Головна Перекладач Надтверді матеріали марки. Тверді та надтверді сплави

Надтверді матеріали марки. Тверді та надтверді сплави

Надтверді матеріали (СТМ) - до них відносять алмази (природні та синтетичні) та композиційні матеріали на основі кубічного нітриду бору.

Алмаз- Одна з модифікацій вуглецю. Завдяки кубічній будові кристалічної решітки алмаз є найтвердішим із відомих у природі мінералів. Його твердість у 5 разів вища, ніж твердого сплаву, проте міцність невелика і монокристали природного алмазу при досягненні критичних навантажень руйнуються на дрібні фрагменти. Тому природні алмази використовують лише з чистових операціях, котрим характерні малі силові навантаження.

Теплостійкість алмазів дорівнює 700 ... 800 ° С (при більш високих температурахалмаз згоряє). Природні алмази мають високу теплопровідність та найнижчий коефіцієнт тертя.

Природний алмаз позначають буквою А , синтетичний - АС . Природні алмази – це окремі монокристали та їх уламки, або зрощені кристали та агрегати. Синтетичні алмази одержують у вигляді дрібнозернистих порошків і використовують для виготовлення абразивних кіл, паст та мікропорошків. Окрему групу складають полікристалічні алмази (ПКА) марок АСБ (Баллас) та АСПК (Карбонадо). ПКА через свою полікристалічну структуру значно краще опираються ударним навантаженням, ніж монокристали алмазу, і, незважаючи на меншу твердість у порівнянні з природним алмазом, мають більш високі значення меж міцності на розтяг і на поперечний зсув. Ударна міцність полікристалів алмазу залежить від розмірів алмазних зерен і зі збільшенням їх знижується.

Алмаз має хімічну спорідненість з нікель-і залізовмісними матеріалами, тому при різанні сталей на основі заліза, контактних поверхняхалмазного інструменту відбувається інтенсивне налипання оброблюваного матеріалу. Вуглець, з якого складається алмаз, активно реагує з цими матеріалами під час нагрівання. Це призводить до інтенсивного зношування алмазного інструменту та обмежує області його застосування, тому природні алмази застосовують в основному при тонкому точенні кольорових металів та сплавів, що не містять вуглець та залізо. Найбільш ефективне застосування алмазного інструменту отримують на чистових та оздоблювальних операціях при обробці деталей з кольорових металів та їх сплавів, а також різних полімерних композиційних матеріалів. Інструмент може бути використаний при точенні переривчастих поверхонь і при фрезеруванні, проте його стійкість буде чистіша, ніж при обробці без удару.

Матеріал, що обробляється	V, м/хв	s, мм/про	t, мм
Алюмінієві литі сплави	600…690	0,01…0,04	0,01…0,20
Алюмінієво-магнієві сплави	390…500	0,01…0,05	0,01…0,20
Алюмінієві жароміцні сплави	250…400	0,02…0,04	0,05…0,10
Дуралюмін	500…690	0,02…0,04	0,03…0,15
Бронза олов'яниста	250…400	0,04…0,07	0,08…0,20
Бронза свинцева	600…690	0,025...0,05	0,02…0,05
Латунь		0,02…0,06	0,03…0,06
Титанові сплави	90…200	0,02…0,05	0,03…0,06
Пластмаси	90…200	0,02…0,05	0,05…0,15
Склотекстоліт	600…690	0,02…0,05	0,03…0,05

У багатьох випадках спостерігається практично велика зносостійкість різців із синтетичних алмазів, проти різцями з природних алмазів, що пояснюється відмінністю їх структур. У природного алмазу тріщини, що з'явилися на ріжучій кромці, розвиваються і можуть досягати значних розмірів. У ПКА (синтетичний алмаз), тріщини, що виникають, зупиняються межами кристалів, що і визначає їх більш високу, в 1,5 ... 2,5 рази, зносостійкість.

Ще однією з перспективних областей застосування ПКА є обробка таких, що важко піддаються різанню і викликають швидке зношування інструменту таких матеріалів, як деревностружкові плити, плити середньої щільності з високим вмістом клею, з покриттями на основі меламінової смоли, декоративний паперово-шаровий пластик, а також інші матеріали, які мають абразивну дію. Інструмент з ПКА має стійкість при обробці таких матеріалів у 200..300 разів вище за стійкість твердосплавних інструментів.

Успішно застосовуються інструменти з ПКА у вигляді багатогранних змінних пластин при обробці полімерних композитних матеріалів. Їх використання дозволяє підвищити стійкість у 15...20 разів у порівнянні з інструментом із твердого сплаву.

Кубічний нітрид бору(КНБ, BN ) у природі не зустрічається, його отримують штучним шляхом з «білого графіту» при високих тискух і температурах у присутності каталізаторів. При цьому гексагональні грати графіту перетворюються на кубічні, подібні до ґрат алмазу. Кожен атом бору з'єднаний із чотирма атомами азоту. За твердістю КНБ дещо поступається алмазу, але має більш високу теплостійкість, що сягає 1300...1500 °С, і він практично інертний до вуглецю та заліза. Як і алмаз, КНБ має підвищену крихкість та низьку міцність на вигин.

