Сверхтвердые синтетические поликристаллические инструментальные материалы
2.5 Сверхтвердые синтетические поликристаллические инструментальные материалы
Сверхтвердыми принято считать материалы, имеющие микротвердость, выше микротвердости природного корунда (Al2O3) (т.е. твердость по Виккерсу более 20 ГПа). Материалы, твердость которых выше, чем металлов (т.е. 5-20 ГПа) можно рассматривать как высокотвердые. Из природных материалов к сверхтвердым относится только алмаз. В 2000 году в ИСМ АН Украины прямым превращением графитоподобного твердого раствора BN-C при давлении 25 ГПа и температуре 2100К была получена новая сверхтвердая фаза, кубический карбонитрид бора (BC2N), получившим обозначение КАНБ. Твердость и модуль упругости КАНБ является промежуточным между алмазом и кубическим нитридом бора, что делает его вторым по твердости материалом после алмаза, и открывает новые перспективы.
2.5.1 Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора
Инструментальная промышленность выпускает синтетические сверхтвердые материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ).
Природный алмаз – самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента. Принципиальное отличие монокристаллического природного алмаза от всех других инструментальных материалов, имеющих поликристаллическое строение, с точки зрения инструментальщика состоит в возможности получения практически идеально острой и прямолинейной режущей кромки. Поэтому в конце XX века с развитием электроники, прецизионного машиностроения и приборостроения применение резцов из природных алмазов для микроточения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т.п. возрастает. Однако из-за дороговизны и хрупкости природные алмазы не применяются в общем машиностроении, где требования к качеству обработки деталей не столь высоки.
Потребность в сверхтвердых материалах привела к тому, что в 1953-1957 годах в Швеции (фирма ASEA) и США («Дженерал электрик») и в 1959 году в СССР (Институт физики высоких давлений) методом каталитического синтеза, при высоких статических давлениях, из гексагональных фаз графита (С) и нитрида бора (BN), были получены мелкие частицы кубических фаз синтетического алмаза и нитрида бора.
Теория синтеза алмаза впервые была предложена О.И.Лейпунским (1939г.), который на основе экспериментальных данных об обратном переходе алмаза в графит, сформулировал условие перехода графита в алмаз и рассчитал кривую равновесия графит – алмаз при высоких давлениях. Синтез алмаза из графита при высоких давлениях (более 4,0 ГПа) и температурах (свыше 1400К) осуществляется в присутствии металлических растворителей углерода (Ni, Fe, Co и др.).
Кубический нитрид бора (КНБ) сверхтвердый материал не имеющий природного аналога. Впервые кубический нитрид бора был синтезирован в 1956 году (фирмой «Дженерал Электрик») при высоких давлениях (свыше 4,0 ГПа) и высокой температуре (свыше 1473К) из гексагонального нитрида бора в присутствии щелочных и щелочноземельных металлов (свинец, сурьма, олово и др.). Кубический нитрид бора, выпускаемый фирмой «Дженерал Электрик» был назван Боразоном.
Синтетические монокристаллы алмаза и КНБ, полученные искусственным путем имеют очень малые размеры, поэтому для использования в качестве инструментального материала их соединяют (сращивают) в поликристаллы.
Рекомендуемые материалы
Поликристаллические композиционные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора появились на рубеже 60-70 годов. Характерной особенностью таких материалов является наличие жесткого каркаса из сросшихся зерен алмаза или КНБ. Спекание порошков алмаза и КНБ, как правило, осуществляется в области термодинамической стабильности алмаза и КНБ при давлении 5…9 ГПа и температурах 1500…2000К. Обычно спекание поликристаллических композиционных материалов осуществляют в присутствии активирующих процесс спекания добавок, для алмазных порошков – кобальт или кремний, а для порошков КНБ – алюминий (рис. 2.4). Составляющие каркас зерна это в сущности, монокристаллы алмаза, обладающие рядом уникальных физико-механических и теплофизических свойств. Насколько эти свойства реализуются в поликристалле, зависит от степени их взаимосвязи.
