Анализ обрабатываемости и выбор базового метода обработки СТМ

Общая характеристика СТМ, приведенная в п. 1.2, дает достаточное основание для заключения о том, что все сверхтвердые материалы, несмотря на особенности и определенные отличия между собой, относятся к классу труднообрабатываемых прежде всего из за высокой прочности межатомных связей в алмазных структурах, предельной твердости и жесткости, поликри­сталлического строения и др. [48, 97, 232].

Проблема обрабатываемости сверхтвердых материалов своими исто­ками уходит в глубокую древность, когда по крупицам накапливался опыт огранки природных алмазных кристаллов в бриллианты [62, 239]. Массовое производство синтетических поликристаллических алмазов и других сверх­твердых материалов потребовало отхода от традиционной технологии, бази­рующейся на процессе огранки с помощью чугунных дисков, шаржирован­ных алмазным порошком [9]. Однако, создание научных основ обрабатывае­мости СТМ не возможно без учета накопленных знаний в области физики и технологии обработки природного алмаза.

Процесс формообразования при изготовлении изделий из природных алмазов весьма специфичен [62]. Задача состоит в разрушении одной части объема кристалла, которая составляет припуск под обработку, и одновре­менно обеспечении однородности и бездефектности другой части, которая должна составить собственно изделие (под бездефектностью в дальнейшем будем понимать непревышение их величины и количества допустимых зна­чений).

Среди работ, посвященных исследованию механизма разрушения ал­маза, выделяется группа, рассматривающая обработку непосредственно ал­мазов [83], и другая, где преобладают вопросы износа алмазного инструмен­та [139].

Поскольку объектом изучения и в том и в другом случае является ал­маз, то все эти работы в той или иной степени вскрывают различные прояв­ления единой природы разрушения материалов с алмазной структурой, оп­ределяемые характером и природой разрушающих воздействий. В зависимо­сти от того, какое разрушающее воздействие преобладало в исследованиях, созданы концепции механического, термохимического, химического, диф­фузионного, адгезионного и др. видов разрушения алмаза [101].

Кратко сущность указанных концепций сводится к следующему. Ме­ханическое разрушение происходит за счет скольжения по плоскостям под воздействием инструмента, когда приложенные силы порождают преимуще­

ственно растягивающие и изгибающие напряжения (реже сжимающие), пре­вышающие соответствующие пределы прочности.

Под термическим разрушением понимают активируемые высокой температурой (T > 500^600°С) процессы перехода алмаза в непрочные мо­дификации углерода (графит, турбостатный углерод, аморфный углерод, окислы). Эффективно разрушающее воздействие острофокусированных из­лучений (луч лазера, электронный луч), когда кинетическая энергия потока частиц превращается в тепловую торможением и поглощением микрообъе­мами обрабатываемого алмаза, в результате чего из зоны обработки выбра­сываются продукты испарения, мельчайшие частицы алмаза и другие моди­фикации углерода [176].

Межфазные внутренние напряжения, возникающие из-за различия на порядок величины линейных термических коэффициентов расширения ме­талла и алмаза, являются ответственными за дополнительное образование в поликристаллах микропор и микротрещин [123]. В результате теплового воздействия возможно расплавление металлических включений, их коагуля­ция и миграция на поверхность поликристалла. Убедительное эксперимен­тальное подтверждение этому получено в работе Л. С. Палатника, Д. И. Гладких и др. [135]. После отжига поликристаллов алмаза при 1200°С в

вакууме (приблизительно 10 5 мм рт. ст.) на его поверхности обнаружились в виде «росы» капли металла размером от нескольких десятков до сотен микрометров. Редко и преимущественно вблизи расположения катализатора такие капли металла обнаруживались нами на обработанной поверхности карбонадо после шлифования.

После нагрева в течение 3-х минут в закрытой печи, имевшей темпера­туру 550 °С, и резкого охлаждения в проточной воде термоусталостная проч­ность образцов СТМ определялась по количеству циклов «нагрев — охлаждение» до появления трещин на поверхности.

