Інститут надтвердих матеріалів

ІЗ АЛМАЗНО-ГАЛЬВАНІЧНИМ ШАРОМ З КОМБІНУВАННЯМ CVD- ТА HPHT-АЛМАЗІВ

У процесі правки абразивних кругів традиційним алмазним правлячим інстру­ ментом диспергований абразивний матеріал активно вимиває зв’яз­ ку в міс­ цях закладання синтетичних монокристалічних алмазів, і останні ви­ падають, не використавши свій ресурс. На машинобудівних підприємствах України для правки сучасних абра­ зивних кругів (при шліфуванні поверхонь обертання складнофасонних виро­ бів) нині починають використовуватися імпортні правлячі ролики з СVD-ал­ мазами. (CVD — Chemical Vapour Deposition — одна з нових технологій лабора­торного отриман­ня алмазних продуктів шляхом хімічного осадження з паро­вої фази). Витягнута форма СVD-алмазів і бі­льша гли­бина закладання у зв’язці має стабілізувати їх утримання на робочій поверхні інструменту, а отже збільшити ресурс правлячого інструменту.

Підприємствам машинобудування України, особливо для двигунобуду­вання, агрегатних і гідроагрегатних заводів, авіаційних підприємств, потрібен прецизійний правлячий інструмент, і він є на ринку, але це імпортний правлячий інструмент таких фірм, як CORUS (Швейцарія) (не нашла таких кругов), «Шаундт» (не нашла таких кругов) та Reishauer (Німеччина), TYROLIT (Австрія). Цей інструмент є високовартісним і вимагає наявності в підприємств валютних коштів. Разом із тим для задоволення потреб підприємств України у ньому, а також для виходу на іноземний ринок саме в Національній академії наук України (зокрема, в ІНМ ім. В. М. Бакуля) провадяться розробки та випускається ефективний правлячий інструмент. Проте з плином часу виникає необхідність у інноваційному вдосконаленні цього інструменту, що і є метою написання даної статті. Прецизійний алмазний інструмент для машинобудування вимагає суча­сних підходів до формування його поверхневого шару в поєднанні із застосу­ванням нових алмазних матеріалів, що є одним із чинників підвищення його експлуатаційних характеристик. Тому дослідниками постійно приділя­ється увага цьому питанню. У даній статті ми зупинемося на найно­віших сучасних роз­робках у формуванні методом гальванопластики алмазно-абразивного шару інструменту, а також на застосуванні суміші CVD- і HPHT-алмазів (синтетичні алмази, отримані за високих тисків та температур) і прецизійній правці складнопрофільних абразивних кругів.