Технология производства двухслойных пластин, состоящих из верхнего рабочего слоя – сверхтвердого материала скрепленного с твердосплавной пластиной. Спеканием двухслойной пластины с алмазным рабочим слоем получают АТП, а с рабочим слоем из КНБ – КТП. Физико-механические свойства этих материалов приведены в табл. 2.14, 2.15
|
|
Рисунок 2.4 – Структура алмазного композиционного поликристаллического материала
Управление процессом формирования структуры поликристалла открывает возможности создавать в зависимости от областей применения материалы с требуемым сочетанием твердости, теплопроводности, прочности, электросопротивления. Поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) по своим физико-механическим свойствам могут быть близкими к монокристаллам, а по некоторым и превосходят их. Так, большинство алмазных поликристаллов обладает изотропией (однородностью по различным направлениям) свойств, отличаются высокой износостойкостью и превосходят монокристаллы по трещиностойкости.
Классификация ПСТМ основана на способе их получения и особенностях структуры. Основные способы получения ПСТМ показаны в табл. 2.13.
Таблица 2.13 Способы получения ПСТМ
| Груп па | Способ получения | Пример |
| 1 | Переход графита в алмаз в присутствии растворителя | АСПК (ИФВД, Россия), АСБ (ИФВД, Россия) |
| Переход графитоподобного нитрида бора в кубический (КНБ) в присутствии растворителя | Композит 01 (НПО «Ильич», Россия), композит 02 (ИФТТиП, Беларусь) | |
| Переход вюрцитного нитрида бора в кубический | Композит 10 (ИПМ, Украина) | |
| 2 | Спекание порошков алмаза с активирующими добавками Спекание порошков КНБ с активирующими добавками | АКТМ (ИСМ, Украина), СКМ, СВБН,карбонит. Киборит (ИСМ, Украина), ниборит |
| 3 | Спекание двухслойных пластин на твердосплавной подложке с алмазным рабочим слоем | АТП (ИСМ, Украина) |
| Спекание двухслойных пластин на твердосплавной подложке с рабочим слоем из КНБ | КТП (ИСМ, Украина) |
При переходе графита в алмаз в присутствии растворителя получают искусственные алмазы марок АСПК-карбонадо и АСБ-баллас, структура которых идентична структуре природных алмазов таких же названий. При переходе графитоподобного нитрида бора в кубический (КНБ) в присутствии растворителя получают Композит 01 (Эльбор-Р) и Композит 02 (Белбол), а при переходе вюрцитного нитрида бора в кубический Композит 10 (Гексанит-Р). Спеканием порошков алмаза получают марки АКТМ , СКМ, СВБН и карбонит, а спеканием порошков КНБ – киборит и ниборит. Получает развитие
Таблица 2.14 Физико-механические свойства материалов на основе ПКА
| Марка материала | Свойства ПКА | ||||||||
| Твердость по Кнуппу, ГПа | Плотность, г/см3 | Прочность, ГПа | Модуль Юнга, ГПа | Коэффициент трещиностойкости К1С, МПа×м10 | Теплопроводность, Вт/(м×К) | Термостойкость на воздухе, К | Коэффициент линейного расширения a, 1/К×10-4 | ||
| на сжатие | на изгиб | ||||||||
| АСБ | 50-90 | 3,5-3,9 | 0,4-0,6 | 0,78 | 800-850 | 290-300 | 873-993 | 0,9-1,2 | |
| АСПК | 80-100 | 3,5-4,0 | 0,4-0,8 | 0,5-1,0 | 900 | - | 1073-1173 | 0,9-1,2 | |
