Абразивные и алмазные инструменты широко применяют в машиностроении и приборостроении. Их используют для шлифования, притирки, полирования деталей, а также заточки и доводки режущих и других инструментов с целью достижения высокой производительности, точности и низкой шероховатости обработки. Несмотря на широкое распространение, они имеют ряд существенных недостатков. Основным недостатком является короткий срок службы и выпадение искусственных алмазных зерен. Для устранения данного недостатка металлическая связка должна наноситься методом плазменно-электролитного формования. Это позволяет увеличить срок службы в два раза, улучшить прочностные характеристики, повысить износостойкость. При всем этом себестоимость инструмента практически не увеличится.
Существует огромное количество разных видов алмазно-абразивных инструментов. Для изготовления алмазных инструментов повышенной износостойкости используют металлическую связку. Недостатком изготовленного инструмента является сравнительная дороговизна отдельных компонентов, например кобальта, высокие температуры спекания преимущественно с применением вакуума, а также сравнительно быстрое засаливание и потеря режущей способности, - особенно в отсутствие интенсивного охлаждения. А так же недостатком современной металлической связки являются недостаточная твердость и относительно невысокая стойкость при механической обработке керамических материалов с высоким содержанием твердых включений (кварц, агат и др.). Связка скрепляет между собой абразивные зерна – алмазы. Довольно распространены инструменты с искусственными(синтетическими) алмазами. Серьезный недостаток покрытий из синтетических алмазных зерен — отсутствие самозатачивания. Октаэдральная кристаллическая решетка синтетического алмаза не позволяет образовываться микросколам, и поэтому алмаз со временем вырывается из металла полностью. Это происходит из-за низкого качества современной металлической связки. Решением данной проблемы является наноструктурированная связка, которая наносится плазмено-электролитным формаванием. Данное покрытие многофункциональное твердое, коррозионно-, термо-, износостойкое, а также защитно-декоративное. Оно позволит алмазу намного дольше не вырываться из металла, обеспечит равномерное покрытие, увеличит срок службы инструмента, улучшит прочностные характеристики, повысит твердость и стойкость.
Абразивный инструмент представляет собой инструмент, который изготовлен из абразивных материалов. Этот тип инструментов выпускают в виде брусков, лент, абразивных кругов и др.
В настоящее время абразивные инструменты являются наиболее эффективными при обработке материалов синтетического (пластики), металлического и минерального происхождения (гранит, мрамор, камень и т.п.). Бесспорным достоинством абразивных инструментов является высокое качество и скорость обработки материалов, а также экологическая чистота и безопасность осуществляемых работ. Данные качества объясняют широкое распространение всевозможных абразивных инструментов среди профессиональных пользователей инструмента, а также среди аматеров.
Абразивные инструменты находят свое применение практически в любой сфере промышленности: в машиностроительной, металлообрабатывающей, пищевой, целлюлозно-бумажной и т.д. Абразивные инструменты широко используются как в ручных шлифовальных машинах, так и на станках.
Для укрепления алмазных зерен используют различные методы. Мы используем метод плазмено-электролитного формования. Плазмено-электролитное формование - это этап технологического процесса, при котором происходит формирование связующего материала. В этот период создается конечная структура материала, формируются его свойства, и фиксируется форма изделия.
Разработка и совершенствование технологических процессов, обеспечивающих сокращение расхода металлов и позволяющих повысить качество выпускаемых изделий, является весьма актуальной задачей. Одним из таких процессов является электрохимическое формование, заключающееся в получении деталей путем электроосаждения металла на форму в гальванической ванне. Уже сейчас получают широкое использование композиционные материалы, совмещающие положительные свойства металлов и неметаллов, а также оксидов, карбидов, нитридов и др. В современной гальванотехнике одним из актуальных направлений является создание композиционных электрохимических покрытий (КЭП), которые получают путем соосаждения вместе с металлами из электролитов-суспензий дисперсных частиц различных видов и размеров. Включаясь в структуру металлов, частицы существенно улучшают их эксплуатационные свойства (твердость, износостойкость, коррозионную устойчивость) и придают им новые качества (антифрикционные, магнитные, каталитические). В связи с этим, КЭП находят широкое применение в различных отраслях промышленности, а разработка новых видов композиционных покрытий с различными свойствами и получение новых композиционных материалов, исследование кинетических закономерностей их электроосаждения и свойств осадков, а также изучение структурных превращений в концентрированных растворах электролитов является актуальной научной задачей. Алмазно-абразивные инструменты, несмотря на высокую популярность, имеют ряд недостатков. Главными недостатками абразивных инструментов, является сравнительная дороговизна отдельных компонентов, например кобальта, высокие температуры спекания преимущественно с применением вакуума, а также сравнительно быстрое засаливание и потеря режущей способности, - особенно в отсутствие интенсивного охлаждения. А так же недостатком является недостаточная твердость и относительно невысокая стойкость при механической обработке керамических материалов с высоким содержанием твердых включений (кварц, агат и др.), и при этом происходит полное выпадение алмаза из связки.
