Моделирование процесса спекания алмазных кругов

Раздел посвящен анализу теоретических исследований процесса изго­товления алмазных шлифовальных кругов на металлической связке с целью определения условий снижения количества разрушенных зерен в инструмен­те после спекания. Теоретические исследования проведены путем 3D моде­лирования напряженно-деформированного состояния зоны спекания алмазо­носного слоя круга. Установлено влияние технологических параметров про­цесса и характеристик алмазоносного слоя на целостность зерен в круге, сформулированы практические рекомендации по составам алмазно­металлических композиций.

3.1. Влияние технологических режимов спекания кругов и свойств связок на целостность алмазных зерен

Как показал анализ литературных источников (см. п. 1.3), технология изготовления алмазно-металлических композиций методами порошковой металлургии вносит существенные коррективы в свойства готового инстру­мента по сравнению со свойствами компонентов, используемых при его из­готовлении. Особенно это касается целостности алмазных зерен, одного из важнейших показателей работоспособности шлифовального круга.

Для обоснования необходимости проведения теоретических исследо­ваний зоны спекания осуществлялось извлечение зерен из алмазоносного слоя нового шлифовального круга 12А2-450 150x10x3x32 ГОСТ 16172-80 АС6 200/160 М2-01 4 по технологии очистки алмазного порошка от раство­римых примесей (см. п. 2.7). Из извлеченных зерен были произвольно вы­браны 100 штук и измерены на двулучевом микроинтерферометре В. П. Линника МИИ-4М. Их размеры были разбиты на 6 групп (табл. 3.1).

Г истограмма распределения размеров зерен у нормированного порош­ка зернистостью 200/160 (рис. 3.1 а) показывает наличие в нем зерен основ­ной фракции (200/160) в количестве не менее 70 %, крупной (250/200) и мел­кой (160/125) — в количестве не более 15 % каждой, отсутствие предельной (315/250) фракции [7]. Гистограмма распределения размеров по зернисто­стям у порошка, извлеченного из круга (рис. 3.1 б), показала, что количество алмазных зерен основной фракции в спеченном алмазоносном слое умень­шилось на 19 %, крупной — на 4 %, мелкой возросло на 9 % по сравнению с исходным для спекания нормированным алмазным порошком. Появились три более мелкие фракции в количестве: 9 % — 125/100, 3 % — 100/80 и 2 % — 80/63. Степень повреждения алмазных зерен, определяемая по аналогии с Н. В. Новиковым [127] как отношение разрушенных зерен к общему их ко­личеству, составляет ~ 0.3.

Таким образом, технологический прием формирования алмазоносного слоя кругов на металлических связках приводит к разрушению части зерен, особенно крупной и основной фракций. При этом в эксплуатацию попадают шлифовальные круги с характеристиками, существенно отличающимися от приведенных в маркировке, так как фактические размеры их зерен оказыва­ются в 1.25-2 раза меньше размеров, соответствующих указанной на круге зернистости. Тогда и объем сошлифованного единичным зерном материала, и условия их удержания связкой будут отличаться от аналогичных парамет­ров для кругов со стандартными характеристиками, подобные круги не мо­гут реализовывать ожидаемые показатели алмазно-абразивной обработки.

