Инструмент из поликристаллического алмаза (PCD) изготавливается из наконечника ножа из поликристаллического алмаза и карбидной матрицы методом высокотемпературного и высокодавленческого спекания. Он позволяет в полной мере использовать преимущества высокой твердости, высокой теплопроводности, низкого коэффициента трения, низкого коэффициента теплового расширения, малого сродства к металлам и неметаллам, высокого модуля упругости, отсутствия сколов и изотропности, а также учитывает высокую прочность твердого сплава.
Термостойкость, ударная вязкость и износостойкость являются основными показателями характеристик поликристаллического алмаза (PCD). Поскольку он в основном используется в условиях высоких температур и высоких нагрузок, термостойкость имеет первостепенное значение. Исследование показывает, что термостойкость PCD оказывает большое влияние на его износостойкость и ударную вязкость. Данные показывают, что при температуре выше 750℃ износостойкость и ударная вязкость PCD, как правило, снижаются на 5–10%.
Кристаллическое состояние поликристаллического алмаза (PCD) определяет его свойства. В микроструктуре атомы углерода образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами, получая тетраэдрическую структуру, а затем формируя атомный кристалл, обладающий сильной ориентацией и связующей силой, а также высокой твердостью. Основные эксплуатационные характеристики PCD следующие: ① твердость может достигать 8000 HV, в 8-12 раз выше, чем у карбида; ② теплопроводность составляет 700 Вт/мК, в 1,5-9 раз выше, чем у поликристаллического кубического нитрида бора (PCBN) и меди; ③ коэффициент трения обычно составляет всего 0,1-0,3, что значительно меньше, чем у карбида (0,4-1), существенно снижая усилие резания; ④ коэффициент теплового расширения составляет всего 0,9-10⁻⁶-1,18-10⁻⁶, что составляет 1/5 от коэффициента теплового расширения карбида, что позволяет уменьшить термическую деформацию и повысить точность обработки; ⑤ и неметаллические материалы обладают меньшей склонностью к образованию узелков.
Кубический нитрид бора обладает высокой стойкостью к окислению и может использоваться для обработки железосодержащих материалов, но его твердость ниже, чем у монокристаллического алмаза, скорость обработки низкая, а эффективность — низкая. Монокристаллический алмаз обладает высокой твердостью, но недостаточной ударной вязкостью. Анизотропия облегчает диссоциацию вдоль поверхности (111) под воздействием внешней силы, что ограничивает эффективность обработки. Поликристаллический алмаз (PCD) — это полимер, синтезированный из микроразмерных алмазных частиц определенным способом. Хаотическая природа неупорядоченного скопления частиц приводит к его макроскопической изотропности, и в прочности на растяжение отсутствуют направленные и сколовые поверхности. По сравнению с монокристаллическим алмазом, границы зерен PCD эффективно снижают анизотропию и оптимизируют механические свойства.
1. Принципы проектирования режущих инструментов из поликристаллического алмаза (PCD).
(1) Разумный выбор размера частиц PCD
Теоретически, при обработке поликристаллическим алмазом (PCD) следует стремиться к измельчению зерен, а распределение добавок между изделиями должно быть максимально равномерным для преодоления анизотропии. Выбор размера частиц PCD также зависит от условий обработки. В целом, PCD с высокой прочностью, хорошей ударной вязкостью, хорошей ударопрочностью и мелким зерном можно использовать для чистовой или сверхчистовой обработки, а PCD с крупным зерном — для общей черновой обработки. Размер частиц PCD может существенно влиять на износостойкость инструмента. В соответствующей литературе указывается, что при большом размере зерна исходного материала износостойкость постепенно увеличивается с уменьшением размера зерна, но при очень малом размере зерна это правило неприменимо.
В ходе соответствующих экспериментов были выбраны четыре алмазных порошка со средним размером частиц 10 мкм, 5 мкм, 2 мкм и 1 мкм, и был сделан вывод, что: ① С уменьшением размера частиц исходного материала диффундация кобальта происходит более равномерно; ② с уменьшением износостойкости и термостойкости PCD постепенно снижаются.
(2) Разумный выбор формы лезвия и толщины лезвия.
