застосуванні.

Практична цінність одержаних результатів.

1. Одержано нові інструментальні композити з НТМ на основі Cu-Sn-ПБ-MoS2, Cu-Sn-ПБ-графіт, Cu-Sn-ПБ-MoS2-графіт, які поєднують в собі металеву та полімерну складові та забезпечують підвищення зносостійкості кругів у 1,4-2,1 рази при обробці інструментальних сталей та твердих сплавів і необхідні показники якості обробленої поверхні.

2. Встановлено вплив функціональних характеристик порошків НТМ на зносостійкість металополімерних композитів та показано, що при застосуванні алмазних шліфпорошків марок АС6-АС20 зернистістю 80/63-125/100 з вмістом основної фракції не менше 90 % і коефіцієнтом форми 1,2-1,3, забезпечується підвищення зносостійкості інструменту у 1,4-2,8 рази.

3. Розроблено нормативно-технологічну документацію (ТУ, ТІ) на нові металополімерні композити та на їх використання в шліфувальному інструменті.

4. Результати роботи пройшли дослідно-виробничу перевірку на ДГП «Алмазінструмент» НТАК «Алкон» НАНУ при виробництві шліфувальних кругів, а дослідно-промислові випробування шліфувальних кругів проведено на Нижнєтагільському металургійному комбінаті (Росія).

Особистий внесок здобувача полягає у підготовці і проведенні основних експериментальних та теоретичних досліджень, аналізі їх результатів, постановці разом із науковим керівником конкретних завдань досліджень, обґрунтуванні практичних рекомендацій з виробничого застосування розроблених композитів та оптимізації технологічних процесів. В обговоренні, експертизі та оцінці наукових результатів приймав активну участь д.т.н. Шепелєв А.О.

У дисертаційній роботі наведено результати досліджень, виконаних при безпосередній участі автора. Особистий внесок автора полягає в наступному:

- встановленні складу та дослідженні процесів формування двокаркасної структури металополімерних абразивних композитів;

- досліджені технології спікання металополімерних композитів та її вплив на процеси формування структури та її анізотропію;

- дослідженні впливу функціональних добавок та функціональних характеристик НТМ на зносостійкість металополімерного композиту;

- розробці практичних рекомендацій і виробничому застосуванні шліфувального інструменту на основі металополімерного композиту.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи представлялись та обговорювались на міжнародних і українських конференціях, симпозіумах, семінарах і виставках: «Композиционные материалы в промышленности» (м. Ялта, 2002, 2003, 2005 рр.); «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях» (м. Славське, 2002, 2003, 2004, 2006 рр.); «Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво» (м. Суми, 2002 р.); «Надтверді, композиційні матеріали та покриття: отримання, властивості, застосування» (м. Київ, 2002, 2004, 2006 рр.); «Физические и компьютерные технологии» (м. Харків, 2003, 2004, 2005 рр.); «Процеси механічної обробки, верстати та інструмент» (м. Житомир, 2003, 2005 рр.); «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка» (м. Мінськ, 2004 р.); «Современное материаловедение: достижения и проблемы» (м. Київ, 2005 р.); «Новые материалы и инструменты» (м. Київ, 2005 р.); «Прогресивні технології і системи машинобудування» (м. Донецьк, 2007 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 21 наукова робота, серед яких - одна монографія (в співавторстві), 5 статей у фахових виданнях, 5 тез доповідей на науково-технічних конференціях, семінарах, симпозіумах, патент України на винахід.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, висновків, переліку використаних джерел та додатків. Робота викладена на 140 сторінках машинописного тексту, містить 68 рисунків і 35 таблиць, 7 додатків та список літератури з 123 найменування. Загальний об'єм роботи складає 192 сторінки.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність розробки двокаркасних металополімерних композитів з НТМ для абразивного застосування, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено основні результати, що визначають наукову новизну та практичну цінність.

У першому розділі роботи наведено огляд проблеми створення металевих і полімерних композитів та їх використання в шліфувальному інструменті з НТМ. Відомі розробки в даній області вчених О.В. Якимова, А.Ю. Шила, А.О. Шепелєва, В.О. Федоровича, А.І. Грабченка, Є.О. Пащенка, В.Т. Чалого та ін. Полімерні сполуки, які застосовуються в абразивних композитах, мають досить широкий діапазон хімічних, фізико-механічних та термічних властивостей за рахунок використання фенолоформальдегідних, епоксидних, поліамідних та інших смол. Виробництво полімерних композитів відбувається при температурах не більше 200 С та при зусиллях пресування до 60 МПа. Їх використання дозволяє забезпечити необхідну продуктивність шліфувальному інструменту і якість обробленої поверхні виробів. Недоліком є недостатня зносостійкість такого інструменту.

