CC BY
6ОБОРУДОВАНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ^Vl
УДК 621.922
ШЛИФОВАЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ НА ОСНОВЕ СИЛИКОКАРБИДА ТИТАНА
Г.И. СМАГИНканд. техн. наук, доцент,
В.Н. ФИЛИМОНЕНКО1, канд. техн. наук, доцент,
Н.Д. ЯКОВЛЕВ1, ст. преподаватель,
М.А. КОРЧАГИН2, доктор техн. наук, с.н.с.,
В.Ю. СКИБА1, канд. техн. наук, доцент,
(НГТУ, г. Новосибирск,
2ИХТТМ СО РАН, г. Новосибирск)
Статья поступила 14 января 2011 г.
Смагин Г.И. - 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20 Новосибирский государственный технический университет, e-mail: G.Smagin@ngs.ru
В предлагаемой статье исследуется новый материал, полученный по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). По результатам исследований авторов предлагается его применение для изготовления бессвязочных абразивных кругов, использующихся на операциях суперфиниширования и чистовой шлифовки различных материалов.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС); СВС абразивные круги; СВС связка; шлифовальные круги без связки; эталонный обрабатываемый материал; коэффициент шлифования; удельный съем материала при шлифовании.
ВВЕДЕНИЕ
Потребность техники в абразивных инструментах продолжает оставаться высокой. В настоящее время промышленность начинает применять новые абразивные круги, созданные при использовании метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [1 - 3]. Метод СВС обладает рядом специфических особенностей, отличающих его от традиционных способов получения неорганических соединений. В первую очередь, к ним следует отнести высокие температуры в волне СВС и быстротечность процессов реагирования исходных компонентов, протекающих при градиентах температуры до 106 К/с. Кроме того, минимальные внешние энергетические затраты и простота оборудования, возможность синтеза больших количеств продукта и его чистота делают СВС весьма привлекательным по сравнению с традиционными методами. В настоящее время наиболее широкое использование метода СВС в машиностроении наблюдается для получения абразивных материалов, применяемых в производстве абразивных порошков, доводочных паст и, существенно в меньшей мере, шлифовальных кругов [3].
Традиционные разработки шлифовальных кругов с использованием данного метода (СВС) связаны обычно с добавлением в связку дополнительного
абразива и изменения его зернистости и концентрации с целью увеличения режущей способности кругов на черновых операциях шлифования. В частности, с использованием этого подхода был получен шлифовальный инструмент на основе систем Т1Б2 -Ме и ТЮ - Ме (где Ме - интерметаллическая или металлическая матрица) с добавками абразивов А1203 или АС; КР различной зернистости [1]. В этих системах - Ме является связкой, а Т1Б2 и добавочный абразив - режущими частицами. В настоящей работе приведены результаты по получению методом СВС абразивного инструмента на основе силикокарбида титана Т1381С2 и результаты его испытаний.
Шлифовальный инструмент, изготовленный по технологии СВС на основе силикокарбида титана, состоящий из одних абразивных частиц и пор, получил название бессвязочный. В работе [4], где также разработан бессвязочный шлифовальный круг, технология изготовления инструмента состоит из импульсного прессования абразивного мелкодисперсного порошка с последующим высокотемпературным спеканием в вакууме. В предлагаемом же варианте изготовления абразивного круга на первое место выходит более экономичная технология изготовления абразивного инструмента (СВС) с получением монофазного продукта Т^1С2.
Силикокарбид титана, по данным [9], имеет высокую температуру разложения (2300 °С), низ-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ОБОРУДОВАНИЕ
кую плотность - 4,5 г/см и характеризуется достаточно высокими значениями модуля упругости и модуля сдвига, соответственно равными 326 ГПа и 135 ГПа. Кроме того, материал имеет достаточно высокую вязкость разрушения при комнатной температуре - 7.. .12 Дж/м , а его тепло- и электропроводность выше, чем у титана. Материал мало чувствителен к термическим ударам.
Такой комплекс свойств вызывает значительный интерес к Т1381С2, и поэтому на данный момент существует большое количество работ по его синтезу [5-8]. Анализ приведенных в литературе данных показывает, что наиболее часто используемыми методами получения силикокарбида титана являются различные варианты реакционного спекания или изостатического прессования. Однако практически во всех работах отмечаются трудности получения монофазного Т1381С2. Как правило, в продуктах синтеза помимо силикокарбида присутствует карбид титана или 81С.
