Politechnika warszawska

Zastosowanie diamentu w narzędziach

Wybierając odpowiedni proszek diamentowy na wzmocnienie narzędzia należy wziąć pod uwagę właściwości obrabianego materiału, warunki pracy narzędzia oraz oczekiwaną jakość obróbki powierzchni lub krawędzi. Istotny jest nie tylko rodzaj proszku (naturalny lub syntetyczny), ale i jego jakość, wielkość cząstek oraz koncentracja. Właściwości diamentu należy tak dostosowywać do właściwości obrabianego materiału, aby podczas pracy narzędzia w diamencie pojawiały się nieregularne mikropęknięcia i mikrowykruszenia co sprzyja powstawaniu nowych ostrych krawędzi i wierzchołków oraz samoostrzeniu się narzędzia [38]. Cząstki diamentu zawierające duże wtrącenia metaliczne pochodzące od katalizatorów ulegają szybszej degradacji, co przyśpiesza zużycie narzędzia, ale niewielka ilość zanieczyszczeń rozłożonych liniowo sprzyja samoostrzeniu się narzędzi poprzez nieregularne pękanie kryształów [39-40]. Cząstki diamentu o niższych właściwości mechanicznych można stosować do cięcia materiałów łatwo obrabialnych takich jak: beton, piaskowiec oraz kruche i porowate materiały ceramiczne. Zastosowanie bardziej wytrzymałych cząstek diamentu, a w szczególności bardziej odpornych na cykliczne obciążenia udarowe wymagane jest przy cięciu materiałów trudno obrabialnych, do których należą: granit, kwarc, korund oraz krzemień. Przy doborze wielkości diamentu do narzędzia stosuje się generalną zasadę, że im materiał jest trudniejszy do cięcia, tym wymiary cząstek powinny być mniejsze. Związane jest to z mniejszą szybkością cięcia oraz mniejszą głębokością, na którą diament wchodzi w obrabiany materiał.
W mniejszych cząstkach jest ponadto mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia defektów krystalizacji, a badania wykazały, że cząstki małe statystycznie posiadają wyższą wytrzymałość i odporność na obciążenia udarowe niż duże [22, 41]. Zmniejszenie cząstek diamentu sprzyja również poprawie jakości powierzchni
i krawędzi co jest ważne przy projektowaniu pił przeznaczonych do precyzyjnego cięcia płyt kamiennych i ceramicznych [8].
Generalny przydział wielkości diamentu do różnych zastosowań przedstawiony jest w tabeli 2 (mesh – ilość oczek w sicie przypadających na długość jednego cala).

Tabela 2. Przydział wielkości diamentu do danego zastosowania [35]

Wielkość diamentu [mesh]	Zastosowanie
50/60	cięcie bardzo twardych, drobnoziarnistych i trudno obrabialnych materiałów (krzemień, granit, korund)
40/50	cięcie większości skał magmowych
30/40	cięcie większości skał osadowych i metamorficznych (piaskowce, marmury)
20/30	cięcie łatwo obrabialnych materiałów o silnie ściernych właściwościach (ścierne gatunki piaskowca, świeży beton, asfalt, materiały ceramiczne)

Przy projektowaniu narzędzi diamentowych oprócz wielkości cząstek diamentu istotna jest również ich koncentracja. W narzędziach metaliczno-diamentowych przyjęto, że gdy w objętości 1cm³ jest około 0,88g diamentu (4,4 karata), to koncentracja wynosi 100. Koncentrację diamentu należy dobierać tak, aby zostało zapewnione właściwe obciążenie pracujących kryształów. Zbyt duża liczba kryształów na 1cm³ może doprowadzić do szybszego tępienia się piły oraz wzrostu poboru mocy

i niepożądanych wibracji w trakcie pracy narzędzia. Niewystarczająca koncentracja prowadzi natomiast do przeciążenia i szybszego zużycia pracujących cząstek diamentu, a co za tym idzie skraca czas życia narzędzia [42]. Zwykle koncentracja diamentu wynosi 20÷40 co stanowi 5÷10% objętości narzędzia. Najniższe koncentracje diamentu posiadają narzędzia do skrawania materiałów trudnoobrabialnych, w których stosowany jest diament drobnoziarnisty – 40/60 mesh. Wysoką koncentracje diamentu stosuje się w narzędziach do skrawania materiałów łatwo obrabialnych, w których używany jest diament gruboziarnisty – 20/40 mesh.

