Сверхтвердые инструментальные материалы

Сверхтвердыми принято считать инструментальные материалы, имеющие твердость при комнатной температуре НV свыше 35 ГПа.

Самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента, – природный алмаз. Алмаз – минерал, разновидность самородного углерода. Как инструментальный материал используется непрозрачный алмаз. Твердость алмаза (HV » 60–100 ГПа) при комнатной температуре гораздо выше твердости карбидов или окислов, и в условиях абразивного износа он незаменим. Плотность
3500–3600 кг/м³. Теплопроводность поликристаллов алмаза превышает теплопроводность меди.

Природный алмаз является монокристаллом и позволяет получать практически идеальные острые и прямолинейные режущие кромки. С развитием электроники, прецизионного машино- и приборостроения возрастает применение резцов из природных алмазов для точения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т. п.

Алмаз может быть эффективно применен для обработки медных коллекторов – съема небольшого слоя меди при тонкой подаче и очень высокой скорости резания. При этом обеспечивается низкая шероховатость и высокая точность обработанной поверхности. Алмазным инструментом эффективно производится чистовая обработка поршней из алюминиевых сплавов с большим содержанием кремния, в то время как при обработке таких поршней твердосплавными резцами большие кристаллы кремния вызывают быстрый износ инструмента. Алмазом хорошо обрабатывается керамика и частично спеченные карбиды. Алмаз может быть применен для правки шлифовальных кругов и т. п.

Алмаз изнашивается при взаимодействии с железом при высокой температуре, и поэтому не рекомендуется применять алмазные инструменты для обработки сталей. Теплостойкость алмаза относительно небольшая – 700–750 °С. Алмазы имеют недостаточную ударную вязкость, острые кромки алмазного инструмента легко выкрашиваются и разрушаются. Высокая стоимость и дефицитность природных алмазов ограничивает их применение в качестве инструментального материала.

Потребность в менее дорогих и дефицитных сверхтвердых материалах привела к тому, что в 1953–1957 годах в США и в 1959 году в СССР методом каталитического синтеза при высоких статических давлениях и температурах из гексагональных фаз графита (С) были получены мелкие частицы кубических фаз синтетического алмаза. Цвет от черного до белого, в зависимости от технологии изготовления синтетический алмаз может быть полупрозрачным или непрозрачным.

Размеры кристаллов обычно от нескольких десятых долей до 1–2 мм. Более крупные плотные шаровидные поликристаллические образования синтетических алмазов, предназначенные для лезвийных инструментов, были получены в промышленных условиях в начале 1970-х годов. Синтетические поликристаллические алмазы имеют высокий модуль упругости Е = 700–800 ГПа, высокий предел прочности на сжатие s_–В » 7–8 ГПа, но низкий предел прочности на изгиб s_И » 0,8–1,1 ГПа.

По аналогичной технологии из бора и азота получена модификация нитрида бора BN, по структуре и свойствам напоминающая синтетический алмаз. Кристаллическая решетка – кубическая, твердость несколько ниже, чем у алмаза, но все же очень велика: 40–45 ГПа, т. е. более чем вдвое выше, чем у твердых сплавов, и почти вдвое выше твердости режущей керамики. Поликристаллический кубический нитрид бора (ПКНБ) иногда называют «боразон», «кубанит», «эльбор». Модуль упругости у нитрид бора
Е = 700–800 ГПа, предел прочности на сжатие примерно такой же, как у твердых сплавов: s_–В » 2,5 –5 ГПа, а более низкий, чем у твердых сплавов и у поликристаллических алмазов, предел прочности на изгиб: s_И » 0,6–0,8 ГПа.

Теплостойкость кубического нитрида бора значительно выше, чем у синтетических и природных алмазов: около 1000–1100 °С. По этой причине, а также в связи с меньшим химическим родством с углеродом, кубический нитрид бора более эффективен, чем алмаз и твердые сплавы при чистовой обработке сталей резанием, особенно при резании закаленных сталей высокой твердости с небольшими сечениями срезаемого слоя.

