Принцип работы алмазного инструмента

Принцип работы алмазного инструмента.

И почему алмазный инструмент INSTRI технологичен.

Для начала дадим небольшое отступление. Чем отличаются все алмазные инструменты, для чего разные связки и почему сами алмазы используются разные. 

Алмазный сегмент для абразивных материалов состоит из кристаллов алмазов и металлической связки, в толще которой алмазы заключены. Алмазный инструмент для металла связки не имеет, у него все алмазы на поверхности. Далее поясним, почему. 

Очень обобщенно, как это работает алмазный сегмент на металлической связке:

когда мы обрабатываем поверхность материала, наш алмазный сегмент вступает в с ней в контакт. Над поверхностью сегмента выступают кристаллы алмазов, которые тверже любого материала, потому бетон/камень/кирпич и любые другие материалы стираются (превращаются в порошок).

Алмазные порошки (кристаллы синтетических алмазов) бывают разной твердости: AS40, AS60, AS100, AS200 и т.д. Чем выше твердость алмазов, тем дольше они не стираются, тем выше ресурс алмазного сегмента. Цена на более высокую твердость алмазов растет по экспоненте. Также, чем крупнее зерно, тем дороже алмазы.

            Алмазик, находящийся  на поверхности сегмента, стирается об обрабатываемый материал. Об этот же материал должен стереться слой металлической связки, чтобы оголился следующий кристалл. Способность изнашивать другие материалы называется АБРАЗИВНОСТЬЮ. Во всех строительных материалах присутствует абразив и все они имеют абразивность в той или иной степени. Что такое абразивность описано в нашей другой статье. Чем выше абразивность материала, тем быстрее износится и алмазик, и связка сегмента. Если брать распространенные стройматералы, то самая высокая абразивность у «Свежего бетона» (до 5 суток). Примем ее за 95-100. У асфальта абразивность так же высока, 90-100. У выдержанного бетона свыше 30 суток -  40-55. У гранита поменьше. Самые низкие мы бы выделили у керамогранита - 25 и мрамора – 15-20. И совсем низкие показатели 5-10 у агата, яшмы, «монолитного» кварца (не кварцевого песка!!).
            Хочется добавить пример про абразивность: один и тот же материал может быть более абразивным и менее абразивным. Например монолитный кусок кварца имеет гораздо меньшую абразивность, чем тот же кварц, измельченный в порошок (песок). Из одной и той же породы песок может быть с менее окатанными краями и с более острыми гранями песчинок. Песок с острыми гранями имеет большую абразивность, нежели с окатанными. Чем плотнее материал, тем он менее абразивен, т.к. по структуре ближе к чему то единому, цельному, монолитному. Например бетон М400 более плотен, чем бетон М200 и обладает меньшей абразивностью. Потому алмазный инструмент на марке 200 износится значительно раньше, чем на марке 400. Точнее не так: чем плотнее материал, тем быстрее износятся кристаллы алмазов, но тем медленнее изнашивается связка сегмента. Бетон на отсеве менее абразивен, чем бетон на песке. Бетон на речном гравии более абразивен, чем бетон на гранитном щебне. Но про гранит опять отдельная статья… Гранитов выделяю 12 категорий твердости, плотности, соответственно, абразивности…

Если Связка нашего сегмента слишком износоустойчива к абразивности материала, то верхние алмазы сотрутся, а следующие оголиться не смогут. Эффект «засаливания» сегмента, кто-то называет «замыливание». Т.е. шлифовальный элемент/коронка/диск крутятся-вертятся, а материал не снимается. При шлифовании такое происходит иногда на высокомарочных бетонах, при попытках шлифовать топпинг. На такие объекты нужно ставить алмазные сегменты с более мягкой связкой.  Металл, например, имеет абразивность близкую к 0, потому алмазный инструмент для обработки металла делается так, чтобы все рабочие алмазы были на поверхности, т.к. металлическая связка сегмента о металлическую поверхность будет тереться очень долго, мы столько ждать не сможем.

