Politechnika warszawska

WSTĘP

Diament jako narzędzie po raz pierwszy został zastosowany już 300 lat przed naszą erą w celach grawerskich jednak dynamiczniejszy rozwój jego zastosowań nastąpił dopiero po II Wojnie Światowej co było związane z rozpowszechnieniem technologii metalurgii proszków oraz opatentowaniem produkcji syntetycznego diamentu przez firmę General Electric w USA. Narzędzia skrawające wzmacniane cząstkami diamentu stanowią obecnie jedną z największych i najprężniej rozwijających się grup materiałów do obróbki stopów nieżelaznych, materiałów niemetalicznych oraz skał. Swoje zastosowania zawdzięczają bardzo dobrym właściwościom skrawnym, wysokiej odporności na zużycie, wysokiej twardości i wytrzymałości. Większość dużych producentów spieków metaliczno-diamentowych stosuje kobalt jako fazę wiążącą
w narzędziach przeznaczonych do cięcia twardych kamieni naturalnych, ponieważ zapewnia on dobre właściwości retencyjne, umożliwia uzyskanie spieków o wysokiej gęstości względnej i odporności na zużycie, którą można modyfikować dodając proszki innych metali, takich jak np. żelazo, cyna, miedź, węglik wolframu [1-2]. Mimo niewątpliwych zalet stosowania kobaltu jako fazy wiążącej pojawia się coraz więcej prac badawczych zmierzających do wykluczenia go z produkcji narzędzi, gdyż jest metalem zarówno szkodliwym dla zdrowia (w Polsce kontakt z tym pierwiastkiem
w codziennej pracy uprawnia do wcześniejszej emerytury) jak i coraz droższym
ze względu na niski stopień występowania w skorupie ziemskiej [3-7].

Znalezienie odpowiedniego pierwiastka, który mógłby zastąpić kobalt w spiekach na narzędzia skrawające i wiertnicze z diamentem z zachowaniem jego odpowiednich właściwości mechanicznych, ale bardziej bezpiecznego dla zdrowia oraz takiego, którego ceny na rynkach światowych będą zarówno niższe jak i bardziej stabilne wydaje się niemożliwe. Coraz popularniejsze osnowy na bazie miedzi i żelaza

z zawartością kobaltu na poziomie 10-25% produkowane przez takie firmy jak Umicore czy Eurotungstene zmniejszają koszty, ale nie niwelują problemu szkodliwego wpływu kobaltu na zdrowie człowieka [8]. Z tego powodu poszukiwania nowej osnowy dla narzędzi skrawających z diamentem przesunęły się w stronę faz międzymetalicznych gdzie najbardziej perspektywiczne wydają się fazy z układu Ni-Al, a w szczególności NiAl oraz Ni₃Al [9-11].
Fazy międzymetaliczne (FMM) NiAl oraz Ni₃Al są to tzw. fazy pośrednie, które powstają poprzez połączenie pierwiastków metalicznych Ni oraz Al tworząc sieć krystaliczną, różną od sieci pierwiastków składowych. Właściwości fizyczne NiAl oraz Ni₃Al (współczynnik rozszerzalności liniowej i przewodność cieplna) są w dużym stopniu zbliżone do kobaltu. Ponadto NiAl oraz Ni₃Al posiadają niższą gęstość, wyższą doraźną wytrzymałość na rozciąganie, a w przypadku NiAl o 50% wyższy moduł Younga w stosunku do kobaltu [12-14]. Do niewątpliwych zalet należy również powszechne występowanie w skorupie ziemskiej pierwiastków aluminium i niklu, a co za tym idzie ceny niższe na rynkach światowych o ponad 30% od kobaltu, a także znacznie mniej szkodliwy wpływ na zdrowie człowieka.

Praca dotyczy zbadania możliwości zastąpienia osnowy kobaltowej osnową NiAl lub Ni₃Al w spiekach z diamentem, a także zbadania właściwości kompozytów NiAl/diament oraz Ni₃Al/diament wytworzonych metodą PPS (Pulse Plasma Sintering) opracowaną na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej. Metoda PPS wykorzystuje podczas nagrzewania spiekanych proszków silnoprądowe impulsy

o natężeniu prądu dochodzącym do kilkudziesięciu kilo amper, co jest podstawową różnicą miedzy klasyczną metodą spiekania powszechnie stosowaną w przemyśle. Podczas przepływu każdego impulsu prądu przez konsolidowany proszek następuje generowanie w porach wyładowań iskrowych, które powodują usunięcie z powierzchni cząstek zaadsorbowanych gazów i tlenków, a przez to ułatwiają powstanie aktywnych kontaktów między spiekanymi cząstkami proszków. Powoduje to obniżenie temperatury podczas spiekania, skrócenia czasu do kilkunastu minut w porównaniu do kilku godzin dla metod konwencjonalnych oraz zapobiega rozrostowi ziarna [15-18].

