Theoretical justification of rational conditions for produsing diamond wheels on ceramic bonds

Abstract

The article describes the results of theoretical studies using 3D finite element modeling, which made it possible to determine the rational characteristics of diamond wheels on ceramic bonds. The influence of the parameters of the diamond-bearing layer on the change in its stress-strain state in the sintering zone of the diamond wheel has been studied. The results of finite element and microlevel 3D modeling of the sintering process of a ceramic-matrix diamond-containing composite are analyzed. The influence of the technological parameters of the process and the characteristics of the diamond wheel on the integrity of the grains during sintering was established, on the basis of which practical recommendations were given for the selection of diamond compositions with rational properties.

Аналізуються результати проведених теоретичних досліджень із застосуванням 3D моделювання методом кінцевих елементів, що дозволило визначити раціональні характеристики алмазних кругів на керамічних зв'язках. Вивчено вплив параметрів алмазоносного шару на зміну його напружено-деформованого стану в зоні спікання алмазного круга. Встановлено вплив технологічних параметрів процесу та характеристик алмазного круга на цілісність зерен при спіканні, на підставі чого надано практичні рекомендації щодо вибору алмазних композицій з раціональними властивостями. Аналіз сучасних досліджень, спрямованих на підвищення ефективності виготовлення ААІ та результатів власних експериментів, свідчить про ефективність використання при проектуванні ААІ на керамічних зв'язках підходу, заснованого на мікрорівневому 3D моделюванні поведінки алмазоносного шару на етапі виготовлення інструменту. Проведені на цьому етапі дослідження дозволили зробити висновки, що цілісність алмазних зерен на етапі виготовлення ААІ на керамічних зв'язках визначається переважно температурним фактором. Силовий фактор (тиск при формуванні заготівки) в досліджуваних межах (до 50 МПа) практично не впливає на розподіл напружень в алмазоносному шарі, що спікається, і не викликає появу руйнівних напружень у зерні. Визначено роль якісних та кількісних характеристик металофази, що присутня у синтетичних алмазах, у процесі їх руйнування при спіканні алмазоносного шару та виявлено їх взаємозв'язок з технологічними параметрами процесу. Розрахунковим шляхом обґрунтовано, що головною причиною передчасного руйнування зерен при спіканні алмазоносного шару є напруження в зерні, зумовлені суттєвою різницею КЛТР алмазу та металофази (у 3,5÷8 разів для різних сплавів-розчинників). Зі зменшенням вмісту металофази термостійкість алмазів підвищується. При використанні алмазів марок АС 32 і вище температура спікання алмазоносного шару, при якій виключена поява напружень, що руйнують зерно, може бути збільшена до температури розм'якшення відомих керамічних зв'язок. При виготовленні ААІ з використанням більш дешевих алмазів марок АС2 – АС15 температура спікання алмазоносного шару повинна бути знижена до 550÷650 ºС, щоб уникнути руйнування зерен. Проведено порівняльний аналіз впливу властивостей деяких сплавів-розчинників на рівень напружень, що виникають у зерні. Обгрунтовано вибір сплаву-розчинника Fe₄₄Со₄₄(Сr₃С₂)₁₂, що дозволяє знизити рівень напруження, що виникає в зерні при спіканні алмазоносного шару.