ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНИХ УМОВ ЛАЗЕРНОГО ФОРМУВАННЯ іНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ШАРУ АБРАЗИВНИХ іНСТРУМЕНТіВ Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

■а о

Повiдомляються резуль-

тати дослiджень i встановле-них закономiрностей створен-ня з використанням лазерного випромшювання функцЬональних композитiв Ьз надтвердих матерiалiв Ьнструментального призначення з заданими властивостями. Визначено оптимальнЬ режими та умови спЬкання абразивних композитiв Ьз надтвердих матерЬалЬв

КлючовЬ слова: лазерне спЬкання, надтвердЬ матерЬали, ЬнструментальнЬ композити

□-□

Сообщаются результаты исследований и установленных закономерностей создания с использованием лазерного излучения функциональных композитов из сверхтвердых материалов инструментального назначения с заданными свойствами. Определены оптимальные режимы и условия спекания абразивных композитов из сверхтвердых материалов

Ключевые слова: лазерное спекание, сверхтвердые материалы, инструментальные композиты

■о о

УДК 621.762.55

ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНИХ УМОВ ЛАЗЕРНОГО ФОРМУВАННЯ 1НСТРУМЕНТАЛЬНОГО ШАРУ АБРАЗИВНИХ 1НСТРУМЕНТ1В

О.О. Гончарук

Асистент*

Контактний тел.: 096-749-43-26 E-mail: Alexdgin@gmail.com

Л .Ф. Головко

Доктор техшчних наук, професор* Контактний тел.: (044) 454-96-06 E-mail: Leongolovko@gmail.com

А. М . Л у т а й

Старший викладач* Контактний тел.: 067-209-27-55 E-mail: lutay.a@yandex.ua

О. Д. Ка гл я к

Асистент

Контактний тел.: 068-322-99-67 E-mail: Kaglyak_O@meta.ua

*Кафедра лазерноТ техшки та фiзико-технiчних технолопй Нацюнальний техшчний ушверситет УкраТни «КиТвський пол^ехшчний шститут» пр. Перемоги 37, м. КиТв, УкраТна, 03056

1. Вступ

Лазерне спжання функщональних композипв i3 надтвердих матерiалiв (НТМ) шструментального призначення з заданими властивостями включае наступш фiзичнi процеси: взаемодш лазерного випромшювання зi складовими композиту (зернами НТМ та металевими частками порошково! сум1ш зв'язки), поглинання та пропускання; на^вання зерен НТМ, трiщиноутворення, на^вання та плавлення компонентiв порошково! сум1т; змочування розпла-вом зерен НТМ та утворення на !х поверхнях тонких металевих плiвок, дифузiйнi та хiмiчнi процеси на гра-ницях зерно НТМ - плiвка - зв'язка, структурно-фазовi перетворення при охолодженш закристалiзованого розплаву [1].

Мщнкть М1цнкть Коефодент

НТМ НТМ i3 зв'ятки

Рис. 1. Схема мехашзму лазерного спiкання функщональних композитiв i3 НТМ iнструментального призначення з заданими властивостями

©

Вихщними характеристиками процесу лазерного сткання абразивних композипв 1нструментального призначення е мщшсть зерен НТМ та '1х зчеплен-ня з1 зв'язкою, зносост1йк1сть. Для встановлення взаемозв'язюв м1ж головними технолопчними параметрами процесу i характеристиками якост композиту, наочност1 i спрощення цiлiсного представлен-ня про течш фiзико-xiмiчниx процесiв при спжанш абразивних композитiв iз надтвердих матерiалiв iнструментального призначення з заданими власти-востями розроблено схематизовану фiзичну модель процесу сткання, яка представлена на рис. 1. Ii струк-турним стрижнем е вщображення послiдовностi дш фiзичноí, xiмiчноí i мехашчно! природи.

2. Постановка задачi

Метою даного дослщження е визначення оптималь-них режимiв та умов спiкання абразивних композипв iз надтвердих матерiалiв шструментального призна-чення з заданими властивостями.

