Сверхтвёрдые инструментальные материалы и лезвийная обработка металлов

Сверхтвёрдые инструментальные материалы и лезвийная обработка металлов

Глава 1

Глава 1. СВЕРХТВёРДЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ

материалЫ И ЛЕЗВИЙНАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

 

В последние годы широкое распространение в машиностроении при обработке металлов резанием получили синтетические сверхтвёрдые материалы.

Сверхтвёрдые материалы (СМ) – группа веществ, обладающих высочайшей твёрдостью, к которой относят материалы, твёрдость и износоустойчивость которых превышает твёрдость и износоустойчивость твёрдых сплавов на основе карбидов вольфрама и титана с кобальтовой связкой, карбидотитановых сплавов на никель-молибденовой связке.

Сверхтвёрдые материалы делятся на природные и искусственные.

Искусственные СМ изготовляют на основе углерода или нитрида бора и имеют много модификаций, которые отличаются по физико-механическим свойствам. В связи с этим с целью наиболее эффективного применения инструмента, оснащенного СМ, необходимо учитывать соответствующие технологические рекомендации.

Краткому рассмотрению этих вопросов, а также обзору зарубежного опыта в этом направлении посвящается эта глава.

 

1.1. Природные и искусственные сверхтвёрдые материалы

 

К естественным сверхтвёрдым природным материалам относится алмаз. Название "алмаз" происходит от арабского "al-mas", что переводится как "твердейший", или греческого "adamas", что в переводе означает "непреодолимый, несокрушимый". В конце XVIII в. было установлено, что алмаз является кристаллической модификацией углерода и самым твёрдым из веществ.

Алмазы встречаются в виде отдельных хорошо выраженных кристаллов или же в виде скопления кристаллических зёрен и многочисленных сросшихся кристаллов.

Единицей измерения величины алмаза (веса) является карат (от арабского kirat), что составляет 0,2 г.

В металлообработке природные алмазы применяются редко. Как правило, для этих целей используют алмазы, не идущие на изготовление украшений, – борт.

Для изготовления алмазных шлифовальных кругов употребляются алмазные порошки.

Для изготовления режущих инструментов (резцов, свёрл) применяются кристаллы алмаза весом 0,2...0,6 карата. Кристаллы алмаза закрепляются в державке инструмента механическим креплением или припаиваются. При заточке алмаз предварительно извлекается из державки и перешлифовывается на специальных станках с помощью чугунных дисков, шаржированных смесью алмазного порошка с оливковым маслом.

С 1958 г. в промышленном масштабе начали выпускаться искусственные (синтетические) алмазы. Они практически не уступают природным алмазам по всем основным физико-химическим свойствам. Их можно получить из графита при высоких давлениях (5,6...12,6 ГПа) и температурах (1200...2400 °С) в специальных прессах. В настоящее время искусственные алмазы изготовляют и другими способами – наращиванием кристаллов алмаза в среде метана (СН4), взрывом или с использованием металлических катализаторов, позволяющих снизить давление и температуру изготовления кристаллов.

Зёрна искусственного алмаза весят не более 0,25 карата и применяются для изготовления абразивных инструментов.

Алмазные режущие вставки резцов – поликристаллический алмаз (ПА) – получают методом прессования и спекания алмазного порошка.

Перспективным является использование в машиностроении различных синтетических сверхтвёрдых материалов, созданных на базе поликристаллических алмазов (карбонадо, баллас); кубического нитрида бора (КНБ) (эльбор-Р, гексанит-Р и т. д.) и др.

Основные свойства алмаза и КНБ (эльбор-Р), а также других инструментальных материалов приведены в табл. 1.1.

