Алмазы характеризуются высокой твердостью, хорошей теплопроводно­стью (А,=137,9... 146.3 Вт/(м К)). Теплостойкость алмазов недостаточно высокая; алмазы начинают графитизироваться при температурах 800...900 °С. Кубический нитрид бора КНБ имеет более низкую твердость по сравнению с алмазом, примерно в три раза меньшую теплопроводность (λ = 41,86 Вт/(м К)). У КНБ значительно более высокая теплостойкость. Преобразование структуры кубиче­ского нитрида бора в графитоподобную гексагональную модификацию начина­ется при температурах 1200...1400°С и резко возрастает при нагреве до

1600...1800°С.

Композиционные материалы (поликристаллы) получают различными способами. Так, алмазные поликристаллы типа баллас (АСБ) и карбонадо (АСПК) получают пропиткой пористых прессовок, сформированных из алмазных порошков с металлическими покрытиями. По аналогичной технологии получают материалы эльбор-Р из кубического нитрида бора. Для изготовления лезвийного режущего инструмента, например резцов, разработаны композиционные материалы типа ПТНБ из смесей кубического и вюрцитного нитрида бора.

Синтетические алмазы получают из углеграфитовых материалов в специальных камерах высокого давления, изготовленных из высокопрочных материалов. Высокая температура достигается пропусканием электрического тока через нагревательное устройство.

Заштрихованная область 1 соответствует реальным условиям превращения графита в алмаз в присутствии катализаторных добавок. Полоса со штриховкой 2 показывает границу прямого фазового перехода графита в алмаз.

В статических условиях с применением катализаторов возможно получение кубйче- ской решетки алмаза из слоистой кристаллической решетки графита в условиях высоких давлений и температур (р=5000...7000 МПа, Т- не ниже 1400... 1500 К). Катализаторами являются металлы, которые в процессе синтеза находятся в жидком состоянии и способны растворять углерод в виде частиц со слоистой графитовой структурой. Из этих частиц образуются зародыши новой алмазной фазы.

Рис. 16. Фазовая диаграмма

Углерода «давление–температура»

В промышленности выпускаются разнообразные порошки синтетических и природных алмазов, используемых в различных областях техники.

Алмазные порошки классифицируются в зависимости от метода получения и размера зерен на следующие группы:

1. Алмазные шлифпорошки с размером зерен от 40...50 мкм до 630...800 мкм.Шлифпорошки из синтетических алмазов выпускаются следую­щих основных марок: АС2, АС4, АС6, АС 15, АС20, АС32, АС50. Чем выше число, стоящее после индексов АС, тем больше прочность зерен алмазов.

2. Алмазные шлифпорошки с покрытиями поверхности зерен.

Применение покрытий зерен алмазов повышает стойкость инструментови снижает расход алмазов. В качестве стандартных используются следующие виды покрытий зерен:

Покрытие типа К пленкой карбида металла;

Покрытие типа КМ пленками сплавов, содержащих кремний;

Покрытие типа НТ, являющееся карбидо-металлическим;

Покрытие типа А, при котором совокупность агрегатов из нескольких алмазных зерен имеет карбидо-металлическую пленку;

Покрытие типа АН - модификация покрытия А, отличающаяся введением в агрегаты из алмазных зерен дополнительно наполнителя (карбид бора, карбид титана, электрокорунд и др.).

3. Алмазные микропорошки с размером зерен от < 1,0 мкм до 40.. .60 мкм.

Они выпускаются двух разновидностей:

650.. Алмазные микропорошки марок AM из природных алмазов и марок АСМ из синтетических алмазов;

651.. Алмазные микропорошки марок АН из природных алмазов и марок АСН из синтетических алмазов. Они имеют более высокую абразивную способность (на 25...30 %) по сравнению с микропорошками AM и АСМ.

Микропорошки AM и АСМ используют при доводочных работах изде­лий из закаленных сталей, стекла, керамики и др. Для обработки изделий из более твердых материалов (корунда, керамики, природных алмазов и других труднообрабатываемых материалов) рекомендуются микропорошки АН и АСН.