Połączenie aspektów ekonomicznych z ochroną środowiska i zdrowiem człowieka to jedne z najważniejszych zadań stawianych w dzisiejszych czasach przed wdrożeniem innowacji do przemysłu.

2. DOBÓR MATERIAŁU OSNOWY

   1. Wymagania dotyczące osnowy narzędzia metaliczno-diamentowego

Materiał osnowy kompozytu metaliczno-diamentowego przeznaczonego na narzędzia skrawające powinien cechować się szeregiem właściwości, które zapewniają długą i bezawaryjną pracę. Do najważniejszych należy wysoka wytrzymałość mechaniczna związana z wysoką twardością i granicą plastyczności oraz dobre właściwości plastyczne zapewniające brak pęknięć osnowy wokół cząstek diamentu. Istotny jest również jak najmniejszy współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz możliwie wysoki współczynnik przewodzenia ciepła zapewniający odprowadzanie ciepła od segmentów narzędzia podczas jego pracy wykonanej na pokonanie sił tarcia. Nadmierny wzrost temperatury narzędzia podczas pracy powoduje obniżenie granicy plastyczności oraz deformacje wokół cząstek diamentu.

Osnowa narzędzia metaliczno-diamentowego powinna posiadać jak najlepsze właściwości retencyjne, by utrzymywać przez długi czas cząstki diamentu, a także zużywać się z odpowiednią szybkością, która umożliwi wypadanie zużytych cząstek diamentu oraz odsłanianie nowych - samoostrzenie się narzędzia [19-21]. Retencja diamentu z osnową narzędzia może być mechaniczna lub metalurgiczna. Połączenie mechaniczne powstaje podczas chłodzenia po procesie spiekania lub prasowania na gorąco kompozytu gdy dochodzi do mechanicznego zakleszczenia diamentu

w osnowie w wyniku dużej różnicy współczynników rozszerzalności cieplnej. Połączenie metalurgiczne powstaje gdy użyjemy kryształy diamentu metalizowane tytanem, chromem lub krzemem co powoduje powstanie warstwy węglików odpowiedzialnych za metalurgiczne połączenie utrudniające usuwanie pracujących kryształów z osnowy [22].

Narzędzia skrawające podczas eksploatacji poddawane są zmiennym warunkom pracy przez co wyznaczenie odporności na zużycie ścierne prostymi testami laboratoryjnymi nie daje miarodajnych wyników. Na odporność ścierną narzędzia wpływają czynniki związane ze sposobem eksploatacji: wydajność cięcia, szybkość posuwu, prędkość obwodowa, sposób chłodzenia, obecność wibracji w układzie oraz wielkość, koncentracja, ilość i rodzaj cząstek wzmacniających. Głównymi mechanizmami zużycia osnowy jest zużycie w obecności dwóch ciał – materiał osnowy wchodzi w tym przypadku w bezpośredni kontakt z materiałem poddawanym obróbce, lub zużycie ścierne w obecności trzech ciał – zużycie osnowy następuje przez kontakt z przemieszczającymi się cząstkami materiału poddawanemu obróbce [8].

Oprócz bezawaryjnej pracy od nowoczesnych materiałów narzędziowych wymagana jest również niska toksyczność oraz jak najniższa cena. Dotychczas stosowane osnowy na bazie kobaltu, żelaza lub miedzi nie spełniają wszystkich tych wymagań, a interesującą alternatywę dla nich stanowią fazy międzymetaliczne
z układu Ni-Al. Tabela 1 przedstawia porównanie właściwości faz NiAl i Ni₃Al z kobaltem.

Tabela 1. Porównanie właściwości kobaltu z fazami układu Ni-Al (NiAl i Ni₃Al) [12-14, 22-24]

Materiał	Gęstość	Doraźna wytrzymałość na rozciąganie	Moduł Younga	Temperatura topnienia	Współczynnik rozszerzalności liniowej	Przewodność cieplna
	[ g / cm^3 ]	[ MPa ]	[ GPa ]	[ °C ]	[ 10^-6 · K^-1]	[ W · m^-1· K^-1]
Kobalt	8,9	860	209	1495	13	100
NiAl	5,86	1000	294	1640	14,06	76
Ni3Al	7,5	1200	179	1390	12,5	21,4

• 
  Wartości pogrubione – korzystniejsze dla faz NiAl lub Ni₃Al niż dla kobaltu w aspekcie zastosowań na osnowę narzędzi skrawających.
  

2.