Відомі металополімерні композити (В1-01, В1-02, В1-13 та ін.) представляють собою агрегативно стійку систему з максимально рівномірним розподілом високодиспергованих часток металу в об'ємі полімеру, що виступають в композиті як наповнювачі. Введені в склад композитів метали (мідь, залізо, алюміній та ін.) підвищують теплопровідність та міцність утримання зерен НТМ в інструменті. Вони є ефективними і дозволяють вирішити такі недоліки полімерних композитів, як недостатню кромкостійкість. Між тим, для умов продуктивного шліфування матеріалів, зокрема інструментальних сталей та твердого сплаву, коли формується достатньо тверда, гостра і розвинена стружка бажано було б мати в полімерній матриці додатково металевий каркас, що надавав би композиту додаткової міцності. Для утворення металевого каркасу необхідне підвищення температури спікання композиту до утворенню в ньому нових металевих сполук. Також одночасно із введенням металів підвищується коефіцієнт тертя між зв'язкою і оброблюваним матеріалом. Це може негативно впливати на ефективність процесу шліфування, оскільки інструменти втрачають свою ріжучу здатність.

Для підвищення ефективності використання металополімерних композитів з урахуванням їх властивостей та усунення вказаних недоліків в роботі запропоновано поєднання металевої і полімерної складових в єдиний металополімерний композит таким чином, щоб одержати двокаркасний композит з включеннями функціональних добавок (графіт, дисульфід молібдену та ін.) та порошкових абразивних надтвердих матеріалів.

В другому розділі викладені основні методики проведення досліджень в даній роботі. При розробці металополімерних композитів були використані наступні матеріали: порошок мідний ПМС2 (ГОСТ 4960-75), порошок олов'яний ПО1 (ГОСТ 9723-73), смола фенолоформальдегідна марки СФ342-А (ГОСТ 18694-80), порошок дисульфіду молібдену ДМ1, ДМ2, ДМ3 (ТУ 48-19-133-85), порошок графіту ГСМ-1, ГСМ-2 (ГОСТ 18191-78), порошок карбіду бора В4С (ТУ 3.05.00222226-47-93), порошок кальцію фтористого СаF2 (ТУ 6-09-5335-88).

Для виготовлення дослідних зразків металополімерних композитів було застосовано спеціалізовану установку на базі пресу мод. УПТМ-10 (розробник ІНМ ім. В.М. Бакуля НАНУ) з номінальним зусиллям пресування до 600 кН, що включає наступні функціональні блоки: пресовий блок, нагрівач, системний блок керування температурою та тиском, технологічне оснащення. Це дозволило розробити автоматизовану програмовану систему спікання абразивного інструмента, що забезпечило можливість точного керування температурою спікання в заданих зонах композиту абразивного інструмента і синхронну зміну тиску пресування за встановленими закономірностями.

Структурні дослідження проводились в Центрі кристалофізичних досліджень ІНМ ім. В.М. Бакуля методом растрової електронної мікроскопії. Використовувався растровий електронний мікроскоп EVO 50XVP (Німеччина, Carl Zeiss) дослідницького класу, який має велику аналітичну камеру з можливістю підбору багаторівневої та гнучкої комплектації, що забезпечує високу точність отриманих результатів. Також використовували мікроскоп-мікроаналізатор «CamScan-4DV», основне призначення якого відтворення за допомогою електронопроменевої трубки тривимірного зображення поверхні зразка за загальноприйнятою методикою.

Рентгенографічні дослідження проводилися в ІПМ ім. І.М. Францевича НАНУ з використанням рентгенівського стаціонарного апарату ДРОН-УМ1, призначеного для широкого кола рентгеноструктурних досліджень.

Шорсткість обробленої поверхні відповідно до ГОСТ 25142-82 визначали по параметру Rа профілографом-профілометром блокової конструкції ВЭИ-Калібр мод. 201. Твердість (НRB) вимірювали стандартним методом, кулькою діаметром 1,588 мм на твердомірі Роквелла HRA-2 (Мікротех) відповідно до ГОСТ 9013-59 (ИСО 6508-86).

Встановлення експлуатаційних показників проводили за методиками державних стандартів (ГОСТ 16181-82) та технічних умов, а також з використанням експериментальних методів досліджень. При цьому було використано розроблений в лабораторії високопродуктивних технологій механообробки інструментами з НТМ ІНМ ім. В.М. Бакуля НАНУ інформаційно-вимірювальний комплекс «Шліфування - НТМ», що дозволило реалізувати високопродуктивні технологічні методи шліфування з продуктивністю близько 1 000 мм3/хв. Комплекс виконано на базі універсально-заточувального верстата мод. 3В642 з урахуванням методичних рекомендацій та регламентуючих програмних методів випробувань верстатних систем.

У третьому розділі досліджено вплив температури нагрівання на поведінку полімерних, кремнійорганічних, металевих та металополімерних композитів. Встановлені температури полімеризації полімерної складової в композиті і температури формування металевого каркасу, проведено структурні і рентгенофазові дослідження металевих і металополімерних композитів.

Для встановлення температур полімеризації та початку формування полімерного каркасу було проведено термічний аналіз та визначено критичні температурні точки для вітчизняних та зарубіжних фенолоформальдегідних смол. Встановлено, що смоли вітчизняного виробництва мають близькі показники по втраті маси (рис. 1). Так, пульвербакеліт (ПБ) і смола марки СФ-342А мають досить близькі значення цих температур, їх процес полімеризації починається при 80 °С, початок деструкції - при температурі 250 °С, а повна деструкція - при температурах понад 300 °С.

