ściernice z regularnego azotku boru ze spoiwem ceramicznym

Barbara STANIEWICZ-BRUDNIK
ŚCIERNICE Z REGULARNEGO AZOTKU BORU
ZE SPOIWEM CERAMICZNYM – NOWE MOŻLIWOŚCI
W OBRÓBCE ŚCIERNEJ
1. Wprowadzenie
Od roku 1980 datuje się burzliwy
rozwój ściernic z regularnego azotku
boru, których udział w grupie narzędzi
ściernych wynosi około 18%, natomiast
ich potencjalne możliwości zastosowania
szacuje się na około 60% [1, 2]. Szczególnie szybko rozwijają się narzędzia ze
spoiwami ceramicznymi. Wynika to
z unikatowych właściwości tych narzędzi,
a to: możliwości szerokiej regulacji koncentracji ziarna ściernego (od 75% do
200%), struktury, porowatości i twardości, dużej zdolności do samoostrzenia
i łatwości profilowania [3–9]. Należy
podkreślić, że warunkiem efektywnej
pracy tych narzędzi jest optymalne dostosowanie charakterystyki szlifierki, parametrów obróbki, charakterystyki narzędzi, sposobu chłodzenia i obciągania [5].
Od początku lat dziewięćdziesiątych
poszukuje się możliwości wykorzystania
modyfikowanych narzędzi ściernych z regularnego azotku boru ze spoiwem ceramicznym, które mogłyby pracować
na konwencjonalnych szlifierkach w standardowych i ponadstandardowych warunkach obróbki.
W Instytucie Zaawansowanych
Technologii Wytwarzania od wielu lat
prowadzone są badania nad otrzymywaniem spoiw ceramicznych do narzędzi
supertwardych o sterowanych właściwościach fizykomechanicznych oraz badania
narzędzi zawierających te spoiwa [5–8].
2. Narzędzia ścierne supertwarde
ze spoiwem ceramicznym
Typowe narzędzie ścierne spojone zawiera:
- ziarno ścierne supertwarde (diament, regularny azotek boru –
mono- lub mikrokrystaliczny);
wypełniacz (elektrokorund, węglik
krzemu, azotek boru);
- spoiwo (nisko-, średnio- lub wysokotopliwe);
- modyfikatory
(homogenizatory,
smary stałe);
- korpus (metalowy lub ceramiczny).
Ziarna regularnego azotku boru otrzymywane są w wysokich temperaturach
(1200 – 2200oC) i pod dużym ciśnieniem
(5 – 15 GPa). W zależności od zastosowanych przez producentów modyfikatorów
monokryształy mają barwę od złotej (CBN
500 produkowane przez firmę Diamond
Innovation) po głęboką czerń (ABN 200
produkowany przez Element Six, dawny
De Beers) oraz budowę wielościanów foremnych i nieforemnych, wysoką stabilność termiczną i wytrzymałość.
Znaczący producenci ziaren regularnego azotku boru to:
- koncern Diamond Innovation
należący do holdingu General
Electric (CBN Typ I, CBN 400,
CBN 500, CBN 510, CBN 1000);
- koncern Element Six dawny De
Beers (ABN 200, ABN 300, ABN
700, ABN 800);
- firma Iliyich Abrasive Company –
Rosja (LKV 30, LKV 40, LKV 50,
LM);
- koncern Hunan Sukan UltraHard Materials (CBNA 20, CBNB
30, CBN-MB);
- koncern Funk Ultrahard Materials – Japonia (CBN 850, CBN
980);
- Lands Superabrasives (BN 2000,
BN 3000, BN 5000).
-
W celu lepszego związania ze spoiwem
ziarna są powlekane tytanem (CBN 510
firmy Diamond Innovation).
31
Uogólniając, monokrystaliczne ziarna regularnego azotku boru w narzędziach spojonych ze spoiwem ceramicznym przeznaczone są do operacji szlifowania powierzchni płaskich i kształtowych, szlifowania otworów i ostrzenia.
Ziarna mikrokrystaliczne, produkowane jedynie przez Diamond Innovation
(CBN 550 i CBN 570), są kompleksami
składającymi się ze zbioru drobnych
kryształków o wielkości od 1 do kilku
mikrometrów, charakteryzującymi się
wyższą wytrzymałością mechaniczną,
wyższą ciągliwością od ziaren monokrystalicznych. Zalecane są do operacji szlifowania, gdzie jakość powierzchni stanowi podstawowe kryterium obróbki.
Wypełniaczami mogą być: elektrokorund, węglik krzemu, cyrkon, szamot
tudzież proszki metaliczne. Przyjmuje się,
że wypełniacz wprowadzony do spoiwa
osłania ziarno przed dynamicznym działaniem wiórów (z reguły mających wysoką
temperaturę), podwyższa wytrzymałość
spieku, jego odporność cieplną oraz odporność na zużycie, biorąc również udział
w procesie szlifowania.
Spoiwa ceramiczne to przede
wszystkim szkła i dewitryfikaty układów
wieloskładnikowych otrzymywane z syntetycznych związków chemicznych o dużej
czystości (cz. d. a. – czyste do analizy).
