Взаимодействия в системе алмаз–алмаз при огранке алмаза в бриллиант
The study has been made of the surface morphology of a diamond tool in the process of diamond faceting. It is established that the temperature increases up to 1275 K to 1350 K in a contact zone. The diamond wearing is shown to be associated with adhesion interaction between crystal surface and nicke...
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2007
|
| Schriftenreihe: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135087 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Взаимодействия в системе алмаз–алмаз при огранке алмаза в бриллиант / С.А. Астапчик, А.М. Кузей, В.А. Зайцев // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 265-269. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-135087 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1350872025-02-09T11:14:23Z Взаимодействия в системе алмаз–алмаз при огранке алмаза в бриллиант Астапчик, С.А. Кузей, А.М. Зайцев, В.А. Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов The study has been made of the surface morphology of a diamond tool in the process of diamond faceting. It is established that the temperature increases up to 1275 K to 1350 K in a contact zone. The diamond wearing is shown to be associated with adhesion interaction between crystal surface and nickel-boron alloy as well as with abrasive action of diamond grains. 2007 Article Взаимодействия в системе алмаз–алмаз при огранке алмаза в бриллиант / С.А. Астапчик, А.М. Кузей, В.А. Зайцев // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 265-269. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135087 621.923 ru Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения application/pdf Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов |
| spellingShingle |
Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов Астапчик, С.А. Кузей, А.М. Зайцев, В.А. Взаимодействия в системе алмаз–алмаз при огранке алмаза в бриллиант Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description |
The study has been made of the surface morphology of a diamond tool in the process of diamond faceting. It is established that the temperature increases up to 1275 K to 1350 K in a contact zone. The diamond wearing is shown to be associated with adhesion interaction between crystal surface and nickel-boron alloy as well as with abrasive action of diamond grains. |
| format |
Article |
| author |
Астапчик, С.А. Кузей, А.М. Зайцев, В.А. |
| author_facet |
Астапчик, С.А. Кузей, А.М. Зайцев, В.А. |
| author_sort |
Астапчик, С.А. |
| title |
Взаимодействия в системе алмаз–алмаз при огранке алмаза в бриллиант |
| title_short |
Взаимодействия в системе алмаз–алмаз при огранке алмаза в бриллиант |
| title_full |
Взаимодействия в системе алмаз–алмаз при огранке алмаза в бриллиант |
| title_fullStr |
Взаимодействия в системе алмаз–алмаз при огранке алмаза в бриллиант |
| title_full_unstemmed |
Взаимодействия в системе алмаз–алмаз при огранке алмаза в бриллиант |
| title_sort |
взаимодействия в системе алмаз–алмаз при огранке алмаза в бриллиант |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135087 |
| citation_txt |
Взаимодействия в системе алмаз–алмаз при огранке алмаза в бриллиант / С.А. Астапчик, А.М. Кузей, В.А. Зайцев // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 265-269. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| work_keys_str_mv |
AT astapčiksa vzaimodejstviâvsistemealmazalmazpriogrankealmazavbrilliant AT kuzejam vzaimodejstviâvsistemealmazalmazpriogrankealmazavbrilliant AT zajcevva vzaimodejstviâvsistemealmazalmazpriogrankealmazavbrilliant |
| first_indexed |
2025-11-25T21:03:32Z |
| last_indexed |
2025-11-25T21:03:32Z |
| _version_ |
1849797763023241216 |
| fulltext |
Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
265
УДК 621.923
С. А. Астапчик, академик НАН Беларуси; А. М. Кузей, докт. техн. наук;
В. А. Зайцев, инж.
ГНУ «ФТИ НАН Беларуси», г.Минск, Беларусь
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ АЛМАЗ–АЛМАЗ ПРИ ОГРАНКЕ АЛМАЗА
В БРИЛЛИАНТ
The study has been made of the surface morphology of a diamond tool in the process of di-
amond faceting. It is established that the temperature increases up to 1275 K to 1350 K in a contact
zone. The diamond wearing is shown to be associated with adhesion interaction between crystal
surface and nickel-boron alloy as well as with abrasive action of diamond grains.