Поликристаллические алмазы и кубический нитрид бора имеют много общих свойств, например высокую твёрдость и теплопроводность, одинаковую кристаллическую структуру. Однако ПА склонны к графитизации и легко окисляются на воздухе, а КНБ стабилен при высокой температуре на воздухе и при обработке чёрных металлов. Это определяет области применения материалов:

– ПА используются при обработке цветных металлов и их сплавов, а также дерева, абразивных материалов, пластмасс, твёрдых сплавов, стекла, керамики;

Таблица 1.1

Основные свойства инструментальных материалов

 

Материал	Микро- твёрдость, HV	Предел прочности на сжатие σc ×102, МПа	Предел прочности на изгиб σи ×102, МПа	Теплостойкость, °С	Теплопроводность, кал/(с×см×°С)
Алмаз	10 000	20	2,1 – 4,9	700 – 900	0,35
Эльбор-Р	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
ЦМ-332	2000 – 2300	9 – 15	4 – 5,5	1200	0,01

 

– КНБ используется при обработке чёрных, сырых и закалённых сталей и чугунов, специальных сплавов на основе никеля и кобальта.

В настоящее время в промышленности в основном используют синтетические ПА, получаемые из углерода (в форме графита) при воздействии высоких давлений и температур. При этом гексагональная гранецентрированная решётка графита (рис. 1.1, а) превращается в кубическую гранецентрированную решётку алмаза (рис. 1.1, б). Температуру и давление, необходимые для структурных превращений, определяют из диаграммы состояния графит – алмаз (рис. 1.1, в).

Так как бор и азот располагаются в периодической таблице Менделеева по обеим сторонам углерода, путём соответствующей химической реакции можно получить соединение этих элементов, т. е. нитрид бора, который имеет графитообразную гексагональную кристаллическую решётку с приблизительно одинаковым числом атомов бора и азота, расположенных попеременно. Аналогично графиту гексагональный нитрид бора (ГНБ) имеет слоистую рыхлую структуру и может превращаться в КНБ; этот процесс описывается диаграммой состояния ГНБ – КНБ.

За счёт добавления специальных растворителей-катализаторов (обычно нитриды металлов) интенсивность превращения увеличивается, а давление и температура процесса снижаются соответственно до 6 ГПа и 1500°С.

В процессе превращения кристаллы КНБ увеличиваются.

 

а)	в)
б)

 

 

Рис. 1.1. Кристаллические решётки графита и алмаза и вид диаграммы

состояния переходов "графит – алмаз": а – гексагональная гранецентрированная

решётка графита; б – кубическая гранецентрированная решётка алмаза

в – диаграмма состояния углерода: 1 – жидкость; 2 – стабильный алмаз;

3 – стабильный графит; 4 – стабильный алмаз и метастабильный графит;

5 – стабильный графит и метастабильный  алмаз; 6 – гипотетическая область  существования иных твёрдых состояний  углерода; 7 – точки, соответствующие условиям опытов по прямому превращению графита в алмаз; 8 – область

образования алмаза с использованием металлов; 9 – область экспериментов

по образованию алмазов при низком давлении

 

При нагреве отдельные кристаллы КНБ спекаются между собой в зонах контакта и образуют поликристаллическую массу. В результате спекания получают конгломерат КНБ, в котором произвольно ориентированные анизотропные кристаллы соединяются между собой, образуя изотропную массу большого объёма.

Затем из этой массы получают пластины для режущих инструментов, фильеры для волочения проволоки, инструменты для правки шлифовальных кругов, износостойкие детали и др.

Механические, физические и термические свойства готовых изделий зависят от размеров и распределения зёрен, применяемого растворителя-катализатора, интенсивности спекания, наличия или отсутствия инертного наполнителя. Тщательно выбирая эти параметры, можно создавать КНБ для конкретных условий работы.

 

Группа синтетических сверхтвёрдых материалов (СТМ) на основе алмазов и твёрдых модификаций нитрида бора в настоящее время является последним звеном в цепочке развития инструментальных материалов: "углеродистая сталь – быстрорежущая сталь – твёрдый сплав – керамика". Эти принципиально новые как по технологии изготовления, так и по условиям эксплуатации инструментальные материалы позволяют существенно интенсифицировать режимы обработки материалов (увеличить скорость, подачу, глубину резания), что сопровождается значительными изменениями в станкостроении и технологии механической обработки.

