CC BY
38
УДК 621.785:669.14:621.762
С.А. Оглезнева
Научный центр порошкового материаловедения Пермского государственного технического университета
АЛМАЗНЫЙ ИНСТРУМЕНТ НА СТАЛЬНОЙ МЕТАСТАБИЛЬНОЙ СВЯЗКЕ ДЛЯ РЕЗКИ ПРИРОДНОГО КАМНЯ
Исследована структура и свойства алмазного инструмента со стальными порошковыми матрицами. Показана зависимость физико-механических и эксплуатационных свойств металлических матриц от объема деформационного фазового превращения аустенита в мартенсит. Выбран оптимальный состав матрицы.
Алмазный инструмент содержит в своей структуре алмазные зерна, зерна наполнителя (обычно карбидов) и связку (матрицу), удерживающую абразивные зерна. Основные требования к связкам алмазного инструмента, широко применяемого в камнеобрабатывающей промышленности: оптимальная твердость и износостойкость, так как износ связки происходит под действием осколков разрушаемой горной породы; определенная прочность, чтобы удерживать алмазное зерно до его полного износа и в то же время изнашиваться с такой же интенсивностью, как и алмаз [1, 2]; оптимально упругая характеристика для обеспечения нормального процесса резания: при слишком большой податливости связки зерно под действием ударной нагрузки входит в нее и теряет возможность участвовать в процессе резания, при недостаточной упругости связки зерно разрушается между двумя жесткими поверхностями и из-за этого не участвует в процессе резания [3]. Необходимыми характеристиками являются также состав, структура, коэффициент трения, теплофизические характеристики. Важно также, чтобы связка имела поры для размещения стружки [2] (не более 25 %) во избежание катастрофической потери прочности инструмента [3, 4].
Известное направление повышения служебных характеристик алмазного инструмента - создание термодинамически неравновесной структуры путем сверхскоростной закалки или использования дисперсных порошков [2]. Неравновесность структуры может быть реализована также при формировании в связке метастабильных фаз, которые при фазовом превращении способствуют упрочнению связки и закреплению алмазных зерен, что улучшает эксплуатационные свойства алмазного инструмента. Поверхностные рабочие слои деталей из метастабильных материалов изменяют свой фазовый состав
и свойства в процессе самого рабочего нагружения, значительно упрочняясь за счет образования мартенсита деформации [5]. Деформационное упрочнение аустенита обусловлено процессами, приводящими к повышению общей плотности дислокаций, изменению характера их распределения [6], а также образованием мартенсита деформации (фазы с более высокой твердостью) и созданием в зернах аустенита прочного каркаса из пластин мартенсита, препятствующих сдвиговым процессам в аустените.
Целью работы было исследовать фазовые превращения в структуре и режущие свойства алмазного инструмента в зависимости от фазового состава матрицы, содержащей метастабильный аустенит.
Для изготовления образцов связки алмазного инструмента использовались карбонильные порошки железа Р-10 и никеля ПНК-ОТ4 с размерами частиц 3-5 мкм, порошок карбида титана углетермического со средним размером частиц 5 мкм. Порошки компонентов смешивали, дважды прессовали холодным способом при давлении 200 и 400 МПа с промежуточным отжигом, окончательно спекали при температурах 900-1000 °С в атмосфере водорода. Структуру, фазовый состав и триботехнические характеристики изучали на образцах матриц из сталей, содержащих по 8 мас. % карбида титана, 6-18 мас. % никеля, 0,2-0,3 мас. % углерода, остальное - железо. Структуру изучали методами оптической микроскопии и микродюрометрии. Фазовый состав - рентгенофазовым анализом на установке ДРОН-4 в СоКа-излучении. Количественное содержание фаз определяли по интенсивности отраженного рентгеновского излучения, которое вычисляли по площадям пиков дифракто-грамм. Гомогенизацию в системе «железо - никель» изучали с помощью микроскопии и микрорентгеноспектрального анализов (МРСА). Триботехнические характеристики определяли на машине трения СМЦ-2 при трении по абразивному телу из корунда. Для испытаний режущих свойств к каждому составу добавляли по 12,5 об. % синтетического алмазного порошка АС65 зернистостью 400/315. Режущие свойства алмазного инструмента определяли в лабораторных и производственных условиях.
После спекания во всех сталях сформировались а-фаза (феррит + перлит) и у-фаза (аустенит) на основе железа (рис. 1, 2), количество которого было пропорционально содержанию никеля и зависело от температуры спекания незначительно (рис. 3).
Гомогенность распределения никеля в сталях при спекании, определяемая по коэффициенту вариации концентрации никеля, зависела от температуры спекания и концентрации никеля: чем выше была температура и чем больше было никеля в стали, тем однороднее формировался твердый раствор (рис. 4).
