Spoiwo ceramiczne do narzędzi ściernych

Istota wynalazku

Obecność na rynku nowych materiałów kompozytowych jak stopy metali nieżelaznych zbrojonych twardymi cząstkami, materiały drewnopochodne, kompozyty z tworzyw sztucznych umacniane włóknami szklanymi, nadstopy niklu (Hastalloy, Waspalloy, Inconel 718, Udimet 720) i tytanu (Ti6Al4V, TiAl) wymaga opracowania technologii obróbki ubytkowej uwzględniającej narzędzia ścierne z nowymi spoiwami.

Przedmiotem wynalazku jest technologia wytwarzania i produkt: spoiwo ceramiczne do narzędzi ściernych supertwardych, zwłaszcza diamentowych, przeznaczonych do szlifowania materiałów kompozytowych, w tym z węglików spiekanych, zawierających ziarna regularnego azotku boru lub diamentu o różnej granulacji. Narzędzia zawierające takie spoiwo przeznaczone są również do szlifowania materiałów trudno obrabialnych przy obniżonych prędkościach.

Istota rozwiązania polega na tym, że nowe spoiwo stanowi mieszanina zawierająca frytę szklaną z układu SiO2-BaO-B2O3-Al2O3-Na2O, trójtlenek bizmutu, dwusiarczek molibdenu, sadzę i wypełniacz, tworząc kompozyt o bardzo dobrych właściwościach fizykomechanicznych. Fryta szklana jest całkowicie przezroczysta, o zabarwieniu niebieskawym, charakteryzuje się niską gęstością, jest całkowicie amorficzna, ma dużą mikrotwardość - powyżej 5 GPa, wytrzymałość na zginanie powyżej 100 MPa, moduł Younga powyżej 75 MPa, i dobrze zwilża ziarno supertwarde w podwyższonych temperaturach (skrajny kąt zwilżania poniżej 35º w temperaturze 890ºC).

Wprowadzony do spoiwa dwusiarczek molibdenu spełnia rolę smaru stałego w podwyższonych temperaturach, co wynika z jego warstwowej struktury. Warstwy S-Mo-S tworzą pakiety luźno ze sobą związane, ale w obrębie pakietów warstwy łączą się silnym wiązaniem o dominującym udziale kowalencyjnym. MoS2 reaguje też ze składnikami szkła tworząc cienką warstwę poślizgową zawierającą węglik molibdenu (MoC). Rola tlenku bizmutu polega przede wszystkim na wytworzeniu wokół ziarna supertwardego submikronowej warstwy pośredniej.

Nowością jest wytworzenie kompozytu ściernego nowej generacji o bardzo dobrych właściwościach fizykomechanicznych, zawierającego szkło układu SiO2-BaO-B2O3-Al2O3-Na2O, trójtlenek bizmutu, dwusiarczek molibdenu, sadzę i wypełniacz. Na bazie tego kompozytu opracowano technologię wytwarzania nowego narzędzia ściernego supertwardego: przyjaznego środowisku, o wysokiej trwałości i minimalnym zużyciu objętościowym.

Opracowana technologia otrzymywania spoiw i narzędzi spełnia normy Unii Europejskiej PN-EN 13236:2011 Wymagania dotyczące bezpieczeństwa narzędzi ściernych supertwardych i PN-ISO 603-4:2001 Narzędzia ścierne spojone -- Wymiary -- Część 4: Ściernice do szlifowania płaszczyzn/szlifowania obwodowego.

Koszt narzędzi wykonanych wg tego wynalazku jest o 18% niższy w porównaniu z kosztem konwencjonalnych ściernic diamentowych ze spoiwem ceramicznym. Wynika to z możliwości prowadzenia obróbki cieplnej narzędzia w niższych temperaturach (poniżej 750ºC) w atmosferze powietrza. Jednocześnie narzędzia te mają żywotność dłuższą o 15%.

Praca została sfinansowana z projektu pt.: ”Zastosowanie najnowszej generacji kompozytów DDCC i BNDCC na narzędzia skrawające” w ramach konkursu 1. Programu Badań Stosowanych w ścieżce A, nr umowy PBS1/A5/7/2012.

Wynalazek został nagrodzony złotym medalem z wyróżnieniem i nagrodą Chorwackiego Stowarzyszenia Wynalazczego na 63. Międzynarodowych Targach Badań Naukowych, Innowacji i Nowych Technologii Brussels Innova 2014 oraz złotym medalem na Międzynarodowych Targach Wynalazków INST – 2015 Taipei International Invention Show & Technomart w Taipei World Trade Center na Tajwanie.

Potencjał komercjalizacji

Opracowano technologię otrzymywania narzędzi zawierających nowe spoiwo w skali półtechnicznej w formie pisemnej, w postaci wytycznych technologicznych obejmujących:
- charakterystykę stosowanych surowców
- warunki przechowywania i użytkowania surowców
- szczegółowy opis procesu technologicznego
- opis warunków magazynowania ściernic i ich transportu do odbiorcy
- zalecane parametry i warunki obróbki

Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania wytwarza obecnie także narzędzia diamentowe ze spoiwem żywicznym lub metalowym w wymiarach katalogowych i specjalnych dla małych i średnich przedsiębiorstw z branży metalowej, maszynowej i lotniczej. Instytut oferuje sprzedaż licencji na technologie otrzymywania tych narzędzi.