Для встановлення температур початку формування металевого каркасу було проведено диференційний термічний аналіз (DТА) металевого композиту системи Cu-Sn (як базового) при цьому були встановлені температурні інтервали початку утворення нових фаз (сполук) та появи рідкої фази. Також було досліджено металополімерний композит системи Cu-Sn-ПБ та вивчено його термічну поведінку в інтервалі температур від 20 до 400 С (рис. 2). Проведено металографічний (рис. 3) та рентгенофазовий (рис. 4) аналізи, які підтвердили наявність відповідних до даної системи фазових складових.

Було встановлено температури формування полімерного та металевого каркасів. Так, полімерний каркас формується в інтервалі температур 180-250 С, вище починається деструкція полімеру. Металевий каркас починає формуватися із появою в системі рідкої фази а саме плавлення олова, що відбувається при температурах близько 220-232 С. Після того як з'являється рідка фаза починається дифузія олова в мідь із утворенням інтерметалідів, спочатку Cu6Sn5 (-фаза) а потім Cu3Sn (-фаза). Із появою в системі інтерметалідів починає формуватися металевий каркас.

В результаті проведених досліджень були встановлені температурні обмеження для формування двокаркасного металополімерного композиту, так мінімальна температура - це початок утворення інтерметалідних фаз (220 С), максимальна - це температура повної деструкції полімерної складової (300 С). Температури спікання металополімерного композиту лежать в межах цього діапазону. Температура, що відповідає вже сформованому полімерному каркасу і наявністю металевого становить 250 ± 5 С. Для отримання в металополімерному композиті двокаркасної структури важливим є забезпечити всі необхідні технологічні умови при спіканні композиту.

В четвертому розділі на основі результатів експериментальних досліджень була застосована технологічна схема програмованого спікання металополімерних абразивних композитів з НТМ, яка дозволяє керувати параметрами «температура-тиск-час». Основою програмованого спікання металополімерних композитів є регулювання технологічними параметрами на процес спікання для отримання задовільних експлуатаційних характеристик композитів в шліфувальному інструменті з НТМ та необхідної якості обробляємого матеріалу. Раціональні параметри пресування композитів встановлюються за їх основними технологічними властивостями: тривалістю пластичного стану, швидкості і часу твердіння. Одним із важливих показників композиту є тривалість пластично-в'язкого стану, оскільки він визначає допустимий час, необхідний щоб провести формування робочого шару інструменту. Пресування за межами цього часового інтервалу призводить до отримання композиту з низькою міцністю. В результаті комплексу аналітичних, структурних та рентгенофазових досліджень було запропоновано нові металополімерні композити на основі системи Cu-Sn-ПБ. Проведено дослідження особливостей формування структури і розподілу елементів та орієнтації зерен абразиву в робочому шарі металополімерних композитів за традиційною і дослідною технологіями (рис. 5). Як видно з рисунків при традиційному спіканні в композиті знаходиться незначна кількість (3-5 %) інтерметаліду Cu3Sn (-фаза) (світла область), мідь та олово при таких режимах не встигає сформувати металевий каркас. При спікання композиту дослідною технологією програмованого спікання з урахуванням всіх часових інтервалів проходження температурних точок формування нових сполук, спостерігаємо наявність в композиті значної кількості (30 %) інтерметаліду Cu3Sn (-фаза), що відповідає сформованому металевому каркасу.

Для підтвердження існування в композиті полімерного та металевого каркасів була схематично змодельована схема розподілу елементів у композиті (рис. 6), яка була порівняна з зображенням розподілу елементів в металополімерному композиті з НТМ у фазовому контрасті (рис. 7). Металевий каркас формується з інтерметалідів які у фазовому контрасті виявлені наявністю міді та олова. Полімерні смоли у своєму складі містять С, тому наявність полімерного каркасу підтверджується присутністю С, що рівномірно розподілені по всьому об'єму композиту.

Зразки структур робочого шару шліфувальних кругів було опрацьовано за допомогою програмних пакетів аналізу зображень. Досліджувались зображення робочих шарів шліфувальних кругів, отриманих за традиційною технологією термічного спікання (ТТС) та дослідною технологією програмованого спікання (ТПС). Дані наведені в таблиці 1 і на рис. 8, показують, що шліфувальні круги, отримані за ТПС,

Таблиця 1 Показники анізотропії та кути орієнтації структурних елементів металополімерних композитів з НТМ

характеризуються меншою неоднорідністю структурних включень. Так, показник структурної неоднорідності в порівнянні з кругами, отриманими за ТТС, знизився в середньому від 70 до 15 %. Тому можна стверджувати, що в робочому шарі композитів відбувся рівномірний структурний розподіл елементів, що відповідає більш ізотропному композиту. Було досліджено орієнтацію зерен НТМ відносно вектора зусилля пресування. При цьому встановлені середні кути їх нахилу, що лежать в межах 25-40 градусів відносно орієнтації вектора зусилля пресування. Наявність в кругах меншої неоднорідності розподілу та орієнтації зерен, стабільність середніх кутів нахилу НТМ підтверджується і проведеними випробуваннями на зносостійкість.