Рис. 1. Структура матрицы алмазного Рис. 2. Структура алмазного инструмента
инструмента, травлено. Светлые включения - карбид титана
Рис. 3. Количество у-фазы
Рис. 4. Коэффициент вариации
в зависимости от содержания никеля концентрации никеля в спеченных при
в спеченных образцах
900, 950, 1000 °С порошковых сталях
Степень устойчивости аустенита оценивали экспериментально по диаграммам изотермического распада аустенита [7]. Анализ С-образных кривых показал, что увеличение содержания никеля и температуры спекания приводит к повышению устойчивости аустенита: С-образные кривые смещаются вправо, в сторону увеличения продолжительности распада.
Установлено, что негомогенность твердого раствора системы «железо -никель» оказывает значительное влияние на кинетику распада переохлажденного аустенита: устойчивость аустенита более гомогенных растворов в данных сталях (спеченных при 1000 °С) высока даже при наличии пористости и карбидов [7].
Особенности структуры исследованных порошковых никелевых сталей, выявленные при изучении гомогенизации стали, оказали существенное влияние на свойства этих сталей. При испытаниях на трение у-фаза (аустенит) превращалась в а'-фазу (мартенсит деформации), рис. 5. Аналогичные явления были обнаружены при исследовании микротвердости, прочности и ударной вязкости. Объем фазовых превращений (А Vу-Ре) был максимален в сталях с содержанием никеля 12-15 % (КВК никеля 15-25 % ). Максимум твердости (рис. 6), обусловленный превращением метастабильного аустенита в мартенсит при вдавливании индентора, установлен при тех же концентрациях никеля. Незначительный объем фазового превращения и пониженные значения твердости зафиксированы при содержании никеля 6-9 и 18 %. В первом случае обсуждаемое явление обусловлено низким содержанием аустенита в исходной структуре, а во втором - более высокой стабильностью аустенита. Объем фазовых превращений (АVу-Fe) в стали с 12 % N1 составил 10 %, а в стали с 15 % N1 - 20 % (при температуре спекания 950 °С). Увеличение объема у-а'-превращений в стали, содержащей 15 % никеля, может быть связано с формированием большего количества метастабильного аустенита в исходной структуре. Ширина зоны фазовых превращений s, определенная по микротвердости в зоне трения, также подтверждает, что больший объем превращений произошел в стали с 15 % N1 - 5 = 300 мкм, в стали с 12 % N1 5 = 100 мкм.
Концентрация N1, %
Рис. 5. Объем фазового превращения Ау при трении в сталях с различным содержанием никеля, спеченных при различных температурах, °С
С». %
Концентрация N1, %
Рис. 6. Твердость сталей с различным содержанием никеля, спрессованных при давлении 400-600 МПа и спеченных при температурах 900-1000 °С
Исследовано влияние фазовых превращений на удельный расход алмазов и производительность алмазного инструмента на основе металлической метастабильной связки по разработанной лабораторной методике [8].
При трении по абразиву алмазного инструмента с концентрационнонеоднородной матрицей на основе железа, легированного никелем, происходило деформационное аустенитно-мартенситное превращение. Коэффициент шлифования (Кшлиф - отношение потери массы инструмента к массе сошлиф-рванного абразива) зависел от объема аустенитно-мартенситного превращения прямо пропорционально. При испытаниях режущих свойств наилучшее значение коэффициента шлифования показал алмазный инструмент на основе стали с 12 % N1 (рис. 7). Наименьшее значение коэффициента шлифования было у инструментов на основе сталей с 6 и 18 % N1, что объясняется их низкой твердостью при отсутствии фазового превращения: в связке 6 % N1 - из-за отсутствия метастабильного аустенита, а в связках с 18-21 % N1 - из-за высокой стабильности аустенита.
Ду, %
Рис. 7. Зависимость коэффициента шлифования Кшлиф инструмента, содержащего 12,5 % алмазного порошка, от объема фазового превращения при трении в связке инструмента. Тсп = 1000 оС
Улучшение свойств обусловлено расходом части энергии разрушения на деформационное превращение остаточного аустенита в мартенсит при нагружении. Превращение «аустенит - мартенсит» происходит с увеличением объема материала, что способствует дополнительному закреплению зерен в связке и улучшению режущих свойств.
Исследовали влияние различных производственных факторов на производительность алмазного инструмента и расход алмазов в нем на операции грубой шлифовки (обдирки). Испытаны три состава, отличающихся содержанием никеля (табл. 1).