Najbardziej znanymi ośrodkami zajmują-
32
cymi się tymi zagadnieniami są: ośrodek
w Worcester (koncern GE), Akwizgranie
(RWTH), Sankt Petersburgu (firma
Iliyich) i w Kijowie (Instytut Materiałów
Supertwardych). W Instytucie opracowano kilka spoiw nisko- i średniotopliwych przeznaczonych do zastosowania z
ziarnem mono- i mikrokrystalicznym
regularnego azotku boru. Są to szkła
i dewitryfikaty układu wieloskładnikowego ZnO – B2O3 – SiO2 (+ PbO, Li2O,
itd.) o gęstości właściwej średniej
(3,681 g/cm3) do dużej (5,115 g/cm3),
odznaczającej się współczynnikiem cieplnej rozszerzalności liniowej, porównywalnym z współczynnikiem α regularnego
azotku boru ( α V 4 − 400 o C 4,7 ⋅ 10 −6 1/deg;
α CBN 4,8 ⋅ 10 −6 1/deg), wysoką mikrotwardością (6–10 GPa), dużą wytrzymałością
na zginanie (50–60 MPa), skrajnym
kątem zwilżenia do podłoża kiboritowego
(cBN), cubitronowego i elektrokorundowego poniżej 30o w temperaturze poniżej 900oC. Świadczy to o możliwości zajścia reakcji chemicznej między spoiwem
a ziarnami regularnego azotku boru, co
potwierdziły obliczenia termodynamiczne
algorytmem VCS, weryfikowane badaniami rentgenograficznymi [9, 11].
Umożliwia to również obróbkę cieplną
narzędzi w atmosferze powietrza bez użycia atmosfery ochronnej.
Korpusy ściernic są wykonywane
zwykle ze stopów duralowych lub w formie bardziej zaawansowanej jako korpusy
ceramiczne spiekane razem z pierścieniem roboczym. Obecnie wytwarzamy
ściernice z korpusami ceramicznymi, których technologia wykonania została opracowana w Instytucie.
-
narzędzia produkowane w Instytucie Zaawansowanych Technologii Wytwarzania są spiekane swobodnie w atmosferze powietrza
w temperaturze poniżej 900oC;
-
nasze narzędzia pracują przy
podwyższonych prędkościach (do
75 m/s);
-
można łatwo kształtować powierzchnię roboczą narzędzia
metodami konwencjonalnymi.
3. Podsumowanie – zalety naszych
narzędzi
Dzięki opracowaniu technologii otrzymywania spoiw ceramicznych średnioi niskotopliwych:
33
Narzędzia z CBN ze spoiwem ceramicznym
4. Plany na przyszłość
- opracowanie spoiw wysokoporowych
o podwyższonej wytrzyma-łości przeznaczonych do narzędzi z CBN do obróbki
stopów niklu, aluminium z podwyższoną
zawartością magnezu i stopów Ti;
- opracowanie spoiw ceramicznych niskotopliwych wysokowytrzymałych do
narzędzi diamentowych o bardzo otwartej
strukturze.
5. Nasza oferta
- sprzedaż licencji technologii otrzymywania spoiw ceramicznych i narzędzi
z tymi spoiwami;
- sprzedaż spoiw ceramicznych i narzędzi w niewielkich ilościach;
- współpraca w zakresie technologii narzędzi ściernych supertwardych ze
spoiwami ceramicznymi w projektach
zamawianych, celowych i międzynarodowych.
Literatura
1.
2.
34
Tonshoff H.K., Karpuschevski B.,
Andrea P., Turich A.: Grinding
performance of superhard abrasive
wheels. Final report concerning
CIRP co–operative work in STC”G”,
Ann.CIRP, 1998, nr 2, s.723–732.
Jackson M.J., Davis C.J., Hitchiner
P., Mills B.: High–speed grinding
with cBN grinding wheels – appli-
cation and future technology. Journal of Materials Processing Technology, 2001, t. 110, nr 1, s. 78-88.
3. Beyer P.: High production grinding
with vitrified bond superabrasives,
Part 2: vDD technology for vitrified
bond diamond dressers. Ind. Diam.
Rev., 2005, nr 2, s. 34–39.
4. Plichta J.: Podstawy szlifowania
ściernicami z mikrokrystalicznym
ziarnem regularnego azotku boru ze
spoiwem ceramicznym. Politechnika Koszalińska 1996.
5. Yokogawa
M.
Yokogawa
K.:
Schleifen mit monokristallinen oder
mikrokristallinen CBN – Schleifscheiben. Werkstatt und Betrieb
1992, t. 125, nr 11, s. 869–872.
6. Procyk B., Staniewicz–Brudnik B.,
Majewska – Albin K.: Investigations
of wettability and reactivity in
glass/carbon and glass/ceramic systems. Trans. JWRI, 2001, t. 30, s.
149–154.
7. Procyk B., Środa M., Staniewicz–
Brudnik B.: Glasses as a binding
phase for tools made of the cBN with
submicrocrystalline sintered alumina admixture. Glass Technology.
2002, nr 43c, s. 330–332.
8. Staniewicz–Brudnik B., Majewska–
Albin K., Trybalska B., Procyk B.:
Wpływ domieszkowania związkami
metali (Ni, MoS2) na wybrane właściwości szkieł specjalnych układu
ZnO–PbO–B2O3–SiO2. Polski Biuletyn Ceramiczny, Ceramika, 2003, t.
80, s. 147 – 154.
9. Staniewicz–Brudnik B., Procyk B.,
Środa M., Majewska–Albin K.: Special glasses with submicrocrystalline
sintered alumina ad-mixture in cBN
tools. Optica Appl., 2003, nr 1, s. 167
– 174.
10. Staniewicz–Brudnik B., Majewska–
Albin K., Trybalska B.: The effect of
Ni, ZrB2 and MoS2 additves on certain physico-chemical and mecha-nical properties of special glasses in the
ZnO–PbO–B2O3–SiO2 system. Journal of Materials Science, 2005, t. 40,
nr 9 – 10, s. 2541 – 2547.
11. Oczoś K.E.: Materiały, narzędzia
i obrabiarki do obróbki ściernej na
EMO 2001 w Hanowerze. Mechanik, 2002, nr 2, s. 69 – 76.