(ТУ48-19-383-90(0,65(ПГ-10Н-01) + 0,35(WC))), ПГ-ПН6, Бр010 (Sn-10%, iнше Cu).

Таблиця 1

3. Методика дослвдження

Марка шшфпорошюв КНБ Мщшсть зерен, Н

Даш вим1р1в Даш вим1р1в виробниюв

CBN 100(D1) 13,0 -

КВ 250/200. 14.08.07. 12,1 13,2

КНБ КВ 250/200 (п.1031) 9,4 9,4

КВ 250/200. Партия 175 8,5 -

КР 200/160 (Н160%) 8 10,5

Одше'1 з основних завдань дослщження е визначення максимальних значень температур надшвидюсного лазерного нагрiвання рiзниx синтетичних НТМ

i вiдповiдниx 1м умов опромiнення, при яких не спостеря-аеться зниження 1хньо'1 мiцностi.

Як вщомо, метали краще поглинають випромшення

з довжиною xвилi \ =1,06 мкм, тому на нашу думку е дощльним встановлення залежностей формування наплавлених композитних шарiв та визначення впли-ву вказано'1 довжини на мщшсть КНБ. Для вказаних дослщжень використовувався лазерний теxнологiчний комплекс на базi Nd: YAG-Лазер «DY044» з довжиною xвилi випромiнювання А=1,06 мкм.

Прямий вплив лазерного опромшення на КНБ визначався за методикою розглянутою в [2,3]. Для дослщження впливу А=1,06 мкм були обранi шлiфувальнi порошки п'яти марок, вих1дна мщшсть при статичному навантаженш яких представлена в табл.1. Визначення показника статично'1 мщносп шлiфпорошкiв КНБ проводили за стандартною методикою на приладi моделi ДА-2. Сутнiсть методу -визначення значень статичного навантаження, що руйнуе зерна КНБ, помщеш мiж двома паралельними пластинами.

Лазерне опромiнення зерен КНБ здшснювалося при наступних параметрах обробки - дiаметр плями фокусування (d=3 мм), швидкiсть перемiщення заготовки вщносно променя (V=0,04-3 м/хв), потужшсть лазерного випромiнювання Р=0,3 - 3 кВт.

Паралельно проводилися дослщження по встанов-ленню впливу технолопчних параметрiв на процес формування та геометрш наплавленого композицiйного матерiалу. Вивчення впливу лазерного опромiнення на характер структури (дисперсшсть, однорiднiсть, розподш легуючих елементiв) проводилося на зраз-ках iнструментальниx композитiв рiзниx систем, що вiдрiзняються температурою плавлення й твердктю: ПГ-12Н-01 (ТУ48-19-383-90), ХТН23, ПС-12Н-ВК

Зразки з ущшьненими й зволоженими цапонлаком порошковими композитами (по методу «шлжерно!» обмазки [4]), розмiшувались на щдложщ виготовленiй зi сталi 30, тддавалися лазерному опромiненню з рiзними довжинами хвилi при наступних параметрах: на лазерно-технолопчному комплексi «ЛАТУС 31» (СО2 - лазер, довжина хвилi А=10,6 мкм) обробка про-водилася на повг^ при рiзнiй щшьносп потужностi в межах Wp=(0.3-6.37)x104 Вт/см2 i часу обробки т=0,15-0,45 сек. Лазерний технолопчний комплекс «DY044» на базi Nd:YAG - лазера дозволяв варшвати параметри обробки в широких межах: зразки пщдавалися лазерному опромшенню на повiтрi й при додатковому захисп в середовишД аргону з витратою 2-20 л/хв, щшьносп потужностi в межах Wp=(0.1-1.4)x104 Вт/см2 i часу обробки т=0,06-4,5 сек.

