Сверхтвердые материалы марки. Твердые и сверхтвердые сплавы

Сверхтвердые материалы (СТМ) - к ним относят алмазы (природные и синтетические) и композиционные материалы на основе кубического нитрида бора.

Алмаз - одна из модификаций углерода. Благодаря кубическому строению кристаллической решетки алмаз является самым твердым из известных в природе минералов. Его твердость в 5 раз выше, чем твердого сплава, однако прочность невелика и монокристаллы природного алмаза при достижении критических нагрузок разрушаются на мелкие фрагменты. Поэтому природные алмазы используют только на чистовых операциях, для которых характерны малые силовые нагрузки.

Теплостойкость алмазов равна 700...800 °С (при более высоких температурах алмаз сгорает). Природные алмазы имеют высокую теплопроводность и самый низкий коэффициент трения.

Природный алмаз обозначают буквой А , синтетический - АС . Природные алмазы – это отдельные монокристаллы и их обломки, или сросшиеся кристаллы и агрегаты. Синтетические алмазы получают в виде мелкозернистых порошков и используют для изготовления абразивных кругов, паст и микропорошков. Отдельную группу составляют поликристаллические алмазы (ПКА) марок АСБ (Баллас) и АСПК (Карбонадо). ПКА из-за своей поликристаллической структуры значительно лучше сопротивляются ударным нагрузкам, чем монокристаллы алмаза, и, несмотря на меньшую твердость по сравнению с природным алмазом, имеют более высокие значения пределов прочности на растяжение и на поперечный сдвиг. Ударная прочность поликристаллов алмаза зависит от размеров алмазных зерен и с их увеличением снижается.

Алмаз имеет химическое сродство с никель- и железосодержащими материалами, поэтому при резании сталей на основе железа, на контактных поверхностях алмазного инструмента происходит интенсивное налипание обрабатываемого материала. Углерод, из которого состоит алмаз, активно реагирует с этими материалами при нагреве. Это приводит к интенсивному изнашиванию алмазного инструмента и ограничивает области его применения, поэтому природные алмазы применяют в основном при тонком точении цветных металлов и сплавов, не содержащих углерод и железо. Наиболее эффективное применение алмазного инструмента получают на чистовых и отделочных операциях при обработке деталей из цветных металлов и их сплавов, а также из различных полимерных композиционных материалов. Инструмент может быть использован при точении прерывистых поверхностей и при фрезеровании, однако его стойкость будет чиже, чем при обработке без удара.

Обрабатываемый материал	V, м/мин	s, мм/об	t, мм
Алюминиевые литые сплавы	600…690	0,01…0,04	0,01…0,20
Алюминиево-магниевые сплавы	390…500	0,01…0,05	0,01…0,20
Алюминиевые жаропрочные сплавы	250…400	0,02…0,04	0,05…0,10
Дуралюмин	500…690	0,02…0,04	0,03…0,15
Бронза оловянистая	250…400	0,04…0,07	0,08…0,20
Бронза свинцовая	600…690	0,025...0,05	0,02…0,05
Латунь		0,02…0,06	0,03…0,06
Титановые сплавы	90…200	0,02…0,05	0,03…0,06
Пластмассы	90…200	0,02…0,05	0,05…0,15
Стеклотекстолит	600…690	0,02…0,05	0,03…0,05

Во многих случаях наблюдаемая на практике большая износостойкость резцов из синтетических алмазов, по сравнению с резцами из природных алмазов, что объясняется различием их структур. У природного алмаза появившиеся трещины на режущей кромке, развиваются и могут достигать значительных размеров. У ПКА (синтетический алмаз), возникающие трещины останавливаются границами кристаллов, что и определяет их более высокую, в 1,5…2,5 раза, износостойкость.

Еще одной из перспективных областей применения ПКА является обработка трудно поддающихся резанию и вызывающих быстрый износ инструмента таких материалов, как древесностружечные плиты, плиты средней плотности с высоким содержанием клея, с покрытиями на основе меламиновой смолы, декоративный бумажно-слоистый пластик, а также другие материалы, обладающие абразивным действием. Инструмент с ПКА имеет стойкость при обработке таких материалов в 200..300 раз выше стойкости твердосплавных инструментов.

Успешно применяются инструменты из ПКА в виде сменных многогранных пластин при обработке полимерных композитных материалов. Их использование позволяет повысить стойкость в 15…20 раз по сравнению с инструментом из твердого сплава.

