Сверхтвердые материалы (СТМ). Сверхтвердые инструментальные материалы (СТМ) Сверхтвердые материалы состав свойства

Процессы обработки металлов лезвийными инструментами подчиняются классическим законам теории резания металлов.

На всём протяжении развития обработки металлов ре­занием появление качественно новых инструментальных материалов, обладающих повышенной твёрдостью, тепло­стойкостью и износостойкостью, сопровождалось ростом интенсивности процесса обработки.

Созданные в нашей стране и за рубежом в конце пятидесятых, начале шестидесятых годов прошлого века и широко применяемые инструменты, оснащённые искусственными сверхтвёрдыми материалами на основе кубического нитрида бора (КНБ), характеризуются большим разнообразием.

По сведениям отечественных и зарубежных фирм - производителей инструментов в настоящее время существенно увеличивается применение материалов на основе КНБ.

В промышленно развитых странах потребление лезвийного инструмента из искусственных сверхтвёрдых материалов на основе КНБ продолжает расти в среднем до 15 % в год.

Согласно классификации, предложенной ВНИИинструмент, всем сверхтвёрдым материалам на основе плотных модификаций нитрида бора присвоено наименование композиты.

В теории и практике материаловедения композитом на­зывают материал, не встречающийся в природе, состоящий из двух и более различных по химическому составу компо­нентов. Для композита характерно наличие отчётливых
границ, отделяющих его компоненты. Композит состоит из наполнителя и матрицы. Наибольшее влияние на его свойства оказывает наполнитель, в зависимости от которого композиты подразделяются на две группы: 1) с дисперсными частицами; 2) армированные непрерывными волокнами и армированные волокнами в нескольких направлениях.

Термодинамические особенности полиморфизма нитрида бора обусловили появление большого количества материалов на основе его плотных модификаций и различных технологий его получения.

В зависимости от вида основного процесса, протекаю­щего при синтезе и определяющего свойства сверхтвёрдых материалов, в современных технологиях получения инст­рументальных материалов из нитрида бора можно выде­лить три основных метода:

• фазовое превращение гексагонального нитрида бора в кубический. Поликристаллические сверхтвёрдые ма­териалы, полученные таким образом, отличаются друг от друга наличием или отсутствием катализатора, его видом, структурой, параметрами синтеза и т.д. К ма­териалам этой группы относятся: композит 01 (эльбор-Р) и композит 02 (белбор). За рубежом материа­лы этой группы не выпускаются;
• частичное или полное превращение вюрцитного нит­рида бора в кубический. Отдельные материалы этой группы различаются составом исходной шихты. У нас в стране из материалов этой группы производят одно- и двухслойный композит 10 (гексанит-Р) и различ­ные модификации композита 09 (ПТНБ и др.). За ру­бежом материалы этой группы выпускаются в Япо­нии фирмой «Ниппон Ойл Фате» под торговой мар­кой вюрцип;
• спекание частиц кубического нитрида бора с добавками. Эта группа материалов является самой многочислен­ной, так как возможны различные варианты связки и технологии спекания. По этой технологии в отечествен­ной промышленности производятся композит 05, киборит и ниборит. Наиболее известными зарубежными ма­териалами являются бора зон, амборит и сумиборон.

Дадим краткое описание наиболее известных сверхтвердых инструментальных материалов.

Композит 01 (эльбор-Р) - создан в начале 70-х годов.

Этот материал состоит из беспорядочно ориентирован­ных кристаллов кубического нитрида бора, полученных каталитическим синтезом. В результате высокотемператур­ного прессования под действием высокого давления перво­начальные кристаллы BN K дробятся до размеров 5…20 мкм. Физико-механические свойства композита 01 зависят от состава исходной шихты и термодинамических параметров синтеза (давления, температуры, времени). Примерное мас­совое содержание составляющих композита 01 следующее: до 92 % BN K , до 3 % BN r , остальное - примеси добавок- катализаторов.

Модификация композита 01 (эльбор-РМ) в отличие от эльбора-Р получается прямым синтезом BN r -> BN к, осуще­ствляемым при высоких давлениях (4,0…7,5 ГПа) и темпе­ратурах (1300…2000°С). Отсутствие в шихте катализатора позволяет получить стабильные эксплуатационные свойства.