Металева складова в металополімерному композиті придає йому більшої міцності, зносостійкості та теплопровідності. Але одночасно і підвищує коефіцієнт тертя між композитом і оброблюваним матеріалом. Це, в свою чергу, негативно впливає на ефективність процесу шліфування, оскільки круги «засалюються». Для усунення вказаного недоліку в склад композиту додатково вводять функціональні добавки - тверді змазки: графіт, дисульфід молібдену та ін. Також досить важливим є встановлення впливу на зносостійкість шліфувальних кругів різних характеристик порошків НТМ.

У п'ятому розділі представлені результати експериментальних досліджень впливу різних функціональних добавок та різних характеристик порошків НТМ на зносостійкість металополімерних абразивних композитів.

Для визначення впливу функціональних добавок (графіту, дисульфіду молібдену, фториду кальцію, УДА та ін.) на зносостійкість металевих і металополімерних абразивних композитів, виконані дослідження експлуатаційних характеристик шліфувальних кругів з НТМ при обробці матеріалів з широким діапазоном фізико-механічних властивостей: інструментальних сталей, твердих сплавів, кришталю, кераміки. Вміст функціональних добавок змінювали від 0 до 12 % (за масою).

Встановлено, що при збільшенні вмісту функціональних добавок можна виділити інтервали концентрацій, в яких композити мають найкращу функціональність з найменшими витратами НТМ, що забезпечує мінімальну шорсткість обробленої поверхні. Так для металевих композитів добавка дисульфіду молібдену складає 5-7 %, фториду кальцію - 10 %, для графіту та нітриду бору - 5 %.

На рис. 9 представлені результати дослідження впливу вмісту функціональних добавок MoS2, графіту і УДА на основні характеристики алмазних шліфувальних кругів на основі металополімерного композиту системи Cu-Sn-ПБ при шліфуванні твердого сплаву марки ВК6. Показано, що залежність зносостійкості шліфувальних кругів із збільшенням вмісту MoS2 має екстремальних характер з оптимальним її вмістом 7-8 %. При цьому зносостійкість кругів в залежності від зернистості алмазного порошку підвищується в 1,4-1,8 рази в порівнянні із кругами без MoS2 (рис. 9, а).

Збільшення вмісту графіту до 10 % також має екстремальний характер, мінімум якого складає 5 %, при збільшенні зносостійкості в 1,5-1,8 рази (рис. 9, б). Одночасне використання MoS2 і графіту в кількості 3,5 і 1,5 % відповідно, підвищує зносостійкість шліфувальних кругів у 2,1 рази. Введення УДА в поєднанні із MoS2 підвищує зносостійкість в середньому у 1,6 рази (рис. 9, в). При цьому вміст УДА становить 1,25 % при вмісті MoS2 -7,5 %.

В представлені коефіцієнти зносостійкості (Кq) розроблених металополімерних композитів з НТМ. Даний коефіцієнт розраховували як відношення витрат НТМ базового композиту до досліджуваного. Показано, що пріоритетні функціональні добавки графіт, MoS2 і УДА та їх суміші MoS2+графіт і MoS2+УДА підвищують зносостійкість металополімерних композитів з НТМ в 1,4-2,1 рази.

Проведено дослідження алмазних шліфпорошків марок АС6 і АС20 зернистістю 80/63 - 125/100 з коефіцієнтом форми 1,1-1,8 та ступенем однорідності за лінійними розмірами 40-50 %, які отримані в лабораторії технології дисперсних матеріалів ІНМ ім. В.М. Бакуля НАНУ з метою їх застосування для забезпечення підвищення зносостійкості і якості обробки різних матеріалів. В табл. 3 наведені експериментальні дані, що показують вплив однорідності та форми зерен, а на рис. 10 і 11 показано вплив коефіцієнтів форми і вмісту основної фракції зерен алмазних шліфпорошків марок АС6 і АС20 на відносні витрати НТМ та шорсткість обробленої поверхні шліфувальними кругами з металополімерного композиту системи Cu-Sn-ПБ-MoS2. Дослідження показали, що з ростом вмісту основної фракції і коефіцієнта форми алмазних зерен зносостійкість кругів (qp) та шорсткість Rа обробленої поверхні мають екстремуми. Такі закономірності встановлені для порошків алмазу марок АС6 і АС20 зернистістю 80/63. При цьому мінімальні значення експлуатаційних показників припадають на коефіцієнту форми алмазного порошку, що становить 1,2-1,3.