Для решения данных проблем коллективами кафедр ТФиЭ КФУ и ТОЛПиМ КНИТУ был разработан метод электрохимической формации с применением никелевых наночастиц. Для осуществления данного метода на первоначальном этапе нам необходимо получить коллоидные нано частицы. Есть много известных маршрутов и стратегий подготовки наноразмерных частиц, включая применение принципа микроэмульсии, подход золь-гель технологии, химические сокращение соли, электрохимические методы, аэрозольный метод, метод фото и термического разложения, микроволнового излучения или газовых микроразрядов. Список можно продолжать долго, и бесконечно, где применяют данные принципы, включающие в себя химические или физические явления, низких или высоких энергий, во влажных или сухих средах. Использование электрических разрядов в электролитических средах синтеза наноматериалов полволило получить образование металлических нано-сфер несколько переходных металлов, например, Ni, Ti, Ag и Au. Мы будем использовать Ni, так как он имеет невысокую себестоимость. Газоразрядным способом получаем коллоидные наночастицы. Добавляем в электролит алмазные зерна и наносим на инструмент плазмено-электролитным формованием. Данный способ решает множество проблем современных абразивных инструментов. Это покрытие многофункциональное твердое, коррозионно-, термо-, износостойкое, а также защитно-декоративное. Связка из этого материала позволит алмазу намного дольше не вырываться из металла, обеспечит равномерное покрытие, увеличит срок службы инструмента, улучшит прочностные характеристики, повышает твердость и стойкость.
В результате НИР получены экспериментальные образцы, которые были исследованы и подвергались различными физическими воздействиями. Срок службы стоматологического алмазного бора (с искусственными алмазами) был увеличен до двух раз.
На данный момент времени не существует аналогов данной связки для алмазно-абразивных инструментов. Применение данной технологии позволит повысить конкурентную способность алмазно-абразивных инструментов на рынке, как в России, так и в других странах. Рынок абразивно-алмазных инструментов очень обширен. Среди покупателей крупные, средние и малые производственные предприятия, строительные и обслуживающие компании, авторемонтные предприятия, торговые компании. Так же потребность в таких видах инструментов растет, так как, век водостойких абразивных материалов даже на российском рынке подходит к концу. Это сегодня уже не вызывает сомнений у профессионалов. Республика Татарстан не является исключением. У нас так же развиваются и модернизируются различные отрасли, где данные инструменты не заменимы, к примеру, стоматология.
В процессе реализации могут возникнуть распространенные риски, такие как технологический риск и риск с интеллектуальной собственностью. Технологический риск имеет низкую вероятность, так как полученные нами образцы прошли первичную проверку, и показали очень хороший результат. Образцы приобрели нужные нам характеристики. Риск с интеллектуальной собственностью исключен, так как подано заявление на патент. Итак, это ноу-хао относится к гальванотехнике, в частности к электрохимическому осаждению никелевых нанопокрытий. Его можно применять в машиностроении ( круги, бруски, головки шлифовальные, карандаши, звездочки, шарошки, шкурка шлифовальная, паста), в медицинском оборудовании (алмазные стоматологические боры) и промышленности. Оно имеет хорошие характеристики, легко наноситься и является экономически выгодным.
Литература:
Nano Technologies,William Andrew, 2009.
J. Belloni, H. Remita, Radiation Chemistry: FromBasics to Applications in Material and Life Sciences, EDP Sciences, 2008 (chapter 7)
V.K. Jain, S.K. Chak, Machining Science and Technology 4 (2000) 277
Хрущев М.М. Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. - М., 1970.