Обратный эффект - когда наша связка слишком слабая по износостойкости по отношению к абразивности материала. Алмаз на поверхности еще может работать, но он глубоко проник в материал, и наша связка уже активно об этот же материал истирается. Происходит так, что связка, удерживающая алмаз, истирается раньше, чем алмаз успел выработаться. Это приводит к выпадению алмаза и сокращению ресурса алмазного сегмента.

Потому диски по выдержанному бетону очень быстро заканчиваются на асфальте или свежем бетоне, а  диски по асфальту не режут выдержанный бетон.

Из всего вышесказанного следует, что для достижения высокого ресурса алмазного инструмента нужно брать алмазы самой высокой твердости. Эти алмазы являются износостойкими и могут долго работать, потому используют с ними самую износостойкую связку, чтобы дорогие твердые алмазы износились до конца. При этом и алмазы, и связка должны соответствовать абразивности материала, чтобы не происходило «засаливания» сегментов.

Обычно связки состоят главным образом кобальта и карбида вольфрама, карбида железа. Если в процентном соотношении положить больше кобальта, то связка становится мягче, менее изностойкой. Такие сегменты имеют высокую скорость обработки, но меньший ресурс. Чтобы был более высокий ресурс, нужно добавить больше карбида железа и карбида вольфрама. Кобальт – очень дорогой элемент в связке. Он нужен для удержания алмазов в связке, является пластичным металлом, который хорошо удерживает кристаллы алмазов, подвергающиеся механическим нагрузкам.  Кобальт торгуется на бирже, как и золото. И в алмазном сегменте в финансовом выражении его содержится даже больше, чем самих алмазов. Потому все производители дешевых сегментов стремятся заменить дорогой кобальт на черный  металл - такие сегменты темные на вид. Либо на медь даже меняют - такие сегменты имеют рыжеватый оттенок. И т.д. Но еще никто не придумал, чем заменить Кобальт в алмазном сегменте без потери функционала…

 Очень дешевые алмазные инструменты (чаще из «Поднебесной») часто «не режут/не шлифуют/не сверлят». В них кладут самые слабые по твердости алмазы очень мелкой фракции, заменяют мягкую связку жесткой, алмазы быстро стираются или выпадают, т.к. связка на черном металле не способна их удержать. Но иногда на сильно абразивных материалах такой инструмент наоборот режет хорошо и долго.  

Резюме: чтобы сделать качественный ресурсный сегмент, нужны алмазы высокой твердости, значительное количество Кобальта для удержания кристаллов алмазов и добавление легирующих элементов, делающую связку износоустойчивой к истиранию.

Написанное выше - упрощенное объяснение. Работа алмазного сегмента зависит не только от твердости алмаза, но и от остроты его граней, от того, как сам алмаз стирается.

Положим, мы взяли хорошие алмазы, крупной фракции и высокой твердости. Он острым краем «торчит» из нашего сегмента (эдакий «шип/нож»). По мере работы острые грани алмаз стираются и стают «окатанными», им уже сложнее «вгрызться» в обрабатываемый материал и скорость обработки падает. Либо перестать работать вовсе.

Потому производства синтетических алмазов постоянно разрабатывают все новые и новые алмазы, технологии их выращивания. На сегодня более 600 видов алмазных порошков. Одни имеют высокую твердость, но быстро «тупятся». Другие имеют меньшую твердость, но всегда остаются «острыми». Третьи имеют определенную шероховатость своей поверхности и способны «вклеиваться» в состав сегмента с помощью одних веществ, другие имеют другую шероховатость и удерживаются в теле сегмента другими веществами. Это не прекращаемая разработка, поиск новых технологий и т.д.