Таблиця 3 Вплив однорідності і коефіцієнту форми алмазних шліфпорошків на зносостійкість шліфувальних кругів з металополімерного композиту системи Cu-Sn-ПБ-MoS2*

* ОФ - основна фракція; Кф - коефіцієнт форми; ДТ - дослідна технологія; dср - середній розмір НТМ

В табл. 4 приведені дані, що показують вплив металізованих порошків алмазу та кубічного нітриду бору на показники зносостійкості шліфувальних кругів з металополімерного композиту системи Cu-Sn-ПБ-MoS2. Порівнювали металізовані порошки з НТМ, отримані за наступними технологіями: 1) методом вакуумного магнетронного напилення, розробленого в ДНВВП «ЕКМА» НТАК Алкон, що забезпечує напилення одно- та багатошарових покриттів на основі Cu, Fe, TiC, TiN, TiO2; 2) металізація порошків алмазну і кубоніту нікелем гальванічним методом (покриття марки Н1Д), що забезпечує ступінь їх металізації 150 % за масою. Встановлено характерний вплив на працездатність шліфувальних кругів порошків алмазу з одно- і багатошаровими покриттями.

Таблиця Вплив комплексу властивостей металізованих порошків НТМ на продуктивність шліфування кругами з металополімерного композиту системи Cu-Sn-ПБ-MoS2

Металізація алмазу підвищує зносостійкість кругів з одношаровим покриттям в 1,5-2,1 рази, а із багатошаровим - в 1,1-1,7 рази. Найбільшу зносостійкість шліфувальних кругів забезпечують одношарові покриття на основі Ni, TiC, TiN і Cu (qр = 1,04-1,59 мг/г), серед досліджених багатошарових покриттів - TiC+TiO2 (qр = 1,47 мг/г).

В результаті проведених досліджень було запропоновано для абразивного застосування в шліфувальному інструменті при обробці твердих сплавів та інструментальних сталей використовувати нові металополімерні композити на основі Cu-Sn-ПБ-MoS2, Cu-Sn-ПБ-графіт, Cu-Sn-ПБ-MoS2-графіт. На основі цих композитів було розроблено технічні умови на нову металополімерну зв'язку марки В2-01-1.

В шостому розділі приведено застосування металополімерних композитів марок В2-01-1 з НТМ в шліфувальних кругах для високопродуктивного шліфування яке забезпечує продуктивність близько 1000 мм3/хв. Показано, що застосування металополімерних композитів в порівнянні з іншими композитами забезпечує високу ефективність шліфування кругами з НТМ форм 12A2-45, 1ЕЕ1 і 1U1, 4А9 і 11V9-70 і вони є конкурентоспроможними з аналогічними кругами закордонних фірм за показниками стійкості та якості обробленої поверхні деталей з різних матеріалів. полімерний каркас композит спікання

Новий металополімерний композит марки В2-01-1 було впроваджено у виробництво шліфувальних кругів на ДГП «Алмазінструмент» при науково-технологічному концерні «Алкон» НАНУ. Виготовлено понад 500 шт. шліфувальних кругів форми 12А2-45 100х5(3х2)х5х20-КВ(КР) 160/125, 125/100, 80/63 В2-01-1-100 які реалізовані на Нижнетагільському металургійному комбінаті (Росія). Результати дослідно-промислових випробувань засвідчили, що дані шліфувальні круги за своєю стійкістю перевищують аналоги у 4-6 разів.

На основі вивчення закономірностей формування структури металополімерних абразивних композитів з порошкових НТМ для високопродуктивного шліфування та їх практичного застосування у виробничих процесах було розроблено наступну патентну, нормативну, технологічну та конструкторську документації: 1) Технологічна інструкція «Зв'язки металополімерні серії В2-01-1», ТИ 25000.00705; 2) Технічні умови «Круги шліфувальні форми 12A2-45 з кубічного нітриду бору», ТУ У 26.8-05417377-140:2006; 3) Технічні умови «Круги алмазні шліфувальні форми 4А9 на металополімерній зв'язці» ТУ 88 90.1251-92, повідомлення про зміни 26.8-1741: 2007; 4) Подана заявка на патент України «Металополімерна зв'язка для абразивного інструмента».

За методиками і рекомендаціями даної роботи розроблений бізнес-план, концепція якого включає організацію серійного виробництва конкурентоспроможних шліфувальних кругів з порошкових НТМ з металополімерного композиту марки В2-01-1.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

У роботі вирішена актуальна науково-технічна задача створення зносостійких металополімерних композитів з НТМ для шліфувального інструменту завдяки спрямованому формуванню двокаркасної структури композиту та введення в неї необхідних функціональних добавок. Результати доведено до практичної виробничої реалізації і зроблено наступні висновки:

1. Встановлені закономірності формування металополімерних композитів з НТМ на основі Cu, Sn, фенолформальдегідних олігомерів (ПБ) та виявлено, що умовою формування металевого каркасу є початок утворення в композиті інтерметалідів (Cu6Sn5 і Cu3Sn), а умовою збереження полімерного каркасу є обмеження температури спікання до 250 С, вище якої починається його деструкція.