Композит 02 (белбор) - создан в Институте физики твердого тела и полупроводников АН БССР.

Получается прямым переходом из BN r в аппаратах высокого давления при статическом приложении нагрузки (давление до 9 ГПа, температура до 2900 °С). Процесс осуще­ствляется без катализатора, что обеспечивает высокие фи­зико-механические свойства композита 02. При упрощенной технологии изготовления за счёт введения определенных легирующих добавок имеется возможность варьировать физико-механические свойства поликристаллов.

Белбор по твёрдости сравним с алмазом и значительно превосходит его по термостойкости. В отличие от алмаза он химически инертен к железу, а это позволяет эффектив­но использовать его для обработки чугуна и сталей - ос­новных машиностроительных материалов.

Композит 03 (исмит) - впервые синтезирован в ИСМ АН УССР.

Выпускаются три марки материала: исмит-1, исмит-2, исмит-3, различающиеся физико-механическими и эксплу­атационными свойствами, что является следствием разли­чия исходного сырья и параметров синтеза.

Ниборит - получен ИФВД АН СССР.

Высокая твёрдость, теплостойкость и значительные раз­меры этих поликристаллов предопределяют их высокие эк­сплуатационные свойства.

Киборит - синтезирован впервые в ИСМ АН УССР.

Поликристаллы получают горячим прессованием ших­ты (спеканием) при высоких статических давлениях. В со­став шихты входят порошок кубического нитрида бора и специальные активирующие добавки. Состав и количество добавок, а также условия спекания обеспечивают получение структуры, в которой сросшиеся кристаллы BN К образуют непрерывный каркас (матрицу). В межзёрных промежутках каркаса образуется тугоплавкая твёрдая керамика.

Композит 05 - структура и технология получения разработаны в НПО ВНИИАШ.

Материал в своей основе содержит кристаллы кубического нитрида бора (85…95 %), спекаемые при высоких давлениях с добавками оксида алюминия, алмазов и др. элементов. По сво­им физико-механическим свойствам композит 05 уступает мно­гим поликристаллическим сверхтвёрдым материалам.

Модификацией композита 05 является композит 05ИТ. Он отличается высокими теплопроводностью и теплостой­костью, которые получены путём введения в шихту специ­альных добавок.

Композит 09 (ПТНБ) разработан в Институте химической физики АН СССР.

Выпускается несколько марок (ПТНБ-5МК, ПТНБ-ИК-1 и др.), которые различаются составом исходной шихты (смесью порошков BN B и BN К). Отличие композита 09 от других композиционных материалов заключается в том, что его ос­нову составляют частицы кубического нитрида бора разме­рами 3…5 мкм, а в качестве наполнителя выступает вюрцитный нитрид бора.

За рубежом выпуск материалов данного класса с исполь­зованием превращения вюрцитного нитрида бора осуществ­ляется в Японии фирмой «Ниппон Ойл Фате» совместно с Токийским государственным университетом.

Композит 10 (гексанит-Р) создан в 1972 г. Институтом про­блем материаловедения АН УССР совместно с Полтавским за­водом искусственных алмазов и алмазного инструмента.

Это поликристаллический сверхтвёрдый материал, ос­нову которого составляет вюрцитная модификация нитри­да бора. Технологический процесс получения гексанита-Р, как и предыдущих композитов, состоит из двух операций:

1. синтеза BN B методом прямого перехода BN r -> BN В при ударном воздействии на исходный материал и
2. спекания порошка BN В при высоких давлениях и температурах.

Для композита 10 характерна мелкозернистая структу­ра, но размеры кристаллов могут колебаться в значитель­ных пределах. Особенности структуры определяют и осо­бые механические свойства композита 10 - он не только обладает высокими режущими свойствами, но и может ус­пешно работать при ударных нагрузках, что менее выра­жено у других марок композитов.

На основе гексанита-Р в Институте проблем материалове­дения АН УССР получена улучшенная марка композита 10 - гексанит-РЛ, армированный нитевидными кристаллами - во­локнами «сапфирных усов».

Композит 12 получается спеканием при высоких давлениях смеси порошка вюрцитного нитрида бора и поликристаллических частиц на основе Si 3 N 4 (нитрида кремния). Раз­мер зёрен основной фазы композита не превышает 0,5 мкм.

