Серед способів обробки металів методами пластичної деформації волочіння є досить прогресивним технологічним процесом, у багатьох випадках успішно змагається зі штампуванням і прокаткою металу. Слабке місце цього технологічного процесу - фильер, т. Е. Інструмент, через який протягується заготовка. Стійкістю фільєри називається здатність його протистояти зусиллям тертя, що розвивається під час волочіння, т. Е. Зберігати протягом якогось відрізка часу задані геометричні форми і розмір.
Якщо це питання зараз більш-менш успішно вирішено застосуванням карбідних матеріалів для волочіння виробів, діаметр яких лежить в діапазоні від часток до десятків міліметрів, то при переході до волочіння виробів, діаметр яких визначається сотими частками міліметра, виникають великі труднощі.
Складність вирішення завдання по виготовленню фильера з настільки малими розмірами калібрує каналу обумовлюється тим, що зі зменшенням діаметра простягається вироби різко зростають питомі навантаження, які відчувають філь'єрі. В цьому випадку твердість твердих сплавів, успішно застосовуються для виготовлення фільєр більшого розміру, виявляється недостатньою, а величина зерен карбіду вольфраму, що є основною частиною твердосплавних матеріалів, стає сумірною з розміром вироби, що підлягає волочіння, що - неприпустимо.
Внаслідок зазначених причин зараз у всіх країнах волочіння виробів, діаметр яких нижче 0,025 мм, здійснюється виключно через алмазні фільєри. Застосування такого твердого матеріалу для виготовлення фільєр з усією гостротою поставило питання про те, як виготовляти отвори в алмазах. Очевидно, що будь-які прийоми механічного свердління в даному випадку не застосовні, так як для цього було б необхідним оснастити свердло матеріалом ще більш твердим, ніж алмаз. Оскільки такі матеріали поки в промисловості відсутні (бору зон ще не знайшов собі широкого застосування), до останнього часу єдино можливим шляхом виготовлення отворів в алмазах був метод стирання. Цей метод полягає в тому, що отвір у алмазі виготовляється алмазним порошком, истирающим поверхню алмазу в заданому місці. Практично це здійснювалося обертанням металевої голки на заданій точці поверхні алмаза, смачиваемой водною суспензією частинок алмазу, зважених у воді.
Оскільки в основі розглянутого технологічного процесу виготовлення отвори лежить процес обробки матеріалу матеріалом такої ж твердості, цей процес був надзвичайно трудомісткий. Наприклад, при виготовленні фильера 20 мк має місце наступний розподіл часу (в годинах) за операціями (табл. 1).
З табл. 1 випливає, що для виготовлення отвору в філь'єрі потрібно від 2 до 3 тижнів. Наявність такого тривалого циклу обробки вельми обмежувало оперативність заводів, які застосовували діамантове волочіння, і вимагало створення великих цехів з обробки алмазу.
Внаслідок цього своєчасно була поставлена задача розробити новий, який не механічний спосіб обробки отворів в алмазах, який би значно скоротив час, потрібний на виготовлення алмазних фільєр. Природно, що при вирішенні цього завдання увагу дослідників було привернуто до можливості здійснити це завдання електроіскровий обробкою, однак ряд істотних властивостей алмаза не дозволяв безпосередньо перенести для вирішення цього завдання досвід, накопичений в електроіскровий обробці металів.
З цією метою розглянемо спочатку деякі основні фізико-хімічні властивості алмазу.
1. Алмаз - прозоре тверда кристалічна речовина, або біс-кольорове, або забарвлене в темно-сірий, коричневий, темно-зелений або чорний кольори.
2. Елементарна решітка алмазу містить 18 атомів.
3. У більшості випадків алмаз являє собою хімічно чистий вуглець, будучи третьою модифікацією цього елемента (перші дві - вугілля і графіт).
4. Алмаз має металлоидной характер.
5. Щільність алмазу 3,50 + 0,01.
6. Питомий опір 5 × 10 14 ом / см.
7. Алмаз володіє виключно високими оптичними властивостями: високим променезаломленням і сильним світлорозсіювання, що обумовлює сильний блиск. Він має показник заломлення 2,17.
8. Алмаз найбільш тверда речовина з усіх як відомих в природі, так і штучно отриманих речовин (властивості боразона ще ніде не описані).