Появление трещин в них наблюдалось только после 400 циклов. После 500 циклов практически на всех образцах были обнаружены отдельные мик­ротрещины. Результаты исследований [135] приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2 — Термоусталостная прочность СТМ Материал Число циклов Появление микротрещин Сетка микротрещин Разрушение АСБ 405470 16576000 АСПК 450485 18765000 Эльбор-Р 490 610 ПТНБ 5МК 425 575

По этому показателю сверхтвердые поликристаллы примерно на поря­док превосходят твердые сплавы, в частности марки ВК8 [126].

Облучение кристаллитов алмаза концентрированными потоками ионов приводит к существенным изменениям как в поверхностном слое [127], так и в объеме всего кристалла [124].

Без повышенных температур невозможно химическое, диффузионное и адгезионное разрушение алмаза, поскольку все эти процессы протекают и ощутимо активизируются только в области высоких температур [102]. Хи­мическое разрушение алмаза наблюдается при травлении его расплавами щелочей, кислородсодержащих солей, кимберлитов, других сильных окис­лителей. Однако исследуемые СТМ представляют собой многофазную сис­тему и поэтому их «податливость» при обработке в указанных условиях бу­дет складываться из соответствующих показателей каждой фазы в отдельно­сти, прежде всего в алмазе, как основной, доминирующей фазе поликристал­лов. Различные варианты технологии химической обработки: в расплаве се­литры КаКО3 при 800°С [177]. Процесс интенсивного окисления начинается при температурах свыше 600°С. В результате окисления в парах воды с ка­тализатором расплав КОН и при температуре 710°С за два часа обработки потеря веса алмаза составила всего около 3.0 %. В пересчете на линейное измерение при односторонней направленности эта величина составит лишь доли процента.

Диффузионное разрушение происходит при определенных условиях, когда возможна диссоциация кристаллической решетки алмаза, появление атомарного углерода и его диффузия в контактирующий материал. На этом положении основана диффузионная теория износа алмазного инструмента, предложенная Т. Н. Лоладзе и Г. В. Бокучавой [101]. Интересные результаты диффузионного формообразования сложных изделий из алмаза получены в работе [179].

Представляется правильным с позиций определения путей повышения обрабатываемости материалов с алмазными структурами учитывать весь комплекс возможных разрушающих факторов в тех или иных конкретных способах обработки с целью усиления действия каждого из них или их сово­купности.

Наиболее общим в процессах механической обработки является то, что расчленение кристаллов алмаза на части, обработка поверхностей, формиро­вание отверстий выполняется рабочими инструментами с обязательным при­сутствием кристалла алмаза или алмазного порошка. Так, механическое рас­пиливание кристаллов на распиловочных станках производится бронзовым диском толщиной 0.04-0.09 мм, шаржированными алмазным порошком АСМ 20, с прованским или касторовым маслом при линейной скорости по­рядка 45-60 м/с и усилии прижима 120-300 г. Обработка плоских поверхно­стей чаще всего выполняется на крупных дисках, шаржированных алмазны­ми зернами. Сверление отверстий производится стальной иглой, шаржиро­ванной алмазным порошком.

Во всех этих процессах характеристика алмазных зерен, их количество и частота смены играют важную роль. Так, с увеличением зернистости от АСМ 6 до АСМ 28 съем припуска алмазов увеличился от 1.07 до 2.77 мг/мин. Однако, с течением времени в связи с «приработкой» зерен производительность снизилась более чем вдвое [175].

Все исследователи отмечают принципиальную важность учета ориен­тации кристаллографических плоскостей обрабатываемого алмаза. При рас­пиливании плоскость распила должна быть параллельна плоскости куба и ромбододекаэдра [36]. Замечено, что разрушение обрабатываемой поверхно­сти при обдирке алмаза алмазом происходит непосредственно за обдираю­щими элементами в направлениях, нормальных к плоскости (111) [45]. При огранке и шлифовании производительность определяется не только различ­ной твердостью кристаллографических плоскостей, но и направлением шли­фующих зерен круга. Это различие может быть стократным [173].