Микропорошки применяются для изготовления абразивных инструментов, а также использования в свободном незакрепленном состоянии в пастах и суспензиях.

Промышленность выпускает микропорошки зернистостью 60/40, 40/28, 28/20, 20/14, 14/10, 10/7 и др. до 1/0 мкм. В обозначении марок числитель показывает максимальный, а знаменатель минимальный размеры основной фракции порошка в микрометрах.

1.2 Контрольные вопросы:

1. Какое строение макромолекул имеют полимеры?
2. Как изменяется строение олигомеров (смол) в процессе отверждения?
3. Какие межмолекулярные взаимодействия имеют место между макромолекулами?
4. Какую надмолекулярную структуру имеют каучуки в высокоэластичном физическом состоянии?
5. Что понимается под цис-конфигурацией макромолекул каучуков?
6. Какое строение имеют графитовые материалы?
7. Какое строение имеют силикатные стекла?
8. Какие окиси промышленных стекол являются стеклообразующими?
9. Какие физические состояния имеет неорганическое стекло при разных температурах?
10. В каком физическом состоянии проводится формование изделий из силикатных стекол?
11. Какое строение имеют стеклокристаллические материалы?
12. Какие катализаторы применяются при получении стеклокристаллических материалов?
13. С какой целью применяется двухступенчатая тепловая обработка стекла при изготовлении стеклокристаллических материалов?
14. Какие химические соединения применяются в качестве абразивных материалов?
15. Какие требования предъявляются к абразивным материалам?
16. Из каких двух составляющих состоят абразивные инструменты?
17. Что понимается под структурой абразивного инструмента?
18. Какие материалы относятся к классу сверхтвердых материалов?
19. На какие разновидности подразделяются сверхтвердые материалы?
20. Какие свойства имеют алмазы и кубический нитрид бора?
21. Что представляют собой композиционные материалы?

2 Практическое занятие № 2 «Определение параметров шлифования неметаллических материалов» (МЕ-3 Обработка шлифованием неметаллических материалов)

Задания к практическому занятию

На практическом занятии студент представляет презентацию (сообщение), подготовленную в рамках самостоятельной и исследовательской работы. Презентация должна содержать: технологические возможности данного вида обработки, ограничения, оборудование, приспособление и режущий инструмент, критерии выбора СОТС, возможные пути автоматизации.

Краткие сведения из теории

Общее понятие о шлифовании

В примитивных случаях применяют твёрдый зернистый песок или более твёрдый наждак, насыпают его на твёрдую поверхность и трут об неё обрабатываемый предмет. Угловатые зерна, катаясь между обеими поверхностями, производят большое число ударов, от которых разрушаются понемногу выдающиеся места этих поверхностей, и округляются и распадаются на части сами шлифующие зерна. Если же одна из поверхностей мягкая, зерна в неё вдавливаются, остаются неподвижными, и производят на второй поверхности ряд параллельных царапин; в первом случае получается матовая поверхность, покрытая равномерными ямками, а во втором - так называемый «штрих», сообщающий поверхности блеск, переходящий в полировку, когда штрих так мелок, что становится незаметным для глаза. Так, при шлифовке двух медных пластинок одной об другую с наждаком, обе получаются матовыми, а тот же наждак, будучи наклеен на поверхность бумаги, сообщит при трении об латунную поверхность блеск.

Хрупкое, твёрдое стекло стирается больше мягкой и упругой металлической пластинки, а порошок алмаза может стирать поверхность самого алмаза и куски кварца можно обрабатывать на точиле из песчаника. Ямки, производимые зёрнами наждака, тем мельче, чем мельче сами эти зерна; поэтому шлифованием можно получать наиболее точно обработанные поверхности, как это делают при шлифовании оптических стекол.

Виды шлифования

Плоское шлифование - обработка плоскостей и сопряжённых плоских поверхностей;

Ленточное шлифование - обработка плоскостей и сопряжённых плоских поверхностей «бесконечными» (сомкнутыми в кольцо) лентами;

Круглое шлифование - обработка цилиндрических и конических поверхностей валов и отверстий.