9. Температури плавлення і кипіння невідомі.
10. Алмаз дуже крихкий. Злам раковистий.
11. Перехід алмазу в графіт відбувається при температурі близько 1700 ° і відбувається вкрай повільно. Зворотний перехід взагалі не спостерігався.
12. У струмені кисню алмаз при температурі 720 ° С легко спалахує, горить, утворюючи двоокис вуглецю і розвиваючи температуру до 850 ° С. При згорянні деяких забарвлених зразків залишається до 5% золи, що складається переважно з оксидів заліза.
13. Алмаз НЕ магнітів.
14. Алмаз - хімічно інертна речовина. У кислотах не розкладається і насилу окислюється сильними окислювачами (наприклад, расплавом селітри або гарячим хромпиком).
З розгляду наведених фізико-хімічних характеристик алмазу слід зробити два висновки: по-перше, алмаз на відміну від інших модифікацій є твердим і дуже хорошим діелектриком. Його питомий опір таке ж, як у кварцу, скла типу Пірекс, ебоніту та ін. І, по-друге, оскільки алмаз є вуглецем, виявляється можливим, за рахунок поверхневих хімічних реакцій, переводити його з твердого стану в газоподібну фазу.
Ці два висновки ми і поклали в основу наших досліджень по створенню електроіскрового способу обробки алмазу. Було очевидно, що. оскільки алмаз має високі діелектричні властивості, застосування електроіскровий обробки в звичайному вигляді не дасть жодного ефекту, оскільки електричний пробій йти не через алмаз, а через середовище, що оточує його. Вирішення цього завдання було можливо здійснити двома шляхами. По-перше, спробувати, використовуючи властивості алмазу, зробити його хоча б тимчасово провідником електричного струму, або, по-друге, змусити електронний пучок здійснювати роботу в електронейтральних речовині. Для вирішення завдання за першим варіантом було достатньо даних, що підтверджують реальність цього напрямку. Зокрема, було відомо, що якщо алмаз піддати опроміненню гамма-частинками, то в процесі опромінення він буде проводити електричний струм і, отже, зможе бути застосована звичайна схема електроіскровий обробки. Були також окремі відомості про різке зменшення діелектричних властивостей алмаза при опроміненні його ультрафіолетової частиною спектра або з підвищенням температури його.
Нам уявлялося малоперспективним застосування гамма-опромінення в масовому виробництві алмазних фільєр, тому дана можливість збільшення електричної провідності алмазу нами і не досліджувалася; інші два способи збільшення провідності були детально вивчені.
З цією метою алмази вагою 0,6 ÷ 0,75 карат і максимальним розміром 3-4 мм затискалися між срібними вістрями і піддавалися або опромінення ультрафіолетовими променями (фіг. 1), або нагрівання. В результаті вимірювань було встановлено, що дійсно під час опромінення алмазу ультрафіолетовими променями його провідність вздовж різних осей кристалічної решітки зменшується на 100-150 Мом, однак, якщо врахувати, що в цьому випадку все ж абсолютна величина опору продовжує залишатися на рівні 250-300 Мом , то практично для умов електроіскровий обробки алмаз продовжує бути ізолятором.
Нагрівання алмазу дало більш істотні результати. Ці дані представлені в табл. 2.
З табл. 2 випливає, що провідність алмазу істотно залежить від температури. В межах умов проведеного досвіду вона підвищувалася майже в три рази, і, очевидно, десь близько температури займання провідність його дійсно висока. Однак в умовах проведеного експерименту, коли температура алмаза була вже досить велика, все ж його опір виявився ще настільки значним, що і цей прийом зменшення опору алмазу так само, як і в попередньому випадку, не міг мати будь-якого практичного сенсу.
Мал. 1. Пристосування для вивчення провідності алмазу в ультразвукових променях
Рішення поставленого завдання було знайдено в іншому напрямку, Всіма нашими роботами попередніх років стверджується, що іскровий електричний імпульс являє собою електронний пучок, з великою швидкістю переміщається від катода до анода, і що в залежності від величини напруги, прикладеної до електродів, цей електронний пучок поглиблюється в поверхню анода на різну глибину.