CVD-алмази нині отримують певне застосування в алмазному інстру­мен­ті, особливо правлячому. Згідно з Global CVD Diamond Sales Market Report, за прогнозами, до 2026 року обсяг світового ринку CVD-алмазів досягне 568,9 млн доларів США порівняно з 364,8 млн доларів США у 2020 році, при середньорічному темпі зростання 7,7% у період з 2021 по 2026 роки. Як наслідок, на машинобудівних підприємствах України для правки сучасних абра­зивних кругів (при шліфуванні поверхонь обертання складнофасонних виро­бів) нині починають використовуватися імпортні правлячі ролики з СVD-ал­мазами. У процесі правки абразивних кругів традиційним алмазним інстру­ментом диспергований абразивний матеріал активно вимиває зв’язку в міс­цях закладання синтетичних монокристалічних алмазів, і останні ви­ падають, не використавши свій ресурс. Витягнута форма СVD-елементів і бі­льша гли­бина закладання у зв’язці має стабілізувати їх утримання на робочій поверхні інструменту, а отже, збільшити ресурс правлячого інструменту. З іншого бо­ку, використання лише одних СVD-алмазів обумовлює їх велику кі­лькість на периферії інструменту з кінематичних міркувань, інакше абразив­ ний мате­ріал круга, що піддається правці, підмиватиме зв’язку вже в місцях закладан­ ня СVD-алмазів, і вже вони випадатимуть, не використавши свій ресурс. Тому аналіз сучасних розробок у виявленні особливостей формуван­ня гальваніч­ного робочого шару, особливо із СVD-алмазами, є актуальним з точки зору розробок сучасного вітчизняного правлячого інструменту. Так, у роботі [Kee Han Lee, Won Kyung Seong, Rodney S. Ruoff. CVD diamond growth: Replacing the hot metallic filament with a hot graphite plate. Carbon. 2022. Vol. 187. P. 396–403.] описано, як CVD-алмазні плівки (від нанокристалічних до полікристаліч­ них) були синтезовані методом хімічного осадження з парової фази, де гаряча графітова пластина застосовувалася для термічної активації метану та водню. При цьому тиск складав від 40 до 100 Торp, кон­ центрація метану у водні — від 0,5 до 2 об.%, а температура підкладки — від 1020 до 1140 °С. Максимальна швид­ кість росту складала 0,8 мкм/ч, а якість була зіставна із ал- мазними плів­ ками, синтезо­ ваними ме­ тодом хімічного осадження з газової фази на га­ рячій мета­ лічній нит­ ці. Отримані алмаз­ ні плівки не міс­ тять металевих домі­ шок [Kee Han Lee, Won Kyung Seong, Rodney S. Ruoff. CVD diamond growth: Replacing the hot metallic filament with a hot graphite plate. Carbon. 2022. Vol. 187. P. 396–403.]. Робота [The effect of UV and thermally induced oxidation on the surface and structural properties of CVD diamond layers with different grain sizes / Anna Dychalska, Marek Trzcinski, Kazimierz Fabisiak, Kazimierz Paprocki, Wojciech Koczorowski, Szymon Łoś, Mirosław Szybowicz. Diamond and Related Materials. 2022. Vol. 121. Art. 108739.] є продовженням раніше опублікованих досліджень щодо впливу обробки воднем на структурні властивості по- лікристалічних СVD- алмазних шарів з різним розміром зерна. Досліджено гід­рогенізовані алмазні шари, які були окислені у два етапи: спочатку УФ-опроміненням у повітрі, а в подальшому — від­ палом при 300 °С у по- вітрі. Встановлено, що мікрокристалічні та нанокриста­лічні ша­ри алмаза по різному поводять себе при окисленні (рис. 1). Загалом мікрокристалічні зразки легше окислювалися при УФ-обробці. Стаття [Sheng Wang, Qingliang Zhao, Bing Guo. Wear characteristics of electroplated diamond dressing wheels used for on-machine precision truing of arc-shaped diamond wheels. Diamond and Related Materials. 2022. Vol. 129. Art. 109372.] вже безпосередньо стосується технології правлення. У ній детально досліджено харак- теристики зносу алмазних прав­ ля­ чих кругів з гальванічним покриттям, які застосовуються для прецизійної прав­ки дугопо­дібних пошарових (arc-shaped) алмазних кругів (рис. 2). Досліджувала­ся то­по­графія зносу, висота виступання алмазів, а також меха­нізм зношуван­ня ме­талічної матриці. Встановлено, що точність правки алмазних arc-shaped шлі­фувальних кругів можна значно підвищити шляхом змен­шення зно­су алмазних частинок гальванічного правлячого інструменту. У прав­лячому крузі з великою зернистістю алмазних частинок з’являється графітиза­ція, і швидкість зносу алмаза буде прискорена. Як приклад, правля­ чий круг з розміром зерна D213 мкм успішно знижує похибку радіально- го биття arc-shaped алмазного круга з гібридною зв’язкою від 35 мкм до 1,9 мкм. Враховуючи наведене вище, перейдемо безпосередньо до викладення наших досліджень, пов’язаних із застосуванням CVD-алмазів в правлячому інструменті. Нас у даному випадку зацікавили полікристалічні CVD-алмази для зміц­нення проблемних ділянок алмазного прецизійного правлячого інст­рументу. Вставки CVD-алмазів 0,8×0,8×1,5 мм були проаналізовані на елек­ тронному мікроскопі. Зразки було досліджено методом сканувальної елек­тронної мікроскопії при різному збільшенні на мікроскопі ZEISS EVO 50XVP, укомплектованому енергодисперсійним аналізатором рентгенівських спектрів INCA450 з детектором INCAPentaFETx3 та системою HKL CHANNEL-5 для дифракції відбитих елект­ронів (виробництва фірми OXFORD). Аналізу піддалися дві поверхні на одному зразку: вихідна (рис. 3а) і шліфована (рис. 3б). Елементний склад (% за масою) поверхонь, наведених на рис. 3: вихідна — карбон (С) — 84,8, кисень (О) — 12,1, алюміній — 3,1; шліфована — карбон (С) – 97,6, алюміній — 2,4.