Форма заточки лезвия в основном включает четыре типа: перевернутая кромка, затупленный круг, комбинированная перевернутая кромка и затупленный круг, а также острый угол. Затупленная угловая структура обеспечивает остроту кромки, высокую скорость резки, значительно снижает усилие резания и образование заусенцев, улучшает качество поверхности изделия, больше подходит для обработки низкокремниевых алюминиевых сплавов и других низкотвердых цветных металлов, обеспечивая равномерную обработку. Тупоугольная структура пассивирует заточку лезвия, образуя R-образный угол, эффективно предотвращая поломку лезвия, подходит для обработки средне- и высококремниевых алюминиевых сплавов. В некоторых особых случаях, таких как малая глубина резания и малая подача ножа, предпочтительнее затупленная круглая структура. Перевернутая кромка увеличивает остроту кромок и углов, стабилизирует лезвие, но одновременно повышает давление и сопротивление резанию, больше подходит для резки высококремниевых алюминиевых сплавов с большими нагрузками.
Для облегчения электроэрозионной обработки обычно выбирают тонкий слой поликристаллического диоксида углерода (0,3-1,0 мм) плюс слой карбида, общая толщина инструмента составляет около 28 мм. Слой карбида не должен быть слишком толстым, чтобы избежать расслоения, вызванного разностью напряжений между сопрягаемыми поверхностями.
2. Процесс изготовления инструмента из поликристаллического алмаза (PCD).
Процесс изготовления инструмента из поликристаллического алмаза (PCD) напрямую определяет режущие характеристики и срок службы инструмента, что является ключевым фактором его применения и развития. Процесс изготовления инструмента из PCD показан на рисунке 5.
(1) Производство композитных таблеток PCD (PDC)
① Процесс производства PDC
PDC обычно состоит из порошка природного или синтетического алмаза и связующего вещества, полученных при высокой температуре (1000-2000℃) и высоком давлении (5-10 атм). Связующее вещество образует связующий мостик с TiC, Sic, Fe, Co, Ni и др. в качестве основных компонентов, а кристаллы алмаза внедряются в каркас связующего мостика в виде ковалентной связи. PDC обычно изготавливается в виде дисков фиксированного диаметра и толщины, подвергается шлифованию, полировке и другим соответствующим физико-химическим обработкам. По сути, идеальная форма PDC должна максимально сохранять превосходные физические характеристики монокристаллического алмаза, поэтому количество добавок в спекаемом материале должно быть минимальным, а одновременно максимально возможное образование связей между частицами DD.
② Классификация и выбор связующих веществ
Связующее вещество является наиболее важным фактором, влияющим на термическую стабильность инструмента из поликристаллического алмаза (PCD), и напрямую влияет на его твердость, износостойкость и термическую стабильность. Распространенные методы склеивания PCD включают: железо, кобальт, никель и другие переходные металлы. В качестве связующего вещества использовался смешанный порошок кобальта и вольфрама, а наилучшие комплексные характеристики спеченного PCD были достигнуты при давлении синтеза 5,5 ГПа, температуре спекания 1450℃ и выдержке в течение 4 мин. Также использовались SiC, TiC, WC, TiB2 и другие керамические материалы. SiC обладает лучшей термической стабильностью, чем кобальт, но его твердость и трещиностойкость относительно низки. Соответствующее уменьшение размера частиц исходного материала может улучшить твердость и трещиностойкость PCD. Без клея, с использованием графита или других источников углерода, при сверхвысокой температуре и высоком давлении происходит выжигание наноразмерного полимерного алмаза (NPD). Использование графита в качестве прекурсора для получения наночастиц полидифенилэфира (НПЭ) представляет собой наиболее сложные условия, однако синтетические НПЭ обладают самой высокой твердостью и наилучшими механическими свойствами.
Отбор и контроль ③ зерен
Исходный алмазный порошок является ключевым фактором, влияющим на характеристики PCD. Предварительная обработка алмазного микропорошка, добавление небольшого количества веществ, препятствующих аномальному росту алмазных частиц, и разумный выбор спекающих добавок могут подавить рост аномальных алмазных частиц.