2. Розроблено нові металополімерні абразивні композити з НТМ: Cu-Sn-ПБ-MoS2, Cu-Sn-ПБ-графіт, Cu-Sn-ПБ-MoS2-графіт. Створення двокаркасних металополімерних композитів у якості зв'язок для шліфувального інструменту дозволяє підвищити зносостійкість кругів у 1,4-2,1 рази при збереженні шорсткості оброблюваної поверхні 0,16-0,20 мкм при обробці широкої гами матеріалів: інструментальних сталей, твердих сплавів, кришталю, скла, кераміки.

3. Вивчені закономірності формування двокаркасної структури металополімерних абразивних композитів з НТМ при проходженні характерних точок формування композиту, на основі чого розроблений процес програмованого термічного спікання та керування параметрами “температура-тиск-час”. Він включає досягнення оптимального взаємозв'язку функціональних характеристик композитів із властивостями його складових за рахунок кращого добору технологічних факторів процесу спікання. Це дозволило зменшити показник структурної неоднорідності (анізотропії) з 70 до 15 % та одержати однорідну структуру композиту.

4. Для двокаркасних металополімерних композитів визначено діапазони ефективних за впливом концентрацій функціональних добавок, зокрема, таких як MoS2, CaF2, WS2,, графіт, УДА - в межах 5-8 % (за масою). Найкращим є введення до складу композитів добавок MoS2, графіту та їх суміші, це дозволило підвищити зносостійкість композитів забезпечуючи необхідну якість поверхні оброблюваного матеріалу при шліфуванні.

5. Визначено вплив функціональних характеристик порошків НТМ на зносостійкість металополімерних композитів. Показано, що застосування алмазних шліфпорошків марок АС6-АС20 зернистістю 80/63-125/100 з вмістом основної фракції не менше 90% і коефіцієнтом форми 1,2-1,3 забезпечує підвищення зносостійкості інструменту у 1,4-2,8 рази.

6. Покриття зерен порошків алмазу і КНБ методами вакуумного магнетронного напилення (Ni, Cu, Fe, TiC, TiN, TiO2) і гальванічним (покриття марки Н1Д) приводять до зменшення відносних витрат НТМ в процесах шліфування. Металізація зерен алмазу підвищує зносостійкість з одношаровим покриттям в 1,5-2,1 рази, а із багатошаровим - в 1,1-1,7 рази. Найбільшу зносостійкість шліфувальних кругів забезпечують: одношарові покриття на зернах порошків НТМ на основі Ni, TiC, TiN і Cu (qр = 1,04-1,59 мг/г), серед досліджених багатошарових покриттів - TiC+TiO2 (qр = 1,47 мг/г).

7. Новий металополімерний композит марки В2-01-1, за розробленими ТУ і ТІ, було впроваджено у виробництво шліфувальних кругів на ДГП «Алмазінструмент» Науково-технологічного концерну «Алкон» НАНУ. Виготовлено понад 500 шт. шліфувальних кругів форми 12А2-45 100х5(3х2)х5х20-КВ(КР) 160/125, 125/100, 80/63 В2-01-1-100, які реалізуються у виробничих процесах шліфування на Нижнєтагільському металургійному комбінаті (Росія).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ВИСВІТЛЕНО У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Новиков Н. В., Шепелев А.А., Дуброва А.Е. Алмазно-абразивный инструмент в технологиях высокопроизводительного и высококачественного шлифования / Под ред. А.А. Шепелева, под общей ред. Н.В. Новикова // Алмазно-абразивный инструмент в технологиях механообработки. Сверхтвердые материалы. Получение и применение - Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля, ИПЦ «АЛКОН» НАНУ, 2007. - Т. 6. - С. 15-87. Автор взяв участь у розробці нових металополімерних інструментальних композитів для шліфувальних кругів із НТМ.

2. Шепелев А.А., Шепелев-мл. А.А., Дуброва А.Е. Специальные шлифовальные инструменты из СТМ и базовые технологии их применения / Под ред. А. А. Шепелева, под общей ред. Н. В. Новикова // Алмазно-абразивный инструмент в технологиях механообработки. Сверхтвердые материалы. Получение и применение - Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля, ИПЦ «АЛКОН» НАНУ, 2007. - Т. 6. - С. 300-339. Автор провів інформаційний та патентний пошук по відомим шліфувальним інструментам для створення комп'ютеризованої бази даних.

3. Шепелєв А.О., Дуброва О.Є. Шліфувальні круги з алмазо- та кубонітовміщуючих металополімерних композитів. // Вісник Житомирського державного технологічного університету. - Вип. 2, Том 1.- Житомир: ЖДТУ. - 2003. - С. 169-176. Автор взяв участь у розробці нового металополімерного інструментального композиту для шліфувальних кругів. Провів аналіз впливу температури та швидкості нагрівання на полімерну та металеву складову композиту.

4. Шепелєв А.О., Дуброва О.Є., Дабіжа В.Є. Дослідження закономірностей формування металополімерних композитів на основі надтвердих матеріалів // Процеси механічної обробки в машинобудуванні. - Зб. наук. праць. - Житомир: ЖДТУ, 2005.- Вип. 1.- С. 402-408. Автор взяв участь у дослідженні та оптимізації впливу функціональних характеристик НТМ в шліфувальних кругах. Встановленні оптимального вмісту твердого мастила у складі металополімерного композиту. Підготовці дослідних зразків шліфувальних кругів та їх випробуванні.