Відомо кілька марок КНБ, які об'єднуються у групу «композити». Різновиди КНБ відрізняються один від одного розмірами, структурою та властивостями зерен, процентним складом зв'язки, а також технологією спікання.

Як композити найбільш широке застосування знайшли: композит 01 (ельбор-Р), композит 05, композит 10 (гексаніт-Р) і композит 10Д (двошарові пластини з робочим шаром з гексаніту Р). З них найміцнішим є композит 10 ( σ та = 1000...1500 МПа), тому його використовують при ударних навантаженнях. Інші композити застосовуються при ненаголошеній чистовій обробці загартованих сталей, високоміцних чавунів і деяких сплавів, що важко обробляються. У багатьох випадках точення композитами ефективніше за процес шліфування, оскільки через свою високу теплопровідність КНБ не дає припалів при роботі на високих швидкостях різання і забезпечує при цьому низьку шорсткість поверхні.

Використовують композити у вигляді малорозмірних пластин квадратної, трикутної та круглої форм, що закріплюються на корпусі інструменту пайкою або механічним способом. Останнім часом застосовують також пластини із твердого сплаву з нанесеним на них шаром композиту або полікристалів алмазу. Такі багатошарові пластини мають більшу міцність, зносостійкість і зручніші для кріплення. Вони дозволяють знімати припуски великої глибини.

Головним резервом підвищення продуктивності обробки для інструменту на основі BN є швидкість різання (таблиця 11.), яка може перевищувати швидкість різання твердосплавним інструментом 5 і більше разів.

Таблиця 11. Швидкості різання, які допускаються різними інструментальними матеріалами

З таблиці видно, що найбільша ефективністьзастосування інструментів на основі BN має місце при обробці високотвердих чавунів, сталей та сплавів.

Однією з можливостей підвищення ефективності інструменту на основі BN є використання мастильно-охолоджуючих рідин (СОЖ), які для інструментів BN найбільше ефективно використовувати шляхом їх розпилення при швидкостях різання до 90...100 м/хв.

Ще однією з ефективних областей використання інструменту, оснащеного полікристалами композитів є обробка наплавок, якими зміцнюють деталі металургійного виробництва. Наплавлені матеріали дуже високої твердості (до HRC 60.62) отримують шляхом електродугового або плазмового наплавлення порошковими дроти або стрічками.

Області застосування за швидкістю різання та подачі всіх груп розглянутих інструментальних матеріалів орієнтовно показані на рис. 38.

Рис.38. Область застосування різних інструментальних матеріалів за швидкістю різання V та подачі s .

1 – швидкорізальні сталі; 2 – тверді сплави; 3 – тверді метали з покриттями; 4 – нітридна кераміка; 5 – оксидно-карбідна (чорна) кераміка; 6 – оксидна кераміка; 7 – кубічний нітрид бору.

Синтетичні надтверді матеріали (СТМ), що застосовуються для лезового інструменту, є щільними модифікаціями вуглецю і нітриду бору.

Алмаз і щільні модифікації нітриду бору, що мають тетраедричний розподіл атомів у ґратах, є найтвердішими структурами.

Синтетичний алмаз і кубічний нітрид бору одержують методом каталітичного синтезу та безкаталізаторних синтезів щільних модифікацій нітриду бору при статичному стиску.

Застосування алмазу та нітриду бору для виготовлення лезового інструменту стало можливим після їх отримання у вигляді великих полікристалічних утворень.

В даний час існує велика різноманітність СТМ на основі щільних модифікацій нітриду бору. Вони відрізняються технологією їх отримання, структурою та основними фізико-механічними властивостями.

Технологія їх отримання ґрунтується на трьох фізико-хімічних процесах:

1) фазовому переході графітоподібного нітриду бору в кубічний:

BN Gp ® BN Cub

2) фазовому переході вюрцитного нітриду бору в кубічний:

BNVtc ® BN Cub

3) спікання частинок BN Cub.

Унікальні фізичні та хімічні властивості(Висока хімічна стійкість, твердість, зносостійкість) цих матеріалів пояснюються суто ковалентним характером зв'язку атомів у нітриді бору у поєднанні з високою локалізацією валентних електронів у атомів.

Термостійкість інструментального матеріалу є важливою характеристикою. Широкий інтервал значень термічної стійкості BN (600–1450°С), що наводиться в літературі, пояснюється як складністю фізико-хімічних процесів, що відбуваються при нагріванні BN, так і невизначеністю певною мірою терміна «термостійкість» стосовно СТМ.

При розгляді термостійкості полікристалічних СТМ на основі алмазу та щільних модифікацій нітриду бору (вони часто є композиційними і кількість сполучного в них може досягати 40%) слід враховувати, що їхня термостійкість може визначатися як термічною стійкістю BN і алмазу, так і зміною при нагріванні властивостей та домішок.

У свою чергу, термічна стійкість алмазу та BN на повітрі визначається як термічною стабільністю фаз високого тиску, так і їхньою хімічною стійкістю в даних умовах, в основному щодо окислювальних процесів. Отже, термічна стійкість пов'язана з одночасним перебігом двох процесів: окисленням алмазу та щільних модифікацій нітриду бору киснем повітря та зворотним фазовим переходом (графітизацією), оскільки вони знаходяться у термодинамічно нерівноважному стані.