Пiсля опромiнення зразки вивчалися застосуван-ням методiв растрово! електронно! мiкроскопГi, локального й штегрального рентгеноспектрального елемент-ного аналiзу, вимiрювалась мiкротвердiсть отриманих валикiв, макро- i мiкроструктурний !х аналiз.

При прямому опромшенш шлiфпорошкiв КНБ, якi частково прозорi для розглянутих довжин хвиль, частку поглинено! енергп випромiнювання важко прогнозувати [2]. У зв'язку iз цим становить штерес дослiдження взаемодп лазерного випромiнювання iз зернами КНБ при непрямому швидюсному нагрiваннi за рахунок лазерного оплавлення порошюв при сп жант композитiв з рiзними типами зв'язки (ПС-12 Н-ВК, ПГ-ПН6, ПГ-12Н-01, ХТН23, Бр010 i мехашчно! сумiшi Си(80%) + Sn(20%)), у якi попередньо були помщеш зерна КНБ. При цьому формування шструментального композита здшснювалося по схемах наведеним на рис. 2.

Рис. 2. Схеми розмщення зерен КНБ при формуванш шструментального композита: а - на поверхш зв'язки; б -тд шаром зв'язки на шдложщ; в - мехашчна сумш КНБ i зв'язки з 100% концентраЩею КНБ

Обробка вс ix зразк iB проводилася при розташуванн i точки старту й зупинки променя за межами зразка на вщсташ 40 мм, для запобп-ання процеав перегрiву зразюв i рiвномiрностi швидкостi обробки.

4. Результати дослщжень та ïx обговорення

Аналiз результатiв вимiру мiцностi шлiфпорошкiв КНБ при статичному навантаженнi показав, що шлiфпорошки всiх марок, при лазерному нагршант при обробцi з довжиною хвилi \ =10,6 мкм, зi швидкiстю перемiщення лазерного променя в1д 0,2 до 2,0 м/хв. та при щшьносп потужностi Wp=(0.3-6.37)x104 Вт/см2 практично не втрачають свое! вихщно! мiцностi, хоча i е невелике падiння мiцностних характеристик у межах 10-15%, про що свщчать дат наведет на дiаграмi рис. 3.

Наявтсть же зерен КНБ iз низькою мiцнiстю пiсля лазерного на^вання, у яких показник мщност на зазначених режимах дорiвнюе 2,6 Н, що приблиз-но в 5 - 6 разiв нижче, нiж аналогiчний показник у вихщних шлiфпорошкiв, св1дчить про наявтсть у вибiрцi графiтоподiбного a-BN, В№р, що слугуе вихiдним матерiалом при утворенш р-В^ BNк у присутносп металiв (!хшх нiтридiв i боридiв) лужно! та лужноземельно! груп перюдично! системи елементiв, вiн мае низьку вихщну мiцнiсть i потрапив у вибiрку у виглядi зерен бшого кольору [5].

Рис. 3. Загальна дiаграма розподiлу статично! мiцностi шлифпорошков рiзних марок вiд впливу швидкосп пере-мiщення й дiаметра променя лазера при обробц з X =10,6 мкм: 1 - d=7 мм; V=0,8 м/хв; P=800 Вт; 2 - d=7 мм; V=1,4 м/хв; P=800 Вт; 3 - d=7 мм;

V=2,0 м/хв; P=800 Вт

Трохи iнша картина розподшу статично! мiцностi шлiфпорошкiв розглянутих марок при лазернш обробцi з X =1,06 мкм. Дiаграми вимiру статично! мiцностi представленi на рис. 4.

