1.5. Сверхтвердые материалы (стм)
К сверхтвердым синтетическим поликристаллическим инструментальным материалам (ПСТМ) относят синтетические и композиционные материалы на основе кубического нитрида бора (КНБ) и природные алмазы, (А). В основе технологии изготовления поликристаллов лежат два различных процесса: фазовый переход вещества из одного состояния в другое (синтез) или спекание мелких частиц заранее синтезированного порошка ПСТМ. В нашей стране первым способом получают поликристаллический нитрид бора (ПКНБ), а также поликристаллический алмаз (ПКА). За рубежом изготовителями ПСТМ по технологии спекания являются три крупнейшие фирмы - «General Electric», «De Beers» и «Sumitomo Electric».
Прежде чем синтезированные спеки ПКНБ и ПКА могут быть использованы в качестве металлорежущих инструментов, они должны быть разрезаны электроэрозионным или лазерным способом на многогранные пластины стандартных размеров или фрагменты произвольной формы и отшлифованы.
Фрагменты запаивают либо в вершины корпусов стандартных твердосплавных пластин, либо в напайные инструменты.
ПСТМ - принципиально новые, как по технологии изготовления, так и по условиям эксплуатации инструментальные материалы. Ими можно обрабатывать изделия при скоростях резания на порядок выше допускаемых при использовании твердосплавных инструментов и даже инструментов из керамики.
ПКА имеет твердость 70... 100 ГПа, которая до 5 раз превышает соответствующий показатель для твердых сплавов, обладает хорошей теплопроводностью, большим модулем упругости и низким коэффициентом трения к цветным металлам, но, как и все высокотвердые материалы, обладает достаточно низкими прочностными характеристиками (таблица 16).
Таблица 16
Усредненные показатели физико-механических свойств ПСТМ
Свойства |
ПСТМ |
|
на основе нитрида бора |
на основе алмаза |
|
Твердость по Виккерсу НV, ГПа |
40 ... 45 |
70 ... 100 |
Модуль упругости Е, ГПа |
700 ... 800 |
800 ... 900 |
Предел прочности при изгибе σизг, МПа |
600 ... 800 |
800 ... 1100 |
Коэффициент теплопро- водности λ, Вт/(м · К) |
5,0 ... 10,0 |
7,0 ... 15,0 |
Теплостойкость, ºС |
1100 ... 1500 |
700 ... 800 |
Теплостойкость ПКА составляет 700...800 °С (при более высоких температурах алмаз сгорает). Инструменты, оснащенные режущими вставками из ПКА, применяют в основном при тонком точении цветных металлов и сплавов, не содержащих углерод и железо.
По твердости ПКНБ несколько уступает алмазу, но имеет более высокую теплостойкость, доходящую до 1500°С, и практически инертен по отношению к углероду и железу. Как и алмаз, ПКНБ имеет повышенную хрупкость и низкую прочность на изгиб. Инструменты, оснащенные режущими вставками из ПКНБ, применяют главным образом для обработки металлов, содержащих углерод и железо.
Практика показывает, что во многих случаях точение инструментами из ПСТМ намного эффективнее процесса шлифования, так как такие инструменты обеспечивают бесприжоговую обработку при работе на высоких скоростях резания и низкую шероховатость обработанной поверхности. В таблице 17 представлены сведения о физико-механических свойствах различных марок сверхтвердых материалов, а в таблицах 18 и 19 −марки ведущих мировых производителей и области их применения [2].
Таблица 17
Физико-механические свойства некоторых марок сверхтвердых материалов [2]
Марка материала |
Твердость, ГПа |
Предел прочности σизг, МПа |
Коэффициент трещиностойкости, K |
Модуль упругости Е, ГПа |
Плот- ность ρ,
г/см |
Материалы на основе нитрида бора |
|||||
Композит 01 (эльбор-Р) |
35 ... 37 |
- |
3,9 .. .4,2 |
840 |
3,40 |
Композит 02 (бельбор) |
- |
600 |
- |
720 |
6,50 |
Композит 05 |
19 |
470 |
4,6 ... 6,7 |
620 |
4,30 |
Композит 10 (гексанит-Р) |
30 ... 35 |
1000 ... 1200 |
3,8 .. .4,9 |
715 |
3,80 |
Боразон |
45 |
- |
- |
- |
3,48 |
Амборит |
40 |
570 |
6,3 |
680 |
- |
Вюрцин |
30 .. .40 |
800 |
13,0 |
- |
- |
Материалы на основе алмаза |
|||||
АСБ |
60 ... 100 |
500 ... 800 |
- |
- |
3,8 |
АСПК |
90 ... 140 |
500 ... 800 |
- |
- |
4,0 |
СВБН |
70 ... 100 |
- |
- |
- |
3,4 |
Мегадаймонд |
75 |
- |
- |
- |
3,2 |
Карбонит |
39 .. .44 |
- |
- |
- |
3,3 |
Компакс |
70 ... 80 |
- |
- |
- |
- |
,
МПа·м
Практика показывает, что во многих случаях точение инструментами из ПСТМ намного эффективнее процесса шлифования, так как такие инструменты обеспечивают бесприжоговую обработку при работе на высоких скоростях резания и низкую шероховатость обработанной поверхности. В таблице 17 представлены сведения о физико-механических свойствах различных марок сверхтвердых материалов, а в таблицах 18 и 19 −марки ведущих мировых производителей и области их применения [2].