За технологією отримання СТМ на основі алмазу можна розділити на дві групи:

1) полікристали алмазу, одержувані внаслідок фазового переходу графіту в алмаз;

2) полікристали алмазу, які отримують спіканням алмазних зерен.

Найбільш часто зустрічається розмір зерен - приблизно 2,2 мкм, а зерен, розмір яких перевищує 6 мкм, практично немає.

Міцність кераміки залежить від середнього розміру зерна і, наприклад, для оксидної кераміки знижується від 3,80–4,20 ГПа до 2,55–3,00 ГПа зі збільшенням розмірів зерен відповідно від 2–3 до 5,8–6,5 мкм.

У оксидно-карбідної кераміки гранулометричний склад ще більш тонкозернистий, і середній розмір зерен Al 2 O 3 переважно менше 2 мкм, а розмір зерен карбіду титану становить 1-3 мкм.

Істотним недоліком кераміки є її крихкість – чутливість до механічних та термічних ударних навантажень. Крихкість кераміки оцінюється коефіцієнтом тріщиностійкості – KЗ.

Коефіцієнт тріщиностійкості KЗ, або критичний коефіцієнт інтенсивності напруги у вершині тріщини, є характеристикою опору руйнуванню матеріалів.

Високі твердість, міцність і модуль пружності, складність механічної обробки та невеликі розміри зразків із СТМ обмежують застосування більшості методів визначення коефіцієнта тріщиностійкості, що використовуються в даний час.

Для визначення коефіцієнта тріщиностійкості – KЗ СТМ використовують метод діаметрального стиснення диска з тріщиною та метод визначення в'язкості руйнування кераміки щодо впровадження індентора.

Для усунення крихкості кераміки розроблено різні склади оксидно-карбідної кераміки.

Включення в кераміку на основі оксиду алюмінію моноклинного двоокису цирконію ZrO 2 викликає покращення структури і тим самим помітно підвищує її міцність.

Інструмент, оснащений полікристалічними алмазами (ПКА), призначений для чистової обробки кольорових металів та сплавів, неметалічних матеріалів замість твердосплавного інструменту.

Композит 01 і композит 02 - полікристали з кубічного нітриду бору (КНБ) з мінімальною кількістю домішок - застосовують для тонкого і чистового точення, переважно без удару, і торцевого фрезерування загартованих сталей і чавунів будь-якої твердості, твердих сплавів (С> 15%) різання 0,05-0,50 мм (максимально допустима глибина різання 1,0 мм).

Композит 05 – полікристали, спечені із зерен КНБ зі зв'язкою, – застосовують для попереднього та остаточного точення без удару загартованих 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 і двошарові пластини з композиту 10Д (композит 10 на підкладці з твердого сплаву) - полікристали на основі вюрцитоподібного нітриду бору (ВНБ) - застосовують для попереднього і остаточного точення з ударом і без удару і торцевого фрезерування сталей і чугу (С> 15%) з глибиною різання 0,05-3,00 мм, переривчастого точення (наявність на оброблюваної поверхні отворів, пазів, сторонніх включень).

Таким чином, інструменти з СТМ на основі нітриду бору та алмазу мають свої сфери застосування і практично не конкурують один з одним.

Зношування різців з композитів 01, 02 і 10 - складний процес з переважанням при безперервному точенні адгезійних явищ.

Зі збільшенням контактних температур у зоні різання понад 1000°С зростає роль теплового та хімічного факторів – інтенсифікуються:

- Дифузія;

- Хімічний розпад нітриду бору;

- фазовий α-перехід;

- Абразивно-механічне зношування.

Тому при точенні сталей зі швидкостями 160-190 м/хв зношування різко зростає, а при v > 220 м/хв стає катастрофічним майже незалежно від твердості сталі.

При переривчастому гострінні (з ударом) переважає абразивно-механічне зношування з фарбуванням і виривом окремих частинок (зерен) інструментального матеріалу; роль механічного удару зростає зі збільшенням твердості матриці оброблюваного матеріалу та об'ємного вмісту карбідів, нітридів тощо.

Найбільший вплив на знос і стійкість різців при безперервному точенні сталей надає швидкість різання, при точенні з ударом - швидкість і подача, при точенні чавунів - подача, причому оброблюваність чавунів ковких нижче, ніж сірих і високоміцних.

Порядок виконання роботи

1. Вивчіть марки та хімічний склад сталей та сплавів, класифікацію сталей за способом виготовлення та за призначенням залежно від вмісту хрому, нікелю та міді, вимоги до макроструктури та мікроструктури, нормування прожарювання. Зверніть увагу на порядок відбору зразків для перевірки твердості, мікроструктури, глибини обезуглероженного шару, якості поверхні, зламу.

2. Досліджуйте мікроструктуру зразків сталі У10. Оцініть мікроструктуру термічно обробленої сталі, провівши дослідження під мікроскопом МІ-1. Зафіксуйте мікроструктуру в комп'ютері та роздрукуйте.