Исходя из вышеизложенного, представляется целесообразным опреде­ление составов и условий изготовления алмазных кругов на металлической связке, обеспечивающих максимальное сохранение целостности зерен в ин­струменте после спекания. С этой целью осуществлялось 3D моделирование напряженно-деформированного состояния алмазоносного слоя, возникаю­щего при его спекании по методике, изложенной в п. 2.2. Одна серия расче­тов поводилась для фрагмента алмазоносного слоя, включающего единичное алмазное зерно, окруженное массивом металлической связки (рис. 3.2 а), другая — рассматривала фрагмент алмазоносного слоя, включающий два ал­
мазных зерна, объединенных связкой (рис. 3.2 б). Здесь варьировалось соот­ношение размеров алмазных зерен и размеров массива связки, окружающего эти зерна, что соответствовало различным значениям зернистости и концен­трации (от 1 до 200 %) алмазов в спекаемом слое [85]. Наличие металличе­ской фазы в алмазных зернах моделировалось произвольно ориентирован­ными прослойками металлофазы, объемное содержание которых составляло в зависимости от рассматриваемой зернистости 0.1-10 %. Теоретические расчеты в пакете прикладных программ позволили в компьютерном режиме количественно оценить напряжения, энергию деформации и плотность энер­гии деформации в спекаемых элементах в зависимости от их размеров, фи­зико-механических свойств, концентрации алмазов и условий спекания. Объемы алмазных зерен считались разрушенными, если приведенные на­пряжения и/или плотность энергии деформации в них превышали соответст­вующие предельные значения.

Факторами, влияющими на целостность алмазных зерен, являются, прежде всего, технологические особенности изготовления кругов, а также состав спекаемой композиции. Главными компонентами алмазоносного слоя являются алмазные зерна определенной марки, зернистости и концентрации, связка определенного типа и марки. В комплексе они обуславливают работо­способность инструмента.

Марка металлической связки круга в большой степени определяет тех­нологические параметры спекания алмазоносного слоя. Поэтому влияние ее свойств и режимов спекания на 3D напряженно-деформированное состояние алмазоносного слоя является взаимосвязанным.

Исследовались три группы металлических связок: на основе медь — олово — М2-01, М2-09; на основе медь-алюминий-цинк — М1-01, М1-04, М1- 05; на основе железо-никель-кобальт — М6-14, М6-16. В расчетной модели задавались следующие свойства связок: модуль упругости E, модуль объем­ного сжатия G, коэффициент Пуассона ц, предел текучести ат, коэффициент линейного термического расширения а, коэффициент теплопроводности X, коэффициент температуропроводности а, коэффициент удельной теплоемко­сти с.

Нагружение системы «алмазное зерно-связка» осуществлялось по трем вариантам:

• приложением давления от 50 до 500 МПа;

• приложением температуры от 400 до 900°С;

•

одновременным приложением давления и температуры.

В качестве реакции модели на нагружение рассматривались приве­денные напряжения в узлах сетки, принадлежащих модели алмазного зерна (индекс 1) и окружающей его связки (индекс 2). Сгенерированная конечно-элементная сетка модели в плоскости XOY представлена на рис. 3.3 а.

При нагружении системы давлением 300 МПа напряжения в алмаз­ном зерне АС6 125/100 и в связке составили соответственно:

ai = 82.7 МПа, 52 = 25.0 МПа — для алмазоносного слоя на основе меди и алюминия;

51 = 90.0 МПа, 52 = 34.5 МПа — для алмазоносного слоя на основе меди и олова;

51 = 122.5 МПа, 52 = 75.3 МПа — для алмазоносного слоя на основе железа.

Напряжения в зерне не превышают предела прочности при растя­жение данной марки и данной зернистости.

а б

Рис. 3.3. Конечно-элементная сетка и приведенные напряжения в системе «алмазное зерно-связка» при нагружении давлением p = 500 МПа: АС4 100/80 М6-14; а — конечно-элементная модель зоны спекания; б — приведенные

напряжения в зоне спекания

Давление до 300 МПа даже для наименее прочных марок алмазных зерен не приводит к их разрушению. Давление 500 МПа, характерное для

брикетирования некоторых алмазных композиций на железо-никель — кобальтовых связках, создает напряжения в связке ^2 = 97.9 МПа и в зер­не = 200.0 МПа, несколько превышающее предел прочности марки АС4 на растяжение (рис. 3.3 б). Очаги критических напряжений в этом случае располагаются в вершинах октаэдра и фактически не нарушают целостности зерна. Лишь в 4 элементах модели алмазного зерна приве­денные напряжения превысили предел прочности на растяжение, и объе-

-5 3

мы разрушенного зерна составили 7 -10 мкм. Зависимости напряжений в системе «алмазное зерно-связка» от давления (рис. 3.4) показывают, что нагружение исследуемой системы только давлением во всем интер­вале его технологических значений для различных видов связок и марок алмазных зерен незначительно влияет на напряжения в исследуемой сис­теме и не приводит к нарушению целостности алмазных зерен. Таким об­разом, давление практически не разрушает алмазные зерна.