| СКМ | 60-70 | - | 0,6-0,8 | - | 850 | 150-250 | 973-1073 | ||
| АТП | 50 | 3,74-3,77 | 0,3-0,4 | 0,80-0,85 | 10-13 | - | 950-1000 | ||
| АКТМ | 52 | 3,46 | 0,49 | - | 970 | 8 | 260 | 1473 | |
| СВБН | 70-100 | 3,30-3,45 | 8,0-10,0 | - | - | 1073-1223 | |||
| Продолжение таблицы 2.14 | |||||||||
| Карбонит | 40-45 | 3,2-3,4 | 4,5-6,0 | - | - | 1473 | |||
| Алмет | 94-96 HRA | - | 5,0-10,0 | - | 500-600 | - | 973 | ||
| СВ | 65-100 | - | 5,0-10,0 | - | 850 | - | 1573-1673 |
Таблица 2.15 Физико-механические свойства материалов на основе КНБ
| Марка КНБ | Свойства ПКА | |||||||||
| Твердость по Кнуппу, ГПа | Плотность, г/см3 | Прочность, ГПа | Коэффициент трещиностойкости К1С, МПа×м10 | Модуль Юнга, ГПа | Теплопроводность, Вт/(м×К) | Термостойкость на воздухе, К | Размер зерен, мкм | |||
| на сжатие | на растяжение | на изгиб | ||||||||
| Композит 01 | 32-38 | 3,31-3,45 | 2,25-3,15 | 0,43-0,49 | 0,70-0,98 | 3,7-4,2 | 680-720 | 60-80 | 1343-1473 | 5,20 |
| Продолжение таблицы 2.15 | ||||||||||
| Композит 02 | 38 | 3,42-3,50 | 4,00-6,50 | - | 0,68-0,70 | 10,8 | 720 | 85 | 1273-1423 | 0,2-5 |
| Композит 10 | 30-38 | 3,34-3,50 | 2,00-4,00 | 0,26-0,39 | 1,20-1,50 | 7,1 | 650-780 | 30-60 | 1273-1373 | 0,1-0,3 |
| Киборит | 32-36 | 3,20-3,34 | 2,60-3,20 | 0,32-0,37 | 0,55-0,65 | 13,5 | 850-910 | 100 | 1573 | 3-14 |
| КТП | 25-33 | - | - | - | 14,5-16,1 | - | 80 | - | - |
За рубежом на основе технологии спекания алмазных зерен выпускают поликристаллические материалы Syndite 025, Megadiamond, Sumidia, Compax и др., а на основе спекания зерен КНБ Amborite, BZN, Sumiboron, Wurzin и др. размеры пластин СПТМ могут достигать 30-40 мм в диаметре, что открывает возможность получения инструмента с режущими кромками большой длины.
2.5.2 Характеристика основных свойств и область применения поликристаллов синтетического алмаза (ПКА)
Монокристаллы природного алмаза при достижении критических нагрузок разрушаются на мелкие фрагменты. ПКА из-за своей поликристаллической структуры значительно лучше сопротивляются ударным нагрузкам, чем монокристаллы алмаза, и, несмотря на меньшую твердость по сравнению с природным алмазом, имеют более высокие значения пределов прочности на растяжение и на поперечный сдвиг. При этом ударная прочность поликристаллов алмаза зависит от размеров алмазных зерен и с их увеличением снижается.
Преимущества инструментальных ПКА в сравнении с монокристаллическими алмазами связаны с произвольной ориентацией кристаллов в рабочем слое режущих пластин, что обеспечивает высокую однородность по твердости и стойкости к истиранию во всех направлениях.
Во многих случаях наблюдаемая на практике большая износостойкость резцов из синтетических алмазов, по сравнению с резцами из природных алмазов, объясняется различием их структур. У природного алмаза появившиеся трещины на режущей кромке, развиваются и могут достигать значительных размеров. У синтетического алмаза, представляющего собой поликристалл, возникающие трещины тормозятся и останавливаются границами кристаллов, что и определяет их более высокую в среднем в 1,5-2,5 раза износостойкость.