Как видно из представленных данных, некоторые марки современных сверхтвердых материалов можно использовать даже при обработке с ударно-циклическими нагрузками и переменным сечением среза.
Таблица 18
Области применения сверхтвердых материалов
на основе кубического нитрида бора,
выпускаемых зарубежными производителями
Марка |
Область применения |
|||
1 |
2 |
|||
Амборит “De Beers” |
||||
АМВ 90 |
Получистовая обработка закаленных и легированных сталей, чугунов |
|||
DBA 80 |
Обработка закаленных сталей с твердостью 45…70 HRC и перлитных чугунов |
|||
DBC 50 |
Чистовая обработка закаленных и легированных сталей, чугунов |
|||
DBN 45 |
Суперчистовая (ультрапрецизионная) обработка; обработка в условиях прерывистого резания |
|||
DBW 85 |
Обработка закаленных сталей с твердостью выше 45…70 HRC, серых чугунов (перлитного, шаровидного), сплавов на никелевой основе, спеченных твердых сплавов (с содержанием кобальта > 17%) |
|||
Боразон “General Electric” |
||||
BZN-6000 |
Обработка серых перлитных чугунов, порошковых сталей и сплавов, точение поверхностно упрочненных сплавов |
|||
BZN-8100
|
Высокоскоростная финишная обработка закаленных сталей с твердостью выше 45 HRC; непрерывная и прерывистая обработка закаленных сталей |
|||
BZN-7000S
|
Точение и фрезерование серых чугунов; продольное точение закаленных сталей; обработка· порошковых сталей и сплавов; точение поверхностно упрочненных сплавов |
|||
BZN-HTC2000 |
Непрерывное точение закаленных сталей с твердостью выше 45 HRC |
|||
Сумиборон “Sumitomo Electric” |
||||
BN100 |
Обработка сталей, серых и отбеленных чугунов, сплавов на основе никеля и кобальта с повышенными физико-механическими свойствами |
|||
BN200 |
Непрерывное и прерывистое резание закаленных и легированных сталей и чугунов |
|||
BN300 |
Точение с ударами закаленных сталей; фрезерование композиционных материалов |
|||
BN500 |
Обработка ковких чугунов с шаровидным графитом |
|||
BNC80 (с покрытием) |
Чистовое точение (Ra<I,25 мкм) закаленных сталей с твердостью выше 62 HRC, в том числе без использования СОЖ |
|||
|
Продолжение табл. 18 |
|||
1 |
2 |
|||
BNC200 (с покрытием) |
Чистовая обработка деталей из закаленных сталей, имеющих непрерывные и прерывистые поверхности |
|||
BNS800 (двухслойный) |
Обработка закаленных сталей с твердостью выше 45 HRC в условиях непрерывного резания |
|||
BNX10 |
Высокоскоростное точение закаленных сталей с mepдостыо 62 ... 64 НRC |
|||
“Kennametal” |
||||
KD050 |
Чистовая обработка закаленных сталей с твердостью до 65 HRC |
|||
KD081
|
Обработка закаленных сталей с твердостью 50 ... 65 HRC в условиях прерывистого резания и изменяющейся глубины резания |
|||
KD120 |
Высокопроизводительная обработка перлитных серых чугунов; обработка порошковых сталей и сплавов, труднообрабатываемых и твердых материалов в неблагоприятных условиях резания |
|||
КВ5625 (с покрытием) |
Чистовая обработка закаленных сталей в условиях прерывистого резания |
|||
KD230 (с покрытием) |
Обработка твердых чугунов и сплавов на основе никеля; высокоскоростная обработка перлитных серых чугунов |
|||
KB9640 (с покрытием) |
Высокопроизводительная чистовая и черновая обработка отбеленных и серых чугунов, закаленных сталей и поверхностно упрочненных сплавов |
|||
“Mitsubishi Carbide” |
||||
МВ810 |
Высокоскоростная чистовая обработка закаленных сталей |
|||
МВ820 |
Чистовая и получистовая обработка закаленных сталей |
|||
МВ825 |
Чистовая и получистовая обработка закаленных сталей в условиях прерывистого резания |
|||
МВ835 |
Получистовая обработка закаленных сталей прерывистое резание в тяжелых условиях |
|||
МВ710 |
Чистовая и получистовая обработка чугунов, сталей, спеченных твердых сплавов в условиях прерывистого резания |
|||
МВ730 |
Высокоскоростная обработка сплавов на основе никеля и кобальта с повышенными физико-механическими свойствами |
|||
|
Продолжение табл.18 |
|||
1 |
2 |
|||
“Sandvik Coromant” |
||||
СВ20 |
Чистовая обработка закаленных сталей и чугунов высокой твердости в условиях непрерывного и прерывистого резания |
|||
СВ7020 (с покрытием) |
Чистовая обработка закаленных сталей в условиях непрерывного резания и чугунов высокой твердости |
|||
СВ50 |
Точение чугунов и материалов с высокой твердостью в неблагоприятных условиях резания |