Высокочистый наночастичный диоксид графита с однородной структурой может эффективно устранить анизотропию и дополнительно улучшить механические свойства. Порошок-прекурсор нанографита, полученный методом высокоэнергетического шарового измельчения, использовался для регулирования содержания кислорода при высокотемпературном предварительном спекании, превращая графит в алмаз при давлении 18 ГПа и температуре 2100-2300℃, что приводило к образованию ламеллярного и зернистого наночастичного диоксида графита, при этом твердость увеличивалась с уменьшением толщины ламелей.
④ Поздняя химическая обработка
При одинаковой температуре (200 °℃) и времени (20 ч) эффект удаления кобальта с помощью кислоты Льюиса FeCl3 был значительно лучше, чем с помощью воды, а оптимальное соотношение HCl составляло 10-15 г/100 мл. Термическая стабильность PCD улучшается с увеличением глубины удаления кобальта. Для крупнозернистого PCD обработка сильной кислотой может полностью удалить Co, но оказывает большое влияние на характеристики полимера; добавление TiC и WC изменяет структуру синтезированного поликристалла, а сочетание с обработкой сильной кислотой повышает стабильность PCD. В настоящее время совершенствуется процесс получения материалов PCD, достигается хорошая прочность изделий, значительно улучшается анизотропия, реализуется коммерческое производство, и соответствующие отрасли быстро развиваются.
(2) Обработка лезвия из поликристаллического алмаза
① процесс резки
PCD обладает высокой твердостью, хорошей износостойкостью и высокой сложностью процесса резки.
② процедура сварки
PDC и корпус ножа скрепляются механическим зажимом, соединением и пайкой. Пайка представляет собой прижимание PDC к карбидной матрице и включает вакуумную пайку, вакуумную диффузионную сварку, высокочастотную индукционную пайку, лазерную сварку и т. д. Высокочастотная индукционная пайка имеет низкую стоимость и высокую окупаемость и широко используется. Качество сварки зависит от флюса, сварочного сплава и температуры сварки. Температура сварки (обычно ниже 700 °℃) оказывает наибольшее влияние; слишком высокая температура легко вызывает графитизацию PCD или даже «перегрев», что напрямую влияет на качество сварки, а слишком низкая температура приводит к недостаточной прочности сварки. Температуру сварки можно контролировать временем изоляции и глубиной покраснения PCD.
③ процесс заточки лезвия
Процесс шлифовки инструмента из поликристаллического алмаза (PCD) является ключевым в производственном процессе. Как правило, пиковое значение шероховатости лезвия и его диаметр находятся в пределах 5 мкм, а радиус дуги — в пределах 4 мкм; передняя и задняя режущие поверхности обеспечивают определенную чистоту поверхности и даже снижают шероховатость передней режущей поверхности Ra до 0,01 мкм для соответствия требованиям зеркальной поверхности, обеспечивая отвод стружки вдоль передней поверхности ножа и предотвращая его застревание.
Процесс шлифовки лезвий включает в себя механическую шлифовку лезвий алмазным шлифовальным кругом, электроэрозионную шлифовку лезвий (ЭЭШ), шлифовку лезвий сверхтвердым абразивом с металлическим связующим в режиме онлайн с помощью электролитического шлифования лезвий (ЭЭШ), а также комбинированную шлифовку лезвий. Среди них наиболее зрелым и широко используемым методом является механическая шлифовка лезвий алмазным шлифовальным кругом.
Соответствующие эксперименты: ① использование шлифовального круга с крупными частицами приводит к серьезному разрушению лезвия, а уменьшение размера частиц шлифовального круга улучшает качество лезвия; ② размер частиц шлифовального круга тесно связан с качеством лезвия инструментов с мелкодисперсным или ультрамелкодисперсным PCD-шлифовальным покрытием, но оказывает ограниченное влияние на инструменты с крупнодисперсным PCD-шлифовальным покрытием.
Соответствующие исследования в стране и за рубежом в основном сосредоточены на механизме и процессе шлифовки лезвий. В механизме шлифовки лезвий преобладают термохимическое и механическое удаление материала, а хрупкое и усталостное удаление материала относительно незначительны. При шлифовке, в зависимости от прочности и термостойкости алмазных шлифовальных кругов с различным связующим веществом, максимально повышают скорость и частоту вращения шлифовального круга, избегают хрупкого и усталостного удаления материала, увеличивают долю термохимического удаления и уменьшают шероховатость поверхности. Шероховатость поверхности при сухой шлифовке низкая, но из-за высокой температуры обработки легко происходит пригорание поверхности инструмента.