Поликристаллы алмаза отличаются от монокристаллов более высокой термостойкостью. такие материалы как АКТМ и СВ не теряют своих режущих и прочностных свойств при нагреве до 1473К и выше, что позволяет производить их напайку на твердосплавные пластины.
Коэффициент трения ПКА с металлом несколько выше, чем у природных алмазов. Это объясняется наличием пор на поверхности поликристалла, вызванных выпадением частиц кристаллов, а также наличием частиц металлической фазы (после синтеза) или связующего. Однако величина коэффициента трения ПКА со многими металлами не превышает 0,2, что свидетельствует о превалировании в контакте внешнего трения. Это является особенностью контактных процессов алмаза с большинством металлов. Однако, с никель и железосодержащими материалами алмаз имеет химическое сродство. Поэтому при резании сталей на основе железа, на контактных поверхностях алмазного инструмента происходит интенсивное налипание обрабатываемого материала.
Углерод, из которого состоит алмаз, активно реагирует с этими материалами при нагреве. Это приводит к интенсивному изнашиванию алмазного инструмента и ограничивает области его применения. Накопленный опыт свидетельствует о том, что наиболее эффективное применение алмазного инструмента получают на чистовых и отделочных операциях при обработке деталей из цветных металлов и их сплавов, а так же из различных полимерных композиционных материалов. Инструмент может быть использован при точении прерывистых поверхностей и при фрезеровании, однако его стойкость будет ниже, чем при обработке без удара.
В табл. 2.16 приведены рекомендации по режимам резания инструментами из алмаза различных обрабатываемых материалов.
Таблица 2.15 Рекомендуемые режимы резания резцами из алмаза
| Обрабатываемый материал | V, м/с | S, мм/об | t, мм |
| Алюминиевые литые сплавы | 10,0-11,5 | 0,010-0,04 | 0,01-0,20 |
| Алюминиево-магниевые сплавы | 6,6-8,3 | 0,010-0,05 | То же |
| Алюминиевые жаропрочные сплавы | 4,1-6,6 | 0,020-0,04 | 0,05-0,10 |
| Дуралюмин | 8,3-11,5 | 0,021-0,04 | 0,03-0,15 |
| Медь | 6,0-8,3 | 0,010-0,04 | 0,01-0,40 |
| Бронза оловянистая | 4,1-6,6 | 0,040-0,07 | 0,08-0,20 |
| Бронза алюминиево-железистая | 11,5 | 0,020-0,04 | 0,03-0,06 |
| Бронза свинцовистая | 10,0-11,5 | 0,025-0,05 | 0,02-0,05 |
| Латунь | 8,3 | 0,020-0,06 | 0,03-0,06 |
| Баббит | 6,6-8,3 | 0,010-0,05 | 0,05-0,20 |
| Монель | 2,5-5,0 | 0,010-0,02 | 0,03-0,05 |
| Титановые сплавы | 1,6-5,0 | 0,020-0,05 | 0,03-0,06 |
| Пластмассы | 1,6-3,3 | То же | 0,05-0,15 |
| Стеклотекстолит | 10,0-11,5 | “ | 0,03-0,05 |
| Резина | 5,0-6,6 | 0,010-0,04 | 0,02-0,06 |
Успешно применяются режущие пластины из ПКА при обработке полимерных композитных материалов. Использование режущих пластин с механическим креплением позволяет повысить стойкость в 15-20 раз по сравнению с инструментом из твердого сплава.
Еще одной из перспективных областей применения ПКА является обработка трудно поддающихся резанию и вызывающих быстрый износ инструмента таких материалов, как древесностружечные плиты, плиты средней плотности с высоким содержанием клея, с покрытиями на основе меламиновой смолы, декоративный бумажно-слоистый пластик, а также другие материалы, обладающие абразивным действием. Обработка таких материалов обычным инструментом неэкономична.
В настоящее время режущий инструмент, применяемый в деревообрабатывающей промышленности и промышленности по переработке пластмасс, оснащают поликристаллами алмаза. Такой инструмент имеет стойкость в 200-300 раз выше стойкости твердосплавных инструментов.
