способ изготовления абразивных изделий

Формула изобретения

Способ изготовления абразивных изделий, включающий формообразование абразивного порошка электрокорунда при статическом нагружении и динамическом нагружении ударной волной с последующей термообработкой, отличающийся тем, что перед формообразованием в абразивный порошок электрокорунда дополнительно вводят порошок карбида бора в количестве 10-20% от массы абразивного порошка и зернистостью 30-50% от зернистости абразивного порошка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству абразивного инструмента преимущественно для финишной обработки и может быть использовано для изготовления абразивного инструмента.

Известен способ изготовления абразивных изделий [Авт. свид. СССР №975379 МКл ³ В 24 D 17/00, опубл. 23.11.1982 г. Бюлл. №43] на основе оксида алюминия, включающий приготовление шихты из смеси порошков электрокорунда при соотношении основной фракции (500-1000 мкм) и дополнительной (менее 500 до 180 мкм) от 60 дл 40%, вводят в смесь порошок порообразователя в количестве 10-40% от объема дополнительной фракции электрокорунда и дополнительно вводят в шихту порошок меди дисперсностью 1,0-10 мкм в количестве 10-25% по объему шихты, после чего производят отжиг смеси при 800-950°С в течение 2-4 ч.

Однако полученное таким образом абразивное изделие может использоваться как инструмент только для электрохимического хонингования и электрохимического шлифования, т.к. он является токопроводным и, обладая малой прочностью и пористостью, для обычных методов абразивной обработки, которые осуществляются при высоких скоростных и силовых нагрузках, не пригоден. Из-за малой его пористости он быстро теряет свою режущую способность, а малая прочность (из-за невысокой температуры спекания) приводит к высокой интенсивности износа, что снижает качество абразивных изделий.

Известен также способ изготовления абразивных изделий [Патент РФ №2227774, В 24 D 3/02, 18/00, опубл. 27.04.2002 г. Бюл. №12], при котором абразивный порошок электрокорунда формообразуют при статическом прессовании и динамическом нагружении ударной волной в пресс-форме, после чего производят термообработку, причем соблюдают следующий порядок заполнения пресс-формы: в нижнюю ее часть помещают абразивный порошок, представляющий собой смесь основной и дополнительной фракций порошков электрокорунда. В верхнюю часть пресс-формы помещают порошок основной фракции. Соотношение объемного заполнения частей пресс-формы составляет 1:(0,5-0,7).

Однако ступенчатое заполнение пресс-формы порошками электрокорунда различной зернистости на различных уровнях не позволяет обеспечить высокую равномерность распределения зерен, т.к. ударная волна, воздействуя в начале на порошок исходной фракции, перемещает его по пресс-форме и частично нарушает соотношение объемного заполнения частей пресс-формы, что снижает качество абразивных изделий.

Известен также способ динамического прессования композиционного материала [Патент США №4695321, С 22 С 29/00, опубл. 22.05.1987 г.], содержащего алмаз, предусматривающий ударное уплотнение композиционных порошков и создание экзотермической химической реакции. При этом смесь порошков, содержащая алмаз и экзотермические добавки: бор, кремний, алюминий, переходные металлы и их смеси, включая карбиды, оксиды, нитриды, бориды и силициды, перемешивается, помещается в капсулу или контейнер и подвергается динамическому прессованию с помощью ударной волны, вызывающей экзотермическую реакцию, в результате чего не требуется дополнительной термообработки для спекания, т.е. наружного нагрева.

Использование указанного способа изготовления приводит к получению алмазного инструмента высокой твердости и плотности, что затрудняет его высокоэффективное использование в качестве инструмента для финишных методов обработки: тонкого шлифования, хонингования и т.д. Кроме того, неравномерность протекания экзотермической химической реакции приводит к тому, что твердость и плотность алмазного инструмента будет неравномерной по всему объему, что приводит к неравномерному износу его во время работы, а это снижает качество композиционного материала.

