Сверхтвердые инструментальные материалы

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

Наряду с минералокерамикой разра­ботаны сверхтвердые инструментальные материалы, предназначен­ные для чистовой обработки материалов с большой твердостью (НRС 60), а также для обработки материалов при высоких скоростях резания (свыше 10 м/с). К их числу относятся материалы на основе кубического нитрида бора (КНБ).

Кубический нитрид бора – новый сверхтвердый материал. Он представляет собой соединение двух химических элементов – бора (43,6 %) и азота (56,4 %). КНБ – весьма твердый, теплостойкий и химиче­ски устойчивый материал. По твердости он близок к алмазу.
Тепло­стойкость КНБ – 1300 °С. КНБ выпускается под названием
эльбор.

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 т.п., 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 инструментальныйматериал имеет существенный недостаток: при повышенной температуреонвступает в химическую реакцию с железом и теряет работоспособность. Для обработки сталей, чугунов и других материалов 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 рассматриваемых мате­риалов, которые
в настоящее время получили название «композит», приведены
в табл. 12.

Таблица 12

Сравнительные характеристики СТМ на основе нитрида бора

Алмазы

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 других материалов отводят теплоту из зоны резания, что способ­ствует гарантированному получению деталей с бесприжоговой поверхностью. Однако алмазы весьма хрупки, что сильно сужает область их применения.

Алмаз – самый твердый в природе минерал (10⁵ МПа), устойчи­вый к физическим и химическим воздействиям. Теплостойкость ал­маза сравнительно невысока ~ 700 °С (в среде кислорода). Природные алмазы кристаллизовались на большой глубине при огромном давлении земных недр и высокой температуре (2000–2500 °С) из расплавленной магмы, содержащей углерод.

Алмазы бывают естественные и искусственные, ювелирные
и технические.

На технические цели используют 80 % природных алмазов. Они используются при изготовлении шлифовальных кругов и паст, а так­же для алмазно-металлических карандашей.

Технические алмазы разделяются на бортсы, балласы и карбона­до. Наилучшие из них – карбонадо. Это весьма тонкозернистые, твердые и плотные кристаллы, имеющие острые ребра.

Учитывая высокую стоимость природных алмазов, а также не­достаточность их для промышленного использования, Институт физики высоких давлений Академии наук СССР в 1960 году синтезировал алмаз в лабораторных условиях, а Киевский институт сверхтвердых материалов в 1961году начал промышленное производство искусственных алмазов из графита при высоких давлениях и температуре. Синтетические ал­мазы имеют те же химические и физико-меха­ни­ческие свойства, что и природные.

Наиболее эффективно алмазные инструменты применяются при об­работке твердых сплавов, керамики, мрамора и стекла. Примерно 80 % алмазных порошков используют для изготовления шлифоваль­ных кругов, притиров, хонов и др., а остальные 20 % – в виде порошков и паст.

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, 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, 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, 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.

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. В зависимости от размера зерен эльбор выпускается
в виде шлифпорошков и микропорошков.

Сверхтвердые синтетические материалы – это композиционные поликристаллические материалы, обладающие весьма высокой твердостью, приближающейся к твердости алмаза. Существует три их разновидности: композиты (композит 01 – эльбор-Р; композит 05; композит 10 (гексонит-Р); исмит), карбонадо и силинит.

На основе кубического нитрида бора в нашей стране создана гамма сверхтвердых материалов под общим названием композит. Наиболее широкое применение получили композиты 01 (эльбор-Р), 10 (гексонит-Р), композиты 05 и 09. Композиты весьма теплостойки и применяются для резцов, фрез и т.д., для тонкой и чистовой
обработки стальных и чугунных деталей. Применение инструмента, оснащенного композитом, позволяет в 2…5 раз повысить про­изводительность обработки материалов с высокой твердостью за­готовки.

Карбонадо – более плотные модификации синтетического алмаза. По твердости карбонадо превосходит композиты, но уступает по теплостойкости. Все карбонадо выпускаются в виде цилиндров диаметром 4…6 мм и высотой 3…6 мм или в виде пластин.

Силинит Р – новый сверхтвердый синтетический материал
с НRА 94...96, но он недостаточно прочен. Применяется для лезвийных инструментов при чистовой и тонкой обработке.