Кубический нитрид бора (КНБ, BN ) в природе не встречается, его получают искусственным путем из «белого графита» при высоких давлениях и температурах в присутствии катализаторов. При этом гексагональная решетка графита превращается в кубическую, подобную решетке алмаза. Каждый атом бора соединен с четырьмя атомами азота. По твердости КНБ несколько уступает алмазу, но имеет более высокую теплостойкость, доходящую до 1300...1500 °С, и он практически инертен к углероду и железу. Как и алмаз, КНБ имеет повышенную хрупкость и низкую прочность на изгиб.

Известно несколько марок КНБ, объединяемых в группу «композиты». Разновидности КНБ отличаются друг от друга размерами, структурой и свойствами зерен, процентным составом связки, а также технологией спекания.

В качестве композитов наиболее широкое применение нашли: композит 01 (эльбор-Р), композит 05, композит 10 (гексанит-Р) и композит 10Д (двуслойные пластины с рабочим слоем из гексанита Р). Из них самым прочным является композит 10 (σ и = 1000...1500 МПа), поэтому его используют при ударных нагрузках. Остальные композиты применяются при безударной чистовой обработке закаленных сталей, высокопрочных чугунов и некоторых труднообрабатываемых сплавов. Во многих случаях точение композитами эффективнее процесса шлифования, так как из-за своей высокой теплопроводности КНБ не дает прижогов при работе на высоких скоростях резания и обеспечивает при этом низкую шероховатость поверхности.

Используют композиты в виде малоразмерных пластин квадратной, треугольной и круглой форм, закрепляемых на корпусе инструмента пайкой или механическим способом. В последнее время применяют также пластины из твердого сплава с нанесенным на них слоем композита или поликристаллов алмаза. Такие многослойные пластины обладают большей прочностью, износостойкостью и более удобны для крепления. Они позволяют снимать припуски большой глубины.

Главным резервом повышения производительности обработки для инструмента на основе BN является скорость резания (таблица 11.), которая может превышать скорость резания твердосплавным инструментом в 5 и более раз.

Таблица 11. Скорости резания, допускаемые различными инструментальными материалами

Из таблицы видно, что наибольшая эффективность применения инструментов на основе BN имеет место при обработке высокотвердых чугунов, сталей и сплавов.

Одной из возможностей повышения эффективности инструмента на основе BN является использование смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), которые для инструментов из BN наиболее эффективно использовать путем их распыления при скоростях резания до 90…100 м/мин.

Еще одной из эффективных областей использования инструмента, оснащенного поликристаллами композитов, является обработка наплавок, которыми упрочняют детали металлургического производства. Наплавленные материалы очень высокой твердости (до HRC 60..62) получают путем электродугового или плазменного наплавления порошковыми проволоками или лентами.

Области применения по скорости резания и подаче всех групп рассмотренных инструментальных материалов ориентировочно показаны на рис. 38.

Рис.38. Область применения различных инструментальных материалов по скорости резания V и подаче s .

1 – быстрорежущие стали; 2 – твердые сплавы; 3 – твердые сплавы с покрытиями; 4 – нитридная керамика; 5 – оксидно-карбидная (черная) керамика; 6 - оксидная керамика; 7 – кубический нитрид бора.

Применяемые для лезвийного инструмента синтетические сверхтвердые материалы (СТМ) являются плотными модификациями углерода и нитрида бора.

Алмаз и плотные модификации нитрида бора, имеющие тетраэдрическое распределение атомов в решетке, являются самыми твердыми структурами.

Синтетический алмаз и кубический нитрид бора получают методом каталитического синтеза и безкатализаторного синтезов плотных модификаций нитрида бора при статическом сжатии.

Применение алмаза и нитрида бора для изготовления лезвийного инструмента стало возможным после их получения в виде крупных поликристаллических образований.

В настоящее время существует большое разнообразие СТМ на основе плотных модификаций нитрида бора. Они различаются технологией их получения, структурой и основными физико-механическими свойствами.

Технология их получения основана на трех физико-химических процессах:

1) фазовом переходе графитоподобного нитрида бора в кубический:

BN Gp ® BN Cub

2) фазовом переходе вюрцитного нитрида бора в кубический:

BNVtc ® BN Cub

3) спекании частиц BN Cub .

Уникальные физические и химические свойства (высокая химическая устойчивость, твердость, износостойкость) этих материалов объясняются чисто ковалентным характером связи атомов в нитриде бора в сочетании с высокой локализацией валентных электронов у атомов.