Круглое шлифование подразделяется на внутреннее (расточка) и наружное. Внутреннее же в свою очередь делится на обычное и планетарное (обычное - отношение диаметра отверстия детали к диаметру образива D=0,9d, планетарное - D=(0,1…0,3)d);

Бесцентровое шлифование - обработка в крупносерийном производстве наружных поверхностей (валы, обоймы подшипников и др);

Резьбошлифование;

Зубошлифование, шлицешлифование.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования Ленинградской области

Тихвинский промышленно-технологический техникум

имени Лебедева

Специальность: «Технология машиностроения»

Реферат

Твердые и сверхтвердые сплавы

Петров Сергей Игоревич

Тихвин 2010 г.

1. Типы твёрдых и сверхтвердых сплавов

2. Свойства твёрдых сплавов

3. Спечённые твёрдые сплавы

4. Литые твёрдые сплавы

5. Применение и разработки

Список литературы

Типы твёрдых и сверхтвердых сплавов

Твёрдые сплавы - твёрдые и износостойкие металлические материалы, способные сохранять эти свойства при 900-1150°С. Твердые сплавы известны человеку уже около 100 лет. В основном изготовляются на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома при различном содержании кобальта или никеля. Различают спечённые и литые твёрдые сплавы. Основой всех твёрдых сплавов являются прочные карбиды металлов, не разлагающиеся и не растворяющиеся при высоких температурах. Особенно важны для твёрдых сплавов карбиды вольфрама, титана, хрома, частично марганца. Карбиды металлов слишком хрупки и часто тугоплавки, поэтому для образования твёрдого сплава зёрна карбидов связываются подходящим металлом; в качестве связки используются железо, никель, кобальт.

Спечённые твёрдые сплавы

Композиционные материалы, состоящие из металлоподобного соединения, цементированного металлом или сплавом. Их основой чаще всего являются карбиды вольфрама или титана, сложные карбиды вольфрама и титана (часто также и тантала), карбонитрид титана, реже - другие карбиды, бориды и т. п. В качестве матрицы для удержания зерен твердого материала в изделии применяют так называемую «связку» - металл или сплав. Обычно в качестве «связки» используют кобальт (кобальт является нейтральным элементом по отношению к углероду, он не образует карбиды и не разрушает карбиды других элементов), реже - никель, его сплав с молибденом (никель-молибденовая связка).

Главной особенностью спеченных твердых сплавов является то, что изделия из них получают методами порошковой металлургии и они поддаются только обработке шлифованием или физико-химическим методам обработки (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др), а литые твердые сплавы предназначены для наплавки на оснащаемый инструмент и проходят не только механическую, но часто и термическую обработку (закалка, отжиг, старение и др). Порошковые твердые сплавы закрепляются на оснащаемом инструменте методами пайки или механическим закреплением.

Литые твёрдые сплавы

Литые твёрдые сплавы получают методом плавки и литья.

Инструменты, оснащенные твердым сплавом, хорошо сопротивляются истиранию сходящей стружкой и материалом заготовки и не теряют своих режущих свойств при температуре нагрева до 750-1100 °С.

Установлено что твердосплавным инструментом, имеющим в своем составе килограмм вольфрама, можно обработать в 5 раз больше материала, чем инструментом из быстрорежущей стали с тем же содержанием вольфрама.

Недостатком твердых сплавов, по сравнению с быстрорежущей сталью, является их повышенная хрупкость, которая возрастает с уменьшением содержания кобальта в сплаве. Скорости резания инструментами, оснащенными твердыми сплавами, в 3-4 раза превосходят скорости резания инструментами из быстрорежущей стали. Твердосплавные инструменты пригодны для обработки закаленных сталей и таких неметаллических материалов, как стекло, фарфор и т. п.

Сверхтвёрдые материалы - 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 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.

