1.4. Минералокерамические и сверхтвёрдые инструментальные материалы

Минералокерамика, в том числе сверхпрочные корундовые материалы (микролит и термокорунд) по химическому составу представляют собой окись алюминияAl₂O₃и являются поликристаллическим материалом, состоящим из мельчайших кристаллов корунда.

Режущая керамика (Al₂O₃) обладает весьма высокой твёрдостью (90…94HRA) и теплостойкостью (до 1200^оС), однако имеет низкий предел прочности на изгиб (σ_и = 300…350 МПа). Поэтому она находит ограниченное применение, главным образом при чистовом и тонком точении закалённых сталей.

Методы получения минералокерамики различаются в зависимости от состава и микроструктуры. Как правило, минералокерамику получают в процессе прессования исходного порошкового сырья и последующего спекания. Для получения требуемой структуры применяют специальные присадки , улучшающие спекание. После спекания заготовку шлифуют со всех сторон.

Минералокерамика имеет свою область применения и не исключает применения твёрдых сплавов. Минералокерамическими инструментами можно заменять твердосплавные в тех случаях, когда последние выходят из строя из-за быстрого износа. Применение минералокерамических инструментов рационально только на станках повышенной жёсткости при низкой вибрации. В этих условиях скорость резания керамическими инструментами может быть увеличена при обработке чугунов в 4…10 раз по сравнению с инструментами из других материалов.

По данным фирмы «Кент-Мюллер» (США), удельный вес инструментов из керамики в автомобилестроении и некоторых других отраслях машиностроения при обработке сталей и сплавов может составлять до 60%.

Минеральная керамика выпускается в виде пластин такой же формы, как и металлокерамические твёрдые сплавы, но в меньшем ассортименте типоразмеров (таблица 1.21).

Таблица 1.21 – Основные характеристики и области применения пластин из минералокерамики

Марка	Состав	Плотность, г/см3	Твердость	Предел прочности на изгиб σи, МПа	Области применения
ЦМ-322	Al2О3	3,96-3,98	До 2300 HV	350-400	Чистовая и получистовая обработка закаленных (30…50HRC) сталей, чугунов, металлов и сплавов на основе меди. Работа без удара
В3	Al2О3 + TiC	4,5-4,7	93 HRA	650	То же
ВОК60, ВОК71	Al2О3 + TiC	4,2-4,3	94 HRA	650	Чистовая и получистовая обработка закаленных (45…60HRC) чугунов с малыми сечениями среза
ВОК85-С ВОК95-С	То же То же	То же То же	93 HRA 94 HRA	835 930	Точение и фрезерование термообработанных сталей, например ХВГ (58…64HRC)
Кортианит НТ-20	Al2О3 + TiN	4,2	93 HRA	750	Чистовая и получистовая обработка чугунов, в том числе в условиях прерывистого резания, обработка жаростойких никелевых сплавов

Керметы. Одним из направлений получения более прочных, чем керамика, но близких по режущим свойствам материалов, является добавка к ней металлов: вольфрама, молибдена, титана, никеля и др. Таким путём получаются так называемые керметы, которые обладают более высокой прочностью, чем керамика (σ_и = 390…490 МПа и выше), но допускают более низкие скорости резания.

Керметы делятся на два класса:

1) собственно керметы (Al₂O₃ и металлическая связка (до 10%);

2) карбидно-оксидная керамика (Al₂O₃ и карбиды тугоплавких элементов).

Оба класса отличаются теплостойкостью и твёрдостью, соответствующими чистой минералокерамике и имеют увеличенную в 1,5…3,0 раза прочность. При этом стоимость их также значительно выше.

Свойства некоторых марок керметов приведены в таблице 1.22. В таблице 1.23 приведены результаты стойкостных испытаний. При всех испытаниях стойкость резцов из кермета в 1,5…3 раза выше минералокерамических и в 2…4 раза – твердосплавных.

Таблица 1.22 – Свойства некоторых марок керметов

Марка кермета	Страна-изготовитель	Плотность, г/см3	Твердость HRA	Предел прочности на изгиб σи, МПа
В3	СНГ	4,5-4,6	92-94	450-700
НРС	Япония	3,97	93-94	-
РС-Ф2	Япония	4,2-4,3	93-94	750
НС20	Германия	4,34	92-94	300-500
НС30	Германия	5,31	92-94	350-500
ССТ-707	США	3,9-4,0	96,5-97	800-860
НТ-1	Германия	4,2-4,3	3000Н	600-700
RVX	Швеция	6,9	-	-
Sintox	Англия	-	-	630
НС20М	Германия	-	90,5	330-380
SN-20	Франция	4,27	18·103 МПа	-
МС-2	Франция	4,25	20·103 МПа	-
АС-5	Франция	4,0	17·103 МПа	-

Таблица 1.23 – Результаты стойкостных испытаний керметов

V, м/мин	S, мм/об	t, мм	Стойкость, Т, мин
			НС20М	ЦМ332	Т15К6
200	0,13	0,5	110	96	60
100	0,23	0,5	413	260	157
100	0,13	1,5	415	233	156
200	0,23	1,5	95	63	41
142	0,17	0,9	402	106	48

Сверхтвёрдые инструментальные материалы. В машиностроении применяются материалы с очень высокой микротвёрдостью, называемые сверхтвёрдыми инструментальными материалами (СТМ).