Перспектива дальнейшего развития, создания и произ­водства композитов связана с использованием в качестве наполнителя нитевидных или игольчатых кристаллов (усов), которые могут быть получены из таких материалов, как В 4 С, SiC, Si 2 N 4 . ВеО и др.

Какие материалы считаются сверхтвердыми? Каков диапазон их применения? Существуют ли материалы тверже алмаза? Об этом рассказывает профессор, PhD in Crystallography Артем Оганов.

Сверхтвердыми материалами называются материалы, которые имеют твердость выше 40 гигапаскалей. Твердость - это свойство, которое традиционно измеряется путем царапания. Если один материал царапает другой, то считается, что у него выше твердость. Это относительная твердость, она не имеет жестких количественных характеристик. Строгие количественные характеристики твердости определяются путем теста надавливанием. Когда вы берете пирамидку, сделанную обычно из алмаза, прикладываете некоторое усилие и надавливаете пирамидкой на поверхность вашего тестируемого материала, измеряете силу надавливания, измеряете площадь отпечатка, применяется поправочный коэффициент, и эта величина будет твердостью вашего материала. Она имеет размерность давления, поскольку это сила, деленная на площадь, поэтому гигапаскали (ГПа).

40 ГПа - это твердость кубического поликристаллического нитрида бора. Это классический сверхтвердый материал, который достаточно широко применяется. Самым твердым материалом, известным человечеству до сих пор, является алмаз. Долгое время были попытки, которые не прекращаются и сейчас, открыть материал тверже алмаза. Пока что эти попытки к успеху не привели.

Зачем нужны сверхтвердые материалы? Число сверхтвердых материалов невелико, порядка десяти, может быть, пятнадцать материалов, известных на сегодня. Во-первых, сверхтвердые материалы могут использоваться при резке, полировании, шлифовании, бурении. При задачах, которые связаны со станкостроением, с ювелирным делом, с обработкой камня, разработкой месторождений, с бурением и так далее, - это все требует сверхтвердых материалов.

Алмаз является самым твердым материалом, но он не является самым оптимальным материалом. Дело в том, что алмаз, во-первых, хрупок, во-вторых, алмаз горит в кислородной атмосфере. Представьте себе бур, который разогревается до высокой температуры в кислородной атмосфере. Алмаз, будучи элементарным углеродом, сгорит. И, кроме того, алмазом нельзя резать сталь. Почему? Потому что углерод реагирует с железом, образуя карбид железа, то есть ваш алмаз просто растворится в стали при достаточно высокой температуре, и поэтому нужно искать какие-то другие материалы. Кроме того, алмаз, конечно, достаточно дорог, даже синтетический алмаз не является достаточно дешевым материалом.

Более того, сверхтвердые материалы еще могут пригодиться в бронежилетах и прочих защитных военных приспособлениях. В частности, широко используется такой материал, как карбид бора, который тоже является сверхтвердым и достаточно легким. Такой вот диапазон применения сверхтвердых материалов.

Известно, что сверхтвердые материалы образуются в веществах с сильной ковалентной связью. Ионная связь понижает твердость. Металлическая связь тоже понижает твердость. Связи должны быть сильными, направленными, то есть ковалентными, и по возможности короткими. Плотность вещества тоже по возможности должна быть высокой, плотность в смысле числа атомов на единицу объема. И по возможности симметрия вещества должна быть тоже очень высокой, чтобы вещество было одинаково сильным в этом направлении, и в этом, и в этом. Иначе будет такая же история, как в графите, где связи очень сильные, но лишь в двух направлениях, а в третьем направлении между слоями связи исключительно слабые, в результате вещество получается тоже мягким.

Много институтов, много лабораторий по всему миру занимаются синтезом и разработкой сверхтвердых материалов. В частности, это Институт физики высоких давлений в Подмосковье, Институт сверхтвердых и новых углеродных материалов в Подмосковье, Институт сверхтвердых материалов в Киеве и ряд лабораторий на Западе. Активные разработки в этой области начались, я думаю, с 50-х годов, когда в Швеции и Америке впервые был получен искусственный алмаз. Поначалу эти разработки были секретные, но достаточно скоро в Советском Союзе тоже был налажен синтез искусственных алмазов, как раз благодаря работам исследователей из Института физики высоких давлений и Института сверхтвердых материалов.

