6.4 Составы, свойства сверхтвердых режущих материалов. Композиты

Сверхтвердые инструментальные материалы (СТМ) обладают высокими прочностью, теплопроводностью, наивысшей твердостью, низким коэффициентом трения, что позволяет использовать их для высокоскоростной обработки черных, цветных металлов и жаропрочных сплавов.

Наиболее распространенными сверхтвердыми инструментальными материалами являются материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ). Природные и синтетические алмазы обладают наибольшей твердостью среди всех СТМ.

В промышленности используются синтетические алмазы в виде моно- и поликристаллов, зерен, порошка, получаемых методом фазового перехода графита в алмаз в присутствии различных растворителей (никель, кобальт, железо и т.д.) и катализаторов при высоких температурах и давлениях.

К материалам данного типа относятся алмазы отечественного производства карбонадо (АСПК) и балас (АСБ).

Композиционные материалы (зерно со связующим) получают из природных и синтетических алмазов при добавлении различных связующих методом спекания. К материалам данного типа относятся отечественные композиты СВБН, карбонит, диомит и СКМ, а также Megadiamond (США), Syndite (Великобритания), Sumi Dia (Япония) и др.

Наиболее распространенными связующими являются:

органические связующие (смолы), например термореактивная фенолформальдегидная смола с модифицирующими добавками;

керамические связующие (глина, шпат, кварц);

инертные металлические связующие (бронза, кобальт);

активные металлические связующие (титан, цирконий, ванадий, тантал, хром, вольфрам, кремний, бор).

Используют в промышленности алмазо-алмазные композиты - поликристаллы, образующиеся в результате прямых химических связей при высоких температурах в присутствии графитового или кобальтового порошка, а также слоистые композиционные материалы, например двухслойный материал СВБН, получаемый спеканием алмазного порошка на твердосплавной подложке.

Алмазный инструмент используется для механической обработки твердых сплавов, стекла, керамики, пластиков, резины, и т.д. В табл. 6.13 представлены типичные операции механической обработки, на которых используются алмазные инструменты.

Таблица 6.13

Типичные операции механической обработки с использованием алмазного инструмента.

Тип инструмента, вид технологической операции
Алмазный инструмент с режущими кромками		Алмазный инструмент без режущих кромок
однокромочный инструмент	фрезерование	зернистый материал со связкой	зернистый материал без связки
Точение Профилирование	фрезерование	Шлифование Отрезка Сверление Хонингование Правка	Притирка Полирование

Для эффективной обработки на каждой операции требуются алмазные зерна определенного размера. Зерна наибольшего размера (0,5-1 карат) используются для токарной обработки, затем в порядке уменьшения алмазных зерен следуют операции сверления, разрезки, шлифования, притирки и полирования.

Природные монокристаллические алмазы используются только для изготовления режущего инструмента, предназначенного для тонкой чистовой обработки с высокими скоростями резания.

Синтетические поликристаллические алмазы по твердости, теплостойкости, теплопроводности близки к природным алмазам. По прочности и вязкости они превосходят природные в условиях динамических нагрузок.

Поликристаллические алмазные инструменты получили широкое распространение при обработке большой номенклатуры материалов, в частности, обладающих повышенными абразивными свойствами, например сплавов на основе алюминия и кремния. Так, режущими инструментами из поликристаллического алмаза можно обрабатывать заэвтектические литейные кремнийалюминиевые сплавы со скоростями резания, превышающими в 3 раза скорости резания, допустимые при использовании твердосплавных инструментов; при этом стойкость алмазных инструментов более чем в 3 раза выше стойкости твердосплавных.

Успешно используются алмазные инструменты для обработки твердых сплавов до и после спекания, керамики, стекла, волокнистых композиционных материалов, древесины и изделий из них, резины, камня, меди, а также сплавов на ее основе.

Недостаток режущих алмазных инструментов - высокая химическая активность алмаза к металлам группы железа, которая не позволяет использовать данный инструмент при обработке чугунов и сталей.

Композиты на основе кубического нитрида бора (КНБ) занимают второе место по твердости среди всех известных инструментальных материалов после алмаза и обладает повышенной износостойкостью по сравнению с керамикой и твердыми сплавами. С точки зрения стойкости к переменным тепловым нагрузкам КНБ уступает алмазу, но превосходит его по вязкости. В отличие от алмаза КНБ не вступает в химическое взаимодействие со сплавами группы железа и обладает теплостойкостью вплоть до 1400 С. Вследствие этого эффективной областью применения инструмента из КНБ является высокоскоростная механическая обработка инструментальных сталей, отбеленных и серых чугунов, жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта.

В табл. 6.14 приведены физико-механические свойства СТМ отечественного производства.

Таблица 6.14

Свойства основных марок композитов, выпускаемых в России

Марка СТМ	Плот-ность, кг/м3	Предел прочности на сжатие, МПа	Предел прочнос-ти на изгиб, МПа	Тепло-стойкость, С	Микротвердость, МПа
Баллас (АСБ) Карбонадо СВ Эльбор Р(К01) Гексанит Р(К10) Исмит ПКНБ (К05) ПТНБ (К09) Белбор (К02)	3,50-4,00 3,69-3,93 3,34-3,46 3,31-3,93 3,38-3,45 3,27-3,45 3,35-3,45 3,25-3,41 3,45-3,47	200-400 400-800 7740-10590 2000-3000 2000-4000 1800-2200 1500-2000 4000-5000 4000-6500	500-1000 500-1000 --- 250-300 700-800 250-300 500-700 600-800 700-800	700-800 850-950 800 1100-1200 1100-1200 1200-1300 1200-1300 1200-1300 1000-1100	70000-75000 71000-76000 70000-100000 75000-86000 65000-75000 75000-80000 50000-60000 70000-80000 60000-90000
Примечание. Эльбор Р – композит 01, Гексанит Р – композит 10, ПКНБ – композит 05, ПТНБ – композит 09, Белбор – композит 02

Разработана большая номенклатура режущих материалов на основе КНБ для различных областей применения. Одним из последних достижений в области оптимизации свойств материалов данного типа является создание специалистами фирмы Feldmuehle (ФРГ) новых материалов серии WBN, содержащих как кубический (сфалеритный), так и гексагональный (вюрцитный) нитрид бора. Промышленное применение при обработке металлов резанием нашли три марки материалов (WBN-4, WBN-5, WBN-8), содержащих 60, 50, 20 % гексагонального нитрида бора соответственно.

Материалы имеют мелкозернистую структуру (0,02 мкм), высокую прочность и износостойкость. При прерывистом резании инструменты из материалов серии WBN имеют вязкость разрушения 13-22 МПа/м² в зависимости от состава. Инструмент из материалов данного типа эффективен при обработке различных материалов с высокими скоростями, большими глубиной резания и подачей. Отечественный аналог - материал гексанит Р, который по такой важной характеристике, как предел прочности на изгиб, превосходит материалы на основе КНБ.