Наиболее близким является способ изготовления изделий [Патент РФ №2086395, В 24 D 18/00, опубл. 10.08.1997 г. Бюл.22], при котором формообразуют абразивный порошок электрокорунда при статическом и динамическом нагружениях ударной волной мощностью 0,5-0,65 МВт/г массы формообразуемого порошка с последующей термообработкой, а перед формообразованием в абразивный порошок электрокорунда дополнительно вводят порошок окиси магния в количестве 3-8% от массы абразивного порошка, а после формообразования проводят термообработку при 1500-1600°С в течение 2-4 ч.

Проведение термообработки при 1500-1600°С в течение 2-4 ч не позволяет вести обработку таким абразивным инструментом на повышенных скоростях и усилиях резания, поскольку в этих условиях инструмент будет работать со значительным износом, т.к. мостики связи не обладают достаточной прочностью, что снижает качество абразивных изделий.

Задачей изобретения является получение абразивных изделий повышенного качества с равномерным распределением абразивных зерен определенной зернистости по всему объему.

Техническим результатом изобретения является повышение качества абразивных изделий.

Поставленный технический результат достигается тем, что формообразуют абразивный порошок электрокорунда при статическом и динамическом нагружении ударной волной с последующей термообработкой, а перед формообразованием в абразивный порошок электрокорунда дополнительно вводят порошок карбида бора в количестве 10-20% от массы абразивного порошка и зернистостью 30-50% от зернистости абразивного порошка.

При этом добавление порошка карбида бора, имеющего микротвердость (37-43 ГПа), почти в два раза превышающую микротвердость зерен порошка электрокорунда белого (20-24 ГПа), при прохождении ударной волны в процессе динамического нагружения позволяет дополнительно осуществлять дробление наиболее крупных зерен электрокорунда белого, что приводит к их более равномерному дроблению, уменьшает величину разброса размеров зерен электрокорунда белого после прохождения ударной волны, увеличивая таким образом количество зерен одной зернистости в объеме инструмента.

Кроме того, карбид бора имеет температурный предел устойчивости (973-1073 К) значительно более низкий, чем температурный предел устойчивости электрокорунда белого (1973-2173 К), поэтому при последующей термообработке, проводимой при температуре 1800-1900°С в течение 2-4 ч, карбид бора выгорает, образуя поры в абразивном изделии.

Использование порошка карбида бора в количестве менее 10% от массы абразивного порошка электрокорунда белого не позволяет в достаточной мере осуществить равномерность распределения порошка карбида бора по всему объему порошка электрокорунда белого при их перемешивании перед формообразованием, что не позволяет равномерно распределить зерна порошка карбида бора между крупными зернами порошка электрокорунда белого и не дает высокой степени равномерности дробления крупных зерен электрокорунда белого, что не позволяет получить абразивное изделие высокого качества.

Использование порошка карбида бора в количестве более 20% от массы абразивного порошка электрокорунда белого приводит к тому, что в абразивном изделии при термообработке, следующей за формообразованием ударной волной, формируется значительное количество пор, не позволяющих получить абразивное изделие высокой прочности и использовать его в качестве абразивного инструмента на высоких скоростных и силовых режимах финишной обработки.

Добавление порошка карбида бора перед формообразованием в абразивный порошок электрокорунда белого зернистостью меньше 30% от зернистости абразивного порошка приводит к тому, что при формообразовании ударной волной мелкие зерна карбида бора, попадая в пространство между крупными зернами электрокорунда белого, лишь увеличивают плотность прессовки, что не приводит к дополнительному дроблению крупных зерен абразивного порошка и повышению количества зерен одной зернистости в объеме готового абразивного изделия, т.е. не повышает его качества.