Термостойкость инструментального материала является его важной характеристикой. Приводимый в литературе широкий интервал значений термической устойчивости BN (600–1450°С) объясняется как сложностью физико-химических процессов, происходящих при нагреве BN, так и неопределенностью в какой-то степени термина «термостойкость» применительно к СТМ.

При рассмотрении термостойкости поликристаллических СТМ на основе алмаза и плотных модификаций нитрида бора (они часто являются композиционными и количество связующего в них может достигать 40%) следует учитывать, что их термостойкость может определяться как термической устойчивостью BN и алмаза, так и изменением при нагреве свойств связующего и примесей.

В свою очередь, термическая устойчивость алмаза и BN на воздухе определяется как термической стабильностью фаз высокого давления, так и их химической стойкостью в данных условиях, в основном относительно окислительных процессов. Следовательно, термическая устойчивость связана с одновременным протеканием двух процессов: окислением алмаза и плотных модификаций нитрида бора кислородом воздуха и обратным фазовым переходом (графитизацией), поскольку они находятся в термодинамически неравновесном состоянии.

По технологии получения СТМ на основе алмаза можно разделить на две группы:

1) поликристаллы алмаза, получаемые в результате фазового перехода графита в алмаз;

2) поликристаллы алмаза, получаемые спеканием алмазных зерен.

Наиболее часто встречающийся размер зерен – примерно 2,2мкм, а зерен, размер которых превышает 6 мкм, практически нет.

Прочность керамики зависит от среднего размера зерна и, например, для оксидной керамики снижается от 3,80–4,20 ГПа до 2,55–3,00 ГПа при увеличении размеров зерен соответственно от 2–3 до 5,8–6,5 мкм.

У оксидно-карбидной керамики гранулометрический состав еще более тонкозернистый, и средний размер зерен Al 2 O 3 в основном меньше 2 мкм, а размер зерен карбида титана составляет 1–3 мкм.

Существенным недостатком керамики является ее хрупкость – чувствительность к механическим и термическим ударным нагрузкам. Хрупкость керамики оценивается коэффициентом трещиностойкости – K С.

Коэффициент трещиностойкости K С, или критический коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, является характеристикой сопротивления разрушению материалов.

Высокие твердость, прочность и модуль упругости, сложность механической обработки и небольшие размеры образцов из СТМ ограничивают применение большинства используемых в настоящее время методов определения коэффициента трещиностойкости.

Для определения коэффициента трещиностойкости – K С СТМ используют метод диаметрального сжатия диска с трещиной и метод определения вязкости разрушения керамики по внедрению индентора.

Для устранения хрупкости керамики разработаны различные составы оксидно-карбидной керамики.

Включение в керамику на основе оксида алюминия моноклинной двуокиси циркония ZrO 2 вызывает улучшение структуры и тем самым заметно повышает ее прочность.

Инструмент, оснащенный поликристаллическими алмазами (ПКА), предназначен для чистовой обработки цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов вместо твердосплавного инструмента.

Композит 01 и композит 02 – поликристаллы из кубического нитрида бора (КНБ) с минимальным количеством примесей – применяют для тонкого и чистового точения, преимущественно без удара, и торцового фрезерования закаленных сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов (Со > 15%) с глубиной резания 0,05–0,50 мм (максимально допустимая глубина резания 1,0 мм).

Композит 05 – поликристаллы, спеченные из зерен КНБ со связкой, – применяют для предварительного и окончательного точения без удара закаленных сталей (HRC < 60) и чугунов любой твердости с глубиной резания 0,05–3,00 мм, а также для торцового фрезерования заготовок из чугуна любой твердости, в т. ч. по корке, с глубиной резания 0,05–6,00 мм.

Композит 10 и двухслойные пластины из композита 10Д (композит 10 на подложке из твердого сплава) – поликристаллы на основе вюрцитоподобного нитрида бора (ВНБ) – применяют для предварительного и окончательного точения с ударом и без удара и торцового фрезерования сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов (Со > 15%) с глубиной резания 0,05–3,00 мм, прерывистого точения (наличие на обрабатываемой поверхности отверстий, пазов, инородных включений).

Таким образом, инструменты из СТМ на основе нитрида бора и алмаза имеют свои области применения и практически не конкурируют друг с другом.

Износ резцов из композитов 01, 02 и 10 – сложный процесс с преобладанием при непрерывном точении адгезионных явлений.

С увеличением контактных температур в зоне резания свыше 1000°С возрастает роль теплового и химического факторов – интенсифицируются:

– диффузия;

– химический распад нитрида бора;

– фазовый α-переход;

– абразивно-механическое изнашивание.

