Сверхтвёрдые инструментальные материалы и лезвийная обработка металлов

Сравнение стойкости резцов из АСБ и АСПК с твердосплавными резцами при обработке абразивных алюминиевых сплавов и стеклопластиков различных марок показывает, что стойкость поликристаллических резцов в 80...100 раз выше стойкости твердосплавных, а в некоторых случаях превышает в 1,2...1,5 раза стойкость резцов из природных алмазов.

Применение резцов из поликристаллов алмаза обеспечивает высокое качество обработанной поверхности. Так, при точении резцами АСБ и АСПК алюминиевых сплавов достигаемая шероховатость Ra составляет 0,32 мкм, а при малых подачах – 0,16 мкм.

При точении резцами из синтетических поликристаллов алмаза с износом инструмента по задней поверхности до определённой величины (0,1...0,12 мм) качество обработанной поверхности не ухудшается, а улучшается. Это объясняется тем, что у алмазных резцов площадка износа представляет собой поверхность, имеющую множество острых кромок, осуществляющих микрорезание, т. е. своего рода подшлифовывание обработанной поверхности.

Результаты исследования закономерностей процесса резания резцами из АСБ и АСПК привели к выводу о возможности применения поликристаллов алмаза для других видов алмазного инструмента, в частности фрез. Фрезы со вставками из синтетических алмазов марки АСБ эффективно используются для обработки плоских поверхностей заготовок из неметаллических материалов, стеклотекстолита, асбоцемента и др. Стойкость таких фрез в 6...40 раз выше твердосплавных. Шероховатость обработанной поверхности находится в пределах Rz = 40...2,5 мкм.

Износостойкость поликристаллов синтетических алмазов и низкий коэффициент трения с металлами позволяют успешно применять их для обработки пластическим деформированием поверхностного слоя заготовок методом алмазного выглаживания.

Опыт показывает, что выглаживатели, оснащённые алмазами АСБ и АСПК, обеспечивают уменьшение шероховатости поверхности по сравнению с исходной, образование сжимающих напряжений в поверхностном слое и увеличение износостойкости деталей в два и более раза.

Благодаря незначительной температуре в зоне контакта уменьшается химическая активность алмазов и становится возможным выглаживание заготовок из цветных сплавов типа латуни ЛС59-1, бронзы БрАЖ-9-4, сплавов В95-Т1, Д16Т; сталей – углеродистых (сталь 30, 45) и легированных (Х18Н2АГ5, Х18Н9Т, 12ХНЗА, 38ХМЮА, 40Х, ШХ15); сырых с микротвёрдостью 1600...8000 МПа и закалённых (HRC 35...58). Стойкость таких инструментов в зависимости от условий обработки находится в пределах 30...40 ч или 10...18 км пройденного пути.

С появлением синтетических поликристаллических алмазов типа АСБ, АСПК, СВ резко сократилось потребление дорогого и дефицитного природного алмаза для изготовления волочильных инструментов, датчиков контроля размеров в измерительных приборах и др.

 

1.4. Поликристаллические сверхтвёрдые материалы

на основе нитрида бора

 

В настоящее время нитрид бора известен в виде трёх самостоятельных модификаций, обладающих кристаллическими структурами: гексагональный графитоподобный BNГ; кубический сфалеритоподобный BNK; гексагональный вюрцитоподобный BNB.

 

1.4.1. Основные модификации синтетических плотных

нитридов бора, их физико-механические свойства

 

Устойчивая в обычных условиях гексагональная модификация нитрида бора, так же как графит, принадлежит к соединениям слоистой структуры. В отличие от структуры графита слагающие слои атомов бора и азота в BNГ чередуются между собой и расположены точно друг над другом (рис. 1.2, а).

Кубический нитрид бора, как и алмаз, имеет кубическую кристаллическую решётку (рис. 1.2, б), которая состоит из атомов бора и азота. Параметры решётки и кратчайшее расстояние между атомами несколько больше, чем у алмаза. Благодаря двусортности атомов решётки BNK не имеет центра симметрии. Это различие геометрически одинаковых решёток алмаза и кубического нитрида бора обусловливает специфику некоторых их физических свойств.

Гексагональный нитрид бора BNГ в виде слоистого графито-подобного вещества белого цвета был впервые синтезирован в 1842 г. английским химиком В. X. Бальменем. Гексагональная решётка близка по своим параметрам к гексагональной решётке графита.

В 1957 г. Р. Вентерфом в США был получен кубический нитрид бора BNK (КНБ), а в начале 1960-х гг. фирмой "Дженерал Электрик" налажено его промышленное производство под торговой маркой "Боразон".

В Советском Союзе кубический нитрид бора был получен в 1960 г. в Институте физики высоких давлений АН СССР под руководством академика Л. Ф. Верещагина. Порошкам КНБ присвоена торговая марка "Эльбор", его промышленное производство было организовано с 1965 г. на Ленинградском абразивном заводе "Ильич" (сейчас ООО "Петербургский абразивный завод "Ильич"), а с 1969 г. с торговой маркой "Кубонит" – на Опытном заводе Института сверхтвёрдых материалов АН УССР.