Кроме того, сложность заключается в том, что казалось бы идентичные материалы в разных регионах земного шара имеют разную абразивность.  Например, диски по бетону, хорошо работающие по бетону М350 в Екатеринбурге, в Уфе на том же бетоне М350 покажут в 2-3 раза меньший результат. Т.к. в нашем регионе как наполнитель бетона используют гранитный щебень, а в Уфе чаще речной гравий, имеющий бОльшую абразивность. Инструмент, хорошо работающий в Польше, в Турции даст только отрицательные отзывы и т.д…

Даже в момент шлифовки/резки происходят хим. реакции отщепляемых от материала веществ с веществами нашей связки. Глазом этих реакций не заметить, но они есть на молекулярном уровне. И эти реакции отражаются на работе алмазного инструмента, т.к. связка может вдруг стать более хрупкой или на оборот более прочной и т.д. Особенно этот эффект заметен при шлифовании с водой – ресурс с водой сокращается в разы. Ну либо использовать специальную связку для работы с водой, но тогда без воды она работает заметно хуже. 

Менее «задачливые» производители алмазного инструмента просто переманивают к себе инженера из успешной фирмы, тот продает им рецепт какой-то связки или нескольких связок, и они одно и то же поставляют на рынок годами, не выделяя средств на новые разработки, пробы, эксперименты.

Другие производители напротив, регулярно находятся в поиске новых решений.

Проблема крупнозернистых сегментов при шлифовке бетона.

Действительность в России такова, что бОльшую часть объектов приходится шлифовать самым крупным зерном, т.к. культура укладки бетона страдает и поверхность передается подрядчику для нанесения покрытия в очень грубом состоянии.

Но, чем крупнее алмаз, тем глубже он входит в материал, и тем больше момент силы, пытающейся его вырвать из связки сегмента. Для крупнозернистых сегментов приходится использовать более дорогую связку, способную воспринимать такие нагрузки. И сами кристаллы алмазов должны обладать меньшей хрупкостью, чтобы их не «сломило». А такие алмазы очень дороги.

Большая часть производителей откровенно лукавит, ставя на своих изделиях №000, №0000…. «Нули» - очень субъективное понятие. Каждый производитель сам решает, сколько «нулей» присвоить тем или иным сегментам. Часто в ассортименте производителей отсутствуют сегменты с крупными кристаллами, т.к. ресурс у крупнозернистых элементов всегда меньше, если не использовать высокотехнологичную и дорогую связку.  

Самая крупная зернистость у многих 800/500 микрон, что соответствует №00 большинства производителей. А под номерами №000 и №0000 не стоят сегменты с зернами 1200/1000 и 1400/1200 микрон, а те же 800/500 микрон, но на эти элементы припаивают большее количество сегментов или используют какое то сочетание сегментов, другую связку и т.д. Т.е. зерно оставляют мелкое, чтобы не иметь проблем с ресурсом, а более высокой скорости обработки достигают например увеличением концентрации алмазного порошка или снижением твердости связки.

Во франкфуртах Instri в наименовании каждого франкфурта мы честно пишем свои «Нули» и номинальный размер зерен в микронах. Сейчас стали также писать глубину царапины, оставляемой алмазами на бетоне.

№0000  - 1450/1200 микрон – глубина 0,95 мм

№000   – 1200/1000 микрон – глубина 0,75 мм

№00        – 800/500 микрон – глубина 0,47 мм

№0          – 590/400 микрон – глубина 0,30 мм

№1          – 315/200 микрон – глубина 0,20 мм

И т.д… №2 - 0,08 мм, №3 - 0,05 мм, №4 - 0,03 мм – для полировки.

Подрядчики по полам считают, что чем грубее зерно, тем выше ресурс. Это не так. Наоборот, ресурс выше у мелкозернистых элементов, т.к. мелкие кристаллы воспринимают меньшую нагрузку на вырыв, и их легче удержать в связке.

Пояснение  по связкам алмазных шлиф элементов Instri:

у нас есть 3 типа связки алмазных элементов для шлифования:

1) Instri PRO-Line

2) Instri Soft-Line
3) Kraft

Каждый ряд элементов с этими связками имеют различные зернистости. Т.е. у нас есть №0000, №000, №00, №0 и т.д со связкой Instri PRO-Line,  и есть  №0000, №000, №00, №0 и т.д со связкой Instri Soft-Line, №0000, №000, №00, №0 со связкой Kraft.