Свойства твёрдых сплавов

Металлокерамические сплавы в зависимости от содержания в них карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта приобретают различные физико-механические свойства. По этой причине твердые сплавы представлены в трех группах: вольфрамовой, титановольфрамовой и титанотанталовольфрамовой. В обозначении марок сплавов используются буквы: В - карбид вольфрама, К - кобальт, первая буква Т - карбид титана, вторая буква Т - карбид тантала. Цифры после букв указывают примерное содержание компонентов в процентах. Остальное в сплаве (до 100%) - карбид вольфрама. Буквы в конце марки означают: В - крупнозернистую структуру, М - мелкозернистую, ОМ - особомелкозернистую. Промышленностью выпускаются три группы твердых сплавов: вольфрамовые - ВК, титановольфрамовые - ТК и титанотанталовольфрамовые - ТТК.

Твердые сплавы состава WC-Co (WC-Ni) характеризуются сочетанием высоких значений прочности, модуля упругости, остаточной деформации с высокой тепло- и электропроводностью (стойкость этих сплавов к окислению и коррозии незначительна); твердые сплавы состава TiC-WC-Co в сравнении с первой группой сплавов обладают меньшей прочностью и модулем упругости, однако превосходят их по стойкости к окислению, твердости и жаропрочности; твердые сплавы состава TiC-TaC-WC-Co характеризуются высокой прочностью, вязкостью и твердостью; безвольфрамовые твердые сплавы обладают наибольшим коэффициентом термического расширения, наименьшей плотностью и теплопроводностью.

Характерными признаками, определяющими режущие свойства твердых сплавов, являются высокая твердость, износостойкость и красностойкость до 1000°C. Вместе с тем эти сплавы обладают меньшей вязкостью и теплопроводностью по сравнению с быстрорежущей сталью, что следует учитывать при их эксплуатации.

При выборе твердых сплавов необходимо руководствоваться следующими рекомендациями.

Вольфрамовые сплавы (ВК), по сравнению с титановольфрамовыми (ТК), обладают при резании меньшей температурой свариваемости со сталью, поэтому их применяют преимущественно для обработки чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов.

Сплавы группы ТК предназначены для обработки сталей.

Титанотанталовольфрамовые сплавы, обладая повышенной точностью и вязкостью, применяются для обработки стальных поковок, отливок при неблагоприятных условиях работы.

Для тонкого и чистового точения с малым сечением стружки следует выбирать сплавы с меньшим количеством кобальта и мелкозернистой структурой.

Черновая и чистовая обработки при непрерывном резании выполняются основном сплавами со средним содержанием кобальта.

При тяжелых условиях резания и черновой обработке с ударной нагрузкой следует применять сплавы с большим содержанием кобальта и крупнозернистой структурой.

В последнее время появилась новая безвольфрамовая группа твердых сплавов, в которой карбид вольфрама заменен карбидом титана, а в качестве связки используются никель и молибден (ТН-20, ТН-30). Эти сплавы имеют несколько сниженную прочность против вольфрамовых, но обеспечивают получение положительных результатов при получистовой обработке вязких металлов, меди, никеля и др.

Различают два вида порошкообразных продуктов для наплавки: вольфрамовые и не содержащие вольфрама. Вольфрамовый продукт представляет собой смесь порошкообразного технического вольфрама или высокопроцентного ферровольфрама с науглероживающими материалами. Советский сплав этого типа носит название вокар. Изготовляются подобные сплавы следующим образом: порошкообразный технический вольфрам или высокопроцентный ферровольфрам смешивается с такими материалами, как сажа, молотый кокс и т. п., полученная смесь замешивается в густую пасту на смоле или сахарной патоке. Из смеси прессуют брикеты и слегка их обжигают до удаления летучих веществ. После обжига брикеты размалывают и просеивают. Готовый продукт имеет вид чёрных хрупких крупинок величиной 1-3 мм. Характерным признаком вольфрамовых продуктов является их высокий насыпной вес.