Успехи физики и техники высоких давлений способствовали тому, что наряду с увеличением числа плотных модификаций нитридов бора удалось получить поликристаллы крупных размеров. За рубежом впервые сообщения о получении композиционного поликристаллического материала на основе кубического нитрида бора появились в 1960 – 1961 гг.

На основании разработок ВНИИАШ и Ленинградского абразивного завода "Ильич" в Советском Союзе впервые в 1971 г. также было освоено серийное производство поликристаллического кубического нитрида бора.

Способ его получения состоит в том, что в шихту, содержащую гексагональный нитрид бора, вводится 2,0...6,0 вес. % боридов (MgB2) и силицидов магния (Mg2Si). При давлении 8,5...9,5 ГПа и температуре 2000...2200°С получали поликристаллический сверхтвёрдый материал (ПСТМ), пригодный для применения в качестве режущего в лезвийном инструменте.

По аналогии с методикой получения кубического нитрида бора в 1965 г. Ф. Банди и Р. Венторф получили вюрцитоподобный нитрид бора при давлении 11,0... 12,0 ГПа и температуре около 3000°С.

По технологии получения, а соответственно и по структурным особенностям ПСТМ на основе КНБ можно разделить на три группы.

Материалы 1-й группы получаются путём фазового превращения гексагонального (графитоподобного) нитрида бора в кубический при высоких давлениях и температурах (BNГ → BNК) и состоят из зёрен BNK, a при использовании в процессе синтеза катализаторов – и из сопутствующих фаз, образующихся в процессе синтеза. В качественных спёках гексагональный нитрид бора не проявляется. К материалам этой группы относятся эльбор Р (композит 01), белбор (композит 02) и исмит (композит 03).

В основе получения ПСТМ 2-й группы лежит процесс частичного или полного превращения вюрцитного нитрида бора в кубический (BNB → BNK). К ним относятся гексанит-Р (композит 10), поликристаллический твёрдый нитрид бора (ПТНБ) и его различные модификации (композит 09), а также вюрцин (Япония). Материалы этого класса, как минимум, двухфазные, они содержат исходный BNB и BNK как вторичный, образованный в результате фазового перехода BNB → BNK, который в ПТНБ добавляется в исходную шихту. Кроме того, в поликристаллах могут присутствовать BNГ и фазовые составляющие связки, если она имеется. Материалы мелкозернистые, с микронным и субмикронным размером зёрен.

При получении материалов 3-й группы основным процессом является спекание зёрен кубического нитрида бора (BNK) со связкой. Материалы этого типа отличаются друг от друга размером, структурой и свойствами зерна BNK, процентным составом, видом, дисперсностью и химической активностью связующего состава – карбидов, нитритов, карбонитридов, оксидов и др., а также технологией спекания. Размер кубического зерна колеблется от 1 до 10...15 мкм, размер связующих фаз изменяется в этих же пределах.

К материалам данной группы относятся композит 05, томал 10. Наиболее известными материалами 3-й группы на мировом рынке являются боразон, амборит и сумиборон (BN 200). Следует отметить, что за рубежом все ПСТМ на основе BNK выпускаются только по этой технологии – спеканием зёрен BNK.

Продукты синтеза из гексагонального нитрида бора

Эльбор-Р (композит 01) представляет собой сверхтвёрдый материал с мелкокристаллической беспорядочно ориентированной структурой. Поликристаллическая структура материала однородна и состоит из плотно сросшихся кристаллов КНБ размером не более 5 мкм. Эльбор-Р выпускается промышленностью массой 0,8 карат диаметром 3,6...4,4 мм, высотой 3,6...4,0 мм. Материал синтезируется из BNг в присутствии добавок, которые дают возможность менять его физико-механические свойства при термодинамических параметрах в области устойчивости кубического нитрида бора. Присутствие в шихте катализатора, который остаётся в продукте синтеза, отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах блока.

Применяется эльбор-Р при чистовом точении деталей из закалённых сталей твёрдостью HRC 55...70, чугуна любой твёрдости, твёрдых сплавов типа ВК15, ВК20, ВК25 (глубина резания 0,05...0,50 мм). Применяется также эффективно при фрезеровании закалённых и нетермообработанных сталей и чугунов (глубина резания 0,5...2,0 мм).

Поликристаллический кубический нитрид бора, полученный прямым превращением BNг в BNK без введения в состав шихты катализатора растворителя, носит название эльбор-РМ. Такой способ стабильно обеспечивает прямое превращение тонкозернистого гексагонального нитрида бора размерами 3...8 мкм в кубическую модификацию. Материал получается со стабильными эксплуатационными свойствами. Синтез осуществляется под давлением 5,0...9,0 ГПа и температуре 1800...2000°С, с выдержкой не более 1 мин.