Така значна втрата статично! м щносп шлiфпорошкiв КНБ при обробщ лазерним випромiнюванням з X =1,06 мкм, пояснюеться високо! поглинальною здатнiстю КНБ до дано! довжини хвил^ а також вiдсутнiстю захисту зони лазерного впливу вщ окислювачiв з на-вколишнього середовища. Як показали дослщження при подачi в зону обробки захисного шертного газу аргону з витратою 10 л/хв, юльюсть зруйнованих зерен рiзко зменшуеться. Вщзначимо, що застосування аргону сприяло пщвищенню швидкостi формування наплавочних валиюв i полiпшенню якiсних показниюв наплавлення. Однак навiть без застосування захисту задовшьш показники мiцностi показуе шлiфпорошок марки КВ 250/200 виробництва 1НМ ш. Бакуля. Що

вщкривае перспективи ефективного його використан-ня при формуванш iнструментальниx композитiв методом лазерного селективного сткання.

Режими апром|нення

Рис. 4. Загальна дiаграма розподiлу статично!' мiцностi шлiфпорошкiв рiзних марок вiд впливу швидкостi перемщення й потужностi лазерного випромiнювання при

обробЩ з \ =1,06 мкм: : 1 - d=3 мм; V=0,1 м/хв; P=300 Вт; 2 - d=3 мм; V=1,4 м/хв; P=600 Вт; 3 - d=3 мм;

V=2,0 м/хв; P=900 Вт

Аналiз даних результатiв досл1джень по впливу лазерного опромшення на процес формування та властивосп абразивних композитов дозволив зробити висновок, що враxовуючi значно меншi енергетичнi витрати дощльно використовувати для виготовлен-ня композитов iз НТМ iнструментального призначення порошки на основi мiдi, зокрема композити Бр010 та ПГ-19М-01. У випадку виготовлення бшьш зносостiйкого композиту дощльно застосовувати порошки ПС-12Н-ВК, яю при лазерному опромшюванш утворюють в матрицi iнструменту тугоплавкi карбщи. З метою визначення теxнологiчниx режимiв лазерного випромiнювання на фiзико-меxанiчнi властивостi композитiв ПГ-12Н-01, ПС-12Н-ВК, Бр010, ПГ-19М-01, ПГ-ПН6, ХТН23, зокрема мжротвердосп, була проведена серiя експерименпв. При лазерному спiканнi з довжиною xвилi 10,6 мкм вимiрювання мжротвердосп проводили у центрi сформованого валика та в зон термiчного впливу; у дослщних зразках композитiв, отриманих при лазерному опромшюванш з довжиною xвилi 1,06 мкм вимiрювання здшснювали в трьох точках: центр валика, перехщна зона п1д валиком (зона з'еднання матерiалу основи з композитом), а також у зош термiчного впливу матерiалу основи. Бшьш детально данш експериментальних дослщжень будуть представленнi в окремiй публшацц.

Пiсля аналiзу експериментальних дослiджень сформульована технолопчна послiдовнiсть спiкання: спочатку розплавляемо лазерним випромiнюванням сумiш зв'язуючого, а попм в у розплав, що утворився занурюемо зерна надтвердих матерiалiв. Це дозволяе зменшити термiчне навантаження на зерна НТМ i значно розширити функщональт можливостi зв'язок з урахуванням температури !х плавлення.

На рис.5 та 6 показаш област визначення оп-тимальних енергетичних параметрiв лазерного випромiнювання при стканш функцiональниx композитiв iз НТМ шструментального призначення з заданими властивостями.

З наведених рисунюв визначеш оптимальнi енергетичнi параметри концентрованого лазерного опромшювання порошкiв КНБ [(0,5-1,5)^104 Вт/см2, час до! 0,2-0,3 с, швидюсть вiдносного руху

0,8-2,0 м/хв.], що забезпечують температурний штервал !х нагр1вання в д1апазош 1000 - 1500 °С, яке не чинить негативного терм1чного руйшвного впливу на зерна куб1чного штриду бору. Це дозволяе з принци-пово високою продуктившстю 1 низькою соб1варт1стю процесу формувати кубоштвм1щуюч1 композити для р1зномаштно! номенклатури шструмент1в з точки зору форми, геометричних розм1р1в та властивостей зв'язок; створен передумови для лазерного селективного со-ртування та лазерного модиф1кування порошшв КНБ.