З фотографій поверхонь CVD-алмазів (див. рис. 3) і з даних сканувальної мікроскопії мо­жна зробити такі висновки:

• На вихідній поверхні спостерігається її полікристалічний характер, і на­віть можна по- бачити певні межі зерен, з яких складається сам полікри­ стал.
• На вихідній поверхні CVD-алмаза спостерігається підвищена кількість кисню, чого не- має на шліфований поверхні. Тобто саме вихідна поверхня CVD-алмаза, через підвищену дефектність, має і просоченість киснем. У випадку шліфованої поверхні маємо згладжену поверхню (див. рис. 3б) і повну відсутність на ній кисню.
• Звернемо увагу і на те, що полікристалічні CVD-алмази містять невелику (в межах 2–3% за масою) кількість алюмінію.

Подальшу роботу було присвячено розмірній стійкості правлячих роли­ ків, ви- готовлених методом гальванопластики з використанням CVD-алмазів для процесів абразивного формоутворення поверхонь складнофа­ сонних ви­робів. У процесі правки абразивних кругів традиційним алмазним інструмен­том диспергований абразивний матеріал активно підмиває зв’язку в місцях закладання синтетичних монокристалічних алмазів, і останні випадають, не використавши свій ресурс. Витягнута форма СVD-вставок і більша глибина закладання у зв’язці має стабілізувати їх утримання на робочій поверхні ін­струменту, особливо на ділянках робочого профілю великої кривизни, а отже, збільшити ресурс правлячого інструменту. Використання СVD-вставок в пра­влячому інструменті, робочий шар якого сформовано методом гальваноплас­тики, мінімізує подальшу доводку CVD-вставок до відповідного робочого профілю інструменту. Випробування на стійкість роликів з CVD-алмазами проводилося на спеціальному стенді на базі круглошліфувального верстата 3Б151 з автономним приводом правлячого ролика та шляхом правки абразивних кругів за схемою шліфування з осьовою подачею. Для забезпечення таких умов роботи алмазного шару ролика, як при врізній правці, осьова подача S, відповідно до [Шейко М. Н., Па­ сичный О. О., Скок В. Н., Бологов П. И. Квазиврезная правка абразивных кругов как экс прессметод испытания алмазных фасонных роликов. Сообщение 1. Регис­трация сил правки. Сверхтвердые материалы. 2009. № 4. С. 65–75.], дорівнювала довжині L ділянки з протекцією CVD-вставками. Швидкість абразивного круга (29 м/с) і ролика (14,6 м/с) відповідали режимам правки, застосовуваним у виробничих умовах. Заправлялися абразивні круги Ø600×63×305 марки від 25А F60 J 7V (25M3) до 25А F60 N 7V (25CT1) при осьовій подачі S = 1,0 мм/об (U = 18,3 мм/с) і подачі на глибину t0 = 0,10 мм. Випробування проводилося за планом однофакторного експерименту, а фактори, що варіювалися, — це число CVD-вставок на робочій поверхні правлячого інструменту та характеристики абразивного круга, що заправляється, — твердість, номер структури та зернистість. З метою інтенсифікації експериментів лабораторні ролики спроєктовано з двома рядами CVD-вставок по окружностях на робочій поверхні, що лежать на краях прямого профілю (8 мм) інструменту й утво- рюють відповідно дві вершини з радіусами закруглення RL і RR (рис. 4). У цьому випадку одному ро­лику відповідали одразу два значення числа CVD-вставок. Профіль містив занижену (у нашому випадку на 1 мм) частину, що служила базою та не контактувала з абразивним кругом у процесі основної роботи, а отже, не була піддана зносу. Стосовно цієї бази вимірювався ліні­йний знос (заниження δ вершини) ділянок з протекцією CVD-вставками. У силу дискре­тності робочої поверхні алмазного ролика лінійний знос вимірювався опосередковано, за пластинчастим свідком на мікроскопі ДИП-3 з точністю ± 2 мкм. До- речно було фіксувати не абсолютні поточні значення RL і RR, а відносні до початкових RL0 і RR0 відповідно. Вимірювання абсолютних вели­ чин заниження δ і радіусів проводилося при обробці (узгодження масштабів та інше) фотографій (в електронному вигляді) відповідних профілів, зроблених з мікроскопа ДИП-3.

