Сверхтвердые синтетические поликристаллические инструментальные материалы
Сверхтвердые синтетические поликристаллические инструментальные материалы (ПСТМ)
Анализ особенностей и режущие свойства ПСТМ. Сверхтвердыми принято считать инструментальные материалы, имеющие твердость по Виккерсу при комнатной температуре свыше 35 ГПа.
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 обработке деталей не столь высоки.
Потребность в сверхтвердых материалах привела к тому, что в 1953 - 1957 годах в США и в 1959 году в СССР 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. Крупные поликристаллы, предназначенные для лезвийных инструментов, были получены в промышленных условиях в начале 70-х годов.
В основе технологии изготовления поликристаллов диаметром 4 - 40 мм лежат два различных процесса: фазовый переход вещества из одного состояния в другое (собственно синтез) или спекание мелких частиц заранее синтезированного порошка ПСТМ. В нашей стране первым способом получают поликристаллический кубический нитрид бора (ПКНБ) марок композит 01 (эльбор РМ) и композит 02 (бельбор), а также поликристаллический алмаз (ПКА) марок АСПК (карбонадо) и АСЕ (баллас). За рубежом изготовителями ПСТМ по технологии спекания являются три крупнейшие фирмы «General Electric» (США), «De Beers» (ЮАР) и «Sumitomo Electric» (Япония). Режущие инструменты из поликристаллов этих трех поставщиков производят сотни фирм во всем мире.
ПСТМ - принципиально новые, как по технологии изготовления, так и по условиям эксплуатации инструментальные материалы. Ими можно обрабатывать изделия при скоростях резания на порядок выше скоростей, допускаемых при использовании твердосплавного инструмента. Кроме того, инструмент из ПКА имеет в десятки раз более высокую скорость, чем инструмент из твердых сплавов.
Таблица 1
Усредненные показатели физико-механических свойств современных ПСТМ и твердых сплавов
| Свойства | Поликристаллические СТМ | Рекомендуемые материалыFREE Маран Программная инженерия Техническое задание -9% КМ-3. ИДЗ-1 + КМ-4. ИДЗ 2 + КМ-5. ИДЗ-3 - Выполнение всех лаб по СПО в кратчайшие сроки! Иностранный язык Lesson 1-15 КМ-4. Анализ организационной структуры предприятия. + КМ-5. Анализ бизнес-процесса предприятия. КМ-2. Измерения электрических физических величин. Тестирование - 75% WC ТС | |
| На основе нитрида бора | На основе алмаза | ||
| HV, ГПа | 40- 45 | 70-100 | 17-19 |
| Е.ГПа | 700 - 800 | 800-900 | 400-600 |
| sи, МПа | 600 - 800 | 800-1100 | 1400-2000 |
| sb | 400 - 500 | 1000-1300 | 1400-1700 |
| s-b | 2500 - 5000 | 7000-8000 | 4000-5000 |
| К1c,МПа×м-1/2 | 6,5- 8,5 | - | 10-17 |
| Работа излома G1c,Дж/м'2 | 130- 160 | - | 220 |
| l, Вт/(m×К) | 5,0- 10,0 | 7,0-15,0 | 10,0 |
| Жаропрочность, °С | 1000- 1200 | 700-750 | 800-900 |
Поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) систематизируются по таким определяющим признакам, как состав основы поликристаллов, способы получения, характеристика исходного материала. Вся гамма поликристаллов разделяется на пять основных групп: ПСТМ на основе алмаза (СПА), ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора (СПНБ), композиционные сверхтвердые материалы (КСТМ), двухслойные сверхтвердые композиционные материалы (ДСКМ).
ПСТМ на основе алмазов. Поликристаллы на основе синтетического алмаза можно разделить на четыре разновидности:
1. Поликристаллы, получаемые спеканием мелких алмазных порошков в чистом виде или после специальной предварительной обработки для активации процесса спекания. Изготовленные по такой схеме поликристаллы представляют собой, как правило, однофазный продукт. Примером могут служить мегадаймонд, карбонит.
2. Поликристаллы алмаза типа СВ. Они представляют собой гетерогенный композит, состоящий из частиц алмаза, скрепленных связкой - второй фазой, которая располагается в виде тонких прослоек между кристаллами алмаза.
3. Синтетические карбонады типа АСПК. Их получают путем воздействия на углеродосодержащее вещество со значительным количеством катализатора одновременно высокого давления и высокой температуры. Плотность таких поликристаллов изменяется в широких пределах, а содержание примесей составляет от 2 до 20% по массе. Поэтому поликристаллы типа АСПК обладают меньшей твердостью и прочностью, чем поликристаллы первых двух разновидностей.
4. Поликристаллы алмаза, получаемые пропиткой алмазного порошка металлическим связующим при высоких давлениях и температурах. В качестве связки используются никель, кобальт, железо, хром. Алмазные поликристаллы, получаемые по указанному способу, имеют высокие механические свойства.
Физико-механические свойства ПСТМ на основе алмазов представлены в табл. 2.