дисперсшстю 40 - 60 мкм, як на основi мiдi (80 % Cu+20 % Sn), Бр010, ПГ-19М-01 так i на основi шкелю (ПС-12Н-ВК) у залежностi вiд функционального при-значення iнструмента, властивостей матерiалу, що обробляеться. Для пiдвищення щшьносп, мiцностi i надiйностi утримання зерен НТМ у зв'язщ, а також зменшення напружень, як виникають при лазерному стканш, виключення трiщиноутворення, збереження пластичних властивостей композиту до його складу важливо i дощльно додавати активш добавки (Ni, Co), а також домшки функцiонального призначення (Cu, Ti).

Порошкову сумiш композиту дощльно подавати плавно, без пульсацш, безпосередньо у зону ди лазерного випромшювання пiд кутом 45° до поверхш, що опромiнюеться, в слвд лазерного променя, тобто в ванну розплавленого металу. Витрати порошку повинш бути дозоваш i регульоваш в межах 0,1 - 0,5 г/с. Не витрачений в процес сткання порошок необxiдно обов'язково видаляти iз зони випромiнювання.

5. Висновки

Рис. 5. Область оптимальних технолопчних режимiв лазерного спiкання композитiв iз НТМ з довжиною хвилi \=10,6 мкм

Рис. 6. Область оптимальних технолопчних режимiв лазерного спiкання композилв iз НТМ з довжиною хвилi Х=1,06 мкм

У якостi зв'язуючого шструментальних композитiв необxiдно використовувати металевi порошки

Визначенi оптимальнi областi технолопчних параметрiв лазерного випромiнювання для сткання функцюнальних композитiв iз НТМ шструментального призначення дозволяють зробити наступнi висновки: найбшьш економiчним i перспективним з точки зору виготовлення шструментальних компози^в е використання лазерного випромшювання з довжиною xвилi \=1,06 мкм. Застосування такого лазерного випромшювання значно розширюе технолоичш можливост сткання. У випадку ж застосування захис-них газiв зона режиму лазерного випромшювання стае ще б шьшою за рахунок зб шьшення швидкостi. Останне позитивно впливае на зменшення термiчного наванта-ження на абразивн зерна iз надтвердих матерiалiв. Теxнологiчнi режими лазерного опромьнювання: щiльнiсть потужностi Wр=(0,5-2,0) *104Вт/см2; час взаемодп варiювати у межах 0,1 - 0,3 с. Витрати за-хисного газу у межах 10 ±2 л/хв.; оптимальна величина нанесеного шару при виготовленш дискового абразивного шструменту за один оберт 0, 3 - 0,5 мм.

Л^ература

1. Головко Л.Ф., Лук'яненка С.О. Монограф1я. Лазерш технологи та комп'ютерне моделювання [Текст] - К.:В1стка, 2009. -295С.

2. О.О. Гончарук, ас., Л.Ф.Головко, проф., В.Г.Сороченко, к.т.н., А.М.Лутай, ст. викл., О.Д. Кагляк, ас. Вплив лазерного опро-мшення з р1зною довжиною хвил1 на м1цнестн1 характеристики куб1чного штриду бору [Текст]. - В1сник нащонального тех-н1чного ун1верситету «ХП1». Зб1рник наукових праць. Тематичний випуск: Нов1 р1шення в сучасних технолог1ях. - Харюв: НТУ «ХП1» - 2012. - №33 - с.37-44.

3. Головко, Л.Ф. Влияние лазерного нагрева на прочность кубического нитрида бора при статическом нагружении [Текст]. / Головко, Л.Ф., Гончарук О.О., Кагляк О.Д. // Восточно-европейский Журнал передовых технологий - 2010. - №1/6(43) - с. 4-10.

4. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. - 2-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 664 е.: ил.

