Сверхтвердые синтетические поликристаллические инструментальные материалы

Природный алмаз – самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента. Принципиальное отличие монокристаллического природного алмаза от всех других инструментальных материалов, имеющих поликристаллическое строение, с точки зрения инструментальщика состоит в возможности получения практически идеально острой и прямолинейной режущей кромки. Поэтому в конце XX века с развитием электроники, прецизионного машиностроения и приборостроения применение резцов из природных алмазов для микроточения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т.п. возрастает. Однако из-за дороговизны и хрупкости природные алмазы не применяются в общем машиностроении, где требования к качеству обработки деталей не столь высоки.

Потребность в сверхтвердых материалах привела к тому, что в 1953-1957 годах в Швеции (фирма ASEA) и США («Дженерал электрик») и в 1959 году в СССР (Институт физики высоких давлений) методом каталитического синтеза, при высоких статических давлениях, из гексагональных фаз графита (С) и нитрида бора (BN), были получены мелкие частицы кубических фаз синтетического алмаза и нитрида бора.

Теория синтеза алмаза впервые была предложена О.И.Лейпунским (1939г.), который на основе экспериментальных данных об обратном переходе алмаза в графит, сформулировал условие перехода графита в алмаз и рассчитал кривую равновесия графит – алмаз при высоких давлениях. Синтез алмаза из графита при высоких давлениях (более 4,0 ГПа) и температурах (свыше 1400К) осуществляется в присутствии металлических растворителей углерода (Ni, Fe, Co и др.).

Кубический нитрид бора (КНБ) сверхтвердый материал не имеющий природного аналога. Впервые кубический нитрид бора был синтезирован в 1956 году (фирмой «Дженерал Электрик») при высоких давлениях (свыше 4,0 ГПа) и высокой температуре (свыше 1473К) из гексагонального нитрида бора в присутствии щелочных и щелочноземельных металлов (свинец, сурьма, олово и др.). Кубический нитрид бора, выпускаемый фирмой «Дженерал Электрик» был назван Боразоном.

Синтетические монокристаллы алмаза и КНБ, полученные искусственным путем имеют очень малые размеры, поэтому для использования в качестве инструментального материала их соединяют (сращивают) в поликристаллы.

Поликристаллические композиционные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора появились на рубеже 60-70 годов. Характерной особенностью таких материалов является наличие жесткого каркаса из сросшихся зерен алмаза или КНБ. Спекание порошков алмаза и КНБ, как правило, осуществляется в области термодинамической стабильности алмаза и КНБ при давлении 5…9 ГПа и температурах 1500…2000К. Обычно спекание поликристаллических композиционных материалов осуществляют в присутствии активирующих процесс спекания добавок, для алмазных порошков – кобальт или кремний, а для порошков КНБ – алюминий (рис. 2.4). Составляющие каркас зерна это в сущности, монокристаллы алмаза, обладающие рядом уникальных физико-механических и теплофизических свойств. Насколько эти свойства реализуются в поликристалле, зависит от степени их взаимосвязи.

Технология производства двухслойных пластин, состоящих из верхнего рабочего слоя – сверхтвердого материала скрепленного с твердосплавной пластиной. Спеканием двухслойной пластины с алмазным рабочим слоем получают АТП, а с рабочим слоем из КНБ – КТП. Физико-механические свойства этих материалов приведены в табл. 2.14, 2.15

Рисунок 2.4 – Структура алмазного композиционного поликристаллического материала

Классификация ПСТМ основана на способе их получения и особенностях структуры. Основные способы получения ПСТМ показаны в табл. 2.13.

Таблица 2.13 Способы получения ПСТМ

Груп па	Способ получения	Пример
1	Переход графита в алмаз в присутствии растворителя	АСПК (ИФВД, Россия), АСБ (ИФВД, Россия)
	Переход графитоподобного нитрида бора в кубический (КНБ) в присутствии растворителя	Композит 01 (НПО «Ильич», Россия), композит 02 (ИФТТиП, Беларусь)
	Переход вюрцитного нитрида бора в кубический	Композит 10 (ИПМ, Украина)
2	Спекание порошков алмаза с активирующими добавками Спекание порошков КНБ с активирующими добавками	АКТМ (ИСМ, Украина), СКМ, СВБН,карбонит. Киборит (ИСМ, Украина), ниборит
3	Спекание двухслойных пластин на твердосплавной подложке с алмазным рабочим слоем	АТП (ИСМ, Украина)
	Спекание двухслойных пластин на твердосплавной подложке с рабочим слоем из КНБ	КТП (ИСМ, Украина)