Таблица 2
Физико-механические свойства ПСТМ на основе алмазов
| Материал | Нагрузка на индентор,Н | Твердость, ГПа |
| Природный алмаз | 9,8 | 56-102 |
| АСБ | 2,0 | 60 |
| СВА-15Б | - | 65-80 |
| СВБ | - | 90-100 |
| Мегадаймонд | - | 78 |
| Карбонит | 9,8 | 39,2-44,2 |
| АЛВ | 9,8 | 50-65 |
| Компакс | 9,8 | 65-80 |
| Синдит 025 | 19,6 | 49,8 |
| Сумидиа ДА-150 | 9,8 | 42-50 |
| Сумидиа ДА-200 | 9,8 | 42-50 |
| WD-210 | 9,8 | 30 |
Микротвердость поликристаллических алмазов в среднем такая же, как природных монокристаллов, но диапазон изменения ее у синтетических алмазов шире. Отношение максимального значения к минимальному для различных типов поликристаллов находится в пределах 1,2 -2,28.
Микротвердость на периферии в 1,25 раза больше, чем в центре образца на участках, прилегающих к катализатору.
Плотность синтетических балласа и карбонадо выше, чем плотность природных монокристаллов алмаза, что объясняется наличием определенного количества металлических включений. С увеличением концентрации металлической фазы практически пропорционально возрастает и плотность.
Теплопроводность поликристаллов алмаза превышает теплопроводность меди и серебра, а в ряде случаев достигает значений теплопроводности моно кристаллов алмаза. Теплопроводность поликристаллов зависит от температуры. Причем для одних материалов с увеличением температуры до 450°С теплопроводность возрастает, достигая максимума, а затем снижается. Для других, типа АСБ и СКМ, - монотонно снижается до 900°С.
ПСТМ на основе кубического нитрида бора. Существует несколько разновидностей ПСТМ на основе нитрида бора.
1. Поликристаллы, синтезируемые из гексагонального нитрида бора (ГНБ) в присутствии растворителя ВМгВМсф (типичным представителем является композит 01);
2. Поликристаллы, получаемые в результате прямого перехода гексаго-нальной модификации в кубическую BNrBN (композит 02);
3. Поликристаллы, получаемые в результате превращения вюрцитопо-добной модификации в кубическую BNg ВМдф. Поскольку полнота перехода регулируется параметрами спекания, то к этой группе относятся материалы с заметно отличающимися свойствами (композит 10, композит 09);
4. Поликристаллы, получаемые спеканием порошков кубического нитрида бора (КНБ) с активирующими добавками (композит 05-ИТ, киборит и др.).
Основные физико-механические характеристики различных марок ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора приведены в табл. 3.
Таблица 3
Основные физико-механические характеристики ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора
Материал | Твердость, ГПа | sи, МПа | Коэффициенты | Е, ГПа | r, г/см3 | l, Вт/(м×К) | ||
| К1с, МПа×м1¤2 | m | a×10-6, К-1 | ||||||
| Композит 01 (эльбор-Р) | 35-37 | - | 3,9-4,2 | 0,16 | 840 | 3,4 | 60-80 при 350-360К) | |
| Композит 02 (бельбор) | - | 700 | - | - | - | 720 | 3,5 | 160-180 (при 900 -950К) |
| Композит 05- ИТ | 19 | 470 | 4,6-6,7 | - | - | 620 | 4,0 4,3 | |
| Композит 10 (гексанит-Р) | 30,5- 38,6 | 1000- 1500 | 3,8-5,9 | 0,14- 0,16 | - | 715 | 3,28 | 25-30 (при 360 К) 40-60 (при 950 К) |
| Киборит | 38-42 | 8,2 | 0,16 | - | 880 | 3,2-3,4 | 100 | |
| Боразон | 45 | - | - | - | 5,6 | - | 3,48 | 100-135 |
| Амборит | 40 | 570 | 6,3 | 4,9 | 680 | 100 | ||
| Сумиборон | 28 | |||||||
| Сумиборон | 30-35 | 4,7-5,6 | 4,2 | 37,8 | ||||
| Вюрцин | 30-40 | 800 | 13,0 | 7,9 | 20 (при 673 К) |
Рекомендуем посмотреть лекцию "21 Средства обеспечения режима в исправительных учреждениях".
ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора, незначительно уступая алмазу по твердости, отличаются высокой термостойкостью, стойкостью к циклическому воздействию высоких температур и, что особенно важно, более слабым химическим взаимодействием с железом, являющимся основным компонентом большинства материалов, подвергаемых в настоящее время обработке резанием.
Поликристаллы типа композит 01 имеют мелкозернистую структуру, доминирующей фазой которой являются мелкие зерна КНБ, сросшиеся и взаимно проросшие с образованием прочного агрегата. Примеси равномерно распределены по объему образца. Наряду с основной кубической модификацией в них возможно частичное содержание непрореагировавшего гексагонального нитрида бора.
Размеры зерен и включений сопутствующих фаз примерно равны 30 мкм, пористость равномерная, составляет 10%.
Композиционные сверхтвердые материалы (КСТМ). Однородные по объему КСТМ получают спеканием смеси порошков синтетического алмаза и кубического или вюрцитного нитрида бора. Сюда относят материалы типа ПКНБ - АС, СВАБ (СНГ), компакт (Япония). Эти материалы следует рассматривать как перспективные.
Из материалов этого класса наибольшей микротвердостью обладают материалы СВ-1 и СВ-40, а наименьшей - СВ-14, СВАБ. Невосстановленная микротвердость изменяется от 47,0 до 66,0 ГПа, а модуль упругости - от 640 до 810 ГПа.
К классу композиционных относят также алмазосодержащие материалы на основе твердых сплавов. Из материалов этой группы, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации - «Славутич» (из природных алмазов) и твесалы (из синтетических алмазов).