Instri PRO-Line  - самая премиальная  и дорогая по составу, технологиям связка. 

С одной стороны это обычная карбид-вольфрам-кобальтовая связка, но в нее добавлены легирующие элементы, придающие связке износоустойчивость. Эти ингредиенты держатся в секрете, можем лишь сказать, что температура их плавления более 3000 град. Потому при изготовлении сегментов с данной связкой используется сложная технология запекания (запечь нужно при температуре менее 850-1000 град с доступом кислорода или 1800-2000 град без доступа кислорода, иначе алмаз превратится в графит). Это уже чудеса порошковой металлургии. Запекание под определенным давлением, в среде инертных газов и т.д. Более дорогая технология, чем просто замешать ингредиенты и поместить в печь на 15 минут

За счет использования дорогих и всегда «острых» алмазов во франкфуртах Instri Pro-Line, а также использования износостойкой связки достигается высочайший ресурс и скорость обработки, которая не теряется во время работы всего сегмента.

Наши конкуренты давно «скопировали» эту связку по хим. составу и изготавливают сегменты с ее использованием. Но не могут подобрать алмазы, чтобы добиться такого же результата. Точнее могут – они есть и общедоступны, но они слишком дорогие. И здесь идет борьба объемов. Более крупный производитель имеет низкую входную цену на ингредиенты, т.к. закупает их большим объемом. Ну и также не могут раскрыть секретный элемент, позволяющий связке не изнашиваться быстрее алмазов.

Мы не сами изготавливаем наши сегменты. В России невозможно произвести такой сегмент, чтобы при этом он был конкурентоспособным. Наша система налогообложения и монополизированность сырьевых рынков не позволяют быть конкурентоспособными производителями на мировом уровне, а объемов потребления алмазного инструмента в России недостаточно, чтобы тягаться с крупнейшими производителями, производящих инструмент на весь мир.

Наш производитель сегментов имеет собственный инженерный центр, на каждого менеджера по отпуску товара в штате есть 5 инженеров, разрабатывающих связки алмазного инструмента и подбирающих подходящие алмазы.

Связка Instri Pro-Line разработана с нашим непосредственным участием, по нашим рекомендациями. Связка максимально адаптирована под условия России. Как уже отмечено, в России часто шлифование используют не для того, для чего оно изначально задумано – для снятия бетонного молочка, а для выравнивания поверхности после нарушения технологии укладки бетона… Потому шлифовальным элементам приходится снимать не только верхний слабый слой бетона, но и прочный бетон. Связка разрабатывалась в течение 3х лет. Шли эксперименты за экспериментами, пробы различных алмазных порошков в сочетании с различными составами связок, новые корректировки, новые испытания. Последний год сегменты поставляются постоянного состава и никакие коррективы не вносятся.

 Мы считаем связку Instri Pro-Line универсальной. Она может экономически эффективно работать с максимально широким диапазоном абразивности материалов. От стяжек М100 до бетонов М500.

На некоторых объектах с низкой абразивностью бетона (марка бетона 450 и выше, топпинг, перетертый бетон) Instri Pro-Line может не работать (медленно шлифовать), потому для таких мест у нас есть связка Instri Soft-Line – она мягкая и менее износостойкая, но шлифует быстрее.

Тем не менее, есть объекты, где абразивность бетона слишком высока даже для связки Instri Pro-Line. Ресурс комплекта может сокращаться с привычных 2000-3500м2 до 100-200м!!! Но и ресурсы конкурентов на этих объектах 40-100 м2. Потому Instri Pro-Line остается более выгодным вариантом. Для таких объектов мы разрабатываем новые сегменты Instri Pro-Line HARD, которые дадут для подрядчиков на сверхабразивном бетоне экономически целесообразные ресурсы 600-800 м2 вместо 100-200м2. Данные сегменты в данный момент проходят испытания.

Связка Kraft – эконом линейка. Для тех, кому цена низкая за 1 алмазный элемент важнее, чем низкая себестоимость 1 м2 поверхности. Данные сегменты производятся в России. Экономически целесообразно их применять для небольших объемов.