Добавление порошка карбида бора перед формообразованием в абразивный порошок электрокорунда белого больше 50% от зернистости абразивного порошка приводит к тому, что при формообразовании ударной волной крупные зерна электрокорунда белого дополнительно дробятся, повышается количество зерен одной зернистости в объеме готового абразивного изделия, однако при последующей термообработке вместо зерен карбида бора остаются крупные пустоты (поры). Это приводит к тому, что готовое абразивное изделие является высокопористым и небольшой прочности, т.к. значительно ослаблены мостики связи между зернами электрокорунда белого из-за наличия крупных пор, что не позволяет использовать такое изделие в качестве абразивного инструмента на повышенных силовых и скоростных режимах обработки и поэтому не приводит к повышению качества абразивного изделия.

Предлагаемый способ изготовления абразивных изделий включает приготовление шихты из порошка электрокорунда белого и карбида бора, причем количество последнего берут 10-20% от массы порошка электрокорунда и зернистостью 30-50% от зернистости абразивного порошка, последующее двухстадийное прессование заготовки путем статического прессования и динамического нагружения ударной волной мощностью 0,65 МВт/г массы формообразующего порошка с последующей термообработкой при 1800°С в течение 4 ч.

Испытание абразивного изделия, полученного описанным способом, проводили при обработке стали 40Х в состоянии нормализации (НВ229) методом хонингования при следующих режимах: окружная скорость - 60 м/мин; скорость возвратно-поступательного движения - 18 м/мин, давление разжима брусков - 0,4 МПа.

Пример 1. Для изготовления абразивного изделия приготавливают шихту из порошка электрокорунда зернистостью 200 мкм, добавляют порошок карбида бора зернистостью 60 мкм в количестве 10% от массы порошка электрокорунда. После тщательного перемешивания компонентов шихты ее засыпают в пресс-форму и производят статическое прессование. Затем, не снимая статической нагрузки, производят динамическое нагружение электрогидравлической ударной волной. После прессования заготовку извлекают из пресс-формы, помещают в электровакуумную печь и термообрабатывают. Полученное абразивное изделие имеет предел прочности на сжатие 68 МПа, при хонинговании на указанных режимах производительность обработки по сравнению с известным составляет 132%, износ уменьшился в 1,44 раза, среднее арифметическое отклонение профиля обработанной поверхности Ra=0,24 мкм, что меньше после обработки известным инструментом в 2,625 раза.

Пример 2. Для изготовления абразивного изделия приготавливают шихту из порошка электрокорунда зернистостью 200 мкм, добавляют порошок карбида бора зернистостью 100 мкм в количестве 20% от массы порошка электрокорунда. После тщательного перемешивания компонентов шихты ее засыпают в пресс-форму и производят статическое прессование. Затем, не снимая статической нагрузки, производят динамическое нагружение электрогидравлической ударной волной. После прессования заготовку извлекают из пресс-формы, помещают в электровакуумную печь и термообрабатывают. Полученное абразивное изделие имеет предел прочности на сжатие 74 МПа, при хонинговании на указанных режимах производительность обработки по сравнению с известным составляет 138%, износ уменьшился в 1,52 раза, среднее арифметическое отклонение профиля обработанной поверхности Ra=0,18 мкм, что меньше после обработки известным инструментом в 3,5 раза. Примеры получения абразивных изделий приведены в таблице.

Таблица 1
Примеры параметр	Количество карбида бора, %	Зернистость карбида бора, %	Предел прочности на сжатие, МПА	Производительность обработки, %	Уменьшение износа инструмента, крат	Параметр Ra обработанной поверхности, мкм
1. 25А12-НСТ1К5			55	100	1	0,63
2. Пример 1	10	30/60	68	132	1,44	0,24
3. Пример 2	20	50/100	74	138	1,52	0,18
Пример 3	8	25/50	60	120	1,31	0,32
Пример 4	22	25/50	54	115	1,27	0,29
Пример 5	8	55/110	50	112	1,22	0,42
Пример 6	22	55/110	45	108	1,20	0,48

Как следует из таблицы, оптимальными параметрами технологии изготовления абразивного изделия повышенного качества являются следующие:

Количество карбида бора - 10-20% от массы абразивного порошка. Зернистость карбида бора - 30-50% от зернистости абразивного порошка.