Сверхтвердые материалы (СТМ)

Значительным резервом повышения производительности обработки резанием является применение инструмента, оснащенного пластинами из СТМ на основе поликристаллических алмазов, кубического и гексагонального нитрида бора.

СТМ принято называть материалы, имеющие твердость по Виккерсу при 20°С свыше 35 гПа. Субмикромелкая зернистость СТМ (некоторых типов) позволяет обеспечить при заточке инструмента радиус скругления кромок 0,3-3 мкм, а благодаря исключительно высоким «горячей твердости» (измеряется на образцах, нагретых до соответствующей температуры в вакууме) и износостойкости инструмент из СТМ может быть использован на высоких и сверхвысоких скоростях резания. Например, инструмент из СТМ при резании на скоростях 900-1200 м/мин позволяет получить параметры шероховатости обработанной поверхности Ra<0,8-0,1 мкм. Это значительно меньшая шероховатость, чем шероховатость, полученная при шлифовании, и соизмерима с шероховатостью после притирки, суперфиниширования или алмазного выглаживания.

В настоящее время выпускают большое число марок СТМ на основе плотных модификаций нитрида бора и алмаза (табл.2.5).

Таблица 2.5

Характеристики физико-механических свойств сверхтвердых материалов на основе нитрида бора и алмаза (20°С)

Окончание табл. 2.5

_______________

* СTM на основе нитрида бора

**СТМ на основе алмаза

Свойства кубического нитрида бора (КНБ) обусловлены чисто кова-лентным характером связи атомов с высокой локализацией валентных электронов у атомов. Для КНБ характерна высокая химическая устойчивость, твердость, термостабильность при температуре 1450°С. Это делает возможным применение сверхвысоких скоростей резания (до 1200 м/мин) для инструмента из КНБ. Однако сравнительно низкая прочность (s_и»0,47-0,7 гПа) и повышенная хрупкость КНБ позволяют использовать инструмент только для чистовой обработки заготовок из хрупких, твердых материалов при ограниченном сечении срезаемого материала и повышенной жесткости технологической системы. Применение инструмента из КНБ для обработки высокопрочных чугунов, закаленных сталей (HRCэ > 40) и некоторых сплавов позволяет в 10-20 раз превысить скорость резания этих материалов твердосплавным инструментом.

Лезвийный инструмент, оснащенный природными монокристаллами и синтетическими поликристаллами алмазов, а также кубическим нитридом бора, обеспечивает высококачественную обработку деталей из цветных металлов и сплавов, закаленных сталей и чугуна, неметаллических материалов, твердого сплава и минералокерамики в условиях серийного, массового и автоматизированного производства. Этот инструмент обладает высокой стойкостью, позволяет получать изделия высокой точности без переналадки в течение длительного времени, что определяет эффективность его применения на автоматических линиях и станках с ЧПУ. В ряде случаев применение подобного инструмента позволяет заменять операции шлифования лезвийной обработкой.

Применяемые для изготовления режущих инструментов природные алмазы (А) относятся к группе ограненных, т.е. алмазов, которым придается требуемая геометрическая форма и размеры. Алмаз и графит по химическому составу представляют собой чистый углерод и являются лишь его разными модификациями, отличающимися расположением атомов в структурной решетке. Графит имеет гексагональную (шестигранную) структурную решетку с расстоянием между слоями 3,35 А. Атомы углерода расположены в слое по вершинам правильных шестиугольников. Расстояние между атомами в слое равно 1,42 А; центры шестиугольников остаются пустыми. Взаимная ориентация слоев такова, что три вершины шестиугольника одного слоя расположены над центрами шестиугольников следующего слоя. В результате такого строения графита связи между атомами углерода в слое очень прочные, а между слоями, в виду большого расстояния между ними, очень слабые, что приводит к легкому расслоению графита в этом направлении.

Алмаз имеет кубическую кристаллическую решетку, содержащую 18 атомов углерода, из которых 8 расположены в вершинах куба, 6 - в центрах граней куба и 4 - в центрах 4-х из 8 кубов, образованных делением элементарной кубической ячейки тремя взаимно перпендикулярными плоскостями. Постоянная кристаллической решетки алмаза равна 3,57 А, а кратчайшее расстояние между атомами составляет 1,54 А. Каждый атом углерода в решетке алмаза связан общими электронами с четырьмя эквивалентными атомами. Атомы углерода в алмазе обладают чрезвычайно прочными ковалентными связями, которые и обуславливают ее исключительно высокую твердость и другие особенности.

Алмаз анизотропен по твердости, что обусловлено неодинаковым расстоянием между атомами в различных направлениях и неодинаковым количеством атомов, содержащихся в различных плоскостях. Свойство анизотропности алмаза по твердости учитывают при изготовлении однокристального алмазного инструмента.