В основе технологии изготовления поликристаллов лежат два различных процесса: фазовый переход вещества из одного состояния в другое (собственно синтез) или спекание мелких частиц заранее синтезированного порошка ПСТМ. В нашей стране первым способом получают поликристаллический кубический нитрид бора (ПКНБ) марок: композит 01 (эльбор РМ) и композит 02 (бельбор), а также поликристаллический алмаз (ПКА) марок АСПК (карбонадо) и АСЕ (баллас).

Поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) систематизируются по таким определяющим признакам, как состав основы поликристаллов, способы получения, характеристика исходного материала. Вся гамма поликристаллов разделяется на пять основных групп: ПСТМ на основе алмаза (СПА), ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора (СПНБ), композиционные сверхтвердые материалы (КСТМ), двухслойные сверхтвердые композиционные материалы (ДСКМ).

Поликристаллы на основе синтетического алмаза можно разделить на четыре разновидности:

1) Поликристаллы, получаемые спеканием мелких алмазных порошков в чистом виде или после специальной предварительной обработки для активации процесса спекания. Изготовленные по такой схеме поликристаллы представляют собой, как правило, однофазный продукт. Примером могут служить мегадаймонд, карбонит.

2) Поликристаллы алмаза типа СВ. Они представляют собой гетерогенный композит, состоящий из частиц алмаза, скрепленных связкой – второй фазой, которая располагается в виде тонких прослоек между кристаллами алмаза.

3) Синтетические карбонады типа АСПК, получаемые путем воздействия на углеродосодержащее вещество со значительным количеством катализатора одновременно высокого давления и высокой температуры. АСПК обладают меньшей твердостью и прочностью, чем поликристаллы первых двух разновидностей.

4) Поликристаллы алмаза, получаемые пропиткой алмазного порошка металлическим связующим при высоких давлениях и температурах. В качестве связки используются никель, кобальт, железо, хром.

Существует несколько разновидностей ПСТМ на основе нитрида бора:

1) поликристаллы, синтезируемые из гексагонального нитрида бора (ГНБ) в присутствии растворителя ВМ_гВМ_сф(типичным представителем является композит 01);

2) поликристаллы, получаемые в результате прямого перехода гексагональной модификации в кубическую BNrBN (композит 02);

3) поликристаллы, получаемые в результате превращения вюрцитоподобной модификации в кубическую BN_g ® ВМ_дф. Поскольку полнота перехода регулируется параметрами спекания, то к этой группе относятся материалы с заметно отличающимися свойствами (композит 10, композит 09);

4) поликристаллы, получаемые спеканием порошков кубического нитрида бора (КНБ) с активирующими добавками (композит 05-ИТ, киборит
и др.).

ПСТМ на основе нитрида бора, незначительно уступая алмазу по твердости, отличаются высокой термостойкостью, стойкостью к циклическому воздействию высоких температур и, что особенно важно, более слабым химическим взаимодействием с железом, являющимся основным компонентом большинства материалов, подвергаемых в настоящее время обработке резанием.

Однородные по объемукомпозиционные сверхтвердые материалы получают спеканием смеси порошков синтетического алмаза и кубического нитрида бора. Сюда относят материалы типа ПКНБ – АС, СВ, СВАБ. К классу композиционных относят также алмазосодержащие материалы на основе твердых сплавов. Из материалов этой группы, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации, следует отметить «Славутич» (из природных алмазов) и «Твесал» (из синтетических алмазов).

Принципиальной особенностью двухслойных композиционных поликристаллических материалов является то, что спекание порошков сверхтвердых материалов производится при высоких температурах и давлениях на подложке из твердых сплавов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, в результате чего образуется слой ПСТМ толщиной 0,5–1 мм, прочно связанный с материалом подложки. Алмазоносный слой может содержать компоненты подложки.