Фазовый состав и свойства связок АИ
Таблица 1
Содержание N1, % Пористость, % ИЯБ У, % Ду, %, после трения Кшлиф
6 21 70 9 4 17,5
12 21 95 44 17 24
18 20 70 82 8 20
Варьировали расход воды (л/мин), давление прижима (кгс/см2) и прочность обрабатываемой поверхности (породу камня), табл. 2. Из данных рис. 8 видно, что при 12%-ном содержании N1 в связке наблюдали самый низкий расход алмазов: при испытательных нагрузках метастабильный аустенит распадался с образованием мартенсита, и чем больше было изменение Ду, тем тверже была связка, были выше производительность и ниже расход алмазов. Данные производственных испытаний коррелируют с коэффициентом шлифования из табл. 1. Из анализа зависимости удельного расхода от прочности камня (рис. 9) установлено, что наибольший расход алмазов наблюдался на составе с 6 % N1 при шлифовке самого прочного камня «Цветок Украины». Самым универсальным инструментом можно считать инструмент с содержанием N1 12 %, этот инструмент одинаково экономично работал как по мягким, так и по твердым породам. Опытная партия инструмента прошла промышленные испытания. Удельный расход алмазов был меньше заданного ГОСТ 16115-85 в 2,3 раза (табл. 3). При сравнительных производственных испытаниях инструмента, обладающего твердостью связки 82 НЯВ, ударной вязкостью 30 кДж/м2, установлены существенно лучшие показатели, по сравнению с аналогами на других металлических связках (табл. 4).
Таблица 2
Свойства пород, по которым проводили шлифовку
Камень Плотность, г/см3 Пористость, % Истираемость, г/см2 ав при сжатии, МПа
«Мансуровски» 2,75 1,19 0,77 127,1
«Г аббро» 3,28 0,05 313
«Джиль-тау» 2,69 0,35 870
«Цветок Украины» 2,71 0,6-3,1 0,3 1255
Производственные испытания алмазного инструмента при резке мраморов типа Коелгинского показали удельный расход алмазов 0,05 карат/м2, что в три раза меньше существующей нормы (норматив удельного расхода алмазов при резке этой же породы мрамора: природных - 0,07 карат/ м2, син-
тетических - 0,15 карат/ м2). Кроме того, алмазный инструмент с разработанной связкой может быть применен для резки и шлифовки горных пород различной твердости (от мраморов до гранитов), поскольку режущие свойства оказались связаны с объемом фазовых превращений, зависящих от нагрузки.
Рис. 8. Зависимость удельного расхода Рис. 9. Зависимость удельного расхода алмазов от содержания N1 в связке: алмазов от предела прочности камня
1 - «Мансуровски»; 2 - «Габбро»;
3 - «Джиль-тау»; 4 - «Цветок Украины»
Таблица 3
Расход алмазов в алмазном инструменте при производственных испытаниях
Порода мрамора Площадь 2 реза, м Норматив удельного расхода алмазов, карат/м2 Расход алмазов, карат
нормативный фактический
«Коелга» 19,06 0,15 72,18 31,55
«Уфалей» 78,68 0,3
«Буравщина» 0,5 0,5
«Сюськюенсаари» 6,98 1,3
«Г аббро-диабаз» 3,68 1,4
Таблица 4
Сравнительная характеристика удельного расхода алмазов в сегментах при резке мрамора месторождения Шабры (Свердловская область)
Показатель НЦ ПМ, г. Пермь «Кемит-ЛТД», г. Кемерово «СИАЛ», г. Не восибирск
Основа связки Железо Медь Медь
Марка алмазов АС 160 АС 160 А 5 (природный)
Удельный расход алмазов, карат/м2 0,05 0,06 0,11
Таким образом, экспериментально установлено, что в сталях, содержащих 6-18 % Ni, устойчивость аустенита, объем превращения метастабильно-го аустенита в мартенсит деформации, уровень физико-механических и триботехнических свойств зависели от степени гомогенности твердых растворов. Разработан алмазный инструмент нового класса на основе дисперсных мета-стабильных связок. Установлена прямая зависимость прочности и эксплуатационных свойств от объема фазового превращения и обратная зависимость удельного расхода алмазов от объема фазового превращения.
Список литературы
1. Сычев Ю.И., Берлин Ю.Я. Шлифовально-полировальные и фрезерные работы по камню: учебник для средних проф.-тех. училищ. - М.: Строй-издат, 1985. - 312 с.
2. Верещагин В.А., Журавлев В.В. Композиционные алмазосодержащие материалы и покрытия. - Минск: Наука и техтка, 1991. - 208 с.
3. Абразивная и алмазная обработка материалов. Справочник / под. ред. А.Н. Резникова. - М.: Машиностроение, 1977. - 391 с.
4. Захаренко И.П. Алмазные инструменты и процессы обработки. - Киев: Техтка, 1980. - 215 с.
5. Филиппов М.А., Литвинов В.С., Немировский Ю.Р. Стали с метаста-бильным аустенитом. - М.: Металлургия, 1988. - 256 с.
6. Попов В.С., Брыков В.С., Дмитриченко Н.С. Износостойкость пресс-форм огнеупорного производства. - М.: Металлургия, 1971. - 160 с.
7. Анциферов В.Н., Оглезнева С.А., Гревнов Л.М. Фазовые превращения в стальной матрице алмазного инструмента // МиТОМ. - 2009. - № 10. -С.39-42.
8. Оглезнева С. А. Экспресс-метод определения удельного расхода алмазов в лабораторных условиях // Изв. вузов. Цветная металлургия. - 2000. -№ 5. - С. 65-67.
Получено 1.07.2010