В Советском Союзе изобретен порошкообразный сплав, не содержащий вольфрама и потому весьма дешёвый. Сплав носит название сталинит и имеет весьма широкое распространение в нашей промышленности. Многолетняя практика показала, что, несмотря на отсутствие вольфрама, сталинит обладает высокими механическими показателями, во многих случаях удовлетворяющими техническим требованиям. Кроме того, благодаря низкой температуре плавления 1300-1350° сталинит обладает существенным преимуществом перед вольфрамовым продуктом, который расплавляется лишь при температуре около 2700°. Низкая температура плавления сталинита облегчает наплавку, повышает производительность наплавки и является существенным техническим преимуществом сталинита.

Основой сталинита является смесь порошкообразных дешёвых ферросплавов, феррохрома и ферромарганца. Процесс изготовления сталинита такой же, как и вольфрамовых продуктов. Сталинит содержит от 16 до 20% хрома и от 13 до 17% марганца. Твёрдость наплавки по Роквеллу для вокара 80-82, для сталинита 76-78.

Наплавка сталинита производится угольной дугой по способу Бенардоса. Газовая горелка мало пригодна для наплавки, так как газовое пламя сдувает порошок с Места наплавки. Деталь, подлежащая наплавке, подогревается до начала красного каления, после чего на поверхность детали насыпается сталинит равномерным слоем толщиной 2-3 мм. Для получения правильных краёв и граней наплавки применяются специальные шаблоны и ограничители из красной меди, графита или угля. На насыпанном слое зажигается угольная дуга постоянного тока нормальной полярности при силе тока 150-200 а. Наплавку ведут непрерывно без обрывов дуги и по возможности без повторного расплавления наплавленного слоя.

Наиболее эффективное применение алмазного инструмента получают на чистовых и отделочных операциях при обработке деталей из цветных металлов и их сплавов, а также неметаллических и композиционных материалов. Алмаз, как инструментальный материал имеет два существенных недостатка - относительно низкую теплостойкость и диффузионное растворение в железе при высоких температурах, что практически исключает использование алмазного инструмента при обработке сталей и сплавов, способных образовывать карбиды. В то же время, благодаря очень высокой теплопроводности, режущая кромка лезвия интенсивно охлаждается, поэтому алмазный инструмент пригоден для работы с высокими скоростями резания.

Типы существующих в мировой практике СТМ на основе алмазов представлены на рис. 6.23.

Рис. 6.23 Сверхтвердые материалы для лезвийного инструмента на основе алмаза

Монокристаллические алмазные лезвийные инструменты применяют для обработки радиотехнической керамики, полупроводниковых материалов, высокоточной обработки цветных сплавов. Монокристаллический алмазный инструмент характеризуется рекордными показателями по износостойкости и минимальным радиусом округления режущей кромки, что обеспечивает высокое качество обработанной поверхности. Следует учитывать, что стоимость монокристаллического алмазного лезвийного инструмента в разы превосходит стоимость алмазного инструмента из поликристаллов. Преимущества инструментальных поликристаллических алмазов (ПКА, за рубежом PCD), в сравнении с монокристаллическими, связаны с произвольной ориентацией кристаллов в рабочем слое режущих пластин, что обеспечивает высокую однородность по твердости и стойкости к истиранию во всех направлениях при больших показателях прочности. Из поликристаллических алмазов, полученных на основе фазового перехода, распространение для лезвийного инструмента получили марки АСПК, которые получают из графита при синтезе в присутствии металлорастворителей. Марки АСПК выпускаются в виде цилиндров диаметром 2, 3 и 4 мм, длиной до 4 мм.

Из всех видов PCD наибольшее распространение имеют алмазные инструменты полученные спеканием порошков алмазов (размер 1...30 мкм) в присутствии кобальтового катализатора. Примером могут служить мелкозернистые CMX850 или универсальная марка CTM302 фирмы ElementSix, вставки различной формы ВНИИАЛМАЗ, ОАО "МПО ВАИ". Существенные преимущества по прочности пластин и по удобству их крепления пайкой в корпусе инструмента имеют двухслойные пластины с алмазным слоем на твердосплавной подложке, называемые также АТП - алмазно-твердосплавные пластины. Например, за рубежом такие пластины различных типоразмеров под фирменным названием Compax выпускает Diamond Innovations. Компания Element Six выпускает пластины Sindite с толщиной алмазного слоя от 0,3 до 2,5 мм и различной величиной алмазного зерна. Двухслойный СВБН отечественного производства припаивают в вершине твердосплавной пластины стандартных размеров. К классу композиционных относят алмазосодержащие материалы на основе твердых сплавов, а также композиции на основе поликристаллических алмазов и гегсагонального нитрида бора. Из композитов алмаз - твердый сплав, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации, следует отметить "Славутич" (из природных алмазов) и "Твесал" (из синтетических алмазов).