5. Шепелєв А.О., Дуброва О.Є. Оцінка експлуатаційних показників якості шліфувальних кругів із надтвердих матеріалів // Сучасні процеси механічної обробки інструментами з НТМ та якість поверхні деталей машин (Серія Г). - Зб. наук. праць. - Київ: НАНУ ІНМ, 2006. - С. 89-96. Автор взяв участь у розробці методики оцінки працездатності шліфувальних кругів. Провів порівняльний аналіз експлуатаційних характеристик шліфувальних кругів вітчизняного та зарубіжного виробництва.

6. Шепелев А.А., Лавриненко В.И., Дуброва А.Е. Конкурентоспособность и технический уровень шлифовальных кругов из СТМ // Високі технології в машинобудуванні. Зб. наукових праць НТУ «ХПІ».- Харків: НТУ «ХПІ». - 2003. - С. 179-186. Автор взяв участь у проведенні аналітичних порівняльних дослідженнях експлуатаційних характеристик шліфувальних кругів вітчизняного та зарубіжного виробництва.

7. Повышение однородности алмазных шлифпорошков по линейным размерам / Н.В. Новиков, Г.П. Богатырева, Г.Д. Ильницкая, Г.Ф Невструев, А.А. Шепелев, А.Е. Дуброва, С.В. Ткач, О.В. Лещенко // Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжн. зб. наукових праць. - Донецьк: ДонНТУ, 2007. - Вип. 33. - С. 171-175. Автор взяв участь у проведенні випробувань шліфувальних кругів, що містять алмазні шліфпорошки з різними функціональними характеристиками. Провів обробку отриманих результатів випробувань та їх аналіз.

8. Деклараційний патент №70825 В24D3/06 Металева зв'язка для абразивного інструменту / А.О. Шепелєв, О.Є. Дуброва, О.А. Шепелєв - Опублік. 15.10.2004, Бюл. № 10, 2004 р. Автор взяв участь у проведенні патентного пошуку для виявлення прототипу, участь в розробці та проведенні розрахунків зв'язки.

9. Шепелев А.А., Дуброва А.Е. Шлифовальные круги с функционально-ориентированным рабочим слоем из инструментальных композитов на основе СТМ // Композиционные материалы в промышленности: Материалы 23-ой ежегодной международной конференции и выставки, 2-6 июня 2003 г., Ялта-Киев: УИЦ «НТТ». - С. 190-196. Автор взяв участь у проведенні структурних досліджень робочого шару шліфувальних кругів.

10. Шепелєв А.О., Федоренко В.Т., Дуброва О.Є. Автоматизированная система управления процессом горячего прессования при изготовлении абразивного инструмента из СТМ // Физические и компьютерные технологии: Труды 10-й межд.науч.-техн.конференция 2004. - Харьков: ХНПК «ФЭД» - С. 57-59. Автор взяв участь у розробці автоматизованої системи управління процесом спікання.

11. Шепелев А.А., Дуброва А.Е. Показатели качества шлифовальных инструментов из СТМ на метало-полимерных композитах и их конкурентоспособность // Композиционные материалы в промышленности: Материалы 25-ой ежегодной международной конференции и выставки, июнь 2005 г., Ялта-Киев: УИЦ «НТТ». - С. 486-488. Автор взяв участь у розробці методики оцінки працездатності шліфувальних кругів.

12. Шепелєв А.О., Дуброва О.Є., Дабіжа В.Є. Підвищення працездатності шліфувальних металополімерних кругів // Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях, Материалы VI Пром. Межд. науч.-техн. конф., 20-24 февраля 2006 г., п. Славское.- Киев: УИЦ «НТТ». - 2006.- С. 315-316. Автор взяв участь у дослідженні та оптимізації впливу функціональних характеристик НТМ в шліфувальних кругах.

13. Шепелєв А.О., Дуброва О.Є. Оптимальні умови отримання металополімерних композитів із НТМ // ІІ Всеукраїнська наук.-техн. Конференція молодих учених та спеціалістів. «Зварювання та суміжні технології» (25-27 червня 2003р.). Збірка тезисів. - К.: 2003. - С. 75. Автор взяв участь у дослідженні процесів спікання та пресування металополімерних композитів.

14. Шепелев А.А., Дуброва А.Е. Функциональные наполнители для абразивного инструмента из СТМ // Современное материаловедение: достижения и проблемы. Межд. конфер. Тезисы докладов. 26-30 сентября 2005 г. г. Киев. - Киев: ВД «Академ періодика» НАН України. - Т.1 -2005 г. - С. 438. Автор взяв участь у дослідженні та встановленні оптимального вмісту твердого мастила у складі металополімерного композиту.