Поэтому при точении сталей со скоростями 160–190 м/мин износ резко возрастает, а при v > 220 м/мин становится катастрофическим почти независимо от твердости стали.

При прерывистом точении (с ударом) преобладает абразивно-механическое изнашивание с выкрашиванием и вырывом отдельных частиц (зерен) инструментального материала; роль механического удара возрастает при увеличении твердости матрицы обрабатываемого материала и объемного содержания карбидов, нитридов и т. п.

Наибольшее влияние на износ и стойкость резцов при непрерывном точении сталей оказывает скорость резания, при точении с ударом – скорость и подача, при точении чугунов – подача, причем обрабатываемость ковких чугунов ниже, чем серых и высокопрочных.

Порядок выполнения работы

1. Изучите марки и химический состав сталей и сплавов, классификацию сталей по способу изготовления и по назначению в зависимости от содержания хрома, никеля и меди, требования к макроструктуре и микроструктуре, нормирование прокаливаемости. Обратите внимание на порядок отбора образцов для проверки твердости, микроструктуры, глубины обезуглероженного слоя, качества поверхности, излома.

2. Исследуйте микроструктуру образцов стали У10. Оцените микроструктуру термически обработанной стали, проведя исследование под микроскопом МИ-1. Зафиксируйте микроструктуру в компьютере и распечатайте.

При составлении отчета необходимо дать краткое описание теоретических основ строения, свойств материалов для режущих инструментов из инструментальных углеродистых, быстрорежущих сталей, твердых, сверхтвердых сплавов и керамических материалов. Привести полученные при исследовании под микроскопом МИ-1 фотографии микроструктуры стали У10, в подрисуночной подписи укажите режим термообработки и структурные составляющие. Результаты измерений основных параметров нескольких включений рассматриваемой стали занести в табл. 3.19.

Таблица 3.19

Контрольные вопросы

1. Классификация материалов для режущих инструментов.

2. Строение и свойства инструментальных углеродистых сталей.

3. Строение и свойства штамповых сталей.

4. Строение и свойства быстрорежущих сталей.

5. Строение и свойства твердых и сверхтвердых инструментальных сплавов.

6. Строение и свойства керамических инструментальных материалов.

7. Структура инструментальных углеродистых сталей.

8. Основные свойства, которыми должен обладать материал для режущих инструментов.

9. Износостойкость и теплостойкость режущих инструментов.

10. Чем определяется температура нагрева режущей кромки инструментов?

11. Химический состав и режимы термической обработки наиболее применяемых инструментальных сталей.

12. Прокаливаемость углеродистых сталей, балл прокаливаемости, распределение твердости.

13. Влияние содержания углерода на свойства углеродистых инструментальных сталей.

14. Чем определяется температура отпуска инструментов?

15. Горячая твердость и красностойкость быстрорежущей стали.

16. Обратимая и необратимая твердость быстрорежущих сталей.

17. Каким образом структурно создается красностойкость быстрорежущих сталей.

18. Как характеризуется красностойкость, ее обозначение.

19. Режимы термической обработки инструментов из быстрорежущей стали, обработка холодом, многократный отпуск.

20. Стали для горячих штампов, их жаропрочность,термостойкость,вязкость.

21. Рабочие температуры резания инструмента из твердых сплавов.

22. Твердость металлокерамических твердых сплавов, чем она определяется?

23. Стали, применяемые для лезвийного инструмента.

24. Чем объясняются уникальные физические и химические свойства (высокая химическая устойчивость, твердость, износостойкость) синтетических сверхтвердых материалов?

25. Существенный недостаток керамики.

26. Как оценивается хрупкость керамики?

Лабораторная работа № 4

Исследование зависимостей

состав – структура – свойства Для чугунов

Цель работы: изучение строения, состава и свойств передельных и машиностроительных чугунов; их классификация и применение.

Материалы и оборудование: коллекция нетравленых шлифов чугунов; металлографический комплекс, включающий оптический микроскоп МИ-1, цифровую камеру Nikon Colorpix-4300 с фотоадаптером; травитель (4%-ный раствор HNO 3 в спирте).

Теоретическая часть

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода и постоянные примеси – кремний, марганец, серу и фосфор.