Геометрические параметры алмазного инструмента во многом определяются свойствами кристаллов природного алмаза. Кристаллы алмаза обладают высокой хрупкостью, поэтому режущие кромки инструментов должны обладать повышенной прочностью. С целью упрочнения режущей кромки угол заострения b, алмазного инструмента должен быть максимально допустимым.
Передний угол g от 0 до 15°, задний угол a от 2 до 6°, радиус вершины rb от 0,2 до 1,0 мм для алмазных резцов выбирают от вида обрабатываемого материала.
Для обеспечения шероховатости обработанной поверхности до Ra 0,1, режущая кромка не должна иметь сколов, а передняя и задняя поверхность инструмента обработаны до шероховатости Ra 0,01-0,015. Радиус округления режущей кромки r, должен достигать размеров менее 0,1 мкм.
В связи с повышенной чувствительностью инструментов из ПСТМ к вибрациям и ударным нагрузкам, к станкам, используемым для обработки режущих элементов из ПСТМ предъявляются повышенные требования в отношении точности, виброустойчивости и жесткости.
2.5.3 Характеристика основных свойств и область применения ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора BN
ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора, незначительно уступая алмазу по твердости, отличаются высокой термостойкостью (до 1573К), стойкостью к циклическому воздействию высоких температур и, что особенно важно, слабым химическим взаимодействием с железом, являющимся основным компонентом большинства обрабатываемых материалов (стали, чугуны, наплавочные материалы).
Главным резервом повышения производительности обработки для инструмента на основе BN является скорость резания (табл. 2.17), которая может превышать скорость резания твердосплавным инструментом в 5 и более раз.
Таблица 2.17 Скорости резания различными инструментальными материалами
| Обрабатываемый материал | Скорость резания, м/с для инструментального материала | |
| ПСТМ | твердый сплав | |
| Сталь НВ 150-250 | 1,66-3,33 | 2,10-5,00 |
| HRC, 45-55 | 1,33-2,66 | 0,6-1,15 |
| HRC, 60-70 | 1,00-2,00 | 0,15-0,50 |
| Серый чугун НВ 120-240 | 6,66-16,66 | 1,66-3,33 |
| Высокопрочный чугун НВ 160-330 | 5,00-13,33 | 0,83-1,66 |
| Отбеленный и закаленный чугун HRC, 40-60 | 0,83-2,50 | 0,15-0,31 |
Из таблицы видно, что наибольшая эффективность применения инструментов на основе BN имеет место при обработке высокотвердых чугунов, сталей и сплавов.
Рекомендация для Вас - Декреты как разновидность законодательных актов.
Одной из возможностей повышения эффективности инструмента из ПСТМ на основе BN является использование смазочно-ожлаждающих технологических сред (СОТС). Для инструментов из BN наиболее эффективно использовать жидкие среды путем их распыления при скоростях резания до 1,5-1,7м/с.
Еще одной из эффективных областей использования инструмента оснащенного поликристаллами BN, является обработка наплавок, которыми упрочняют детали металлургического производства. Наплавленные материалы очень высокой твердости до HRC 60-62 получают путем электродугового или плазменного наплавления порошковыми проволоками или лентами.
Перспективы применения режущих инструментов из СТМ
В ближайшие годы мировой рынок инструмента из СТМ ожидает резкий подъем. Это объясняется прежде всего тем, что в различных областях техники все большее применение находят труднообрабатываемые материалы и принципиально новые схемы обработки.
Эффективность инструмента из СТМ наиболее полно проявляется в условиях автоматизированного производства, гибкой смены технологий механообработки.
При применении ПСТМ на оптимальных режимах резания на станках с ЧПУ, производительность обработки повышается в 1,5-3 раза по сравнению с твердосплавным инструментом, улучшается качество обработанных поверхностей, исключается необходимость последующей абразивной обработки.