Свойства природного алмаза определили его двойственную сущность. С одной сторо-
ны физические, химические, механические характеристики сделали его важнейшим страте-
гическим сырьем, а с другой стороны эти свойства, наряду с его редкостью, сделали его дра-
гоценностью и мерой богатства. Последнее, в основном, определяет его использование как
драгоценного камня вследствие высокой технологии обработки. Высокая стоимость алмаза
обуславливает инертность технологий обработки и одновременно требует высокой эффек-
тивности обработки и качества бриллианта. Для обработки кристалла природного алмаза в
бриллиант круглой формы в технологическом процессе, как правило, используется три типа
инструмента: распиловочный диск, шлифовальный диск, ограночный диск. Собственно опе-
рация огранки представляет собой плоское шлифование граней, которое может осуществ-
ляться на чугунном ограночном диске (форма 6А2, 300×50); чугунном (стальном) диске,
шаржированном алмазным микропорошком; на стальных дисках с алмазным микропорош-
ком, закрепленным слоем полимера, металла (гальваническое покрытие либо объемное за-
крепление частицами металла) [1, 2]. При прочих равных условиях огранки производитель-
ность шлифования определяется структурой поверхностного (рабочего) слоя и концентраци-
ей в нем алмазного микропорошка [1–3]. Производительность шлифования на чугунном дис-
ке в 20 раз ниже, чем на диске, шаржированном алмазным порошком, а полимерное покры-
тие обеспечивает большую производительность, чем гальваническое [3, 4].
Формирование полимерного алмазосодержащего покрытия позволяет достичь боль-
шей концентрации алмазного порошка на поверхности диска, чем в случае электрохимиче-
ского покрытия (ЭХП). Рост концентрации алмазного микропорошка в ЭХП ограничен вели-
чиной глобул (зерен) осаждаемого металла, так как внедрение алмазного зерна в покрытие
происходит вследствие защемления между растущими глобулами [4, 5]. Чем меньше разме-
ры глобул, тем больше алмазных зерен закрепляется в растущем покрытии, а не выталкива-
ется из него [5]. Снижение размеров глобул может быть обеспечено технологическими пара-
метрами электрохимического процесса, либо легированием основного металла и осаждением
сплава с иными свойствами, чем основной металл [4, 5]. Объектом исследования являлось
ЭХП ограночного диска формы 6А2 (300×50×28) на различных стадиях изготовления и экс-
плуатации. Алмазосодержащие ЭХП из сплава никель – 6 % ат. бора осаждали из сульфатно-
го электролита никелирования, содержащего боратный анион ВnНn–2 и алмазный микропо-
рошок фракции 10/7 (4 г/л).
РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
266
После нанесения покрытия диск укатывали балласом при давле-нии 2,5–5 МПа и скорости
вращения диска 3000 об/мин, а затем – кристаллом алмаза. Для полировки граней
бриллианта ЭХП шаржировали алмазным микропорошком фракции 3/2. Структуру
покрытий выявляли травлением в растворе на основе пирофосфорной, серной (15 % (по
массе)), азотной (15 % (по массе)) кислот при 380 К.
Формирование алмазосодержащего ЭХП никель – бор сопровождается образованием
дендритов из несколько сросшихся алмазных зерен (рис. 1, а). Размер глобул сплава никель –
бор значительно меньше, чем в никелевом ЭХП (3–5 мкм) и составляет 0,1–0,3 мкм (рис. 1, б).
а б
в г
Рис. 1. Морфология поверхности ЭХП: а – исходная; б – травление 5 сек; в – укатка 20
мин; г – укатка и травление 3 с.
Образующаяся ЭХП имеет развитый микрорельеф на поверхности, а твердость покры-
тия достигает 7200 МПа (рис. 2, а). Укатка ЭХП балласом сглаживает микрорельеф на по-
верхности и приводит к образованию площадок износа на алмазных зернах (рис. 1, в, 2, б).
Дендриты, формирующие микрорельеф поверхности разрушаются, алмазные зерна вдавли-
ваются в металлическую матрицу (рис. 1, г).
Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
267
а б
в г
Рис. 2. Микрорельеф ЭХП: а – исходный; б – после укатки; в – после шаржирования; г –
после шлифования 60 мин.
Последующая укатка ЭХП кристаллом алмаза и шаржирование алмазным микропо-
рошком приводит к образованию на поверхности ЭХП тонкого слоя, состоящего из микро-
порошка, осколков алмазных зерен (0,5–3 мкм) и частиц сплава никель – бор (рис. 3, а).
а б в
г д е
Рис. 3. Морфология поверхностей износа ЭХП: после шаржирования, травление 3 с (а);
после шлифования в течение 30 мин (б); после шлифования (30 мин), травление 3 с (в); после
шлифования 100 мин (д); после шлифования (100 мин), травление 3 с (е).