Были разного рода попытки создания материалов тверже алмаза. Первая попытка была на основе фуллеренов. - это молекулы, похожие на футбольный мяч, полые молекулы, круглые или несколько удлиненные. Связи между этими молекулами очень слабые. То есть это молекулярный кристалл, состоящий из здоровых молекул. Но между молекулами связи слабые, вандерваальсовы. Если такого рода кристалл сдавить, то между молекулами, между этими шарами начнут образовываться связи, и структура превратится в трехмерносвязную ковалентную очень твердую структуру. Этот материал получил название тиснумит в честь Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов. Предполагалось, что у этого материала твердость выше, чем у алмаза, но дальнейшие исследования показали, что это, скорее всего, не так.

Были предложения и достаточно активная дискуссия по поводу того, что нитриды углерода могут быть тверже, чем алмаз, но, несмотря на активную дискуссию и активные исследования, до сих пор такой материал миру представлен не был.

Была достаточно забавная работа китайских исследователей, в которой они предположили на основе теоретических вычислений, что другая модификация углерода похожа на алмаз во многом, но слегка от него отличается, а называется лонсдейлит. Согласно этой работе, лонсдейлит тверже алмаза. Лонсдейлит интересный материал, тонкие ламели этого материала были обнаружены в ударно-сжатом алмазе. Минерал этот был назван в честь знаменитой женщины Кэтлин Лонсдейл, великого британского кристаллографа, которая жила в 50–70-е годы XX века. У нее была крайне интересная биография, ей даже довелось посидеть в тюрьме, когда она отказалась тушить пожары во время Второй мировой войны. Она была по религии квакер, и квакерам запрещались любые действия, связанные с войной, даже тушить пожары. И за это ее в автозак поместили. Но тем не менее у нее все было хорошо, она была президентом Международного союза кристаллографов, и в ее честь был назван этот минерал.

Лонсдейлит, судя по всем имеющимся экспериментальным и теоретическим данным, все же мягче алмаза. Если посмотреть на работу этих китайских исследователей, то видно, что даже по их расчетам лонсдейлит мягче алмаза. Но как-то вывод был сделан вопреки их собственным результатам.

Таким образом, оказывается, что реального кандидата на смещение алмаза с должности самого твердого вещества нет. Но тем не менее вопрос стоит того, чтобы его проработать. Все-таки многие лаборатории до сих пор занимаются попытками создания такого материала. С помощью нашего метода предсказания кристаллических структур мы решили этим вопросом задаться. И задачу можно сформулировать так: вы ищете не вещество, которое обладает максимальной устойчивостью, а вещество, которое обладает максимальной твердостью. Вы задаете диапазон химических составов, например, от чистого углерода до чистого азота, и все, что посередине, все возможные нитриды углерода включены в ваш расчет, и эволюционно пытаетесь найти все более и более твердые составы и структуры.

Самым твердым веществом в этой системе оказывается тот же алмаз, и добавка азота к углероду ничего не улучшает в этой системе.

Таким образом, гипотезу о нитридах углерода как веществах тверже алмаза можно похоронить.

Мы пробовали все остальное, что предлагалось в литературе, разные формы углерода и так далее - во всех случаях побеждал всегда алмаз. Так что, похоже, алмаз с этого пьедестала не сместить. Но можно изобрести новые материалы, которые предпочтительнее алмаза в ряде других отношений, например, в смысле трещиностойкости или в смысле химической устойчивости.

Например, элементный бор. Нами была открыта структура, новая модификация бора. Эту статью мы опубликовали в 2009 году, и она вызвала колоссальный резонанс. Структура получается приложением небольшого давления к обычному бору и нагревом его до высоких температур. Эту форму мы назвали гамма-бор, и оказалось, что в ней присутствует частичная ионная химическая связь. На самом деле это то, что несколько понизит твердость, но за счет высокой плотности эта модификация все же оказывается самой твердой из известных модификаций бора, ее твердость около 50 ГПа. Давления для синтеза небольшие, и поэтому в принципе можно даже думать о ее синтезе в достаточно больших объемах.

