Билет №4.

1.Способы получения сверхтвердых материалов. Примеры марок монокристаллических и поликристаллических алмазов и кубического нитрида бора. Область применения.

Искусственные алмазы отлича­ются от природных большей шероховатостью граней, повышенной хруп­костью, но дают более высокую производительность.

Получение синтетических алмазов

В основе промышленного производства синтетических алмазов и СТМ лежат способы, основанные на полиморфном превращении графита в алмаз и гексагонального нитрида бора в кубический.

Решающее влияние на ход процесса синтеза оказывают давление и температура. Добавки, активизирующие фазовые превращения графит  алмаз, являются катализаторами-растворителями (почему процесс и носит название каталитического синтеза).

Условия проведения синтеза:

1. Исходный материал, содержащий углерод: графит, сажа, древесный уголь;

2. Катализаторы: никель, хром, железо и его сплавы, тантал, родин; для кубического нитрида бора  нитриды магния, лития и кальция;

3. Большие давления: 170...200 тысяч кг/см²;

4. Большие температуры (до 3000°С).

При этом через специальную твердосплавную камеру (или из специ­альных сталей), в которой осуществляется процесс, пропускают ток низ­кого напряжения. Весь процесс занимает несколько минут.

Синтетические алмазы имеют вид единичных кристаллов размерами от сотых долей миллиметра до 2,5 мм, то есть от 0,1 мкм до 2,5 мм.

Условные обозначения:

• Естественные алмазы (природные): А1, А2, A3, А5, А8. Цифра соответ­ствует десяткам процентов содержания зерен изометрической формы, то есть, например, А5 содержит 50% зерен изометрической формы.

• Синтетические алмазы: АС2, АС4, АС6. АС 15, АС20, АС32, АС50 и другие. Число в маркировке показывает среднеарифметическое значение показателя прочности на сжатие в ньютонах (по ГОСТ 9206 - 80).

Одна из основных характеристик, определяющая марку синтетиче­ских алмазов  это прочность.

По прочности синтетические алмазы выпускают следующих марок (в скобках указано ранее применявшееся обозначение марок):

АС2 (ACO)  обычной прочности (повышенная хрупкость). Размеры 40…200 мкм. Агрегаты с развитой поверхностью. Изготовляют инструмен­ты шлифовальные на органических связках для чистовых и доводочных операций, то есть финишных операций; пасты; суспензии. Прочность в 5 раз меньше прочности естественных алмазов. Обрабатывают твердые сплавы, жаропрочные и другие.

АС4 (АСП, АСР)  повышенной прочности. Размеры 60…400 мкм. Аг­регаты и сростки. Инструменты на органических и керамических связках; хорошая самозатачиваемость. Обрабатывают твердые сплавы, чугуны, керамику. АС4М  металлизированный  увеличена разрушающая нагруз­ка.

АС6 (АСВ)  высокой прочности. Размеры 60…400 мкм. В основном несовершенные кристаллы и сростки. Инструменты на металлических связках, работающих на высоких удельных нагрузках. Обрабатывают за­каленные стали, чугуны, керамику, стекло.

АС 15, АС20 (АСК)  прочность равна прочности естественных алма­зов. Размеры 1...60 мкм. В основном представляют собой целые кристал­лы, их обломки и сростки. Инструменты на металлических связках приме­няют для работы в особо тяжелых условиях. Применяют в строительной индустрии: обработка стекла, железобетона, мрамора, известняка; для бу­ровых коронок.

АС50 (ACC)  сортовый: прочность в 2 раза выше прочности природ­ных алмазов. Хорошо ограненные алмазы. Работа в особо тяжелых усло­виях: буровой инструмент, резка корунда, природных алмазов.

По аналогии с природными алмазами созданы поликристаллические алмазы с близкими природными физико-механическими свойствами: APB1 (АСБ)  баллас; АРК4 (АСПК)  карбонадо; АРСЗ, АРС4  «спе­ки» спекание микропорошков под высоким давлением без металличе­ской связки. Размеры этих поликристаллов диаметром от 3,5 до 10 мм, по массе  от 0,4 ct до 4,5 ct. Применяют поликристаллические синтетические алмазы для чернового хонингования чугунов, точения, резки стеклопла­стиков, камнеобработки, бурения.

Кроме того, выпускают порошки повышенной механической и терми­ческой прочности (термостойкие): АС20Т; АС40Т; АС50Т; АС80Т и АС 100 Т (красностойкость до 1200°С).

Синтетическими и естественными алмазами обрабатывают:

• цветные металлы и сплавы;

• медь, бронзу, латунь;

• мельхиор;

• цинк и его сплавы;

• стеклопластик;

• германий, кремний;

• эбонит;

• резину;

• керамику, керметы.

При этом они показывают стойкость 50...100 часов при режиме: V=400 м/мин ... 1800м/мин; S=0,06 мм/об...0,51 мм/об; t=0,05...2,54 мм.

Поликристаллы алмаза (ПКА) могут быть получены диаметром до 51 мм (сдерживают возможности оборудования). Форма заготовок в сечении может быть: круглой, квадратной, треугольной, прямоугольной и других.