При складанні звіту необхідно надати короткий опис теоретичних засадбудови, властивостей матеріалів для різальних інструментів з інструментальних вуглецевих, швидкорізальних сталей, твердих, надтвердих сплавів та керамічних матеріалів. Навести отримані при дослідженні під мікроскопом МІ-1 фотографії мікроструктури стали У10, в підпису підкажіть режим термообробки і структурні складові. Результати вимірювань основних параметрів кількох включень аналізованої сталі занести до табл. 3.19.

Таблиця 3.19

Контрольні питання

1. Класифікація матеріалів для різальних інструментів.

2. Будова та властивості інструментальних вуглецевих сталей.

3. Будова та властивості штампових сталей.

4. Будова та властивості швидкорізальних сталей.

5. Будова та властивості твердих та надтвердих інструментальних сплавів.

6. Будова та властивості керамічних інструментальних матеріалів.

7. Структура інструментальних вуглецевих сталей.

8. Основні властивості, якими повинен мати матеріал для різальних інструментів.

9. Зносостійкість та теплостійкість різальних інструментів.

10. Чим визначається температура нагріву ріжучої кромки інструментів?

11. Хімічний склад та режими термічної обробкинайбільш застосовуваних інструментальних сталей.

12. Прожарювання вуглецевих сталей, бал прожарювання, розподіл твердості.

13. Вплив вмісту вуглецю на властивості вуглецевих інструментальних сталей.

14. Чим визначається температура відпустки інструментів?

15. Гаряча твердість і червоностійкість швидкорізальної сталі.

16. Оборотна і необоротна твердість швидкорізальних сталей.

17. Як структурно створюється червоностійкість швидкорізальних сталей.

18. Як характеризується червоностійкість, її позначення.

19. Режими термічної обробки інструментів із швидкорізальної сталі, обробка холодом, багаторазова відпустка.

20. Стали для гарячих штампів, їх жароміцність, термостійкість, в'язкість.

21. Робочі температури різання інструменту із твердих сплавів.

22. Твердість металокерамічних твердих сплавів, що вона визначається?

23. Сталі, що застосовуються для лезового інструменту.

24. Чим пояснюються унікальні фізичні та хімічні властивості (висока хімічна стійкість, твердість, зносостійкість) синтетичних надтвердих матеріалів?

25. Істотний недолік кераміки.

26. Як оцінюється крихкість кераміки?

Лабораторна робота № 4

Дослідження залежностей

склад – структура – властивості Для чавунів

Мета роботи:вивчення будови, складу та властивостей передільних та машинобудівних чавунів; їх класифікація та застосування.

Матеріали та обладнання:колекція нетрівлених шліфів чавунів; металографічний комплекс, що включає оптичний мікроскоп МІ-1, цифрову камеру Nikon Colorpix-4300 із фотоадаптером; травник (4%-ний розчин HNO 3 у спирті).

Теоретична частина

Чавунаминазивають залізовуглецеві сплави, що містять більше 2,14% вуглецю та постійні домішки – кремній, марганець, сірку та фосфор.

Чавуни мають нижчі механічні властивості, Чим стали, т. к. підвищений вміст вуглецю в них призводить або до утворення твердої та тендітної евтектики, або до появи вільного вуглецю у вигляді графітних включень різної конфігурації, що порушують суцільність металевої структури. Тому чавуни застосовуються для виготовлення деталей, що не мають значних розтягуючих і ударних навантажень. Чавун знаходить широке застосування в машинобудуванні як ливарний матеріал. Однак наявність графіту дає і низку переваг чавунам перед сталлю:

– вони легше обробляються різанням (утворюється ламка стружка);

– мають кращі антифрикційні властивості (графіт забезпечує додаткове змащення поверхонь тертя);

– мають більш високу зносостійкість (низький коефіцієнт тертя);

- Чавуни не чутливі до зовнішніх концентраторів напруг (виточки, отвори, дефекти поверхні).

Чавуни мають високу рідину, добре заповнюють ливарну форму, мають малу усадку, тому вони застосовуються для виготовлення виливків. Деталі, отримані з чавунних виливків, значно дешевші, ніж виготовлені обробкою різанням із сталевих гарячекатаних профілів або з поковок і штампувань.

Хімічний склад і зокрема вміст вуглецю не характеризують досить надійно властивості чавуну: структура чавуну та його основні властивості залежать не тільки від хімічного складу, а й від процесу виплавки, умов охолодження виливка та режиму термічної обробки.

Вуглець у структурі чавуну може спостерігатися у вигляді графіту та цементиту.

Залежно від того, в якому стані знаходиться вуглець, чавуни поділяються на дві групи:

1) чавуни, у яких весь вуглець перебуває у зв'язаному стані у вигляді цементиту або інших карбідів;

2) чавуни, у яких весь вуглець чи його частина перебуває у вільному стані як графіту.

До першої групи відносять білі чавуни, а до другої – сірі, ковкі та високоміцні.

За призначенням чавуни поділяють:

1) на передільні;

2) машинобудівні.

Передільні в основному використовуються для одержання сталі та ковкого чавуну, а машинобудівні – для виготовлення виливків деталей у різних галузях промисловості: автотракторобудуванні, верстатобудуванні, сільськогосподарському машинобудуванні тощо.