Чугуны имеют более низкие механические свойства, чем стали, т. к. повышенное содержание углерода в них приводит либо к образованию твердой и хрупкой эвтектики, либо к появлению свободного углерода в виде графитных включений различной конфигурации, нарушающих сплошность металлической структуры. Поэтому чугуны применяются для изготовления деталей, не испытывающих значительных растягивающих и ударных нагрузок. Чугун находит широкое применение в машиностроении в качестве литейного материала. Однако наличие графита дает и ряд преимуществ чугунам перед сталью:

– они легче обрабатываются резанием (образуется ломкая стружка);

– обладают лучшими антифрикционными свойствами (графит обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения);

– обладают более высокой износоустойчивостью (низкий коэффициент трения);

– чугуны не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточкам, отверстиям, дефектам поверхности).

Чугуны обладают высокой жидкотекучестью, хорошо заполняют литейную форму, имеют малую усадку, поэтому они применяются для изготовления отливок. Детали, полученные из чугунных отливок, значительно дешевле, чем изготовленные обработкой резанием из горячекатанных стальных профилей или из поковок и штамповок.

Химический состав и в частности содержание углерода не характеризуют достаточно надежно свойства чугуна: структура чугуна и его основные свойства зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий охлаждения отливки и режима термической обработки.

Углерод в структуре чугуна может наблюдаться в виде графита и цементита.

В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод, чугуны подразделяются на две группы:

1) чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита или других карбидов;

2) чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в свободном состоянии в виде графита.

К первой группе относят белые чугуны, а ко второй – серые, ковкие и высокопрочные.

По назначению чугуны подразделяют:

1) на передельные;

2) машиностроительные.

Передельные в основном используются для получения стали и ковкого чугуна, а машиностроительные – для изготовления отливок деталей в различных отраслях промышленности: автотракторостроении, станкостроении, сельскохозяйственном машиностроении и т. д.

Белые чугуны

В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии (в виде цементита), т. е. кристаллизуются они, как и углеродистые стали, по метастабильной диаграмме Fe – Fe 3 C. Свое название они получили по специфическому матово-белому цвету излома, обусловленному наличием в структуре цементита.

Белые чугуны очень хрупки и тверды, плохо поддаются механической обработке режущим инструментом. Чисто белые чугуны в машиностроении используется редко, они обычно идут на передел в сталь или используются для получения ковкого чугуна.

Структура белых чугунов при нормальной температуре зависит от содержания углерода и соответствует диаграмме равновесного состояния «железо-цементит». Образуется такая структура в результате ускоренного охлаждения при литье.

В зависимости от содержания углерода белые чугуны делятся:

1) на доэвтектические, содержащие от 2 до 4,3% углерода; состоят из перлита, вторичного цементита и ледебурита;

2) эвтектические, содержащие 4,3% углерода, состоят из ледебурита;

3) эаэвтектические, содержащие от 4,3 до 6,67% углерода, состоят из перлита, первичного цементита и ледебурита.

а б в

Рис. 4.1. Микроструктура белых чугунов, × 200:

а – доэвтектический (ледебурит, перлит + вторичный цементит);

б – эвтектический (ледебурит);

в – заэвтектический (ледебурит + первичный цементит)

Перлит в белом чугуне наблюдается под микроскопом в виде темных зерен, а ледебурит – в виде отдельных участков колоний. Каждый такой участок представляет собой смесь мелких округленных или вытянутых темных зерен перлита, равномерно распределенных в белой цементитной основе (рис. 4.1, а ). Вторичный цементит наблюдается в виде светлых зерен.

С увеличением концентрации углерода в доэвтектическом чугуне доля ледебурита в структуре увеличивается за счет уменьшения участков структуры, занимаемых перлитом и вторичным цементитом.

Эвтектический чугун состоит из одной структурной составляющей ‑ ледебурита, представляющего собой равномерную механическую смесь перлита с цементитом (рис. 4.1, б ).

Структура заэвтектического чугуна состоит из первичного цементита и ледебурита (рис. 4.1, в ). С увеличением углерода количество первичного цементита в структуре возрастает.

Похожая информация.

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

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

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 другие, 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 инструментальный материал имеет существенный недостаток - при повышенной температуре он вступает в химическую реакцию с железом и теряет работоспособность.

Для того чтобы обрабатывать стали, чугуны и другие материалы 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 из рассматриваемых материалов, которые в настоящее время получили название «композит», приведены в таблице.