Эльбор-РМ разработан Ленинградским абразивным заводом "Ильич" совместно с Институтом физики твёрдого тела и полупроводников АН БССР и выпускается с 1978 г. Геометрические размеры и вес эльбора-РМ аналогичны эльбору-Р, рекомендуемые области применения также одинаковы. Основной недостаток эльбора-РМ – малые геометрические размеры.

Способ получения поликристаллического нитрида бора путём прямого синтеза из BNг без присутствия катализаторов позволил также создать композиционный материал с кристаллами КНБ 0,2...5,0 мкм, получивший название белбор (композит 02). При этом в исходную шихту наряду с BNг вводят нитриды тугоплавких металлов и карбид вольфрама. Отсутствие в белборе (как и в эльборе-РМ) легколетучих катализаторов, которые могут со временем разлагаться, позволяет получать поликристаллические блоки, не теряющие своих эксплуатационных свойств длительное время.

Выпускаются поликристаллы белбора (заготовки) массой 0,8 карат, диаметром 3,5 мм и высотой 5 мм, а также двухслойные пластины диаметром 6 мм и высотой 2,2 мм. В качестве материала подложки используется твёрдый сплав.

Поликристаллический сверхтвёрдый материал из нитрида бора, созданный в ИСМ АН УССР путём каталитического синтеза и имеющий мелкозернистую структуру, получил торговое название исмит.

Исмит (композит 03) выпускается в трёх исполнениях: исмит 1, исмит 2, исмит 3, которые отличаются технологией производства, параметрами синтеза и исходным сырьём.

Резцы из исмита рекомендуются для обработки сплошных и прерывистых поверхностей деталей из чугунов, закалённых сталей с твёрдостью HRC 60...64, а также металлокерамических твёрдых сплавов, при скоростях резания 100...400 м/мин и глубине резания 0,5 мм.

Поликристаллы выпускаются в незначительных объёмах и не имеют промышленного значения.

Продукты синтеза из кубического нитрида бора

Ленинградским абразивным заводом "Ильич" совместно с кафедрой керамики Ленинградского технологического института им. Ленсовета в 1977 г. был создан сверхтвёрдый композиционный материал композит 05ИТ, который является последней модификацией композита 05 (спёки BNK и А12O3), отличающийся высокой теплопроводностью и теплостойкостью. Диаметр поликристаллов – 6,7...10,0 мм; высота – 3,2...6,0 мм.

Улучшение теплофизических свойств композита 05ИТ достигается тем, что перед спеканием шихты композиционного материала наряду с КНБ (50 – 80%) состав содержит диборид циркония ZrB2 (4 – 20%) и переходный металл VI группы (хром, молибден, вольфрам) (12 – 40%).

Микропорошки КНБ и боридно-металлической эвтектики после предварительного прессования и последующего спекания при температурах 1600...2000°C и давлении свыше 50 ГПа приобретают поликристаллическую структуру.

В результате синтеза удалось получить поликристаллический материал, представляющий собой совокупность зёрен BNK, равномерно распределённых в матрице связующего состава, обладающего признаками пластичности.

Основное достоинство технологии получения композита 05ИТ методом спекания заключается в малом расходе твёрдого сплава, а также в возможности экономичного получения поликристаллов большого размера.

С 1982 г. абразивный завод "Ильич" производит двухслойные пластины композита 05ИТ2С с теми же размерами, что и у композита 05ИТ. Их особенностью является то, что составом подложки является диборит циркония ZrB2, входящий в состав рабочего слоя поликристалла. Пластинами композита 05ИТ2С оснащаются токарные резцы, в основном методами пайки.

Модификации композита 05 успешно используются при чистовом точении без удара деталей из закалённых сталей твёрдостью HRC40...60 и чугунов твёрдостью до НВ300 с подачами до 0,3 мм/об и глубинами резания 0,2...2,0 мм. Материал выгодно применять и при фрезеровании серых чугунов.

Продукты синтеза из вюрцитоподобного нитрида бора

Поликристаллический кубический нитрид бора, полученный в результате синтеза смеси порошков кубического нитрида бора с размерами частиц 3 и 5 мкм и связующего вюрцитоподобного нитрида бора, получил название поликристаллический твёрдый нитрид бора (ПТНБ).

Производство ПТНБ по новой технологии с применением взрывного BNB и плазмохимических инициаторов (ПХИ) позволило улучшить режущие свойства ПТНБ за счёт получения мелкозернистой структуры (размер кристаллов не более 1 мкм) при одновременном обеспечении высокой точности и твёрдости материала. Оптимальное соотношение BNK и BNB в исходной шихте – 1 : 1; содержание ПХИ – 0,5...1,0%. Такая технология обеспечивает стабильность получения ПТНБ без посторонних фаз.