2.5 Сверхтвердые материалы (стм)

Для изготовления лезвийного инструмента в настоя­щее время применяются три вида сверхтвердых матери­алов (СТМ): природные алмазы, поликристаллические синтетические алмазы и композиты на основе кубического нитрида бора.

Природные и синтетические алмазы об­ладают такими уникальными свойствами, как самая вы­сокая твердость (HV 10000-кгс/мм²), весьма малые ко­эффициент линейного расширения и коэффициент тре­ния и высокие теплопроводность, адгезионная стойкость и износостойкость.

Недостатками алмазов являются невысокая проч­ность на изгиб, хрупкость и растворимость в железе при относительно низких температурах (750°С), что препят­ствует использованию их для обработки железоуглеродистых сталей и сплавов на высоких скоростях резания, а также при прерывистом резании и вибрациях. Теплостойкость алмаза характеризуется тем, что при тем­пературе около 800° С в обычных усло­виях он начинает превращаться в гра­фит.

Природный алмаз является самым твердым из известных материалов (твердость порядка 100 ГПа). Он обладает высокой износостой­костью, хорошей теплопроводностью (λ=140 Вт/(м-к)), малым коэффициентом трения и малой адгезионной способностью к металлам, за исключением железа и его сплавов с углеродом. К недостаткам алмаза как инструментального материала можно отнести сравнительно низкую теплостойкость и большую хрупкость (σи=0,3...0,6 ГПа), что требует исполь­зования станков высокой жесткости и виброустойчивости.

В природе чаще всего встречаются следующие разновидности алмаза: борт, карбонадо и баллас. К карбонадо относятся весьма тонко­зернистые, плотные или несколько по­ристые агрегаты буровато-черного цвета. Черная окраска карбонадо обусловлена наличием в алмазе высокодисперсного графита.

Алмаз представляет собой одну из мо­дификаций углерода кристаллического строения. Высокая твердость алмаза объ­ясняется своеобразием его кристалли­ческого строения, прочностью связей атомов углерода в кристаллической ре­шетке, расположенных на равных и очень малых расстояниях друг от друга. Однако прочность алмаза не велика и он легко раскалывается по плоскостям спайкости.

Природные алмазы используются в виде кристаллов, закрепляемых в металлическом корпусе резца.

СИНТЕТИЧЕСКИЕ АЛМАЗЫ. Со­вершенствование технологии получения синтетических алмазов позволило изго­товлять поликристаллические образования достаточно больших размеров, из которых делают вставки-лезвия к металлорежущим инструментам

Теплостойкость алмазов срав­нительно низка — она составляет около - 650 °С. Этот недостаток компенсируется высо­кой теплопроводностью. Теплота, выделя­ющаяся в процессе резания на трущихся поверхностях вставок-лезвий, хорошо от­водится в глубь алмаза и, таким образом, температура на рабочих поверхностях обычно не превышает его теплостойкости.

Синтетические поликри­сталлические алмазы содержат небольшие количества примесей тугоплавких метал­лов - вольфрама, титана и молибдена, которые выполняют функции катализато­ров синтеза. Эти металлические вклю­чения располагаются по межкристалличе­ским плоскостям.

В зависимости от технологии выращи­ваемые кристаллы алмаза имеют различ­ное строение (балласы, карбонадо, карболит) и со­ответственно различные физико-механиче­ские свойства. Синтетические алмазы могут быть раз­личных марок, которые отличаются меж­ду собой прочностью, хрупкостью, удель­ной поверхностью и формой зерен. Как инструментальные материалы синтетические алмазы типа карбонадо лучше, чем алмазы типа баллас.