Проблему получения строго монофазного Т^Ю2 нам удалось решить путем объединения возможностей предварительной механической активации смеси исходных реагентов, определенного состава и последующего СВС в атмосфере аргона.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для приготовления исходных реакционных смесей использовались порошки: титана (марки ПТОМ-2), полупроводникового кремния и ламповая сажа (марки ПМ-15). Механическую активацию (МА) реакционных смесей проводили в планетарной шаровой мельнице АГО-2 с водяным охлаждением [10]. Объем каждого из двух стальных барабанов мельницы 160 см3. Диаметр шаров 8 мм, масса шаров в каждом барабане 200 г, масса образца 10 г. Центробежное ускорение шаров 600 м/с (60 g). Для предотвращения окисления во время МА барабаны с образцами вакуу-мировались и затем заполнялись аргоном до давления 0,3 МПа. После МА образцы выгружались из барабанов в боксе с аргоновой атмосферой.
Активированные реакционные смеси с небольшим уплотнением (до относительной плотности 0,3.0,35) загружались в графитовый тигель диаметром 40 мм с центральным графитовым стержнем диаметром 10 мм. Сжигание образцов проводили в проточном СВС-реакторе объемом 6 литров. Перед инициированием СВС-реактор с образцом продувался аргоном. Во время СВС и до полного остывания продуктов горения в реактор постоянно подавался аргон со скорость 9,5 л/мин. Инициирование горения осуществляли с помощью стандартного запального состава (Т1 + 2В) + 35 мас. % N1 массой 0,5 г. Поджигание этого запального состава производили
нихромовой спиралью, нагреваемой электрическим током. Для измерения скорости и температуры горения использовались закрепленные на определенном расстоянии друг от друга вольфрам-рениевые термопары (ВАР 5/ВР 20) диаметром 100 мкм. Сигналы от термопар записывались на шлейфовом осциллографе Н-117/1.
Реакционные смеси после механической активации и продукты СВС исследовались с помощью рентгенофазового анализа (РФА) и сканирующей электронной микроскопии. Рентгенограммы снимались на дифрактометре ДРОН-3,0 с использованием СиКа излучения. Электронно-микроскопическое излучение проведено на микроскопах 18М-Т20 и ШМ-2000 БХ-П фирмы «ШОЬ».
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проведенных экспериментов по подбору соотношения концентрации исходных реагентов и продолжительности механической активации реакционных смесей найдены условия, обеспечивающие реализацию СВС в данной системе, с образованием в качестве конечного продукта строго монофазного соединения Т1381С2. Для примера на рис. 1 приведена рентгенограмма полученного продукта.
При исследовании полученных образцов на сканирующем электронном микроскопе было установлено, что продукты СВС представляют собой пористый, хорошо проплавленный спек с пластинчатой микроструктурой. На рис. 2 изображена микрофотография поверхности полученного продукта СВС.
При исследовании поперечных сколов этих продуктов при большем увеличении было обнаружено, что пластинчатые частицы состоят из более тонких, плотноупакованных пластинок толщиной 0,07.0,2 мкм (рис. 2).
20, град.
Рис. 1. Рентгенограмма продукта СВС
ОБОРУДОВАНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Чм
Объединение этих тонких пластинок в блоки могут представлять собой уже размеры в среднем (40x8x5) мкм. Продукт состоит из хаотично расположенных блоков пластин разных размеров - от игольчатых до спаянных в блоки. Для технолога выход этих блоков на поверхность и будет представлять абразивный слой шлифовального круга (рис. 2 и 3).
Рис. 2. Микрофотография поверхности продукта СВС
Испытание полученных кругов из данного материала с размерами 40x30x10 мм, выполненных по форме А8 (круги для внутренней шлифовки), проводились шлифованием по упругой схеме. При шлифовании в качестве детали использовались эталонные образцы из поделочного камня серпан-тенита сечением 10x10 мм. По аналогии с испытаниями шлифовальных кругов, приведенными в [2], нагрузка на каретку (с закрепленной на ней образцом для обработки из поделочного камня) на шариковых направляющих назначалась в 25Н. Скорость шлифования равнялась 3000 об/мин, при охлаждении водой.
Традиционные исследования составов шлифовальных кругов связаны с добавлением в связку (шихту) дополнительного абразива или других наполнителей с целью увеличения режущей способности круга и изменения его зернистости для технологических целей, отсюда и были проведены подобные исследования кругов с разными шихтами по абразиву. Оказалось, что шихта, как матрица, состава Т1381С2 весьма чувствительно реагирует на такие добавки. Так, добавка 5 % абразива 81С зернистостью 80 мкм к общему объему шихты снизила прочность корпуса круга в три раза, по сравнению с прочностью круга без дополнительной добавки абразива.
Отсюда рекомендация: исследуемый состав рационально применять без дополнительных добавок абразива, но в этом случае применение таких кругов ограничивается чистовыми и доводочными операциями шлифования, а сами круги войдут в классификацию как бессвязочные. Эксплуатационные испытания указанных кругов представлены на рис. 4. Исследован режим обработки по упругой схеме шлифования материала типа серпантенит (змеевик) твердостью 5 по Моосу.