Якщо анодом є досить товста пластина (хоча б товщиною кілька міліметрів), то пучок летять електронів буде різко і повністю зупинений твердою металевою поверхнею. При цьому вся енергія гальмування електронів виділиться в поверхневих шарах анода. Оскільки при цьому потужність досить велика, то відбувається спрямований вибух ділянки анода, що сприйняла імпульс. Під час електричного вибуху не тільки розплавлений, а й розм'якшений метал викидається з чаші, яка вміщає вражений обсяг металу.
Якщо ж анодом є дуже тонкий провідник струму, наприклад, металеву фольгу, то пучок електронів, ударившись об його поверхню, легко пробиває її і продовжує свій шлях в заанодной області. В цьому випадку анод виконує роль своєрідної прискорює сітки. Оскільки анод був тонкий, то на його пробою було витрачено дуже невелика кількість енергії; отже, електронний пучок, рухаючись в заанодной області, ще має великий запас енергії. І якщо на його шляху знаходиться будь-яке речовина, то електронний пучок, ударившись в нього, зробить значну роботу.
Цей схематично описаний процес і був нами використаний для обробки матеріалів, що не проводять електричний струм. Цілком очевидно, що, якщо при тільки що розглянутої постановки експерименту під тонкою фольгою розташувати якусь речовину (наприклад, алмаз), то пучок летять з великою швидкістю електронів буде різко зупинений цієї електронейтральної поверхнею, і при цьому вся енергія гальмування електронів виділиться в поверхневих шарах речовини. Як наслідок гальмування, розвиваються високі температури, випаровують і підривають поверхневі шари цієї речовини.
Так протікає елементарний процес виготовлення отвори в алмазі протягом одного іскрового електричного імпульсу. Для продовження цього процесу пробита електричним імпульсом поверхню анода повинна бути якось відновлена. Це виявилося дуже просто здійсненним. Цілком очевидно, що для виникнення і розвитку іскрового електричного імпульсу необхідно лише наявність певної величини електричного поля між катодом і анодом і при цьому не накладається ніяких обмежень на склад і стану анода. Внаслідок цього анод необов'язково повинен бути, наприклад, твердим речовиною. Він повинен лише добре проводити електричний струм. Виходячи з цих положень, виявляється цілком достатнім помістити алмаз в невелику ванну і заповнити її будь-яким розчином - електролітом так, щоб поверхня його ледь покривала поверхню оброблюваного алмазу. Тоді, з'єднавши масу електроліту з анодом розрядного контуру і піднявши напругу на електродах до відповідної величини (зазвичай для цих випадків кілька кіловольт), будуть створені умови для освіти одиничного іскрового електричного імпульсу, який при своєму протіканні вирве з поверхні алмазу певну порцію його. Після цього елементарного процесу утворилося при проходженні імпульсу в рідини отвір закриється, і система буде знову підготовлена для освіти наступного імпульсу.
Відповідно до розглянутими умовами експерименту була створена установка, що має в якості основних елементів регульований високовольтний (до 5000 в) трансформатор, ламповий випрямляч, ємність, включену паралельно ванні з електролітом, і вольфрамовий катод, за допомогою якого і здійснюється процес виготовлення отвори в алмазі.
При подальшій розробці щойно розглянутого процесу його вдалося забезпечити високий ступінь спрощення, використовуючи властивість електронного пучка переважно відділятися від катода (тим більше твердого) і з великими труднощами імітувати розряд з анода (тим більше рідкого). Т. е. Поєднання електродів «твердий катод і рідкий анод» дозволило використовувати для виготовлення отворів в алмазах змінний струм високої напруги, випрямляючи його безпосередньо при протіканні самого процесу обробки. У такому вигляді зараз цей спосіб виготовлення отворів в алмазних фільєрах і застосовується промисловістю.
На закінчення відзначимо, що саме слово «алмаз» по-арабськи і по-грецьки означає «неприборканий, твердейший». Нині алмаз, незважаючи на таке гучну назву, абсолютно «приборканий» і навіть будучи діелектриком слухняно підкоряється ледь видимої, але «надтвердої» електричної іскрі.
Читайте також:
Блог про медицину - відмінне джерело знань для всіх. Дізнайтеся, що говорять лікарі, а також природу хвороб.