Сверхтвердые сплавы и керамические материалы

 

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 Al₂O₃ 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 ZrO₂ 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.