Відносні величини радіусів скруглен­ня вершин?? було представлено як функцію об’єму диспергованого абразивного матері­алу кругів, причому для наочності об’єм ви­мірявся в умовних одиницях: одна умовна одиниця — об’єм циліндра Ø600 та висотою 1 міліметр. Для цього було проаналізовано й оброблено первинні матеріали, фотогра­фії CVD-вставок на робочій поверхні правлячих роликів на різних стадіях зно­су, побудовано зведені табли­ ці зносу вершин. Обробка експеримен­тальних даних засвідчила, що: по-перше, застосування CVD-вставок у навантажених ділян­ках правлячого інструмента суттєво підвищує розмірну стійкість робочого профілю, по-друге, знос CVD-алмазів, як і кристалів HPHT, в умо­вах правки абразивних кругів на керамічній зв’язці має ха­рактер абразивного зносу. Для проведення виробничих випробувань правлячого інструменту з CVD-алмаза розроблено та виготовлено зразки правлячих роликів діаметром 150 мм для правки зубошліфувальних кругів. З двох сторін правлячого ролика було розміщено по 90 штук кристалів CVD-алмаза розміром 0,8´0,8´1,5 мм (0,01 карата) через чотири градуси один від одного (рис. 5).

Як і в умовах лабораторії, результати виробничих випробувань засвідчили, що: по-перше, застосування CVD-вставок у навантажених ділян­ках правлячого інструмента суттєво підвищує розмірну стійкість робочого профілю, по-друге, знос CVD-алмазів, як і кристалів HPHT, в умо­ вах правки абразивних кругів на керамічній зв’язці має ха­рактер абразивного зносу. Застосування в інструменті таких складнопрофільних ділянок, спрямовано поліпшених сумішшю CVD- і HPHT-алмазів, дозволяє підвищити ефективність алмазного правлячого інструменту. Результати випробувань дозволяють зробити позитивний висновок щодо перспективи імпортозаміщення такого інстру­менту для потреб машинобудівних підприємств України. За питаннями виготовлення спеціального прецизійного правлячого інстру­мента та впровадження ефективних процесів алмазно-абразивного правлення, а також для отримання більш детальної інформа­ції можна звертатися до ІНМ ім. В. М. Бакуля НАН України, у відділ алмазно-абразивної та фізико-технічної обробки.

Правильно підібраний абразивний інструмент – необхідна складова виробничого процесу на підприємствах машинобудування. Інструментальне виробництво, підшипникова промисловість, верстатобудування, автомобільна промисловість і нафтогазове машинобудування, авіабудування та суднобудування, виробництво обладнання для легкої та харчової промисловості – це лише деякі з галузей машинобудування, для яких необхідний якісний абразивний інструмент.

Застосування в технології виробництва абразивних матеріалів від кращих виробників, спеціальних керамічних зв’язок і наповнювачів, контроль на кожному етапі виробництва забезпечують високу стійкість абразивного інструменту, високу точність та відмінну якість обробленої поверхні. Можливе виготовлення інструменту, що має зернистість від F24 до F1000, твердість від М до Т, а також імпрегнування сіркою та іншими речовинами.