Білі чавуни

У білих чавунах весь вуглець знаходиться у хімічно зв'язаному стані (у вигляді цементиту), тобто кристалізуються вони, як і вуглецеві сталі, за метастабільною діаграмою Fe - Fe 3 C. Свою назву вони отримали за специфічним матово-білим кольором зламу, обумовленим наявністю в структурі цементиту.

Білі чавуни дуже тендітні і тверді, погано піддаються механічної обробкирізальним інструментом. Чисто білі чавуни в машинобудуванні використовуються рідко, вони зазвичай йдуть на переділ в сталь або використовуються для отримання чавуну.

Структура білих чавунів за нормальної температури залежить від вмісту вуглецю і відповідає діаграмі рівноважного стану «залізо-цементит». Утворюється така структура внаслідок прискореного охолодження під час лиття.

Залежно від вмісту вуглецю білі чавуни поділяються на:

1) на доевтектичні, що містять від 2 до 4,3% вуглецю; складаються з перліту, вторинного цементиту та ледебуриту;

2) евтектичні, що містять 4,3% вуглецю, складаються із ледебуриту;

3) еевтектичні, що містять від 4,3 до 6,67% вуглецю, складаються з перліту, первинного цементиту та ледебуриту.

а б у

Мал. 4.1. Мікроструктура білих чавунів, × 200:

а- Доевтектичний (ледебурит, перліт + вторинний цементит);

б- евтектичний (ледебурит);

в- Заевтектичний (ледебурит + первинний цементит)

Перліт у білому чавуні спостерігається під мікроскопом як темних зерен, а ледебурит – як окремих ділянок колоній. Кожна така ділянка є сумішшю дрібних округлених або витягнутих темних зерен перліту, рівномірно розподілених у білій цементитній основі (рис. 4.1, а). Вторинний цементит спостерігається як світлих зерен.

Зі збільшенням концентрації вуглецю в доевтектичному чавуні частка ледебуриту в структурі збільшується за рахунок зменшення ділянок структури, які займають перліт і вторинний цементит.

Евтектичний чавун складається з однієї структурної складової – ледебуриту, що є рівномірною механічною сумішшю перліту з цементитом (рис. 4.1, б).

Структура заевтектичного чавуну складається з первинного цементиту та ледебуриту (рис. 4.1, в). Зі збільшенням вуглецю кількість первинного цементиту у структурі зростає.

Подібна інформація.

Одним із напрямків удосконалення ріжучих властивостей інструментів, що дозволяє підвищити продуктивність праці при механічній обробці, є підвищення твердості та теплостійкості інструментальних матеріалів. Найбільш перспективними щодо цього є алмаз і синтетичні надтверді матеріали на основі нітриду бору.

Алмази та алмазні інструментишироко використовуються при обробці деталей із різних матеріалів. Для алмазів характерні виключно висока твердість та зносостійкість. За абсолютною твердістю алмаз в 4 - 5 разів твердіший за тверді сплави і в десятки і сотні разів перевищує зносостійкість інших інструментальних матеріалів при обробці кольорових сплавів і пластмас. Крім того, внаслідок високої теплопровідності алмази краще відводять теплоту із зони різання, що сприяє гарантованому отриманню деталей з поверхнею без підпалу. Однак алмази дуже крихкі, що сильно звужує сферу їх застосування.

Для виготовлення різальних інструментів основне застосування отримали штучні алмази, які за своїми властивостями близькі до природних. При великих тисках і температурах у штучних алмазах вдається отримати таке саме розташування атомів вуглецю, як і природних. Маса одного штучного алмазу зазвичай становить 1/8-1/10 карата (1 карат – 0,2 г). Внаслідок небагатьох розмірів штучних кристалів вони непридатні для виготовлення таких інструментів, як свердла, різці та інші, а тому застосовуються при виготовленні порошків для алмазних шліфувальних кругів та притиральних паст.

Лезо алмазні інструментивипускаються з урахуванням полікристалічних матеріалів типу «карбонадо» чи «баллас». Ці інструменти мають тривалі розмірні періоди стійкості та забезпечують висока якістьобробленої поверхні. Застосовуються вони для обробки титанових, висококремнистих алюмінієвих сплавів, склопластиків і пластмас, твердих сплавів та інших матеріалів.

Діамант як інструментальний матеріал має суттєвий недолік - при підвищеній температурівін вступає у хімічну реакцію із залізом і втрачає працездатність.

Для того, щоб обробляти сталі, чавуни та інші матеріали на основі заліза, були створені надтверді матеріали, хімічно інертні до нього Такі матеріали отримані за технологією, близькою до технології отримання алмазів, але як вихідна речовина використовується не графіт, а нітрид бору.

Полікристали щільних модифікацій нітриду бору перевершують по теплостійкості всі матеріали, що застосовуються для лезового інструменту: алмаз в 1,9 раза, сталь, що швидко ріже, в 2,3 раза, твердий сплав в 1,7 раза, мінералокераміку в 1,2 раза.

Ці матеріали ізотропні (однакова міцність у різних напрямках), мають мікротвердість меншу, але близьку до твердості алмазу, підвищену теплостійкість, високу теплопровідність і хімічну інертність по відношенню до вуглецю і заліза.