Сравнительные характеристики СТМ на основе нитрида бора

Марка	Первоначальное название	Твердость HV, ГПа	Теплостойкость, o С
Композит 01	Эльбор-Р	60...80	1100...1300
Композит 02	Белбор	60...90	900...1000
Композит 03	Исмит	60	1000
Композит 05	Композит	70	1000
Композит 09	ПКНБ	60...90	1500
Композит 10	Гексанит-Р	50...60	750...850

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

композит 05 применяют для чистового и получистового точения без ударов деталей из закаленных сталей твердостью 40...58 HRC, 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.

В машиностроении для изготовления режущих и абразивных инструментов широко используются природные и синтетические минералы. Из природных минералов наиболее широко применяются алмаз, кварц, корунд, из синтетических - алмазы, кубический нитрид бора, электрокорунд, карбид бора, карбид кремния. По многим показателям синтетические материалы превосходят природные. Основные свойства синтетических сверхтвердых материалов (СТМ), применяемых при обработке резанием, приведены в таблице 2.18.

Таблица 2.18

Основные свойства синтетических сверхтвердых материалов

Наименование СТМ	Наименование	Твердость, HV, ГПа	Теплостойкость, °С
Баллас (АСБ)	Синтетический алмаз
Карбонадо (АСПК)	Синтетический алмаз
	Синтетический алмаз
Композит 01
Композит 02 (05)
Композит 03
Композит 09
Композит 10	Гексаиит-Р
Композит КП1 (КПЗ)

Для лезвийной обработки применяются природные, синтетические алмазы и кубический нитрид бора КНБ. Для абразивной - природные и синтетические алмазы, кубический нитрид бора, корунд и электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, окись алюминия, окись хрома, окись железа, а также некоторые горные породы.

К естественным сверхтвердым природным материалам относится алмаз. Название «алмаз» происходит от арабского al-mas, что переводится как «твердейший», или греческого adamas (адамас), что в переводе означает «непреодолимый, несокрушимый, непобедимый». В конце XVIII в. было установлено, что алмаз состоит из углерода. Алмазы встречаются в виде отдельных хорошо выраженных кристаллов или же в виде скопления кристаллических зерен и многочисленных сросшихся кристаллов (агрегатов). Единицей измерения величины алмаза является карат (от араб, kirat), что составляет 0,2 г.

Следует отметить, что в металлообработке природные алмазы применяются весьма редко. Как правило, для этих целей используют борт (выброшенные за борт) - так называют все алмазы, не идущие на изготовление украшений. Для изготовления режущих инструментов (резцов, сверл) применяются кристаллы алмаза весом 0,2-0,6 карата. Алмазные порошки употребляются для изготовления алмазных кругов. Кристаллы алмаза закрепляются в державке путем пайки серебряным припоем или механическим креплением.

При заточке алмаз предварительно извлекается из стержня и перешлифовывается в технологической державке на специальных станках с помощью чугунных дисков, шаржированных смесью алмазного порошка с оливковым маслом.

Поликристаллы синтетических алмазов выпускаются типа баллас по ТУ 2-037-19-70 (АСБЗ и АСБ4 для изготовления выглаживателей и АСПК2 - для резцов). Они представляют собой поликристаллические образования размером до 12 мм прочно связанных кристаллов, обладающих высокой прочностью и износостойкостью.

Области применения СТМ:

• для алмазов (А) - обработка цветных металлов и их сплавов, а также дерева, абразивных материалов, пластмасс, твердых сплавов, стекла, керамики;
• для КНБ - обработка черных металлов, сырых и закаленных, а также специальных сплавов на основе никеля и кобальта.

В настоящее время в промышленности в основном используют синтетические А, получаемые из углерода (в форме графита) при воздействии высоких давления и температуры, при этом гексагональная гранецентрированная решетка графита превращается в кубическую гранецентрированную решетку алмаза. Температуру и давление, необходимые для структурных превращений, определяют из диаграммы состояния «графит - алмаз».

Так как бор и азот располагаются по обеим сторонам углерода в таблице Менделеева, путем соответствующей химической реакции можно получить соединение этих элементов, т. е. нитрид бора, который имеет графитообразную гексагональную кристаллическую решетку 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. Это процесс описывается диах"раммой состояния ГНБ - КНБ. За счет 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. При нагреве отдельные кристаллы КНБ спекаются между собой в зонах контакта и образуют «поликристаллическую» массу. Для интенсификации спекания добавляют также растворители. Кроме того, вся спекаемая масса должна находиться при определенных давлении и температуре, чтобы предотвратить обратное превращение твердых кристаллов КНБ в мягкие гексагональные кристаллы.