Этот слой расположен на одном уровне с площадками износа на поверхности алмаз-
ных зерен и обеспечивает полирование граней. После прекращения полировки на этом слое
(дорожке) осуществляют шлифование граней, увеличивая давление до 2,5–5,5 МПа на обра-
РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
268
батываемый кристалл. В процессе шлифования на поверхности ЭХП формируется поверхно-
стная структура, характеризующаяся развитым микрорельефом на поверхности площадок
износа и крайне незначительным (0,01–0,05 мкм) выступанием алмазных зерен из сплава
никель – бор. На площадках износа алмазных зерен присутствует пленка сплава никель – бор
(рис. 3, в). В прослойках сплава никель – бор между зернами расположены осколки алмазных
зерен (0,1–0,3 мкм), и округлые частицы сплава никель – бор. Такие же частицы выявляются
на поверхности площадок износа (рис. 3, б, в). Увеличение интенсивности шлифования (по-
вышение давления на грань заготовки бриллианта) постепенно (40–100 мин) проводит к
формированию на поверхности ЭХП дорожек износа, среди которых расположены отдель-
ные алмазные зерна. Однако растворение поверхностного слоя (0,1–0,3 мкм) обнажает по-
верхность алмазных зерен (рис. 3, д, е).
Процессы, происходящие при огранке алмаза в бриллиант, описаны достаточно под-
робно [1, 3, 6, 7, 9]. Принято считать, что шлифование алмаза является, в основном, процес-
сом массового микрорезания тончайшего поверхностного слоя [1, 6, 7]. Когда алмазное зерно
внедряется (вдавливается) в обрабатываемый кристалл, вокруг возникает область напряже-
ний, в которой по мере возрастания нагрузки образуются микротрещины, разрушающие кри-
сталл по плоскостям спайности [1, 7]. Повышение температуры в зоне контакта (1000–1200
К) снижает твердость поверхностного слоя и создает более благоприятные условия разруше-
ния (износа) поверхностного слоя [9]. Шлифование (огранка) алмаза может вестись, хотя и с
меньшей скоростью, на поверхности чугуна без применения алмазного микропорошка [1]. В
этом случае износ поверхности алмаза обеспечивают иные механизмы. В зависимости от
условий обработки износ алмаза при шлифовании происходит вследствие взаимодействия с
поверхностью инструмента по адгезионному, диффузионному, абразивному механизмам
[6, 8]. Анализ изменения морфологии поверхности и структуры ЭХП никель–бор после укат-
ки балласом и алмазом показывает, что значительная часть алмазных зерен (70–80 %) имеет
плоские вершины (рис. 1, в, 3, а, 3, в).
Следовательно, при укатке, помимо сглаживания дендритного микрорельефа, проис-
ходит износ алмазных зерен с образованием плоских площадок. После укатки ЭХП балласом
и алмазом площадь, занимаемая алмазными зернами, на его поверхности возрастает с 15–20
% до 25–35 %, и алмазные зерна выступают из покрытия на высоту 0,1–0,5 мкм. На участке
(дорожке) полирования после шаржирования ЭХП алмазным микропорошком высота алмаз-
ных зерен снижается и не превышает 0,05 мкм (рис. 2, в, г, 3, б, в). Отсутствие на значитель-
ной части (60–80 %) алмазных зерен острых кромок, небольшая высота (0,05 мкм) алмазных
зерен на поверхности ЭХП показывает, что в данном случае механизм массового микрореза-
ния поверхности алмаза острыми кромками алмазных зерен не реализуется либо его вклад в
износ невелик. Существование на поверхности площадок износа тончайшего слоя металла
(на это указывает низкий электронный контраст между зерном и матрицей), развитый мик-
рорельеф на площадках и присутствие округлых частиц на алмазных зернах и поверхности
сплава никель–бор указывают на преимущественно адгезионный характер взаимодействия
поверхности ЭХП с алмазом. Механизм износа алмаза при огранке на диске с ЭХП никель–
бор может быть описан следующим образом.
При укатке поверхности ЭХП балласом и алмазом одновременно со сглаживанием (пу-
тем деформации и резания) дендритного микрорельефа алмазные зерна вдавливаются в
сплав никель–бор, а их вершины разрушаются. Разрушение вершин (острых кромок) проис-
ходит путем абразивного износа и хрупкого разрушения (скалывания). На это указывает
морфология поверхности алмазных зерен и присутствие осколков 0,1 – 0,5 мкм в сплаве (рис.