При шлифовании лезвий необходимо учитывать следующие моменты: ① выбор рациональных параметров шлифования, позволяющих добиться превосходного качества кромки и более высокого качества поверхности передней и задней частей лезвия. Однако следует также учитывать высокую силу шлифования, большие потери, низкую эффективность шлифования и высокую стоимость; ② выбор оптимального качества шлифовального круга, включая тип связующего вещества, размер частиц, концентрацию, тип связующего вещества, правку шлифовального круга, а также рациональные условия сухого и влажного шлифования лезвий, позволяющие оптимизировать передний и задний углы инструмента, значение пассивации кончика ножа и другие параметры, одновременно улучшая качество поверхности инструмента.
Различные алмазные шлифовальные круги с различным связующим веществом обладают разными характеристиками, механизмами шлифования и эффектом. Алмазный шлифовальный круг с полимерным связующим веществом мягкий, частицы шлифования легко преждевременно отслаиваются, не обладает термостойкостью, поверхность легко деформируется под воздействием тепла, шлифовальная поверхность склонна к износу, имеет большую шероховатость; алмазный шлифовальный круг с металлическим связующим веществом затачивается за счет измельчения при шлифовании, обладает хорошей формуемостью, обработкой поверхности, низкой шероховатостью шлифовальной поверхности и высокой эффективностью. Однако способность частиц шлифования к связыванию ухудшает самозаточку, и на режущей кромке легко образуется зазор, что приводит к серьезным повреждениям кромок; алмазный шлифовальный круг с керамическим связующим веществом обладает умеренной прочностью, хорошими самовозбуждающимися свойствами, большим количеством внутренних пор, способствует пылеудалению и отводу тепла, может работать с различными охлаждающими жидкостями, имеет низкую температуру шлифования, меньший износ, хорошее сохранение формы, высочайшую точность и эффективность. Однако из-за скопления частиц алмазного связующего вещества на поверхности инструмента образуются ямки. Применять в зависимости от обрабатываемых материалов, комплексной эффективности шлифования, износостойкости и качества поверхности обрабатываемой детали.
Исследования эффективности шлифования в основном сосредоточены на повышении производительности и контроле затрат. Как правило, в качестве критериев оценки используются скорость шлифования Q (количество удаленного поликристаллического алмаза за единицу времени) и коэффициент износа G (отношение количества удаленного поликристаллического алмаза к износу шлифовального круга).
Немецкий исследователь KENTER провел шлифовку инструмента из поликристаллического алмаза (PCD) при постоянном давлении, в ходе эксперимента: ① увеличение скорости вращения шлифовального круга, размера частиц PCD и концентрации охлаждающей жидкости привело к снижению скорости шлифования и степени износа; ② увеличение размера частиц шлифования привело к увеличению постоянного давления и концентрации алмазов в шлифовальном круге, что привело к увеличению скорости шлифования и степени износа; ③ изменение типа связующего вещества привело к изменению скорости шлифования и степени износа. Процесс шлифовки лезвий инструмента из PCD был изучен систематически, однако влияние процесса шлифовки лезвий не было систематически проанализировано.
3. Использование и отказы режущих инструментов из поликристаллического алмаза (PCD).
(1) Выбор параметров резания инструмента
В начальный период обработки инструмента из поликристаллического алмаза (PCD) острая кромка постепенно пассивировалась, и качество обработанной поверхности улучшалось. Пассивация эффективно удаляет микрозазоры и мелкие заусенцы, образующиеся при заточке лезвия, улучшает качество режущей кромки и одновременно формирует круговой радиус кромки для сжатия и восстановления обработанной поверхности, тем самым улучшая качество поверхности заготовки.
Для обработки поверхностей алюминиевых сплавов инструментом из поликристаллического алмаза (PCD) скорость резания обычно составляет 4000 м/мин, обработка отверстий — 800 м/мин. Для обработки высокоэластопластичных цветных металлов следует использовать более высокую скорость вращения (300-1000 м/мин). Рекомендуемая подача обычно составляет 0,08-0,15 мм/мин. Слишком большая подача увеличивает усилие резания и остаточную геометрическую площадь поверхности заготовки; слишком малая подача увеличивает тепловыделение и износ. Глубина резания увеличивается, усилие резания увеличивается, тепловыделение увеличивается, срок службы уменьшается; чрезмерная глубина резания может легко привести к поломке лезвия; малая глубина резания приведет к упрочнению при обработке, износу и даже поломке лезвия.