В конце 50-х годов  в начале 60-х XX века в ряде стран был синтези­рован новый сверхтвердый материал  кубический нитрид бора: 1957 г  США (Роберт Венторф)  боразон; в I960 г промышленное изготовление в СССР эльбора («Ленинградский бор»); кубонит (КНБ)  опытный завод Института сверхтвердых материалов. В основе получения этих материалов лежит способ превращения гексагонального нитрида бора в кубический (приблизительно 44% бора и 56% азота).

В зависимости от показателя механической прочности эльбор и кубонит разделяют на марки:

ЛО  эльбор обычной прочности (низкой);

ЛОС  эльбор со стеклопокрытиями;

ЛД  эльбор дробленный;

КО  кубонит обычной прочности (низкой);

ЛП  эльбор повышенной прочности (примерно в 2 раза выше проч­ности ЛО);

КР  кубонит повышенной прочности;

ЛКВ  высокопрочный кубический нитрид бора (КНБ);

ЛОМ  металлизированный эльбор.

Обычно изготовляют инструменты из ЛО и ЛП на органической и ке­рамической связках, из ЛКВ - на металлических связках.

Область применения КНБ при обработке черных металлов - сталей, чугунов:

• закаленные стали и сплавы (до твердости HRC 60);

• быстрорежущие стали;

• жаропрочные нержавеющие и высоколегированные стали.

Следует упомянуть новые сверхтвердые синтетические материалы, применяемые для резцов, шлифовальных кругов и паст при обработке цветных металлов, такие как синтетический корунд-рубин: модификация -А1₂0₃ с небольшими примесями хрома; лейкосапфир: монокристалл -А1₂0₃ почти без примесей (с присутствием титана).

Для повышения эффективности работы алмазного абразивного инст­румента применяют алмазные зерна, покрытые тонкой металлической пленкой. В качестве покрытий используют материалы с хорошими адгези­онными свойствами по отношению к алмазу: никель Ni; медь Сu; серебро Ag и их сплавы; титан Ti.

После металлизации разрушающая нагрузка алмазов увеличивается в 1,5 - 2,5 раз. В маркировку добавляется буква М (АС4М).

Кроме того, появились новые марки синтетических алмазов:

• киборит  Киевский институт сверхтвердых материалов (на основе КНБ),

• карбонит;

• теплонит: теплопроводность высока, на уровне меди, в то же время хо­роший изолятор.

На основе КНБ получен ряд композиционных поликристаллических материалов, которые получены синтезом или спеканием при больших дав­лениях (до 90 кбар) и высоких температурах (800…1200 ° С).

Наряду с высокими технико - экономическими показателями, такими как:

• стойкость,

• красностойкость (до 1500° С),

• высокие скорости резания (300...400 м/мин),

• точность обработки (5...6 квалитеты точности).

• повышенная чистота (Ra= 1,25...0,085 мкм),

они имеют и большое народно-хозяйственное значение в связи с дефици­том вольфрама и недефицитным сырьем для композиционных материалов.

Наибольшее применение в настоящее время имеют марки:

• Композит 01: эльбор  Р  хорошо обрабатывает закаленные стали, чисто­вая обработка без удара;

• Композит 02: белбор;

• Композит 03  исмит: для буровых коронок, фрез, резцов – обработка чугунов, спецсталей.

• Композит 05 (КНБ): 75% КНБ + 25% А1₂0₃ (получают спеканием);

• Композит 09 (ПТНБ): смесь кубического и вюрцитного кубического нитрида бора, работа с ударом (получен взрывом);

• Композит 10  гексанит-Р: фрезерование (торцевое) чугуна;

Из сверхтвердых материалов изготавливают пластины или вставки, в которых закрепляют СТМ одним из методов:

• методом порошковой металлургии,

• адгезионной пайкой,

• механическим путем,

• спеканием.

К орпус вставки  чаше всего из железо - никелевого сплава (например, 90% Fe + 5%Ni + 5% Сu или 85% Ni + l5%Sn). Вставки и пластины  из поликристаллов. Пластины 3-х, 4-х и шестигранные неперетачиваемые (Ленинградский завод «Инструмент» и Томилинский алмазный завод).

Достоинства: работа 12 гранями (по­сле переворачивания) (см. рис.26)

Недостатки: ненадежность крепле­ния.

2

Также производят пластины цельные из СТМ шестигранные или круглые диаметром 6 мм и толщиною 3 мм.

Пластины могуч быть двухслойными (А+КНБ или АС + твердосплавная подкладка): ДАП, СВАБ.

Алмазные инструменты из КНБ и из СТМ

Различают группы:

1. Из порошков:

• круги шлифовальные,

• круги отрезные,

• бруски хонинговальные,

• головки,

• надфили,

• пасты.

2. Из кристаллов алмаза:

• резцы,

• волоки,

• карандаши (для правки),

• иглы и ролики (для правки),

• стеклорезы.

3. Инструменты из СТМ:

• шлифовальные круги,

• отрезные круги,

• резцы: отрезные, подрезные, прорезные,

• фрезы: торцевые, концевые, червячные.

Типы, размеры регламентированы соответствующими ГОСТами и нормалями. До 93%  инструменты из синтетических алмазов, около 7%  из естественных алмазов.