1 в, е). Острые кромки сохраняются на части (20–40 %) алмазных зерен, расположенных под
поверхностью сплава. После шаржирования укатанного ЭХП алмазным микропорошком на
его поверхности формируется слой из ультрадисперсных (0,1–0,3 мкм) частиц сплава алмаз-
ных зерен (1–3 мкм) и алмазных зерен основной фракции (10/7), плоские вершины которых
находятся на одном уровне с металлоалмазным слоем (рис. 3, б, в). При движении ЭХП по
Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
269
поверхности алмаза вследствие тепловыделения при трении и микрорезания осколками и
сохранившимися острыми кромками алмазных зерен температура в зоне контакта достигает
1275–1400 К. О резком возрастании температуры в зоне контакта свидетельствуют округлые
частицы сплава никель–бор (температура плавления сплава 1350 К), образовавшиеся при
кристаллизации расплава и морфология поверхности дорожек износа (рис. 3 в, г, д). Пленки,
частицы сплава в твердо-жидком и жидком состоянии выдавливаются кристаллом на пло-
щадки алмазных зерен. При соударении с площадкой алмаз движется по слою металла, кото-
рый затем кристаллизуется, формируя характерный микрорельеф (рис. 3 в, г). Нагрузки при
соударении сосредоточены в тонких слоях площадок (0,1–0,3 мкм) алмазных зерен, которые
разрушаются на частицы (0,05–0,1 мкм), образующие металло-алмазную суспензию. Соуда-
рения грани алмаза с алмазными зернами, несмотря на их малую высоту, сопровождаются
значительными ударными нагрузками, приводящими к сколам, растрескиванию алмазных
зерен и вдавливанию в сплав (рис. 3, д).
Таким образом, повышение температуры в зоне контакта ЭХП–алмаз приводит к сни-
жению прочности алмазных зерен и разрушению на ультрадисперсные фрагменты. Обра-
зующаяся металло-алмазная суспензия обеспечивает процессы массового микрорезания и
растворения поверхности алмаза. Контактное взаимодействие в системе алмаз-сплав никель–
бор проявляется как растворение углерода в сплаве и образование карбида бора и тройных
соединений NixByCz. Сильное контактное взаимодействие в системе алмаз–сплав никель–бор
происходит как растворение углерода с образованием тройных фаз NixByCz, В4С в отличие от
системы алмаз–никель с низкой растворимостью углерода [10]. Высокие температуры в зоне
контакта, формирование металло-алмазной суспензии приводят к тому, что микрорезание
поверхности алмаза ускоряет адгезионное взаимодействие, удаляя продукты растворения, а
сам процесс микрорезания тончайшего слоя (0,01–0,05 мкм) алмаза ультрадисперсными час-
тицами в присутствии расплава как химическое взаимодействие с силовой составляющей,
т.е. как механо-химическое взаимодействие. Подобный характер износа маскирует абразив-
ную его составляющую.
Литература
1. Епифанов В. И., Песина А. Я., Зыкова Л. В. Технология обработки алмазов в бриллианты.
– М.: Высш. школа, 1982. – 351 с.
2. Абрамов В. Н., Знаменский Г. Н., Цисарь И. А. Эффективность применения нового инст-
румента для обработки твердых материалов // Порошковая металлургия. – 1997. – № 3/4.
– С. 107 – 110.
3. Мартыненкова Г. П., Жежерин В. П., Бушмелев А. С. Некоторые особенности полирова-
ния плоских поверхностей природного алмаза //Алмазы и сверхтвердые материалы. – М.:
НИИМАШ, 1979. – Вып. 7. – С. 12 – 13.
4. Гаевская Т. В., Новоторцева И. Г., Марцинкевич Э. А., Кузей А. М. Алмазоабразивный
инструмент для резки сверхтвердых материалов. /Межд.научн.-практ.конф. «Проблемы
применения алмазов в технике и электронике». Москва, 21 – 25 мая 1997 г. – С. 26 – 27.
5. Шипило В. Б., Звонарев Е. В., Кузей А. М. Получение, свойства и применение порошков
алмаза и кубического нитрида бора. – Мн.: Бел. навука, 2003. – 335 с.
6. Семко М. Ф., Грабченко А. И. Алмазное шлифование синтетических сверхтвердых мате-
риалов. – Харьков: Вища школа, 1978. – 232 с.
7. Семенова Тянь-Шанская Т. С. Исследование сопротивления алмаза износу при шлифова-
нии. //Новые направления развития алмазной обработки. – М.: Труды ВНИИ Алмаз, 1981.
– С. 19 – 24.
8. Михайлов М. И., Щерба В. Я., Прушак В. Я. Износостойкость ограночных дисков. – Го-
мель, Информтрибо, 1996. – 159 с.
9. Федоров А. И., Малышев А. И., Козлов В. Н. Физические процессы при обработке алмаза
//Физико-химические явления процессов обработки. – Тбилиси: Миниераба, 1971. – С. 76 – 89.
10. Вол А. Е. Строение и свойства металлических систем: Т.1. – М.: Физматгиз, 1959. – 755 с.
Поступила 05.07.07.
|