4. WYTWARZANIE KOMPOZYTÓW Ni-Al

   1. Reakcja SHS

Od ponad 15 lat powstają prace, w których wykorzystywana jest alternatywna metoda dla konwencjonalnego spiekania proszków, którą jest samo rozwijająca się synteza wysokotemperaturowa (Self – Propagating High – Temperature Synthesis – SHS) [14]. Metoda SHS wykorzystuje ciepło wydzielające się podczas egzotermicznej reakcji syntezy substratów do podniesienia temperatury w układzie oraz podtrzymania jej aż do całkowitego przejścia substratów w produkty. Reakcja SHS wymaga termicznej inicjacji, którą realizuje się przy wykorzystaniu zewnętrznego źródła ciepła. Proces do momentu zapłonu przebiega wolno oraz kontrolowany jest przez ciepło, które zostało dostarczone z zewnątrz. Po zapłonie reakcja zaczyna rozwijać się samorzutnie a czynniki zewnętrzne mają na nią niewielki wpływ. W zależności od sposobu grzania zainicjowanie zapłonu może nastąpić z jednej lub ze wszystkich stron reagującego układu. Gdy reakcja SHS inicjowana jest lokalnie zapłon powoduje powstanie wysokotemperaturowego frontu reakcji, który przemieszcza się przez cały układ z prędkością dochodzącą do 0,2 m/s. Gdy ogrzewanie następuje ze wszystkich stron reagującego układu zapłon powoduje zajście reakcji jednocześnie w całej objętości, co występuje np. w przypadku metody PPS i zjawisko to nazywamy „wybuchem termicznym”. Szybkość przyrostu temperatury w procesach wykorzystujących samo rozwijającą się syntezę wysokotemperaturową sięga 100 K/s, a osiągana temperatura 4000-5000 K. Reakcja SHS Ni-Al rozpoczyna się zwykle
w temperaturze około 600°C, ale wykazano wpływ, stosunku atomowego Ni:Al, wielkości cząstek proszków niklu oraz aluminium oraz obecności dodatków na jej przebieg oraz zapłon [43-44]. Cząstki diamentu oraz TiC powodują obniżenie temperatury zapłonu oraz zmniejszenie szybkości frontu reakcji [10-11, 45],
a zmniejszenie wielkości użytych proszków sprzyja szybkości propagacji frontu reakcji SHS oraz gęstości końcowego produktu [46]. Dodatki w postaci cząstek Al₂O₃ i SiC wpływają na zmniejszenie wielkości ziarna, ale również spadek gęstości kompozytów Ni-Al otrzymanych w wyniku reakcji SHS [47].



Rys. 5. Sposoby inicjacji procesów SHS: a) propagacja, b) wybuch termiczny, c) układ po reakcji [14]

Najprostszym sposobem na uzyskanie litych materiałów z wykorzystaniem syntezy SHS jest prasowanie jednoosiowe [48], wysokociśnieniowe prasowanie na gorąco [49] oraz prasowanie izostatyczne na gorąco (High Isostatic Pressing - HIP) [50]. Otrzymanie jednak materiałów o gęstości zbliżonej do teoretycznej oraz drobnym ziarnie wymaga zwykle zastosowania niekonwencjonalnych metod spiekania proszków [51].

Techniki niekonwencjonalnego spiekania proszków są to ekonomiczne techniki, umożliwiające przeprowadzenie procesów w krótszym czasie i przy niższej temperaturze niż w przypadku metod konwencjonalnych oraz pomijające często prasowanie wstępne na zimno. Otrzymane materiały posiadają również wyższą gęstość oraz mniejsze ziarno w porównaniu do metod klasycznych. Do technik niekonwencjonalnych zaliczamy konsolidację wybuchową [52] oraz techniki spiekania w polu elektrycznym: SPS (Spark Plasma Sinteirng) [53], PAS (Plasma Assisted Sintering) [54], FAST (Field Assited Plasma Sintering) [55], EPA (Electric Pulse Assisted Consolidation) [56], PEDC (Pulse Electro-Discharge Consolidation) [57] oraz PPS (Pulse Plasma Sintering). Techniki spiekania w polu elektrycznym stosują prąd impulsowy, który generuje w pierwszych stadiach spiekania wyładowania iskrowe powodujące aktywacje cząstek proszku.

2.