При переходе графита в алмаз в присутствии растворителя получают искусственные алмазы марок АСПК-карбонадо и АСБ-баллас, структура которых идентична структуре природных алмазов таких же названий. При переходе графитоподобного нитрида бора в кубический (КНБ) в присутствии растворителя получают Композит 01 (Эльбор-Р) и Композит 02 (Белбол), а при переходе вюрцитного нитрида бора в кубический Композит 10 (Гексанит-Р). Спеканием порошков алмаза получают марки АКТМ , СКМ, СВБН и карбонит, а спеканием порошков КНБ – киборит и ниборит. Получает развитие

Таблица 2.15 Физико-механические свойства материалов на основе КНБ

За рубежом на основе технологии спекания алмазных зерен выпускают поликристаллические материалы Syndite 025, Megadiamond, Sumidia, Compax и др., а на основе спекания зерен КНБ Amborite, BZN, Sumiboron, Wurzin и др. размеры пластин СПТМ могут достигать 30-40 мм в диаметре, что открывает возможность получения инструмента с режущими кромками большой длины.

Преимущества инструментальных ПКА в сравнении с монокристаллическими алмазами связаны с произвольной ориентацией кристаллов в рабочем слое режущих пластин, что обеспечивает высокую однородность по твердости и стойкости к истиранию во всех направлениях.

Во многих случаях наблюдаемая на практике большая износостойкость резцов из синтетических алмазов, по сравнению с резцами из природных алмазов, объясняется различием их структур. У природного алмаза появившиеся трещины на режущей кромке, развиваются и могут достигать значительных размеров. У синтетического алмаза, представляющего собой поликристалл, возникающие трещины тормозятся и останавливаются границами кристаллов, что и определяет их более высокую в среднем в 1,5-2,5 раза износостойкость.

Поликристаллы алмаза отличаются от монокристаллов более высокой термостойкостью. такие материалы как АКТМ и СВ не теряют своих режущих и прочностных свойств при нагреве до 1473К и выше, что позволяет производить их напайку на твердосплавные пластины.

Коэффициент трения ПКА с металлом несколько выше, чем у природных алмазов. Это объясняется наличием пор на поверхности поликристалла, вызванных выпадением частиц кристаллов, а также наличием частиц металлической фазы (после синтеза) или связующего. Однако величина коэффициента трения ПКА со многими металлами не превышает 0,2, что свидетельствует о превалировании в контакте внешнего трения. Это является особенностью контактных процессов алмаза с большинством металлов. Однако, с никель и железосодержащими материалами алмаз имеет химическое сродство. 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. Накопленный опыт свидетельствует о том, что наиболее эффективное применение алмазного инструмента получают на чистовых и отделочных операциях при обработке деталей из цветных металлов и их сплавов, а так же из различных полимерных композиционных материалов. Инструмент может быть использован при точении прерывистых поверхностей и при фрезеровании, однако его стойкость будет ниже, чем при обработке без удара.

Успешно применяются режущие пластины из ПКА при обработке полимерных композитных материалов. Использование режущих пластин с механическим креплением позволяет повысить стойкость в 15-20 раз по сравнению с инструментом из твердого сплава.

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. Обработка таких материалов обычным инструментом неэкономична.

В настоящее время режущий инструмент, применяемый в деревообрабатывающей промышленности и промышленности по переработке пластмасс, оснащают поликристаллами алмаза. Такой инструмент имеет стойкость в 200-300 раз выше стойкости твердосплавных инструментов.

Геометрические параметры алмазного инструмента во многом определяются свойствами кристаллов природного алмаза. Кристаллы алмаза обладают высокой хрупкостью, поэтому режущие кромки инструментов должны обладать повышенной прочностью. С целью упрочнения режущей кромки угол заострения , алмазного инструмента должен быть максимально допустимым.

Передний угол  от 0 до 15, задний угол  от 2 до 6, радиус вершины r_b от 0,2 до 1,0 мм для алмазных резцов выбирают от вида обрабатываемого материала.

Для обеспечения шероховатости обработанной поверхности до R_a 0,1, режущая кромка не должна иметь сколов, а передняя и задняя поверхность инструмента обработаны до шероховатости R_a 0,01-0,015. Радиус округления режущей кромки , должен достигать размеров менее 0,1 мкм.

В связи с повышенной чувствительностью инструментов из ПСТМ к вибрациям и ударным нагрузкам, к станкам, используемым для обработки режущих элементов из ПСТМ предъявляются повышенные требования в отношении точности, виброустойчивости и жесткости.