Характеристики окремих матеріалів, що розглядаються, які в даний час отримали назву «композит», наведені в таблиці.

Порівняльні характеристики СТМ на основі нітриду бору

Марка	Початкова назва	Твердість HV, ДПа	Теплостійкість, o З
Композит 01	Ельбор-Р	60...80	1100...1300
Композит 02	Белбор	60...90	900...1000
Композит 03	Ісміт	60	1000
Композит 05	Композит	70	1000
Композит 09	ПКНБ	60...90	1500
Композит 10	Гексаніт-Р	50...60	750...850

Ефективність застосування лезових інструментів з різних марок композитів пов'язана з удосконаленням конструкції інструментів та технології їх виготовлення та визначенням раціональної області їх використання:

композити 01(ельбор-Р) та 02 (белбор)

композит 05

композит 10 (гексаніт-Р)

У цьому період стійкості інструментів зростає вдесятеро порівняно коїться з іншими інструментальними матеріалами.

У машинобудуванні для виготовлення різальних та абразивних інструментів широко використовуються природні та синтетичні мінерали. З природних мінералів найбільш широко застосовуються алмаз, кварц, корунд, із синтетичних - алмази, кубічний нітрид бору, електрокорунд, карбід бору, карбід кремнію. За багатьма показниками синтетичні матеріали перевершують природні. Основні властивості синтетичних надтвердих матеріалів (СТМ), які застосовуються при обробці різанням, наведено у таблиці 2.18.

Таблиця 2.18

Основні властивості синтетичних надтвердих матеріалів

Найменування СТМ	Найменування	Твердість, HV, ДПа	Теплостійкість, °С
Баллас (АСБ)	Синтетичний алмаз
Карбонадо (АСПК)	Синтетичний алмаз
	Синтетичний алмаз
Композит 01
Композит 02 (05)
Композит 03
Композит 09
Композит 10	Гексаїіт-Р
Композит КП1 (КПЗ)

Для лезової обробки застосовуються природні, синтетичні алмази та кубічний нітрид бору КНБ. Для абразивної - природні та синтетичні алмази, кубічний нітрид бору, корунд та електрокорунд, карбід кремнію, карбід бору, окис алюмінію, окис хрому, окис заліза, а також деякі гірські породи.

До природних надтвердих природних матеріалів відноситься алмаз. Назва «алмаз» походить від арабської al-mas, що перекладається як «твердіший», або грецького adamas (адамас), що в перекладі означає «непереборний, незламний, непереможний». Наприкінці XVIII ст. було встановлено, що алмаз складається з вуглецю. Алмази зустрічаються у вигляді окремих добре виражених кристалів або у вигляді скупчення кристалічних зерен і численних кристалів, що зрослися (агрегатів). Одиницею виміру величини алмазу є карат (від араб, kirat), що складає 0,2 г.

Слід зазначити, що у металообробці природні алмази застосовуються дуже рідко. Як правило, для цих цілей використовують борт (викинуті за борт) – так називають усі алмази, що не йдуть на виготовлення прикрас. Для виготовлення різальних інструментів (різців, свердлів) застосовуються кристали алмазу вагою 02-06 карата. Алмазні порошки використовуються виготовлення алмазних кругів. Кристали алмазу закріплюються в державці шляхом паяння срібним припоєм або механічним кріпленням.

При заточуванні алмаз попередньо витягується зі стрижня і перешліфовується в технологічній державці на спеціальних верстатах за допомогою чавунних дисків, шаржованих сумішшю алмазного порошку з оливковою олією.

Полікристали синтетичних алмазів випускаються типу баллас за ТУ 2-037-19-70 (АСБЗ та АСБ4 для виготовлення вигладжувачів та АСПК2 – для різців). Вони являють собою полікристалічні утворення розміром до 12 мм міцно пов'язаних кристалів, що мають високу міцність і зносостійкість.

Області застосування СТМ:

для алмазів (А) – обробка кольорових металів та їх сплавів, а також дерева, абразивних матеріалів, пластмас, твердих сплавів, скла, кераміки;
для КНБ – обробка чорних металів, сирих та загартованих, а також спеціальних сплавів на основі нікелю та кобальту.

В даний час в промисловості в основному використовують синтетичні А, одержувані з вуглецю (у формі графіту) при впливі високих тиску і температури, при цьому гексагональні гранецентровані грати графіту перетворюється на кубічні гранецентровані грати алмазу. Температуру і тиск, необхідних структурних перетворень, визначають з діаграми стану «графіт - алмаз».

Так як бор і азот розташовуються по обидва боки вуглецю в таблиці Менделєєва, шляхом відповідної хімічної реакції можна отримати з'єднання цих елементів, тобто нітрид бору, який має графітоподібну гексагональну кристалічні ґратиз приблизно однаковим числом атомів бору та азоту, розташованих поперемінно. Аналогічно графіту гексагональний нітрид бору (ГНБ) має шаруту пухку структуру і може перетворюватися на КНБ. Це процес описується диах"рамою стану ГНБ - КНБ. За рахунок додавання спеціальних розчинників-каталізаторів (зазвичай нітриди металів) інтенсивність перетворення збільшується, а тиск і температура процесу знижуються відповідно до 6 ГПа і 1500 ° С. У процесі перетворення кристали КНБ збільшуються. Для нагрівання окремі кристали КНБ спікаються між собою в зонах контакту і утворюють «полікристалічну» масу. Для інтенсифікації спікання додають також розчинники.