Среди не абразивных способов обработки природных алмазов приме­нение нашли электрофизические, термические и др., основанные на тех или иных физических, химических и иных разрушающих воздействиях.

Так, электроэрозионная резка основана на предварительной графити — зации алмаза по линии разреза за счет электрического разряда между иголь­чатыми электродами. Ультразвуковые колебания вращающегося диска с ам­плитудой 3-5 мкм интенсифицируют процесс разрезки алмазов.

Шлифование с использованием энергии электрического тока [62] осу­ществляется по схеме, при которой между закрепленным в оправке алмазом и ограночным диском создается высоковольтная дуга, интенсифицирующая процесс обработки. Диск, шаржированный порошком зернистостью 25/40 мкм, вращается со скоростью 2000-2500 об/мин. Производительность такого способа в 2.5-4 раза выше базового.

Весьма перспективна обработка алмазов электронными и лазерными лучами. Она оказалась весьма эффективной при формировании отверстий, а в ряде случаев и при разделе кристаллов. Обработка отверстий или разделе­ние кристалла предполагают последовательное периодическое удаление элементарных объемов алмаза.

С возникновением необходимости изыскания эффективных методов обработки СТМ опыт обработки природных алмазов, конечно, был опреде­ляющим. Именно этим объясняются первоначальные попытки использовать процесс шлифования шаржированными дисками или алмазными кругами при изготовлении режущего и выглаживающего инструмента из поликри­сталлических СТМ [62]. Оказалось, что производительность шлифования поликристаллов АСБ на чугунном диске, шаржированном алмазным порош­ком АМ 28-А 12, в 210 раз ниже, чем при огранке природного алмаза в «мягком» направлении кристалла [173]. Резкое падение производительности отмечено в первые 5-6 минут работы, после чего процесс съема практически прекращается. Здесь, видимо, сказалось то обстоятельство, что режущие ал­мазные зерна непременно вынуждены контактировать с кристаллитами пре­имущественно в «твердом» направлении.

Вместе с этим определились направления поиска интенсификации об­работки сверхтвердых поликристаллов: 1) шлифование алмазными кругами на органических и металлических связках; 2) шлифование с предваритель­ным подогревом обрабатываемого поликристалла; 3) шлифование алмазны­ми кругами на металлической связке с введением в зону обработки активных окислителей; 4) комбинированное алмазное шлифование (электроалмазное, катодное алмазное шлифование) [219]; 5) обработка лазером.

Перспективным представляется использование высокоэффективного инструмента, разработанного в институте сверхтвердых материалов [194].

Отметим, что классические процессы шлифования превосходят про­цесс огранки по производительности. Несмелов А. Ф. [118] объясняет это существенно более высокой концентрацией алмазов в круге по сравнению с шаржированным диском, вступлением в работу все новых зерен, т. е. само­затачиванием круга, более прочным закреплением алмазов в круге. Как по­казала практика, проявляется самозатачивание алмазных кругов при шлифо­вании СТМ в весьма специфических условиях, требующих специальных технологических приемов. Второе его условие противоречит первому, т. к. прочное удержание зерен приводит к быстрой потере режущей способности.

Таким образом, рассматривая поликристаллические СТМ как само­стоятельную группу труднообрабатываемых материалов, учитывая их состав и структуру, можно констатировать сопоставимость трудоемкости их обра­ботки с трудоемкостью обработки природных алмазов [173]. В то же время объемы обработки СТМ значительно превышают эти показатели для при­родных алмазов, что еще раз подчеркивает актуальность изыскания эффек­тивных методов обработки СТМ.

Учитывая потребности крупносерийного и массового производства инструмента из СТМ, базирование технологии инструментального произ­водства (в частности, заточки) на операциях шлифования, а также результа­ты проведенного сравнения существа и выходных показателей различных методов обработки СТМ и природных алмазов, целесообразно принять ал­мазное шлифование в качестве базового процесса для изучения обрабаты­ваемости СТМ и изыскания на этой основе высокоэффективных способов их обработки.