Нами был предсказан ряд других сверхтвердых фаз, таких как фазы в системе «вольфрам - бор», «хром - бор» и так далее. Все эти фазы являются сверхтвердыми, но их твердости все же принадлежат к нижней части этого диапазона. Они ближе к отметке в 40 ГПа, чем к отметке в 90–100 ГПа, что соответствует твердости алмаза.

Но поиски продолжаются, мы не отчаиваемся, и вполне возможно, что мы или наши другие коллеги, работающие над этой темой по всему миру, смогут изобрести материал, который можно будет синтезировать при небольших давлениях и который по твердости будет приближаться к алмазу. Кое-что в этой области уже сделано нами и другими коллегами. Но как это применить технологически, пока не совсем понятно.

Расскажу о новой форме углерода, которая на самом деле была произведена экспериментально еще в 1963 году американскими исследователями. Эксперимент был концептуально достаточно простой: они брали углерод в форме графита и сдавливали его при комнатной температуре. Дело в том, что алмаз так не получить, алмаз требует сильного нагрева. Вместо алмаза в их экспериментах образовывалась прозрачная сверхтвердая неметаллическая фаза, но тем не менее это был не алмаз. И с характеристиками ни одной из известных форм углерода это никак не согласовывалась. В чем дело, что это за структура?

Совершенно случайно, изучая различные структуры углерода, мы натолкнулись на одну структуру, которая лишь ненамного уступала алмазу по устойчивости. Лишь спустя три года после того, как мы эту структуру увидели, посмотрели на нее, даже где-то опубликовали между строк, до нас дошло, что неплохо было бы свойства этой структуры сравнить с тем, что было опубликовано всеми теми исследователями начиная с 1963 года и вплоть до самых недавних лет. И оказалось, что существует полное совпадение. Мы были счастливы, мы быстро опубликовали статью в одном из самых престижных журналов, The Physical Review Letters , а через год статью в том же журнале опубликовали американские и японские исследователи, которые обнаружили, что совершенно другая структура углерода тоже описывает эти же экспериментальные данные. Проблема в том, что экспериментальные данные были достаточно плохого разрешения. Так кто же прав?

Вскоре швейцарские и китайские исследователи предложили еще ряд модификаций. И под занавес один китайский исследователь опубликовал около сорока структур углерода, большинство из которых тоже описывают эти же экспериментальные данные. Он мне пообещал, что, если ему будет не лень, он еще порядка ста структур предложит. Так какая же структура правильная?

Для этого пришлось исследовать кинетику преобразования графита в различные структуры углерода, и оказалось, что нам крупно повезло. Оказалось, что наша структура является наиболее предпочтительной с точки зрения кинетики преобразования.

Спустя месяц после опубликования нашей статьи вышла экспериментальная работа, в которой экспериментаторы сделали наиболее точный эксперимент с данными гораздо лучшего разрешения, чем прежде, и действительно оказалось, что из всех тех десятков опубликованных структур только одна структура объясняет экспериментальные данные - это все же наша структура. Этот новый материал мы назвали М-углерод, поскольку симметрия его моноклинная, от первой буквы М.

Этот материал лишь ненамного уступает по твердости алмазу, но есть ли какое-то свойство, в котором он превосходит алмаз, до сих пор непонятно.

До сих пор это, можно сказать, «вещь в себе». Мы продолжаем поиски и надеемся, что нам удастся изобрести материал, который, не сильно уступая алмазу по твердости, значительно будет его обгонять по всем остальным характеристикам.

Один из способов улучшения механических характеристик веществ состоит в их наноструктурировании. В частности, повысить твердость того же самого алмаза можно, если создавать нанокомпозиты алмаза или же нанополикристаллы алмаза. В таких случаях твердость удается повысить даже в 2 раза. И это было сделано японскими исследователями, и сейчас можно видеть продукцию, которую они производят, достаточно большие, порядка кубического сантиметра нанополикристаллы алмаза. Основная проблема с этими нанополикристаллами в том, что они настолько тверды, что их практически невозможно даже отшлифовать, и целая лаборатория шлифует это неделями.

Вот таким образом можно как менять химизм, менять структуру вещества в поисках улучшения его твердости и прочих характеристик, так и менять размерность.