Рис. 3. Микроструктура полученного карбосилицида титана
В экспериментах по получению абразивного инструмента цилиндрической формы заданных размеров было установлено, что после предварительной механической активации смеси исходных реагентов в течение 2 мин, скорость распространения волны СВС составляет 8 ± 2 мм/с. Максимальная температура в волне горения этих образцов равна 1550 ± 200 °С.
Пластинчатые структуры СВС соединения Т1381С2 обладают абразивными свойствами, и поэтому представляет большой интерес для разработки нового шлифовального инструмента.
Рис. 4. Влияние добавки абразива БЮ (80 мкм) в шихту круга СВС Т13Б1С2 на коэффициент шлифования (К), сошлифованный объем образца - Q, прочность круга в % по отношению к исходному образцу
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Вывод
Новый шлифовальный инструмент, относящийся к абразивным инструментам без связки, показал свою работоспособность при обработке материала типа серпантенит, обладает необходимыми прочностными и режущими характеристиками. Зернистость шлифовального круга обеспечивается способом его изготовления, т. е. размерами блоков, составляющих его структуру, 20.. .40 мкм в результате реакции СВС и состава шихты. Количественно параметр «концентрация абразивных частиц» в круге в рассматриваемом случае является предельно возможным, а абразивный инструмент после операции спекания методом СВС относится уже к бессвязочному (абразив плюс поры).
Список литературы
1. Смагин Г.И. Получение шлифовальных кругов методом самораспространяющегося температурного синтеза / Г.И. Смагин, Н. Д. Яковлев, М.А. Корчагин // Инструмент Сибири. - 2001. - № 1(10). - С. 23 - 29.
2. Смагин Г.И. Особенности СВС технологий изготовления абразивных шлифовальных кругов и их маркировка / Г.И. Смагин, В.Н. Филимоненко, Н.Д. Яковлев, М.А. Корчагин // Обработка металлов. - 2010.- № 3. -С. 22 - 25.
3. Мержанов А.Г. Процессы горения и синтеза материалов / под ред. В.Т. Телены, А.В. Хачаяна. - Черноголовка: Изд-во ИСМАН, 1998. - 512 с.
ОБОРУДОВАНИЕ
4. Орбинский В.М. Повышение точности обработки при суперфинишировании новым абразивным инструментом без связки /В.М. Орбинский, А.И. Банников, О.А. Макарова, А.И. Курченко // Обработка металлов. -2001. - № 2(13). - С. 11 - 13.
5. Jianfeng Zhang, Lianjum Wang, Lu Shi, Wan Jiang , Lidong Chen. Rapid fabrication of Ti3SiC2 - SiC nanocom-posite using the spark plasma sintering - reactive synthesis (SPS - RS) method // Scripta Materialia. - 2007. - Vol. 56. - Issue 3. - P. 241 - 244.
6. Daniel P. Riley, Erich H. Kisi, David Phelan. SHS of Ti3SiC2 : ignition temperature depression by mechanical activation // Journal of the European Ceramic Society. - 2006. -Vol. - 26. - P. 1051 - 1058.
7. Zhu Jiaoqun, Mei Bingchu. Effect of aluminum on synthesis of Ti3SiC2 by spark plasma sintering (SPS) from elemental powders // Journal of Materials Synthesis and Processing. - 2002. - Vol. 10. - No. 6. - P. 353 - 358.
8. Shi - Bo, Hong - Xiang Zhai. Synthesis and reaction mechanism of Ti3SiC2 by mechanical alloying of elemental Ti, Si, and C powders // Journal of American Ceramic Society. - 2005. - Vol. 88. - No. 8. - P. 2092 - 2098.
9. Надуткин А.В. Синтез и микроструктура керамических наноламинатов на основе Ti3SiC2. / А.В. Надуткин, П.В. Истомин, Е.И. Истомина // Тезисы VIII Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии. - Кисловодск, 2008. - С. 142.
10. А.с. №975068 (СССР). Аввакумов Е.Г., Поткин А.Р., Самарин О.И.. Планетарная мельница // Бюллетень изобретений. - 1982. - № 43.
THE GRINDING TOOL ON A BASIS TITAN SILICON KARBID
G.I. Smagin, V.N. Filimonenko, N.D. Yakovlev, M.A. Korchagin, V.Y. Skeeba
In offered article the new material received on technology of self-propagating high-temperature synthesis (SHS) is investigated. On materials of researches of authors its application for manufacturing a abrasive wheels without bond used on operations finish grinding and final grinding of various materials is offered.
Key words: self-propagating high-temperature synthesis (SHS); abrasion SHS wheel marking; grinding wheels without bond; model work material; G-ratio; material removal rate.