|||
СВ7050 (с покрытием) |
||||
Таблица 19
Области применения сверхтвердых материалов на основе ОКА,
выпускаемых зарубежными производителями
Марка |
Область применения |
||
1 |
2 |
||
"Sumitomo Electric" |
|||
SumiDia NF -A2200 |
Черновое и чистовое фрезерование алюминиевых сплавов |
||
CDIO |
Чистовая обработка цветных металлов и неметаллических материалов, точение титановых сплавов |
||
CD1810 (с алмазным покрытием) |
Чистовое точение цветных металлов, точение титановых сплавов
|
||
"Valenite Heinlein" ("WIDIA") |
|||
PD100 |
Обработка цветных металлов и сплавов на основе алюминия, меди, магния, а также материалов на основе резины и пластиков |
||
KD100 |
Точение алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния; обработка абразивных материалов; высокоскоростная обработка армированных пластмасс |
||
KD1405 Тв. сплав с алмазным покрытием СVD 0,5мм |
Обработка цветных металлов в условиях непрерывного или чистового прерывистого резания
|
||
"Mitsubishi Carbide" |
|||
МD220 |
Чистовая обработка цветных металлов и неметаллических материалов |
||
|
Продолжение табл. 19 |
||
1 |
2 |
||
"Diamond&CBN" (CIТICO) |
|||
Diapax |
Фрезерование алюминиевых сплавов с высоким lCИМ содержанием кремния |
||
"Becker" |
|||
PDC |
Чистовая обработка цветных металлов и неметаллических материалов с низким содержанием упрочняющих абразивов или кремния |
||
PDC-L |
|||
PDC-S |
Обработка в условиях непрерывного и прерывистого резания цветных металлов и неметаллических материалов Ol со средним содержанием упрочняющих абразивов или кремния |
||
PDC-A |
Чистовая и черновая обработка в условиях непрерывного и прерывистого резания цветных металлов и неметаллических материалов с очень высоким содержанием упрочняющих абразивов или кремния |
||
В целом можно отметить, что основная область эффективного применения лезвийных инструментов из ПСТМ - автоматизированное производство на базе станков с ЧПУ, многоцелевых станков, автоматических линий и специальных высокоскоростных станков. При этом выбор конкретной скорости резания определяется величиной снимаемого припуска, возможностями оборудования, наличием ударных нагрузок в процессе резания и многими другими факторами.
При относительно низких скоростях резания и, как следствие, низких температурах у ПСТМ преобладают адгезионно-усталостный и абразивный виды изнашивания, а при высоких скоростях резания может протекать диффузионный износ. При неблагоприятных условия резания могут наблюдаться выкрашивания мелких частиц режущих кромок, а также сколы на передних и задних поверхностях. Например, для точения с ударами и фрезерования закаленных быстрорежущих сталей и сталей с высоким содержанием хрома применять инструменты из ПСТМ вообще не рекомендуется [2].
Расчеты показывают, что необходимым условием эффективного внедрения инструментов из ПСТМ на станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах взамен твердосплавных резцов и фрез делается увеличение интенсивности съема припуска (объема металла, срезаемого в единицу времени) в 1,5...2,5 раза.
Для удобства сопоставления и выбора оптимальных инструментальных материалов для РИ из большого многообразия описанных выше материалов (см. таблицы) в сводной таблице 20 приведены их свойства по двум важнейшим показателям (теплостойкости и пределу прочности при изгибе).
Таблица 20
Свойства инструментальных материалов [1]
Инструментальный материал |
Теплостойкость, ºС |
Предел прочности при изгибе σизг, МПа |
Углеродистые стали |
200 ... 250 |
1900 ... 2000 |
Низколегированные инструментальные стали |
250 ... 300 |
2000 ... 2500 |
Быстрорежущие стали |
600 ... 650 |
2050…3400 |
Твердые сплавы |
800 ... 900 |
900 ... 2000 |
Минералокерамика |
1100 ... 1200 |
325 ... 700 |
Алмазы |
700 ... 800 |
210…400 |
Эльбор |
1300 ... 1500 |
400…500 |
Область рекомендуемого применения режущих материалов по скорости резания V и подаче S приведены на рисунке 4.
,
мм/об
V,
м/мин
Рис.
4. Области применения режущих материалов
по скорости резания V
и подаче S
[1]: 1
- быстрорежущие стали; 2
-
твердые сплавы; 3
-
твердые сплавы с покрытиями; 4
- нитридная керамика; 5
-
черная керамика (керметы); 6
-
оксидная (белая) керамика; 7
-
кубический нитрид бора