Синтетические алмазы изготовляют (синтезируют) из графита при высоких давлениях (~1000ГПа) и температурах (~ 2500^е С) с выдержкой от микросекунд до десятков секунд. При этих условиях происходит перестроение гексагональной решетки графита в более плотную кубическую структурную решетку, свойственную природному алмазу. Природные и синтетические алмазы имеют одинаковые параметры кристаллической решетки, близкие химические и фи­зико-механические свойства. Однако синтетические алмазы значительно дешевле, кроме того, свойства синтетических алмазов можно регулировать, изменяя параметры технологичес­кого процесса их изготовления. Поэтому они нашли наиболь­шее применение в технике (более 90% из всех используемых алмазов—синтетические). Отечественной промышленностью поликристалличе­ские алмазы выпускаются в виде пластин цилиндриче­ской и сегментной форм диаметром до 6 - 8 мм. и в виде порошков (монокристаллов), поликристаллов (ГОСТ 9206—80) и композиционных материалов. Полученные искусственным путем поликристаллы обладают рядом преимуществ перед монокристаллами, применяемыми в лезвийных инструментах. Во-первых, они имеют большие размеры (диаметр до 8 мм), что значительно упрощает их крепление на инструментах. Во-вторых, поликристаллы, име­ющие однородное зернистое строение, не обладают анизот­ропией физико-механических свойств. Благодаря присутствию в поликристаллах некоторого количества неалмазных (карб­идных и графитовых) межзерновых фаз материал обладает высокой электропроводностью. По твердости указанные марки поликристаллов близки к монокристаллам природного алмаза, а по прочности на изгиб в 2...3 раза превосходят его.

Инструменты из поликристаллов синтетических алмазов показывают высокие режущие свойства при обработке ти­тановых сплавов, высококремнистых алюминиевых сплавов, медных сплавов, стеклопластиков, композиционных матери­алов, мннералокерамики и других материалов. Их стойкость значительно выше стойкости твердосплавных инструментов. При этом обеспечиваются высокая точность и качество поверхностного слоя. Однако алмазные инструменты ма­лоэффективны при обработке сплавов на основе железа, так как проявляют к нему высокую химическую активность. В результате этого при высоких температурах резания происходит интенсивный износ алмазного инструмента.

На основе синтетических алмазов выпускаются композицион­ные материалы, состоящие из подложки (основания) и нанесенного на нее алмазного слоя. Толщина подложки 2...4 мм, толщина покрытия около 1 мм. В качестве подложки используются твердые сплавы (вольфрамовые и безвольфрамовые). Двухслойные пласти­ны позволяют объединить высокие твердость и износостойкость синтетических алмазов и прочность твердого сплава.

По твердости синтетические поликри­сталлы лишь незначительно уступают природным монокристаллам алмаза. Обладая более высокими прочностными характеристиками, поликри­сталлические алмазные вставки позволяют успешно выдерживать значительные без­ударные нагрузки, имеющие место как при обработке резанием вязких и пластич­ных материалов, так и при выглаживании закаленных стальных поверхно­стей.

Синтетические алмазы маркируются буквами «АС». Например: мароки АСБ (баллас) и АСПК (карбонадо). Применяются они для прецизионной обработки алюминиевых и медных сплавов, пластмасс, стеклопла­стиков, полупроводниковых материалов. Большие скорости резания 1000... .. .1200 м/мин обеспечивают высокую производительность обработки.

Синтетические алмазы по сравнению с природными имеют ряд преимуществ, обусловленных их более вы­сокими прочностными и динамическими характеристи­ками. Их можно использовать не только для точения, но также и для фрезерования. Синтетические алмазы менее чувствительны к динамическим нагрузкам и по­зволяют вести обработку с большим сечением среза (глубиной и подачей).

Природные и синтетические алмазы нашли широкое применение в обработке медных, алюминиевых и маг­ниевых сплавов баббитов, благородных металлов (зо­лота, серебра, палладия, платины), титана и его спла­вов, неметаллических материалов (пластмасс, тексто­лита, стеклотекстолита, органического стекла, прессо­ванного и силицированного графита), а также твердых сплавов и керамики. В настоящее время выпускается боль­шое количество разнообразного инстру­мента с использованием алмазов: шлифо­вальные круги, инструменты для правки шлифовальных кругов из электроко­рунда и карбида кремния, пасты и по­рошки для доводочных и притирочных операций. Значительные по размерам кристаллы алмазов применяют для изго­товления алмазных резцов, фрез, сверл и других режущих инструментов. Об­ласть применения алмазного инстру­мента с каждым годом все более расши­ряется.