Скорость резания – важнейший фактор интенсификации обработки материалов резанием с применением инструмента из синтетических сверхтвёрдых материалов в условиях, когда резервы существенного повышения скоростей резания традиционных инструментальных материалов практически исчерпаны.

Алмазный инструмент в отличие от инструмента, оснащённого пластинами КНБ, может эффективно эксплуатироваться на сравнительно низких скоростях, присущих твердосплавному инструменту, обеспечивая многократное – в десятки раз – повышение стойкости. Это особенно важно в автоматизированном производстве.

Такая возможность появляется не только потому, что новое оборудование обладает необходимыми характеристиками по частоте вращения шпинделя, мощности, жёсткости и виброустойчивости. Дело еще и в том, что в автоматизированных процессах почти исключено субъективное влияние операторов-станочников, их сложившихся привычек и приемов работы. Наконец, сам принцип работы на станках с ручным управлением, когда человек находится в опасной близости от рабочей зоны, препятствует внедрению обработки на высоких скоростях.

Поступающие на обработку заготовки должны быть идентичны по физико-механическим характеристикам, стабильны по величине снимаемого припуска и состоянию обрабатываемой поверхности, что весьма важно для надёжной работы инструмента из СТМ.

Программная обработка обеспечивает плавное врезание и выход резца на пониженных подачах, постоянно возрастающих до рабочего уровня, что также существенно повышает надёжность процесса. Принудительная смена инструмента и его централизованное восстановление обеспечивает наилучшие условия эксплуатации и минимальные потери.

Скорость резания является к тому же весьма действенным фактором решения проблемы стружкодробления – одной из сложнейших в металлообработке. При высокой скорости обработки работа резания почти полностью превращается в тепло и образуется сегментная стружка, у которой сегменты разделяются хрупкой узкой перемычкой сильно деформированного металла. Фактически образуется короткая дроблёная стружка.

Резкое увеличение скорости резания при прочих равных условиях обеспечивает соответствующее увеличение минутной подачи инструмента, то есть производительности процесса, а также уменьшение силы резания, наклёпа и шероховатости обработанной поверхности. Установлено, кроме того, что при увеличении скорости резания в определённых пределах возрастает надёжность работы инструмента из СТМ; это принципиально важно применительно к автоматизированному оборудованию.

Как правило, часть имеющегося резерва повышения скорости резания при переходе от твердосплавного инструмента к инструменту из СТМ используется для уменьшения толщины срезаемого слоя. Например, при повышении скорости фрезерования чугуна в 10 раз минутная подача может быть увеличена не в 10, а в 4 раза с соответствующим уменьшением в 2,5 раза подачи на оборот. Это даёт дополнительное существенное уменьшение силы резания и шероховатости поверхности.

Ёмкой сферой применения инструмента из СТМ является обработка чугунов. Почти половина всех деталей машин изготовляются методом литья, при этом три четверти из них являются чугунными. Одной из тенденций является увеличение производства чугунного литья из высокопрочных марок с пониженной обрабатываемостью твердосплавным инструментом (по сравнению с заменяемым литьем из стали и серого чугуна).

В условиях автоматизированных производств обработка чугунов, образующих элементную стружку, является дополнительным серьезным преимуществом перед обработкой стального литья. Повышение точности и качества чугунного литья, сокращение объёмов литья в землю и обусловленное этими причинами уменьшение припусков на механическую обработку ещё более способствуют внедрению инструмента из СТМ.

Важное теоретическое и практическое значение имеет создание синтетических сверхтвёрдых материалов в виде крупных поликристаллических образований. Размеры поликристаллов не только позволяют расширить номенклатуру различных видов инструментов из сверхтвёрдых поликристаллов (СТП), но и открывают широкую перспективу их использования в качестве конструкционных материалов.

Возможность получения синтетических материалов со свойствами, близкими к свойствам природного алмаза, впервые была теоретически обоснована отечественным учёным О. И. Лейпунским. Практическая реализация технологии, обеспечивающая получение синтетического алмаза в виде поликристаллов, осуществлена у нас в стране в 1963 г. под руководством академика Л. Ф. Верещагина. Были созданы поликристаллические алмазы АСБ.