5. Гончарук А.А., Головко Л.Ф., Лутай А.Н., Ключников Ю.В. Влияние лазерного нагрева на фазовый состав и структуру кубического нитрида бора. - Зб1рка матер1ал1в VI М1жнародно1 науково-техшчно! WEB-конференцп "Композицшш матер1али" - 2012. - с.58-61.

Е

Abstract

The basic parameters, which determine the physical and chemical processes occurring in the surface layer during the laser sintering of composites from superhard materials, are temperature, time of heating and cooling rate. These parameters are directly dependent on a number offactors related to the laser beam, the powder mixture components and the implementation of the terms of the technological sintering process. The ultimate goal of the laser sintering is to provide to the surface layer of composite a set of physical-mechanical and performance properties. Between the physicochemical processes and performance properties there is an ordered tie through the qualitative characteristics of the formed surface layer of the composite with superhard material. The determination of the interactions allows us to design technological processes to obtain a secure result of laser sintering of composites with superhard materials of tool purpose. In this article the mechanism and factors, affecting the formation of tool abrasive layer during the laser sintering with different wavelength, was considered. The ranges of optimum conditions of irradiation without loss of superhard material abrasive properties were determined.

Keywords: laser sintering, superhard materials, tool composites

У цш статтi розглянутi рЬт варiанти синтезу шаруватих сполук графту. Розглянуто шляхи синтезу шаруватих сполук графту з штеркалантами, ят мають атонну структуру, коли у мжплостсний простiр графту проникають рiзнi анюни неоргашчних сполук. Шаруватi сполуки графту, що синтезуються, в подальшому можуть знайти застосування в ливарному виробництвi та обробщ металiв тиском

Ключовi слова: шаруватi сполуки графту, штеркаляцш, акцепторн сполуки графту,

донорт шаруватi сполуки

□-□

В данной статье рассмотрены различные варианты синтеза слоистых соединений графита. Показаны пути синтеза слоистых соединений графита с интеркалантами, имеющими анионную структуру, когда в межплоскостное пространство графита внедряются различные анионы неорганических соединений. Синтезируемые слоистые соединения графита в перспективе могут найти применение в литейном производстве и обработке металлов давлением

Ключевые слова: слоистые соединения графита, интеркаляция, акцепторные соединения графита, донорные слоистые соединения

УДК 546.26-162

СЛОИСТЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ГРАФИТА

А.Н. Довгаль*

А. А. Костиков

Кандидат физико-математических наук, доцент* Контактный тел.: 067-702-59-82 Е-mail: al_kost_63@mail.ru

A. А. Куз н е цо в

Кандидат химических наук, доцент* Контактный тел.: 050-597-45-46

B.Н. Черномаз

Кандидат физико-математических наук, доцент,

заведующий кафедрой Контактный тел.: (0626) 41-69-56 Е-mail: pm@dgma.donetsk.ua

*Кафедра прикладной математики Донбасская государственная машиностроительная

академия

ул. Шкадинова, 72, г. Краматорск, Донецкая обл.,

Украина, 84313

1. Получение и химические свойства слоистых соединений графита

Графит - одна из кристаллических модификаций углерода. Представляет собой систему плоских полиароматических слоев с углеродными атомами в зр2-гибридных состояниях. Каждый С-атом в плоскости связан с тремя соседними ковалентными связями с длиной 0,1417 нм [1]. Полиареновые слои связаны слабыми дисперсионными, ван-дер-ваальсовыми, диполь-дипольными взаимодействиями; межосевое рассто-

яние составляет 0,3345 нм. Теоретическая плотность графита 2265 кг/м; но для реальных образцов, как правило, несколько ниже [2].

Идеальная решетка графита представлена двумя кристаллографическими модификациями: гексагональной, в которой атомы углерода располагаются точно над (или под) центрами гексагонов соседнего слоя (последовательность слоев аоаоао ... ) и ромбоэдрической, где второй и третий слои сдвинуты относительно первого (последовательность аосос ... ) [2,3]. Реальные графиты отличаются от идеальных наличием дефек-

32^..........................................................................................................

©