Поликристаллы алмаза, полученные химическим парофазным осаждением (CVD-diamond), представляют принципиально новый тип СТМ на основе алмазов. По сранению с поликристаллическими алмазами других типов, они характеризуются высокой чистотой, твердостью и теплопроводностью, но меньшей прочностью. Представляют толстые пленки, а по сути - пластины толщиной 0,3...2,0 мм (наиболее типична толщина 0,5 мм), которые после выращивания отслаиваются от подложки, разрезаются лазером и припаиваются к твердосплавным вставкам. При обработке высокоабразивных и твердых материалов имеют стойкость в несколько раз выше других PCD. По данным компании ElementSix, выпускающих такие PCD под общим названием CVDite, они рекомендуются для непрерывного точения керамики, твердых сплавов, металломатричных композиций. Для обработки сталей не используются. В последние годы появились публикации о промышленном выращивании монокристаллических алмазов по технологии CVD. Таким образом, в ближайшем будущем следует ожидать появления на рынке монокристаллических алмазных инструментов этого типа.

По технологии CVD получают не только алмазный лезвийный инструмент, описанный выше, но и алмазные покрытия на твердом сплаве и некоторых керамических инструментальных материалах. Поскольку температура процесса составляет 600...1000 0 С, такие покрытия не могут быть нанесены на стальной инструмент. Толщина покрытий на инструменте, в том числе сложнопрофильном (сверла, фрезы, СМП), составляет 1...40 мкм. Области рационального использования алмазных покрытий аналогичны инструменту CVD-diamond.

Следует отличать алмазные покрытия от алмазоподобных. Алмазоподобные - Diamond-LikeCoating (DLC) покрытия аморфного типа состоят из атомов углерода, как с алмазными, так и с графитоподобными связями. Алмазоподобные покрытия, наносимые методами физического осаждения из газовой фазы (PVD) и химического осаждения из газовой фазы активированные плазмой (PACVD) имеют толщину 1...30 мкм (обычно около 5 мкм) и характеризуются высокой твердостью и рекордно низким коэффициентом трения. Поскольку процесс нанесения таких покрытий проводится при температурах не выше 300 0 С они используются также для повышения стойкости быстрорежущего инструмента. Наибольший эффект от алмазоподобных покрытий достигается при обработке медных, алюминиевых, титановых сплавов, неметаллических материалов и высокоабразивных материалов.

Сверхтвердые композиты на основе нитрида бора. СТМ на основе поликристаллического кубического нитрида бора (ПКНБ в России и PCBN за границей), незначительно уступая алмазу по твердости, отличаются высокой теплостойкостью, стойкостью к циклическому воздействию высоких температур и, что особенно важно, более слабым химическим взаимодействием с железом, поэтому наибольшая эффективность применения инструментов на основе BN имеет место при обработке чугунов и сталей, в том числе высокотвердых.

За рубежом по ISO 513 подразделение марок PCBN ведется по содержанию в материале кубического нитрида бора: с высоким (70...95%) содержанием BN (индекс "H") и относительно небольшим количеством связки, и с низким (40...70%) содержанием BN (индекс "L"). Для низкосодержащих марок PCBN используется керамическая связка TiCN. Марки с высоким содержанием BN рекомендуются для высокоскоростной обработки чугуна всех типов, в том числе закаленных и отбеленных, а также точения жаропрочных никелевых сплавов. PCBN с низким содержанием BN, обладают большей прочностью и используются в основном для обработки закаленных сталей, в том числе при прерывистой обработке. Фирмой Sumitomo Electric также выпускаются пластины PCBN с керамическим покрытием (тип BNC), имеющие повышенную стойкость при высокоскоростной обработке сталей и обеспечивающие высокое качество обработанной поверхности.