В результате спекания получают конгломерат КНБ, в котором произвольно ориентированные анизотропные кристаллы соединяются между собой, образуя изотропную массу большого объема. Затем из этой массы получают пластины для режущих инструментов, фильеры для волочения проволоки, инструменты для правки шлифовальных кругов, износостойкие детали и др.

Как режущий материал алмаз обладает высокой стойкостью и низким коэффициентом трения в паре с металлом, что обеспечивает высокое качество поверхности. Алмазы применяются (природные и синтетические) для точного точения и растачивания деталей из цветных сплавов. Для обработки углеродосодержащих металлов (чугу- нов, сталей) алмазы не используются, так как из-за химического сродства обрабатываемого и инструментального материалов происходит интенсивное изнашивание алмазных резцов и науглероживание поверхностного слоя заготовки.

Материалы на основе нитрида бора представляют собой кристаллическую кубическую (КНБ) или вюрцито- подобную (ВНБ) модификацию соединения бора с азотом, синтезируемую по технологии, аналогичной производству синтетических алмазов. За счет варьирования технологическими факторами получают несколько отличных друг от друга материалов на этой основе - эльбор, кубонит, гексанит и др. Поликристаллы на основе нитрида бора получают размером до 12 мм, применяются они для обработки сталей и сплавов на основе железа.

В отечественном производстве материалы на основе нитрида бора для абразивного инструмента выпускают под маркой эльбор, а для лезвийного инструмента - композит.

Появление каждой качественно новой группы инструментальных материалов характерно прежде всего существенным, скачкообразным увеличением скоростей резания и поэтому всегда сопровождается глубокими изменениями в станкостроении и технологии механической обработки.

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

Вместе с тем, как показывают последние исследования, скорость резания является к тому же весьма действенным фактором решения проблемы стружкодробления - одной из труднейших проблем в металлообработке.

При высокой скорости резания работа почти полностью превращается в тепло и образуется сегментная стружка, у которой сегменты разделяются хрупкой узкой перемычкой сильно деформированного металла; фактически образуется короткая дробленая стружка. Автоматизация процессов обработки материалов со снятием стружки и дальнейший рост скоростей резания неразрывны.

Резкое увеличение скорости резания при прочих равных условиях обеспечивают соответствующее увеличение минутной подачи инструмента, т. е. производительности процесса, а также уменьшение силы резания, наклепа и шероховатости обработанной поверхности, т. е. точности и качества обработки. Установлено, кроме того, что при увеличении скорости резания в определенных пределах возрастает надежность 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 дает дополнительное существенное уменьшение силы резания и шероховатости поверхности.

Из материалов, получаемых спеканием алмазных зерен, в настоящее время выпускают поликристаллы СВ, СВС, дисмит, СВБН, карбонит.

Поликристаллы марки АСБ имеют шаровидную форму диаметром около 6-6,5 мм, четко выраженную радиальнолучистую структуру. Кристаллы балласа образуют блочное строение и разные размеры по сечению образца: в центре более мелкие, чем на периферии. Их величина находится в пределах 10-300 мкм.

Алмазы марки АСПК имеют форму цилиндра диаметром 2-4,5 мм, высотой 3-5 мм, структура их также радиально-лучистая, но более тонко сформированная и совершенная. Размеры зерен меньше (до 200 мкм).

Структура алмазов типа СВ поликристаллическая, двухфазная. Общее количество примесей не превышает 2%.

По возрастанию прочности алмазные поликристаллы располагаются следующим образом: АСБ, АСПК, СВ, дисмит.

Алмазный инструмент может эксплуатироваться, в отличие от инструмента из композита, и на низких скоростях, присущих твердосплавному инструменту, обеспечивая многократное повышение стойкости. При фрезеровании скорости могут быть увеличены в 1,5-2 раза. Глубина резания древесностружечных материалов определяется шириной фрез или пил.

Эффективность использования СА при обработке высокотвердых материалов можно иллюстрировать на примере точения твердых сплавов ВК10, ВК10С, ВС15, ВК20 резцами из АСПК. Производительность такой обработки в десять раз выше производительности шлифования при стабильном обеспечении заданного качества.

Обрабатываемый материал	Скорость резания, V , м/мин	Подача, S , мм/об	Глубина резания, t, мм
Алюминий и алюминиевые сплавы
Алюминиевые сплавы (10-20% кремния)
Медь и медные сплавы (бронзы, латуни, баббиты и др.)
Различные композиты (пластмассы, пластики, стеклопластики, углепластики, твердая резина)
Полуспеченные керамика и твердые сплавы
Спеченные твердые сплавы
Древесностружечные материалы
Горные породы (песчаник, гранит)

Высокую износостойкость выявляют инструменты из АСПК и АСБ при точении абразивосодержащих материалов, широко распространенных высококремнистых и медных сплавов, стеклопластиков, пластической керамики, пресс-материалов и др. Она в десять и более раз выше, чем у твердосплавных.