В результаті спікання одержують конгломерат КНБ, в якому довільно орієнтовані анізотропні кристали з'єднуються між собою, утворюючи ізотропну масу великого обсягу. Потім з цієї маси отримують пластини для ріжучих інструментів, фільєри для волочіння дроту, інструменти для редагування шліфувальних кіл, зносостійкі деталі та ін.

Як різальний матеріал алмаз має високу стійкість і низький коефіцієнт тертя в парі з металом, що забезпечує високу якість поверхні. Алмази застосовуються (природні та синтетичні) для точного точення та розточування деталей із кольорових сплавів. Для обробки вуглецевмісних металів (чавунів, сталей) алмази не використовуються, оскільки через хімічну спорідненість оброблюваного та інструментального матеріалів відбувається інтенсивне зношування алмазних різців та навуглерожування поверхневого шару заготовки.

Матеріали на основі нітриду бору є кристалічною кубічною (КНБ) або вюрцитоподібною (ВНБ) модифікацією сполуки бору з азотом, що синтезується за технологією, аналогічною виробництву синтетичних алмазів. За рахунок варіювання технологічними факторамиодержують кілька відмінних один від одного матеріалів на цій основі - ельбор, кубоніт, гексаніт та ін.

У вітчизняному виробництві матеріали на основі нітриду бору для абразивного інструменту випускають під маркою ельбор, а для лезового інструменту – композит.

Поява кожної якісно нової групиінструментальних матеріалів характерно насамперед суттєвим, стрибкоподібним збільшенням швидкостей різання і тому завжди супроводжується глибокими змінами у станкобудуванні та технології механічної обробки.

Швидкість різання - найважливіший факторінтенсифікації обробки матеріалів різанням із застосуванням інструменту із синтетичних надтвердих матеріалів в умовах, коли резерви суттєвого підвищення швидкостей різання традиційних інструментальних матеріалів практично вичерпані.

Разом з тим, як показують останні дослідження, швидкість різання є до того ж дуже дієвим фактором вирішення проблеми стружкодроблення - однією з найважчих проблем у металообробці.

При високої швидкостірізання робота майже повністю перетворюється на тепло і утворюється сегментна стружка, у якої сегменти поділяються крихкою вузькою перемичкою сильно деформованого металу; фактично утворюється коротка дроблена стружка. Автоматизація процесів обробки матеріалів зі зняттям стружки та подальше зростання швидкостей різання нерозривні.

Різке збільшення швидкості різання за інших рівних умов забезпечують відповідне збільшення хвилинної подачі інструменту, тобто продуктивності процесу, а також зменшення сили різання, наклепу і шорсткості обробленої поверхні, тобто точності та якості обробки. Встановлено, крім того, що при збільшенні швидкості різання у певних межах зростає надійність роботи інструменту із СТМ; це важливо стосовно автоматизованого устаткування.

Як правило, частина наявного резерву підвищення швидкості різання при переході від твердосплавного інструменту до інструменту з СТМ використовується для зменшення товщини шару, що зрізається. Наприклад, при підвищенні швидкості фрезерування чавуну в 10 разів хвилинна подача може бути збільшена не в 10 разів, а в 4 рази з відповідним зменшенням в 2,5 рази подачі на оборот. Це дає додаткове суттєве зменшення сили різання та шорсткості поверхні.

З матеріалів, одержуваних спіканням алмазних зерен, нині випускають полікристали СВ, СВС, дисміт, СВБН, карбоніт.

Полікристали марки АСБ мають кулясту форму діаметром близько 6-6,5 мм, чітко виражену радіальнопроменисту структуру. Кристали балласу утворюють блокову будову та різні розміри за перерізом зразка: у центрі дрібніші, ніж на периферії. Їхня величина знаходиться в межах 10-300 мкм.

Алмази марки АСПК мають форму циліндра діаметром 2-4,5 мм, висотою 3-5 мм, їх структура також радіально-промениста, але більш тонко сформована і досконала. Розміри зерен менші (до 200 мкм).

Структура алмазів типу СВ полікристалічна, двофазна. Загальна кількість домішок не перевищує 2%.

За зростанням міцності алмазні полікристали розташовуються так: АСБ, АСПК, СВ, дисміт.

Діамантовий інструмент може експлуатуватися, на відміну від інструменту з композиту, і на низьких швидкостях, властивих твердосплавному інструменту, забезпечуючи багаторазове підвищення стійкості. При фрезеруванні швидкості можуть бути збільшені у 1,5-2 рази. Глибина різання деревностружкових матеріалів визначається шириною фрез або пилок.

Ефективність використання СА при обробці високотвердих матеріалів можна ілюструвати з прикладу точення твердих сплавів ВК10, ВК10С, ВС15, ВК20 різцями з АСПК. Продуктивність такої обробки в десять разів вища за продуктивність шліфування при стабільному забезпеченні заданої якості.

