Сверхтвердые инструментальные материалы (СТМ).

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 синтетические сверхтвердые матери­алы на основе алмаза или 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 инструментальныйматериал имеет существенный недостаток — при повышенной температуреонвступает 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 табл. 6.5.

Табл. 7. Сравнительные характеристики СТМ на основе нитрида бора

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_э, чугунов и твердых сплавов ВК15, ВК20 и ВК25 с подачами до 0,20 мм/об и глубиной резания до 0,8 мм; композит 05 применяют для чистово­го и получистового точения без ударов деталейиз закаленных сталей твердостью 40...58 НRС_э, 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_Э, 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.

Область применения СТМ до недавнего времени ограничивалась из-за сравнительно небольших размеров поликристаллов. В настоящее время освоен выпуск двух­слойных неперетачиваемых пластин, состоящих из твер­дого сплава (основа) и слоя из поликристаллов алмаза или нитрида бора толщиной до 0,5 мм, что повысит общую эффективность использования инструментов из сверх­твердых материалов.

Монокристаллические материалы. В последние годы в качестве инструментальных материалов находят примене­ние синтетический корунд в виде рубина, а также моно­кристаллы бесцветного корунда, или лейкосапфиры.

Рубин представляет модификацию α-Аl₂О₃ с неболь­шими примесями хрома, а лейкосапфир — синтетический монокристалл в виде а-модификации, который почти не со­держит примесей. Последний имеет более высокие меха­нические свойства, чем рубин, в силу чего и находит более широкое применение. Инструменты, изготовленные из мо­нокристаллов корунда, рекомендуется использовать для тонкой обработки цветных металлов, сталей и чугунов.

Рис. 61. Использование инструмен­тальных материалов в диапазоне до­пустимых скоростей резания и подач: 1— быстрорежущие стали; 2 — твердые сплавы; 3 — твердые сплавы с покрытиями; 4 — нитридная керамика; 5—оксидно-карбидная керамика; 6— оксидная керамика;

Нитрид бора

Разнообразие инструментальных материалов, исполь­зуемых в настоящее время промышленностью, под­тверждают данные рис. 61 и табл. 6.6.