Сверхтвердые инструментальные материалы
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

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 оки- слов, и в условиях абразивного износа он незаменим. Плотность 3500–3600 кг/м3. Теплопроводность поликристаллов алмаза превышает те- плопроводность меди.

Природный алмаз является монокристаллом и позволяет получать практически идеальные острые и прямолинейные режущие кромки. С раз- витием электроники, прецизионного машино- и приборостроения возрас- тает применение резцов из природных алмазов для точения зеркально чис- тых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копиро- вальной техники и т. п.

Алмаз может быть эффективно применен для обработки медных кол- лекторов – съема небольшого слоя меди при тонкой подаче и очень высо- кой 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 тем- пературе, 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. Вы- сокая 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 кубиче- ских 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 одного– двух мм. Более крупные плотные шаровидные поликристаллические обра- зования синтетических алмазов, предназначенные для лезвийных инстру- ментов, были получены в промышленных условиях в начале 1970-х годов. Синтетические поликристаллические алмазы имеют высокий модуль упру- гости Е = 700–800 ГПа, высокий предел прочности на сжатие sВ » 7–8 ГПа, но низкий предел прочности на изгиб sИ » 0,8–1,1 ГПа.

По аналогичной технологии из бора и азота получена модификация нит- рида бора BN, по структуре и свойствам напоминающая синтетический ал- маз. 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: sВ » 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 причи- не, а также в связи с меньшим химическим родством с углеродом, кубиче- ский нитрид бора более эффективен, чем алмаз и твердые сплавы при чис- товой обработке сталей резанием, особенно при резании закаленных ста-

лей высокой твердости с небольшими сечениями срезаемого слоя.

В основе технологии изготовления поликристаллов лежат два различ- ных процесса: фазовый переход вещества из одного состояния в другое (собственно синтез) или спекание мелких частиц заранее синтезированно- го порошка ПСТМ. В нашей стране первым способом получают поликри- сталлический 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) систематизи- руются по таким определяющим признакам, как состав основы поликри- сталлов, способы получения, характеристика исходного материала. Вся гамма поликристаллов разделяется на пять основных групп: ПСТМ на ос- нове 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 порош- ков в чистом виде или после специальной предварительной обработки для активации процесса спекания. Изготовленные по такой схеме поликри-


сталлы представляют собой, как правило, однофазный продукт. Примером могут служить мегадаймонд, карбонит.

2) Поликристаллы алмаза типа СВ. Они представляют собой гетеро- генный композит, состоящий из частиц алмаза, скрепленных связкой – второй фазой, которая располагается в виде тонких прослоек между кри- сталлами алмаза.

3) Синтетические карбонады типа АСПК путем воздействия на угле- родосодержащее вещество со значительным количеством катализатора од- новременно высокого давления и высокой температуры. АСПК обладают меньшей твердостью и прочностью, чем поликристаллы первых двух раз- новидностей.

4) Поликристаллы алмаза, получаемые пропиткой алмазного порошка металлическим связующим при высоких давлениях и температурах. В каче- стве 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 ВМгВМсф (типичным представителем является композит 01);

2) Поликристаллы, получаемые в результате прямого перехода гекса- гональной модификации в кубическую BNrBN (композит 02);

3) Поликристаллы, получаемые в результате превращения вюрцитопо- добной модификации в кубическую BNg ® ВМдф. Поскольку полнота пе- рехода 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, кибо- рит

и др.).

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

Однородные по объему композиционные сверхтвердые материалы получают спеканием смеси порошков синтетического алмаза и кубическо- го 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 зарекомен- довавших себя в эксплуатации, следует отметить «Славутич» (из природ- ных алмазов) и «Твесал» (из синтетических алмазов).


Принципиальной особенностью двухслойных композиционных поли- кристаллических материалов является то, что спекание порошков сверх- твердых 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 со- держать компоненты подложки.

 




Абразивные материалы

При абразивной обработке применяются инструменты на жесткой ос- нове (круги, сегменты, бруски), на гибкой основе (эластичные круги, шкурки, ленты), а также пасты и абразивные зерна. Абразивные круги из- готавливают из пористого композиционного материала, состоящего из аб- разивных зерен, связки и пор. Абразивные материалы могут быть природ- ными (кварцевый песок, корунд, наждак, алмаз и др.) и искусственными (электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, синтетический алмаз, КНБ). Из искусственных абразивных материалов наиболее широкое примене-

ние получили: электрокорунд (Al2O3), карбид кремния (SiC), карбид бора

(B4C), синтетический алмаз и кубический нитрид бора (BN).

Электрокорунд представляет собой кристаллическую окись алюминия Al2O3 , являющуюся очищенным продуктом плавки глинозема (бокситов). Различают несколько видов электрокорунда: нормальный, белый, хроми- стый, титанистый и монокорунд, каждый из которых имеет свою предпоч- тительную область применения.