Матеріал, що обробляється	Швидкість різання, V, м/хв	Подача, S, мм/про	Глибина різання, t, мм
Алюміній та алюмінієві сплави
Алюмінієві сплави (10-20% кремнію)
Мідь та мідні сплави (бронзи, латуні, бабіти та ін.)
Різні композити (пластмаси, пластики, склопластики, вуглепластики, тверда гума)
Напівспечені кераміка та тверді сплави
Спечені тверді метали
Деревностружкові матеріали
Гірські породи (піщаник, граніт)

Високу зносостійкість виявляють інструменти з АСПК і АСБ при точенні абразивосодержащих матеріалів, широко поширених висококремнистих і мідних сплавів, склопластиків, пластичної кераміки, прес-матеріалів та ін. Вона в десять і більше разів вище, ніж у твердосплавних.

Нагромаджено значний досвід точення та розточування різцями з АСПК заготовок з алюмінієвих сплавів АЛ-2, АЛ-9, АЛ-25, АК-6, АК-9, АК-12М2, ВКЖЛС-2, титанових сплавів ВТ6, ВТ22, ВТ8, ВТ -1, склопластиків, кольорових металів, дерева.

Полікристали АСБ характеризуються високою працездатністю при точенні висококремнистого алюмінієвого сплаву АК-21, АЛ-25, сплаву на основі міді Л62 при обробці ЛС59-1, бронзи, склопластиків СТ, СВАМ, АГ та ін.

Надтверді матеріали

Надтверді матеріали- група речовин, що мають високу твердість, до якої відносять матеріали, твердість і зносостійкість яких перевищує твердість і зносостійкість твердих сплавів на основі карбідів вольфраму і титану з кобальтовою зв'язкою карбідотитанових сплавів на нікель-мо. Широко застосовувані надтверді матеріали: електрокорунд, оксид цирконію, карбід кремнію, карбід бору, боразон, диборид ренію, алмаз. Надтверді матеріали часто застосовуються як матеріали для абразивної обробки.

У останні рокиПильну увагу сучасної промисловості спрямовано до пошуку нових типів надтвердих матеріалів та асиміляції таких матеріалів, як нітрид вуглецю, сплав бор-вуглець-кремній, нітрид кремнію, сплав карбід титану-карбід скандію, сплави боридів і карбідів підгрупи титану.

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Надтверді матеріали" в інших словниках:

Надтверді керамічні матеріали- – композиційні керамічні матеріали, одержувані введенням різних легуючих добавок та наповнювачів у вихідний нітрид бору. Структура таких матеріалів утворена міцно пов'язаними найдрібнішими кристаллітами і, отже, є…

Група речовин, що мають найвищу твердість, до якої відносять матеріали, твердість та зносостійкість яких перевищує твердість і зносостійкість твердих сплавів на основі карбідів вольфраму та титану з кобальтовою зв'язкою.

Деревноволокнисті надтверді плити СМ-500- - виготовляють пресуванням меленої деревної маси, обробленої полімерами, найчастіше фенолоформальдегідними, з добавками олій, що висихають, і деяких інших компонентів. Випускають довжиною 1,2 м, шириною 1,0 м та товщиною 5 6 мм. Підлоги з таких… Енциклопедія термінів, визначень та пояснень будівельних матеріалів

порошкові матеріали- консолідовані матеріали, одержані з порошків; у літературі часто використовується поруч із «порошковими матеріалами» термін «спечені матеріали», т.к. один із основних способів консолідації порошків спікання. Порошкові. Енциклопедичний словник з металургії

- (фр. abrasif шліфувальний, від лат. abradere зіскоблювати) це матеріали, що мають високу твердість, і використовуються для обробки поверхні різних матеріалів. Абразивні матеріали використовуються в процесах шліфування, полірування, ... Вікіпедія

У Вікіпедії є статті про інших людей з таким прізвищем, див Новиков. У Вікіпедії є статті про інших людей з ім'ям Новіков, Микола. Новіков Микола Васильович … Вікіпедія

Шліфування механічна або ручна операція з обробки твердого матеріалу (метал, скло, граніт, алмаз та ін.). Різновид абразивної обробки, яка, своєю чергою, є різновидом різання. Механічне шліфування зазвичай ... Вікіпедія

- (від порівн. століття. лат. detonatio вибух, лат. detonо гримлю), поширення з надзвуковою швидкістю зони швидкої екзотерміч. хім. рції, що йде за фронтом ударної хвилі. Ударна хвиля ініціює р цію, стискаючи і нагріваючи детонуюче во... Хімічна енциклопедія

Неорганічна хімія розділ хімії, пов'язаний з вивченням будови, реакційної здатності та властивостей всіх хімічних елементівта їх неорганічних сполук. Ця область охоплює всі хімічні сполуки, за винятком органічних… Вікіпедія

- … Вікіпедія

Книги

Інструментальні матеріали у машинобудуванні: Підручник. Гриф МО РФ, Адаскін А.М.. У підручнику представлені матеріали для виготовлення ріжучого, штампового, слюсарно-монтажного, допоміжного, контрольно-вимірювального інструменту: інструментальні, швидкорізальні та...