Условно различают «твердые» и «мягкие» направления в кристаллах алмаза. По мягким направлениям алмаз обрабатывается легче, но больше изнашивается, чем по твердым. При изготовлении инструментов алмаз необходимо обрабатывать в «мягком» направлении, а в процессе работы ориентировать кристалл так, чтобы износ происходил в «твердом» направлении. Направления в кристаллах определяют по их внешней форме и на специальных установках с помощью рентгеновских лучей или звуковых колебаний. Лабораторными испытаниями установлено, что точность ориентации главной режущей кромки инструмента, относительно кристаллографических осей оказывает более существенное влияние на стойкость алмазного инструмента, чем другие параметры процесса резания, включая и элементы режима резания. Производительность шлифования монокристалла алмаза, в «твердом» и «мягком» направлениях может отличаться почти в 100 раз.

Алмаз обладает самой высокой твердостью из всех известных в природе минералов; по шкале Моса алмаз занимает наивысшее, десятое место. Микротвердость алмаза по Виккерсу (измеряется алмазной пирамидкой с углом между противоположными гранями 136°) равна примерно 100 гПа. Наряду с высокой твердостью алмаз облает высокой износостойкостью и абразивной способностью.

Алмаз обладает исключительно высокой теплопроводностью. Коэффициент линейного расширения алмаза во много раз меньше коэффициента линейного расширения твердых сплавов. Поэтому инструменты с кристаллами алмаза обладают малыми температурными деформациями. Модуль упругости алмаза превышает модуль упругости всех известных в природе твердых веществ.

Одним из важных свойств алмаза является низкий коэффициент трения. Недостатком алмаза как инструментального материала является его сравнительно низкая теплостойкость. На воздухе алмаз сгорает при температуре 850-1000°С.

Ограниченные запасы природных алмазов, а также их высокая стоимость вызвали необходимость разработки технологий искусственных алмазов. Условия получения искусственных алмазов заключаются в воздействии на алмазообразующий материал, содержащий углерод (графит, сажа, древесный уголь), давлением 60 тыс. атмосфер при температуре 2000-3000°С, что обеспечивает подвижность атомов углерода и возможность перестройки структуры графита в структуру алмаза. Синтез осуществляется в высокопрочных сосудах - автоклавах в присутствии химических катализаторов (железо, никель, хром и др.). При получении алмазов без катализаторов требуется давление 215 тыс. атмосфер и температура свыше 3770°С.

И синтетические, и природные алмазы не рекомендуется применять для обработки материалов и сплавов, содержащих железо, что объясняется большим физико-химическим сродством черных металлов и алмаза.

Для обработки закаленных сталей и высокопрочных чугунов эффективен кубический нитрид бора (КНБ).

Существует три варианта техпроцессов получения СТМ:

- синтез из гексагонального нитрида, бора;

- синтез из вюртцитоподобного нитрида бора;

- спекание из порошков кубического нитрида бора с легирующими добавками.

По первому варианту технологического процесса изготовляются Композит 01(Эльбор-Р)* и Композит 02 (Бельбор). Синтез Композита 01 происходит с катализатором, а Композита 02 - без катализатора. Конечный продукт в обоих случаях - кубический нитрид бора.

По второму варианту техпроцесса получают Композит 10 (Гексанит-Р) и Композит 09 (ПТНБ). Композит 10 получают путем синтеза и спекания. Исходный материал - вюрцитоподобный нитрид бора, конечный - смесь вюрцитоподобного и кубического нитрида бора. Композит 09 является результатом синтеза из смеси вюрцитоподобного и кубического нитрида бора, конечный продукт - кубический нитрид бора.

По третьему варианту технологического процесса изготовляется Композит 05 (спекание из порошков КНБ и Аl₂О₃) и его модификация - композит 05 И.

Поликристаллы всех этих марок отличаются размерами и физико-механическими свойствами.

Композиты 01 и 02 имеют максимальную микротвердость (»75 гПа), но небольшую прочность (s_и»0,4-0,5 гПа); диаметр и высота заготовок в этом случае около 4 мм, масса 0,8 карат. Наличие вюрцита в исходном и конечном материалах повышает прочность, но снижает твердость получаемого поликристалла

Композит 10 имеет микротвердость 40-50 гПа, но прочность его выше, чем у Композитов 01 и 02 (s_и »0,7-1 гПа). Диаметр поликристаллов Композита 10 равен 4-6 мм, высота 4-5 мм, масса »1,5 карата.

Кубический нитрид бора превосходит по твердости все материалы, кроме алмаза; меньшая твердость объясняется в основном тем, что параметры решетки кубического нитрида бора несколько больше, чем у решетки алмаза. Теплостойкость КНБ выше теплостойкости алмаза; КНБ не теряет своих режущих свойств до температуры »1200°С. Именно эти уникальные свойства, наряду с химической инертностью к железосодержащим сплавам и высокой износостойкостью, предопределили возможность применения КНБ при обработке закаленных и высокопрочных сталей, а также чугунов с высокими скоростями резания.