15. Дуброва О.Є. Структурні дослідження металополімерних композитів для шліфувальних кругів із НТМ // Надтверді, композиційні матеріали та покриття: отримання, властивості, застосування: Матер. ІІІ всеукраїнської конференції молодих вчених та спеціалістів м. Київ, 18-19 квітня - К.: ІНМ НАНУ - 2006 р. - С. 30-33.

АНОТАЦІЯ

Дуброва О. Є. Закономірності формування та абразивного застосування двокаркасних металополімерних композитів з порошкових алмазів та кубоніту. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - Матеріалознавство. Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, Київ, 2008.

Дисертацію присвячено проблемі створення зносостійких металополімерних композитів з НТМ для шліфувального інструменту завдяки спрямованому формуванню двокаркасної структури композиту та введення в неї необхідних функціональних добавок.

Встановлені закономірності формування металополімерних композитів з НТМ на основі Cu, Sn, фенолформальдегідних олігомерів (ПБ) з функціональними добавками та виявлено, що умовою формування металевого каркасу є початок утворення в композиті інтерметалідів (Cu6Sn5 і Cu3Sn), а умовою збереження полімерного каркасу є обмеження температури спікання до 250 С, вище якої починається його деструкція, це визначає температурні умови спрямованого формування зносостійкого двокаркасного абразивного металополімерного композиту. Розроблені нові металополімерні абразивні композити з НТМ: Cu-Sn-ПБ-MoS2, Cu-Sn-ПБ-графіт, Cu-Sn-ПБ-MoS2-графіт. Застосування програмованого процесу спікання металополімерного композиту дозволило досягти більшої однорідності в композиті, яка визначається зменшенням показника структурної неоднорідності (анізотропії) з 70 до 15 %. Створення двокаркасних металополімерних композитів у якості зв'язок для шліфувального інструменту дозволяє підвищити зносостійкість кругів у 1,4-2,1 рази при збереженні шорсткості оброблюваної поверхні 0,16-0,20 мкм при обробці інструментальних сталей та твердих сплавів.

Ключові слова: абразивний інструмент, двокаркасна структура, металополімерний композит, синтетичні алмази, кубоніт, зносостійкість, шліфування.

Дуброва А. Е. Закономерностей формирования и абразивного использования двухкаркасных металлополимерных композитов с порошковых алмазов и кубониту. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - Материаловедение. Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, Киев, 2008.

Диссертация посвящена проблеме создания износостойких металлополимерных композитов из СТМ для шлифовального инструмента благодаря направленному формированию двокаркасной структуры композита и обеспечении его повышенной износостойкости.

Установленные закономерности формирования металлополимерных композитов с СТМ на основе Cu, Sn, фенолформальдегидных олигомеров (ПБ) с функциональными добавками и показано, что условием формирования металлического каркасу есть начало образования в композите интерметаллидов (Cu6Sn5 и Cu3Sn), а условием сохранения полимерного каркаса есть ограничения температуры спекания до 250 С, выше которой начинается его деструкция, это определяет температурные условия направленного формирования износостойкого двукаркасного абразивного металлополимерного композитау. Разработанные новые металлополимерные абразивные композиты с СТМ: Cu-Sn-ПБ-MoS2, Cu-Sn-ПБ-графит, Cu-Sn-ПБ-MoS2-графит. Создание двукаркасних металлополимерных композитов в качестве связок для шлифовального инструмента позволяет повысить износостойкость кругов в 1,4-2,1 раза при сохранении шероховатости обрабатываемой поверхности 0,16-0,20 мкм при обработке инструментальных сталей, твердых сплавов.

Для двукаркасних металлополимерных композитов определены диапазоны концентраций функциональных добавок, в частности, таких как MoS2, CaF2, WS2,, графит, УДА, в пределах 5-8 % (по массе). Наилучшие результаты имеет введение в состав композитов добавка MoS2, графита и их смеси, это позволило повысить износостойкость композитов обеспечивая необходимое качество поверхности обрабатываемого материала при шлифовании.

Изученные закономерности формирования двукаркасной структуры металлополимерных абразивных композитов с СТМ при прохождении характерных точек формирования композита, позволило разработать процесс программированного термического спекания на основе управления параметрами “температура-давление-время”. Он включает достижение взаимосвязи функциональных характеристик композитов со свойствами его компонентов за счет использования влияния технологических факторов на процесс спекания. Это позволило достичь большей однородности в композите, которая определяется уменьшением показателя структурной неоднородности (анизотропии) с 70 до 15 %.

Покрытия зерен порошков алмаза и кубанита методами вакуумного магнетронного напиления (Ni, Cu, Fe, TiC, TiN, TiO2) и гальваническим (покрытие марки Н1Д) приводят к уменьшению относительного расхода СТМ в процессах шлифования. Металлизация зерен алмаза повышает износостойкость с однослойным покрытием в 1,5-2,1 раза, а многослойным - в 1,1-1,7 раза. Наибольшую износостойкость шлифовальных кругов обеспечивают: однослойные покрытия на зернах порошков СТМ на основе Ni, TiC, TiN и Cu (qр = 1,04-1,59 мг/г), среди исследованных многослойных покрытий - TiC+TiO2 (qр = 1,47 мг/г).