Кубический нитрид бора (КНБ) - уникальный синтетический инструментальный материал, его химический состав: 44% бора и 56% азота. Исходным материалом для его получения служит гексагональный нитрид бора (ГНБ), имеющий близкие к графиту характеристики. В результате синтеза, протекающего при высоких давлениях и температурах (есть значительная аналогия с синте­зом алмаза), гексагональная решетка ГНБ превращается в более плотную и твердую кубическую решетку КНБ. По твердости КНБ (90 ГПа) близок к твердости алмаза, а по теплостойкости (1500° С) значительно превосходит все инструментальные мате­риалы. Следует отметить чрезвычайную химическую инертность КНБ, в частности к железу и углеродистым сплавам.

Для изготовления лезвийных инструментов используются поликристаллы КНБ и композиционные материалы, созданные на его основе. Все они носят название «композиты». Первым поликристаллическим КНБ, выпущенным отечественной про­мышленностью, был Эльбор-Р (композит 01). В настоящее время разработана целая гамма поликристаллических матери­алов на основе твердых модификаций нитрида бора. К ним относятся: гексанит -Р (композит 10), композит 05, белбор (ком­позит 02), ПТНБ (композит 09), композит 10Д, композит 12. Они синтезируются в виде цилиндрических столбиков диаметром 4...8 мм, высотой 3...6 мм, которыми затем оснащаются режущие инструменты. Перечисленные материалы отличаются технологией изготовле­ния и соответственно свойствами.

Эльбор и белбор содержат более 98% КНБ, из-за чего они обладают повышенной твердостью и хрупкостью, гексанит содержит 95% КНБ и 5% более мягких компонентов, поэтому он обладает меньшей твердостью, но большей вязкостью. Материал «композит 05» содержит 75% КНБ и 25% Аl2Оз.

Основным направлением в применении лезвийных инст­рументов на базе кубического нитрида бора является обработка сталей и чугунов различной твердости. Причем чем выше твердость стали или чугуна, а также скорость резания, тем значительнее преимущество инструментов из композита по сравнению с инструментами из твердого сплава и минералокерамики. Так, при точении закаленных сталей твердостью 62...64 HRC стойкость резцов из композита при скоростях резания 80... 100 м/мин выше стойкости резцов из твердого сплава ТЗОК4 в 20 раз и выше стойкости резцов из мине-ралокерамики в 3...4 раза. При этом обеспечиваются 5...6-й квалитеты точности и шероховатость поверхности Ra =0,16...0,08 мкм. Поэтому применение лезвийных инструмен­тов из композита позволяет во многих случаях заменить операции внутреннего и наружного шлифования.

Кроме имеющихся сверхтвердых материалов разработаны новые СТМ, показавшие достаточно высокие эксплуата­ционные свойства. К ним относится силинит-Р — инструмен­тальный материал на основе нитрида кремния (SiN)

Силинит-Р обладает такой же прочностью на изгиб, как и оксидно-карбидная минералокерамика (σи = 49-68 кгс/мм²), но большей твердостью (HRA 94—96) и стабильностью свойств при высокой температуре. Теплостойкость достигает 1600° С. Для силинита-Р характерно отсутствие адгезии с большинством сталей и сплавов на основе алюминия и меди. Из этого материала изготавливают как напайные, так и неперетачиваемые механически закрепляемые пластины.

Благодаря высокой твердости силинит-Р превосходит по стойкости твердые сплавы при обработке закаленных сталей. Он позволяет заменять вольфрамосодержащие твердые сплавы на операциях получистового и чи­стового точения различных материалов. При обработке закаленных сталей его применение может заменить шлифование.

Физико-механические свойства СТМ приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Физико-механические свойства СТМ

Материал	Микро­вердость	σ и, МПа	σсж, МПа	Теплостойкость, °С
АСБ	75-80	490-635	490-785	650-700
АСПК	80-85	490-685	785-1175	700-800
Композиты: 01, 02 09	73-78	590-685	490-590	-1200
	39	686-980	3900-4900	~1400
Силинит-Р	20-31	500-700	2500	~1600