Напряжения, вызванные воздействием температуры, имеют гораздо большие значения и иную картину распределения. Увеличение напряже­ний наблюдается по контуру сферы, вписанной в октаэдр, и в местах со­
средоточения металлофазы в зерне (рис. 3.5 а). Для спека алмаза со связ­кой М1-01 напряжения в зерне АС20 250/200 и в связке составляют соот­ветственно:

• при Т=450°С: = 104.0 МПа, ^2 = 26.0 МПа;

• при Т=500°С : ^1 = 109.0 МПа, ^2 = 30.0 МПа;

•

при Т=550°С: ст1 = 112.0 МПа, а2 = 32.5 МПа.

а б

Рис. 3.5. Влияние температуры и давления на приведенные напряжения
в системе «алмазное зерно-связка»: АС15 200/160 М2-01; p = 100 МПа;

а — Т = 750°С; б — Т = 750°С

Зависимости напряжений в системе «алмазное зерно-связка» от температуры для различных видов металлических связок представлены на рис. 3.6. Причиной роста напряжений в системе с увеличением темпе­ратуры является, очевидно, структурная неоднородность алмазных зерен и значительная разница в коэффициентах термического расширения ал­мазной и металлической фаз, вызывающие под действием температуры расширение включений и появление внутренних напряжений в зерне.

Термосиловые напряжения в системе «алмазное зерно-связка», вы­зываемые воздействием давления и температуры, по характеру распреде-

ления своих максимальных значений напоминают картины термических напряжений (см. рис. 3.5 б), а по величине — превышают их в среднем на 12 % для одних и тех же условий (рис. 3.7).

М1-01 М2-01 М6-14 Рис. 3.6. Влияние температуры спекания на приведенные напряжения в системе «алмазное зерно-связка»: АС20 250/200; _____ напряжения в зерне;—— напряжения в связке

Напряжения, превышающие пределы прочности алмазных зерен и располагающиеся вдоль прослоек металлофазы, обуславливают внутрен­нюю трещину в зерне, а напряжения на периферии спекаемого зерна рас­пределены таким образом, что будут стараться отколоть от зерна его ост­ровыступающие участки (режущие кромки) и тем самым овализировать форму (скруглить режущие кромки), что впоследствии отрицательно скажется на режущей способности зерна и круга в целом.

Как и с увеличением температуры спекания, увеличение модуля упругости металлической связки приводит к тому, что напряжения в ней и в зерне растут и могут достигать предела прочности для определенных марок алмаза. На рис. 3.8 представлены поля приведенных напряжений для зерна марки АС6, спекаемого с различными видами связок при тех­нологических режимах, соответствующих их физико-механическим свой­ствам. Очагом возникновения предельных напряжений во всех случаях

является область металлических включений. С повышением прочности связок в направлении М1-01, М2-01, М6-14 наряду с ростом величин на­пряжений наблюдается рост участков, на которые они распространяются, разрушая при этом все большие объемы алмазного зерна. Объяснением этого могут быть, очевидно, возросшие значения напряжений в связке, оказывающие усиливающее воздействие на напряжения в зерне.

Таким образом, наиболее значимым с точки зрения сохранения це­лостности зерен в процессе изготовления алмазоносного слоя круга тех­нологическим параметром является температура спекания и допрессовки, а увеличение модуля упругости металлической связки усиливает напря­женное состояние зерна [86].