Помимо однородных по структуре, ПКНБ выпускаются в виде двухслойных пластин с твердосплавной основой (аналогично ПКА). Композиционные ПКНБ получают спеканием смеси порошков синтетического алмаза и кубического или вюрцитного нитрида бора. В зарубежных странах материалы на основе вюрцитного нитрида бора широкого применения не имеют.

Назначение СТМ на основе кубического нитрида бора:

Композит 01 (Эльбор Р), Композит 02 (Бельбор Р) - тонкое и чистовое точение без удара и торцовое фрезерование закалённых сталей и чугунов любой твёрдости, твёрдых сплавов с содержанием связки более 15%.

Композит 03 (Исмит) - чистовая и получистовая обработка закалённых сталей и чугунов любой твёрдости.

Композит 05, композит 05ИТ, композит КП3 - предварительное и окончательное точение без удара закалённых сталей до 55HRC и серого чугуна твердостью 160...600HB, глубина резания до 0,2...2 мм, торцовое фрезерование чугуна.

Композит 06 - чистовое точение закалённых сталей до 63HRC.

Композит 10 (Гексанит Р), композит КП3 - предварительное и окончательное точение с ударом и без удара, торцовое фрезерование сталей и чугунов любой твёрдости, твёрдых сплавов с содержанием связки более 15% , прерывистое точение, обработка наплавленных деталей. Глубина резания 0,05...0,7 мм.

Томал 10, Композит 10Д - черновое, получерновое и чистовое точение и фрезерование чугунов любой твёрдости, точение и растачивание сталей и сплавов на основе меди, резание по литейной корке.

Композит 11 (Kиборит) -предварительное и окончательное точение, в том числе с ударом, закалённых сталей и чугунов любой твёрдости, износостойких плазменных наплавок, торцовое фрезерование закалённых сталей и чугунов.

За рубежом лезвийные инструменты на основе PCBN выпускают фирмы ElementSix, Diamond Innovations, Sumitomo Electric Industries, Toshiba Tungalloy, Kyocera, NTK Cutting Tools, Ceram Tec, Kennametal, Seco Tools, Mitsubishi Carbide, Sandvik Coromant, ИСМ (Украина), Widia, Ssangyong Materials Corporation и др.

Основная область эффективного применения лезвийного режущего инструмента из СТМ – автоматизированное производство на базе станков с ЧПУ, многоцелевых станков, автоматических линий, специальных скоростных станков. В связи с повышенной чувствительностью инструментов из СТМ к вибрациям и ударным нагрузкам, к станкам предъявляются повышенные требования в отношении точности, виброустойчивости и жесткости технологической системы. Различные виды СBN (композиты на основе кубического нитрида бора) применяют для обработки закаленных сталей и чугуна, которые имеют высокую твердость и прочность. Композиты показывают отличные эксплуатационные характеристики во время обработки и обеспечивают хорошее качество поверхности, благодаря своему химическому составу и современной технологии спекания (рис. 6.24).

Рисунок 6.24 – Типичные изображения микроструктуры композита на основе CBN

Применение инструмента из СТМ позволяет увеличить производительность обработки в несколько раз по сравнению с твердосплавным инструментом, при этом улучшается качество обработанных поверхностей и исключается необходимость последующей абразивной обработки. Выбор оптимальной скорости резания определяется величиной снимаемого при­пуска, возможностями оборудования, подачей, наличием ударных нагрузок в процессе резания и многими другими факторами (рис. 6.25, 6.26).

Рисунок 6.26 – Области применения некоторых марок композитов

Рисунок 6.26 – Пример обработки закаленных сталей инструментом из СТМ

7 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ.

Синтетический алмаз (АС) и кубический нитрид бора (CBN) (торговые марки- эльбор, кубонит, боразон) относятся к сверхтвёрдым материалам (СТМ), твердость которых превышает твердость традиционных абразивных материалов.