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

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

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

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

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

Технология их получения основана на трех физико-химических процессах:

1) фазовом переходе графитоподобного нитрида бора в кубический:

BN Gp ® BN Cub

2) фазовом переходе вюрцитного нитрида бора в кубический:

BNVtc ® BN Cub

3) спекании частиц BN Cub .

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

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

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

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

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

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

2) поликристаллы алмаза, получаемые спеканием алмазных зерен.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

– диффузия;

– химический распад нитрида бора;

– фазовый α-переход;

– абразивно-механическое изнашивание.

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

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

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

Порядок выполнения работы

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

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

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

Таблица 3.19

Контрольные вопросы

1. Классификация материалов для режущих инструментов.

2. Строение и свойства инструментальных углеродистых сталей.

3. Строение и свойства штамповых сталей.

4. Строение и свойства быстрорежущих сталей.

5. Строение и свойства твердых и сверхтвердых инструментальных сплавов.

6. Строение и свойства керамических инструментальных материалов.

7. Структура инструментальных углеродистых сталей.

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

9. Износостойкость и теплостойкость режущих инструментов.

10. Чем определяется температура нагрева режущей кромки инструментов?

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

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

13. Влияние содержания углерода на свойства углеродистых инструментальных сталей.

14. Чем определяется температура отпуска инструментов?

15. Горячая твердость и красностойкость быстрорежущей стали.

16. Обратимая и необратимая твердость быстрорежущих сталей.

17. Каким образом структурно создается красностойкость быстрорежущих сталей.

18. Как характеризуется красностойкость, ее обозначение.

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

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

21. Рабочие температуры резания инструмента из твердых сплавов.

22. Твердость металлокерамических твердых сплавов, чем она определяется?

23. Стали, применяемые для лезвийного инструмента.

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

25. Существенный недостаток керамики.

26. Как оценивается хрупкость керамики?

Лабораторная работа № 4

Исследование зависимостей

состав – структура – свойства Для чугунов

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

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

Теоретическая часть

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

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

– они легче обрабатываются резанием (образуется ломкая стружка);

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

– обладают более высокой износоустойчивостью (низкий коэффициент трения);

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

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

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

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

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

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

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

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

По назначению чугуны подразделяют:

1) на передельные;

2) машиностроительные.

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

Белые чугуны

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

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

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

В зависимости от содержания углерода белые чугуны делятся:

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

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

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

а б в

Рис. 4.1. Микроструктура белых чугунов, × 200:

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

б – эвтектический (ледебурит);

в – заэвтектический (ледебурит + первичный цементит)

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

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

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

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

Похожая информация.

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

Алмазы и алмазные инструменты широко используются при обработке деталей из различных материалов. Для алмазов характерны исключительно высокая твердость и износостойкость. По абсолютной твердости алмаз в 4 - 5 раз тверже твердых сплавов и в десятки и сотни раз превышает износостойкость других инструментальных материалов при обработке цветных сплавов и пластмасс. Кроме того, вследствие высокой теплопроводности алмазы лучше отводят теплоту из зоны резания, что способствует гарантированному получению деталей с бесприжоговой поверхностью. Однако алмазы весьма хрупки, что сильно сужает область их применения.

Для изготовления режущих инструментов основное применение получили искусственные алмазы , которые по своим свойствам близки к естественным. При больших давлениях и температурах в искусственных алмазах удается получить такое же расположение атомов углерода, как и в естественных. Масса одного искусственного алмаза обычно составляет 1/8-1/10 карата (1 карат - 0,2 г). Вследствие малости размеров искусственных кристаллов они непригодны для изготовления таких инструментов, как сверла, резцы и другие, а поэтому применяются при изготовлении порошков для алмазных шлифовальных кругов и притирочных паст.

Лезвийные алмазные инструменты выпускаются на основе поликристаллических материалов типа «карбонадо» или «баллас». Эти инструменты имеют длительные размерные периоды стойкости и обеспечивают высокое качество обработанной поверхности. Применяются они при обработке титановых, высококремнистых алюминиевых сплавов, стеклопластиков и пластмасс, твердых сплавов и других материалов.

