3.2.6. Сверхтвердые инструментальные материалы (стм)

Одним из направлений совершенствования режущих свойств инструментов, позволяющим повысить произво­дительность труда при механической обработке, являет­ся повышение твердости и теплостойкости инструмен­тальных материалов. Наиболее перспективными в этом отношении являются синтетические сверхтвердые матери­алы на основе алмаза или нитрида бора.

Алмазы и алмазные инструменты широко используют­ся при обработке деталей из различных материалов. Для алмазов характерны исключительно высокая твер­дость и износостойкость. По абсолютной твердости алмаз в 4…5 раз тверже твердых сплавов и в десятки и сотни раз превышает износостойкость других инструментальных материалов при обработке цветных сплавов и пластмасс. Кроме того, вследствие высокой теплопроводности алма­зы лучше отводят теплоту из зоны резания, что способ­ствует гарантированному получению деталей с бесприжоговой поверхностью. Однако алмазы весьма хрупки, что сильно сужает область их применения.

Для изготовления режущих инструментов основное применение получили искусственные алмазы, которые по своим свойствам близки к естественным. При больших давлениях и температурах в искусственных алмазах удается получить такое же расположение атомов угле­рода, как и в естественных. Масса одного искусствен­ного алмаза обычно составляет 1/8…1/10 карата (1 ка­рат — 0,2 г). Вследствие малости размеров искусствен­ных кристаллов они непригодны для изготовления таких инструментов, как сверла, резцы и другие, а поэтому применяются при изготовлении порошков для алмазных шлифовальных кругов и притирочных паст.

Лезвийные алмазные инструменты выпускаются на основе поликристаллических материалов типа «карбонадо» или «баллас». Эти инструменты имеют длительные размерные периоды стойкости и обеспечивают высокое качество обработанной поверхности. Применяются они при обработке титановых, высококремнистых алюминие­вых сплавов, стеклопластиков и пластмасс, твердых сплавов и других материалов.

Алмаз как инструментальный материал имеет существенный недостаток — при повышенной температуре он вступает в химическую реакцию с железом и теряет работоспособность. Для того чтобы обрабатывать стали, чугуны и другие материалы на основе железа, были созданы сверхтвердые материалы, химически инертные к нему. Такие материалы получены по технологии, близкой к технологии получения алмазов, но в качестве исходного вещества используется не графит, а нитрид бора.

Поликристаллы плотных модификаций нитрида бора превосходят по теплостойкости все материалы, приме­няемые для лезвийного инструмента: алмаз в 1,9 раза, быстрорежущую сталь в 2,3 раза, твердый сплав в 1,7 ра­за, минералокерамику в 1,2 раза .

Эти материалы изотропны (одинаковая прочность в различных направлениях), обладают микротвердостью меньшей, но близкой к твердости алмаза, повышенной теплостойкостью, высокой теплопроводностью и хими­ческой инертностью по отношению к углероду и железу.

Характеристики отдельных из рассматриваемых мате­риалов, которые в настоящее время получили название «композит», приведены в табл. 3.12.

Эффективность применения лезвийных инструментов из различных марок композитов связана с совершен­ствованием конструкции инструментов и технологии их изготовления и с определением рациональной области их использования: композиты 01 (эльбор-Р) и 02 (белбор) используют для тонкого и чистового точения и фре­зерования без ударов деталей из закаленных сталей твердостью 55...70 НRС_э, чугунов и твердых сплавов ВК15, ВК20 и ВК25 с подачами до 0,20 мм/об и глубиной резания до 0,8 мм; композит 05 применяют для чистово­го и получистового точения без ударов деталей из закаленных сталей твердостью 40...58 НRС_э, чугунов твер­достью до 300 НВ с подачами до 0,25 мм/об и глубиной до 2.5 мм; композит 10 (гексанит-Р) используют для тонкого, чистового и получистового точения и фрезеро­вания с ударами деталей из закаленных сталей твер­достью не выше 58 HRC_Э, чугунов любой твердости, сплавов ВК15, ВК20, ВК25 с подачей до 0,15 мм/об и глу­биной резания до 0,6 мм. При этом период стойкости инструментов возрастает в десятки раз по сравнению с другими инструментальными материалами.

Таблица 3.12. Основные физико-механические характеристики СТМ

на основе плотных модификаций нитрида бора

Материал	Твердость, ГПа	, МПа	Коэффициенты			Е, ГПа	, г/см3	, Вт/(m )
			К1С, МПа/м1/2		а* , 1/К
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…950 К)
Композит 05-ИТ	19	470	4,6…6,7		-	620	4,0 4,3
Композит 10 (гексанит-Р)	30,5…38,5	1000…1500	3,8…5,9 8,2	0,14…0,16	-	715 880	3,28 3,2…3,4	25-30 (при 360 К)
Киборит	38…42	-		0,16	-			40…60 (при 950 К) 100
Боразон	45	-	-	-	5,6	-	3,48	100…135
Амборит	40	570	6,3	-	4,9	680	-	100
Сумиборон	30…35	-	-	-	4,7…5,6	-	4,2	37,8
Вюрцин	30…40	800	13,0	-	7,9	-	-	20 (при 673 К)

Область применения СТМ до недавнего времени ограничивалась из-за сравнительно небольших размеров поликристаллов. В настоящее время освоен выпуск двух­слойных неперетачиваемых пластин, состоящих из твер­дого сплава (основа) и слоя из поликристаллов алмаза или нитрида бора толщиной до 0,5 мм, что повысит общую эффективность использования инструментов из сверх­твердых материалов.

Таблица 3.13. Скорости резания, рекомендуемые для инструмента из СТМ

СТМ	Обрабатываемый материал	Скорость резания, м/мин
		Точение	Фрезерование
1	2	3	4
ПКНБ	Конструкционные и инструментальные стали, термически не обработанные (HRC<30)	-	400…900
	Закаленные стали (НRC 35-55) Закаленные стали (HRC 55-70)	50…200 40…120	200…400 80…300
	Серые и высокопрочные чугуны (HB 150-300)	300…1000	600…3000
	Отбеленные и закаленные чугуны (НВ 400-650)	40…200	150…800
ПКА	Алюминий и алюминиевые сплавы	600…3000	600м6000
	Алюминиево-кремниевые сплавы (Si<20%)	500…1500	500…2500
	Медь и медные сплавы	300…1000	300…2000
	Композиционные неметаллические материалы и пластмассы	200…1000	200…2000
	Древесностружечные материалы	-	2000…4000
	Спеченные WC-Co твердые сплавы	15…30	15…45