1.5. 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.

Диаграмма состояния углерода и нитрида бора представлена на рис. 1.9.

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 (эль-бор 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.

Рис. 1.9. Диаграмма состояния углерода и нитрида бора: 7 - линия равновесия слоистых и тетраэдрических фаз; 2 - об­ласть температурной зависимости порогового давления прямых фазовых переходов; 3-линия плавления углерода и нитрида бора

Таблица 1.19

Усредненные показатели физико-механических свойств современных ПСТМ и твердых сплавов

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. 1.20.

Таблица 1.20

Физико-механические свойства ПСТМ на основе алмазов

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 монокристаллов 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 ВМ_гВМ_Сф (типичным представителем является ком­ позит 01);

2. Поликристаллы, получаемые в результате прямого перехода гексаго­нальной модификации в кубическую BNrBN (композит 02);

3. Поликристаллы, получаемые в результате превращения вюрцитоподобной 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. 1.21.

Таблица 1.21

Основные физико-механические характеристики ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора

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 810ГПа.

К классу композиционных относят также алмазосодержащие материалы на основе твердых сплавов. Из материалов этой группы, хорошо зарекомендо­вавших себя в эксплуатации, следует отметить «Славутич» (из природных ал­мазов) и твесалы (из синтетических алмазов).

Двухслойные композиционные поликристаллические материалы

(ДСКМ). Принципиальной особенностью ДСКМ является то, что спекание по­рошков сверхтвердых материалов производится при высоких температурах и давлениях на подложке из твердых сплавов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, в результате чего образуется слой ПСТМ толщиной 0,5-1 мм, прочно связанный с материалом подложки. Алмазоносный слой может со­держать компоненты подложки.

Двухслойные материалы имеют некоторые преимущества по сравнению с однородными по объему СТМ. Упрощается технология крепления режущего инструмента в корпусе державки путем пайки к твердосплавной подложке. Наличие подложки, прочно соединенной с рабочим слоем из СТМ, придает материалам повышенную ударную прочность, а использование слоя СТМ ма­лой толщины (0,5-2 мм) делает их более экономичными, поскольку при затачи­вании и перетачивании инструмента значительно уменьшаются безвозврат­ные потери дорогостоящих сверхтвердых материалов.

К наиболее известным отечественным двухслойным сверхтвердым компо­зиционным материалам из кубического нитрида бора относятся композит 05-ИТ-2С, композит 10Д, ВПК [65, 66], на основе алмаза - ДАП, диамет, АМК-25, АМК-27, БПА, АТП. За рубежом двухслойные поликристаллические сверх­твердые материалы на основе алмаза выпускает фирма «De Beers» (ЮАР) с торговой маркой синдит РКД010 и РКД 025 [48]. Синдит РКД025 рекоменду­ется главным образом для грубой обработки, а более мелкозернистый синдит марки РКДОЮ-для окончательной обработки.

Области применения инструмента из ПСТМ. Основная область эффек­тивного применения лезвийного режущего инструмента из ПСТМ - автоматизи­рованное производство на базе станков с ЧПУ, многоцелевых станков, авто­матических линий, специальных скоростных станков.

В табл. 1.22 приведены скорости резания, рекомендуемые для обработки различных материалов инструментом из ПСТМ.

Выбор конкретной скорости резания определяется величиной снимаемого припуска, возможностями оборудования, подачей, наличием ударных нагрузок в процессе резания и многими другими факторами.

Следует отметить, что в отличие от рекомендуемых по твердосплавному инструменту скорости резания инструментом из ПСТМ при фрезеровании в 1,5-3 раза выше, чем при точении.

Разработана и выпускается широкая номенклатура инструментов из ПСТМ [65,66]. Это токарные проходные, подрезные, расточные, канавочные, резьбо­вые резцы, в том числе ступенчатой конструкции для снятия повышенных при­пусков с деталей типа прокатных валков, торцовые хвостовые и насадные фрезы, в том числе регулируемые и переналаживаемые, которые могут осна­щаться пластинами из различных инструментальных материалов с опти­мальной для каждого геометрией, гамма расточных напайных и сборных резцов, зенковки, расточные головки и т.д. Для обработки древесностружечных плит на автоматических линиях созданы пилы, оснащенные ПСТМ. Инструмен­ты могут оснащаться как напайными режущими элементами (цилиндрические и прямоугольные вставки, твердосплавные многогранные пластины с напа­янными в одной из вершин ПСТМ), так и сменными круглыми и многогранными пластинами цельной или двухслойной конструкции.

Таблица 1.22 Скорости резания инструментом из ПСТМ

Отметим, что для точения с ударом и фрезерования закаленных быстроре­жущих сталей и сталей с высоким содержанием хрома (типа Х12) инструмент из ПСТМ не рекомендуется.

Расчеты показали, что необходимым условием эффективности вне­дрения инструмента из ПСТМ на станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах взамен твердосплавных резцов и фрез является увеличение интенсивности съема припуска (объем металла в единицу времени) в 1,5…2,5 раза. Однако практика внедрения высокоскоростного резания указывает на возможность повышения производительности обработки в 3…6 и более раз. Так, при соз­дании автоматизированного завода «Красный пролетарий» для чистовой обработки чугунных корпусных деталей с шероховатостью поверхности Ra 1,25 мкм на многоцелевых станках типа ИР 500 предложено использовать кас­сетные торцовые фрезы  = 125 мм новой конструкции с осевым и ради­альным регулированием положения зачистных радиусных режущих кромок (с точностью не хуже 0,005 мм) квадратных пластин из ПКНБ. Режим резания п = 3000 об/мин; v = 1177 м/мин; S_M = 2000 мм/мин; f =0,3-0,4 мм. При исполь­зовании высокоскоростных станков с п = 6000 об/мин скорость резания воз­растает до 2350 м/мин, подача до 4000 мм/мин, а производительность процес­са резания станет в 10 раз выше по сравнению с существующим уровнем.

Тенденции развития процессов механической обработки резанием позво­ляют утверждать, что в ближайшие годы высокоскоростное резание с широким применением новых инструментальных материалов станет вполне заурядным явлением на предприятиях, оснащенных передовым автоматизированным обо­рудованием.