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

Для того чтобы обрабатывать стали, чугуны и другие материалы на основе железа, были созданы сверхтвердые материалы , химически инертные к нему. Такие материалы получены по технологии, близкой к технологии получения алмазов, но в качестве исходного вещества используется не графит, а нитрид бора.

Поликристаллы плотных модификаций нитрида бора превосходят по теплостойкости все материалы, применяемые для лезвийного инструмента: алмаз в 1,9 раза, быстрорежущую сталь в 2,3 раза, твердый сплав в 1,7 раза, минералокерамику в 1,2 раза.

Эти материалы изотропны (одинаковая прочность в различных направлениях), обладают микротвердостью меньшей, но близкой к твердости алмаза, повышенной теплостойкостью, высокой теплопроводностью и химической инертностью по отношению к углероду и железу.

Характеристики отдельных из рассматриваемых материалов, которые в настоящее время получили название «композит», приведены в таблице.

Сравнительные характеристики СТМ на основе нитрида бора

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

Эффективность применения лезвийных инструментов из различных марок композитов связана с совершенствованием конструкции инструментов и технологии их изготовления и с определением рациональной области их использования:

композиты 01(эльбор-Р) и 02 (белбор) используют для тонкого и чистового точения и фрезерования без ударов деталей из закаленных сталей твердостью 55...70 НRС, чугунов и твердых сплавов ВК15, ВК20 и ВК25 с подачами до 0,20 мм/об и глубиной резания до 0,8

композит 05 применяют для чистового и получистового точения без ударов деталей из закаленных сталей твердостью 40...58 HRC, чугунов твердостью до 300 НВ с подачами до 0,25 мм/об и глубиной до 2,5 мм

композит 10 (гексанит-Р) используют для тонкого, чистового и получистового точения и фрезерования с ударами деталей из закаленных сталей твердостью не выше 58 HRC, чугунов любой твердости, сплавов ВК15, ВК20, ВК25 с подачей до 0,15 мм/об и глубиной резания до 0,6 мм

При этом период стойкости инструментов возрастает в десятки раз по сравнению с другими инструментальными материалами.

Материалы высокой твердости используются главным образом в механизмах, подверженных абразивному изнашиванию.

Из простых веществ большой твердостью обладают лишь алмазы и бор.

Подавляющее большинство веществ высокой твердости — тугоплавкие химические соединения (карбиды, нитриды, бориды, силициды).

Из-за высокой хрупкости твердых соединений и трудности их обработки изготовление деталей из них в большинстве случаев нецелесообразно или экономически невыгодно. Основная область их применения — твердые составляющие композиционных материалов и покрытия, наносимые разными способами.

Сверхтвердые материалы

К ним относятся кубические модификации углерода (алмаз) и нитрида бора.

Синтетические алмазы в виде порошков используют для приготовления абразивного инструмента и абразивных наст, в виде плотных поликристаллических образований (Баллас, Карбонадо) для производства абразивного инструмента, резцов, волок.

Спеканием смеси микропорошков синтетических и природных алмазов получают плотные поликристаллические образования алмаза — СВ и Дисмит.

Алмазы марки СВ применяют для буровых коронок и долот, а также для резки неметаллических материалов.

Дисмит применяют для изготовления горнобурового инструмента, режущего инструмента (резцы, сверла и другие), используемого для обработки цветных металлов и сплавов, пластмасс, стеклопластиков.

Кубический нитрид бора

Получают только синтетическим путем из гексагональной модификации. Применяется главным образом для изготовления абразивного инструмента. По твердости он уступает алмазу, но существенно превосходит его по теплостойкости.

В США кубический нитрид бора выпускается под названием Боразон, в СНГ — Эльбор и Кубонит. Марки их соответственно ЛО и КО обычной прочности и ЛР и КР — повышенной.

Разновидности поликристаллического материала на основе Эльбора и Кубонита — Эльбор -Р, Гексанит — Р, ИСМИТ, ПНТБ, КОМПОЗИТ и других… выпускаются в виде пластин различной формы. Изготавливают из них металлорежущий инструмент, применяемых при обработке труднообрабатываемых закаленных сталей, чугунов и сплавов с твердостью HRC>40. Стойкость такого инструмента в 10…20 раз больше стойкости твердосплавного, производительность повышается в 2…4 раза.