(2) Форма износа
При обработке заготовки инструментом из-за трения, высоких температур и других причин неизбежен износ. Износ алмазного инструмента состоит из трех стадий: начальная фаза быстрого износа (также известная как переходная фаза), фаза стабильного износа с постоянной скоростью износа и последующая фаза быстрого износа. Фаза быстрого износа указывает на то, что инструмент не работает и требует переточки. К формам износа режущих инструментов относятся адгезионный износ (износ от холодной сварки), диффузионный износ, абразивный износ, оксидный износ и т. д.
В отличие от традиционных инструментов, износ инструментов из поликристаллического алмаза (PCD) может быть адгезионным, диффузионным и вызван повреждением поликристаллического слоя. При этом основной причиной является повреждение поликристаллического слоя, проявляющееся в виде незначительного разрушения лезвия под воздействием внешних ударов или потери адгезии в PCD с образованием зазора. Это относится к физико-механическим повреждениям, которые могут привести к снижению точности обработки и браку заготовок. Размер частиц PCD, форма лезвия, угол наклона лезвия, материал заготовки и параметры обработки влияют на прочность и силу резания лезвия, вызывая повреждение поликристаллического слоя. В инженерной практике следует выбирать соответствующий размер частиц сырья, параметры инструмента и параметры обработки в соответствии с условиями обработки.
4. Тенденции развития режущих инструментов из поликристаллического алмаза (PCD).
В настоящее время область применения инструмента из поликристаллического алмаза (PCD) расширилась от традиционной токарной обработки до сверления, фрезерования и высокоскоростной резки, и он широко используется как в стране, так и за рубежом. Быстрое развитие электромобилей оказало влияние не только на традиционную автомобильную промышленность, но и поставило перед инструментальной отраслью беспрецедентные задачи, побуждая ее к ускорению оптимизации и инноваций.
Широкое применение режущих инструментов из поликристаллического алмаза (PCD) углубило и стимулировало исследования и разработки в этой области. С углублением исследований размеры PCD-гранил становятся все меньше, улучшается качество измельчения зерна, повышается однородность характеристик, скорость шлифования и износостойкость, а также расширяются формы и структуры. Направления исследований инструментов из PCD включают: ① разработку тонкого слоя PCD; ② разработку новых материалов для инструментов из PCD; ③ улучшение сварки инструментов из PCD и дальнейшее снижение затрат; ④ совершенствование процесса шлифования лезвий инструментов из PCD для повышения эффективности; ⑤ оптимизацию параметров инструментов из PCD и использование инструментов в соответствии с местными условиями; ⑥ рациональный выбор параметров резания в зависимости от обрабатываемого материала.
краткое резюме
(1) Режущие характеристики инструмента из поликристаллического алмаза компенсируют недостаток многих твердосплавных инструментов; в то же время цена значительно ниже, чем у инструмента из монокристаллического алмаза, что делает его перспективным инструментом в современной обработке;
(2) В зависимости от типа и характеристик обрабатываемых материалов, разумный выбор размера частиц и параметров инструментов PCD является предпосылкой изготовления и использования инструментов.
(3) Материал PCD обладает высокой твердостью, что делает его идеальным материалом для изготовления режущих ножей, но при этом создает трудности при производстве режущего инструмента. При производстве необходимо всесторонне учитывать сложность процесса и потребности обработки, чтобы достичь наилучшего соотношения цены и качества;
(4) При обработке материалов PCD в ножевой промышленности следует разумно выбирать параметры резки, исходя из соответствия характеристикам продукта, чтобы максимально продлить срок службы инструмента и достичь баланса между сроком службы инструмента, эффективностью производства и качеством продукции;
(5) Исследовать и разработать новые материалы для инструментов PCD, чтобы преодолеть присущие им недостатки.
Данная статья взята из источника "сверхтвердая материальная сеть"
Дата публикации: 25 марта 2025 г.