Алмаз – самый твёрдый из известных науке материалов, состоящий практически только из чистого углерода (С), атомы которого расположены в виде узкой, высокопрочной трёхмерной матрицы. Алмазы представлены моно- и макрокристаллическими структурами с совершенной спаянностью.
В 1954 году учёными американской компанией «General Electrics» удалось синтезировать из графита алмазы в лабораторных условиях. В 1960 году синтез алмазов был освоен в СССР. В настоящее время объём производства синтетических алмазов в несколько раз превышает объём добычи природных алмазов.Большинство синтетических алмазов имеют монокристаллическую структуру. Возможные формы (морфология) кристаллов синтетических алмазов простирается от кубической формы до формы восьмигранника.Анизотропия твёрдости алмазных граней определяет наименее износоустойчивые направления: в плоской сетке октаэдра – направления, соответствующие высотам треугольных граней; в плоской сетке куба – направления, параллельные сторонам кубических граней. Наибольшей твёрдостью обладают кубические грани. В свою очередь, твёрдость октаэдрических граней больше твёрдости ромбододекаэдрических. Синтетические монокристаллические алмазы по сравнению с природными имеют более острые грани и меньшие радиуса скруглений вершин режущих кромок, чем объясняются их лучшие режущие свойства. Алмаз также имеет наибольший из всех известных материалов модуль упругости (модуль Юнга Е = 900000 МПа). При наибольшей из всех известных материалов прочности на разрыв, предел прочности алмазов при сжатии и изгибе небольшой. Обладая совершенной спаянностью, кристаллы алмаза скалываются, образуя в зависимости от дефектов строения, ровные, ступенчатые или раковистые изломы. Алмазы не смачиваются водой, но прилипают к жировым смесям. Этим свойством руководствуются при выборе типа смазочно-охлаждающей жидкости при шлифовании алмазным инструментом (масляные СОЖ оказывают смазывающее действие на алмазные зёрна, снижая работу трения). Алмаз характеризуется высокой теплопроводностью: она в два-пять раз выше, чем у металлов. Высокая теплопроводность алмаза позволяет быстрее отводить тепло с поверхности обрабатываемых изделий. Отдельные металлы, например, железо, при температуре более 800 0С частично растворяют алмаз, ограничивая его применение.

Кроме монокристаллических алмазов синтезируются поликристаллические алмазы «карбонадо» и «баллас» идентичные по структуре соответствующим природным алмазам. Путём спекания синтетических алмазов в гранулы цилиндрической или сегментной форм тёмного цвета производятся также поликристаллические алмазы типа «спеки».

Кубический нитрид бора – это искуственный абразивный материал, в основном, состава BN с плотной кубической упаковкой атомов бора и азота в тетраэдрической координации.
Кубический нитрид бора не встречается в природе. Впервые его синтез был произведён в 1957 году американской компанией «General Electrics» в результате экспериментальных поисков новых абразивных материалов. Синтез кубического нитрида бора осуществляется таким же образом, как и производство синтетических алмазов.

Кубический нитрид (КНБ) бора получают из гексагонального нитрида бора a-BN (плотность 2,34 г/см3) при высоких давлении и температуре. Переход гексагонального нитрида бора в кубический сопровождается уплотнением кристаллической решётки в 11,5 раза. На долю основной составляющей кубического нитрида бора (b-BN) приходится более 92 %. Цвет кристаллов изменяется от белого и жёлтого до аметистового и чёрного.
Вследствие более комплексной атомной структуры кубический нитрид бора имеет большее количество форм кристаллов. С одной стороны, возможные формы кристаллов кубического нитрида бора простираются от кубической формы до формы восьмигранника, как у алмазов, с другой стороны, возможные формы кристаллов кубического нитрида бора простираются от формы восьмигранника до формы четырёхгранника.
Шлифовальные материалы из КНБ имеют два вида: с зёрнами с моно- и макрокристаллическими (поликристаллическими) структурами и микрокристаллического гранулометрического состава, полученными спеканием микропорошков. гексагонального или вюрцитоподобного нитрида бора (ВНБ).

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.