Сверхтвердые материалы

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.

В таблице 10. приведены рекомендации по режимам резания при обработке алмазными инструментами различных обрабатываемых материалов.

Таблица 10. Рекомендуемые режимы резания при точении резцами из алмаза

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.