Широко используются синтетические сверхтвёрдые материалы, к которым относятся синтетические (искусственные) алмазы и кубический нитрид бора (КНБ).

Синтетический алмаз практически не уступает природному по всем основным свойствам. Основные свойства алмаза и разновидностей КНБ приведены в таблице 1.24.

Таблица 1.24 – Основные свойства алмаза и КНБ

Материал	Микротвердость, HV	σс·102, МПа	σи·102, МПа	Теплостойкость, ºС	Теплопро-водность, кал/(с·см· ºС)
Алмаз	10 000	20	2,1-4,9	700-900	0,35
Эльбор	9000	5	-	1200-1400	0,10
Карбид кремния	3200-3600	15	1,5-1,6	1300-1400	0,02
Электрокорунд	2000-2300	10	3-4	1700-1900	0,007
Т15К6	1500-1600	39	11-12,5	800	0,065
ВК8	1400-1500	40-50	16	900	0,14
ЦМ332	2000-2300	9-15	4-5,5	1200	0,01

Поликристаллические алмазы (ПА) и кубический нитрид бора (КНБ) имеют много общих параметров: высокая твёрдость и теплопроводность, одинаковая кристаллическая структура. Однако ПА склонны к графитизации и легко окисляются на воздухе, а КНБ стабилен при высокой температуре на воздухе и при обработке чёрных металлов. На основании этого можно выделить следующие области применения:

• для ПА – обработка цветных металлов и их сплавов, а также дерева, абразивных материалов, пластмасс, твёрдых сплавов, стекла, керамики;

• для КНБ – обработка чёрных металлов, как закалённых, так и термически необработанных, а также специальных сплавов на основе никеля и кобальта.

В настоящее время в промышленности в основном используют синтетические ПА, получаемы из углерода (в форме графита). Температуру и давление, необходимые для структурных превращений, определяют из диаграммы состояния графит – алмаз.

Во ВНИИ - инструмента для упорядочения фирменных и торговых названий сверхтвёрдых поликристаллических материалов на основе нитрида бора предложена единая классификация, которая применяется в промышленности в настоящее время. Все основные плотные поликристаллические материалы нитрида бора получили название композиты и были разбиты на группы. Основные физико-механические свойства СТМ на основе КНБ приведены в таблице 1.25.

Таблица 1.25 – Основные физико-механические свойства СТМ на основе КНБ

Наиме-нование материала	Марка СТМ	Фазо-вый состав	Струк-тура, размеры крис-таллов	Плот-ность, г/см3·103	Микро-твер-дость,	Предел проч-ности на сжа-тие, МПа	Предел проч-ности на изгиб, МПа		Тепло-стойкость на воздухе, ºС
Эльбор-Р Эльбор-РМ	Композит 01	BNк·100% BNк·100%	03…2.0 2,0…2,5	3,31…3,39 3,45…3,50	70…80 60…75	19…21 20…30	4…5	1100…1200 1100-1400
Белбор	Композит 02 Композит 05	BNк·100% BNк·50%	0,2…5,0 0,2…3,0	3,27…3,45 3,7…4,0	60…90 50…70	40…65 40…45	4…5 6,10	100…1100 1000
ПТНБ	Композит 09	BNк·100%	0,1…2,0	3,49	50…75	40…60	6,10	1500
Гексанит	Композит 10	BNк·5-95% BNк·0-7% BNк·0-95%	BNк·0,2 BNк·0,1	3,28..3,36 3,28…3,36	40…50 55 50…80	30…50	7,10 12...15	800…900

Область применения инструмента, оснащённого СТМ.

Основная область эффективного применения режущего инструмента, оснащённого СТМ, - автоматизированное производство на базе станков с ЧПУ, многоцелевых станков, гибких производственных модулей (ГПМ) и гибких производственных систем (ГПС). При круглосуточной работе оборудования в автоматическом цикле резко возрастают требования к надёжности и износостойкости режущего инструмента. Поэтому наиболее перспективным является применение инструмента, оснащённого СТМ.

Лезвийный инструмент из КНБ применяют при высокоскоростном фрезеровании, точении, растачивании, сверлении и других видах обработки заготовок из чугунов, закалённых сталей, алюминиевых и цветных сплавов, композиционных неметаллических материалов. Увеличение скорости резания является важным фактором повышения интенсивности обработки заготовок, особенно при автоматизированных процессах. В таблице 1.26 приведены рекомендуемые для обработки различных материалов скорости резания. Следует отметить, что надёжность инструмента, оснащённого СТМ, возрастает с увеличением скорости резания в рекомендуемых пределах для каждого конкретного материала.

Таблица 1.26 – Диапазон скоростей при обработке различных материалов режущим инструментом их СТМ на основе КНБ

Обрабатываемый материал	Скорость резания, м/мин
	точение	фрезерование
Стали в состоянии поставки (термически не обработанные) НRC≤30	-	400-900
Закаленные стали (НRC 35-55)	50-200	200-600
Закаленные стали (НRC 55-70)	40-120	80-300
Серые и высокопрочные чугуны (НВ 150-300)	300-1000	600-3000
Отбеленные (НВ 400-600) и закаленные (НRC 40-60) чугуны	40-200	150-800