Накоплен значительный опыт точения и растачивания резцами из АСПК заготовок из алюминиевых сплавов АЛ-2, АЛ-9, АЛ-25, АК-6, АК-9, АК-12М2, ВКЖЛС-2, титановых сплавов ВТ6, ВТ22, ВТ8, ВТЗ-1, стеклопластиков, цветных металлов, дерева.

Поликристаллы АСБ характеризуются высокой работоспособностью при точении высококремнистого алюминиевого сплава АК-21, АЛ-25, сплава на основе меди Л62, при обработке ЛС59-1, бронзы, стеклопластиков СТ, СВАМ, АГ и др.

Сверхтвердые материалы

Сверхтвёрдые материа́лы - группа веществ, обладающих высочайшей твердостью, к которой относят материалы, твёрдость и износустойчивость которых превышает твёрдость и износоустойчивость твёрдых сплавов на основе карбидов вольфрама и титана с кобальтовой связкой карбидотитановых сплавов на никель-молибденовой связке. Широко применяемые сверхтвердые материалы: электрокорунд , оксид циркония , карбид кремния , карбид бора , боразон , диборид рения , алмаз . Сверхтвёрдые материалы часто применяются в качестве материалов для абразивной обработки .

В последние годы пристальное внимание современной промышленности направлено к изысканию новых типов сверхтвёрдых материалов и ассимиляции таких материалов, как нитрид углерода, сплав бор-углерод-кремний , нитрид кремния, сплав карбид титана-карбид скандия, сплавы боридов и карбидов подгруппы титана с карбидами и боридами лантаноидов.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Сверхтвердые материалы" в других словарях:

Сверхтвердые керамические материалы - – композиционные керамичес­кие материалы, получаемые введением различных легирующих добавок и наполнителей в исходный нитрид бора. Структура таких материалов образо­вана прочно связанными мельчайшими кристаллитами и, следовательно, они являются… …

Группа веществ, обладающих высочайшей твердостью, к которой относят материалы, твёрдость и износоустойчивость которых превышает твёрдость и износоустойчивость твёрдых сплавов на основе карбидов вольфрама и титана с кобальтовой связкой… … Википедия

Древесноволокнистые сверхтвердые плиты СМ-500 - – изготовляют прессованием молотой древесной массы, обработанной полимерами, чаще всего фенолоформальдегидными, с добавками высыхающих масел и некоторых других компонентов. Выпускают длиной 1,2 м, шириной 1,0 м и толщиной 5 6 мм. Полы из таких… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

порошковые материалы - консолидированные материалы, полученные из порошков; в литературе часто используется наряду с «порошковыми материалами» термин «спеченные материалы», т.к. один из основных способов консолидации порошков спекание. Порошковые… … Энциклопедический словарь по металлургии

- (фр. abrasif шлифовальный, от лат. abradere соскабливать) это материалы, обладающие высокой твердостью, и используемые для обработки поверхности различных материалов. Абразивные материалы используются в процессах шлифования, полирования,… … Википедия

В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Новиков. В Википедии есть статьи о других людях с именем Новиков, Николай. Новиков Николай Васильевич … Википедия

Шлифовáние механическая или ручная операция по обработке твёрдого материала (металл, стекло, гранит, алмаз и др.). Разновидность абразивной обработки, которая, в свою очередь, является разновидностью резания. Механическое шлифование обычно… … Википедия

- (от ср. век. лат. detonatio взрыв, лат. detonо гремлю), распространение со сверхзвуковой скоростью зоны быстрой экзотермич. хим. р ции, следующей за фронтом ударной волны. Ударная волна инициирует р цию, сжимая и нагревая детонирующее в во… … Химическая энциклопедия

Неорганическая химия раздел химии, связанный с изучением строения, реакционной способности и свойств всех химических элементов и их неорганических соединений. Это область охватывает все химические соединения, за исключением органических… … Википедия

- … Википедия

Книги

• Инструментальные материалы в машиностроении: Учебник. Гриф МО РФ , Адаскин А.М.. В учебнике представлены материалы для изготовления режущего, штампового, слесарно-монтажного, вспомогательного, контрольно-измерительного инструмента: инструментальные, быстрорежущие и…