Наибольшее применение получил электрокорунд нормальный, имею- щий следующие разновидности: 16А, 15А, 14А, 13А, 12А. Наибольшую эффективность шлифовальные круги с электрокорундовыми зернами име- ют при черновом, получистовом и черновом шлифовании сталей и чугу- нов, а также при заточке инструмента из быстрорежущих сталей.

Электрокорунд белый (25А, 24А, 23А, 22А) превосходит по режущим свойствам электрокорунд нормальный, так как в нем содержится меньше примесей. Круги с зернами из электрокорунда белого применяют для бо- лее ответственных операций шлифования сталей повышенной прочности и вязкости (незакаленных и закаленных), ковкого чугуна, заточки инстру- мента из быстрорежущей стали.

Электрокорунд хромистый (34А, 33А, 32А) получают при плавке в элек- тропечах глинозема с добавками хромистой руды. Зерна имеют розовую ок- раску, обусловленную химическим составом (97% Al2O3, до 2% CrO).

При плавке в электропечах глинозема с добавлением соединений ти- тана получают электрокорунд титанистый 37А, который после дробления и сепарации зерен различного размера имеет следующий состав: 97%


Al2О3 и до 2% Ti.

Шлифовальные круги с зернами хромистого и титанистого электроко- рунда используют для напряженных операций шлифования углеродистых и конструкционных сталей, а также высокоточных и доводочных операций.

Монокорунд (97–98% Al2О3) 45А, 44А, 43А отличается высокой проч- ностью и повышенными режущими свойствами, поэтому круги с моноко- рундовыми зернами используют главным образом для шлифования загото- вок из очень прочных сталей, ковких чугунов, быстрорежущих сталей.

Карбид кремния (карборунд) является химическим соединением кремния и углерода SiC, получаемый спеканием в электропечах кварцево- го песка с углеродом в виде кокса, и выпускается двух видов: карбид кремния черный (КЧ) 55С, 54С, 53С, 52С и карбид кремния зеленый (КЗ) 64С, 63С, 62С. В зернах КЗ содержится до 98–99 % SiC, в зернах КЧ95 – 98 % SiC.

Более качественные круги с зерном КЗ применяют для заточки твер- досплавного инструмента, круги с зернами КЧ – для шлифования загото- вок из низко прочных чугунов, бронз, а также мягких материалов типа мягкой латуни, алюминия, меди.

Карбид бора B4C является очень твердым материалом, лишь вдвое ус- тупающим по твердости натуральному алмазу, однако имеет чрезвычайно низкую прочность, поэтому используется для приготовления притирочных порошков и паст. Используют для доводки твердосплавного инструмента с получением радиуса округления r в пределах 6 – 10 мкм.

Для изготовления алмазных и эльборовых кругов используют синтети- ческие алмазные и эльборовые зерна различной зернистости и прочности.

В настоящее время при производстве алмазных шлифовальных кругов используют следующие марки зерен: АС2 (АСО) – алмаз синтетический обычной прочности, предназначенный для изготовления алмазных кругов на органической связке, а также паст и порошков; АС4 (АСР) – алмаз син- тетический повышенной прочности, предназначенный для изготовления алмазных кругов на керамической и металлической связках; АС6 (АСВ) – алмаз синтетический высокой прочности, предназначенный для изготов- ления алмазных кругов на металлической связке, работающих при боль- ших удельных нагрузках, характерных для черновых операций шлифова- ния; АС15 (АСК) – алмаз синтетический кристаллический с прочностью, близкой к прочности природных алмазов.

Выпускаются также поликристаллические алмазные зерна марок АР и алмазные микропорошки марок АСМ, АМ, АСН, АН, которые применяют для изготовления притирочных и доводочных паст и порошков.

Для изготовления эльборовых шлифовальных кругов выпускается две марки зерен на основе КНБ: ЛО – КНБ обычной прочности, с обычным со- держанием основной фракции; ЛП – КНБ повышенной прочности, с по-


вышенным содержанием основной фракции.

Наиболее широкое применение для изготовления шлифовальных кру- гов нашли электрокорундовые зерна (до 80%), производство кругов на ос- нове зерен КЧ и КЗ занимает второе место (до 15–20 %). Алмазные и эль- боровые шлифовальные круги используют только для особо ответствен- ных операций шлифования, так как такие круги имеют высокую стои- мость. Например, алмазные и эльборовые круги достаточно широко при- меняют при производстве режущих инструментов для операций чистовой заточки и доводки. В частности, чистовую заточку твердосплавных инст- рументов производят алмазными кругами на органической (напайные твердосплавные инструменты) и металлической (многогранные твердо- сплавные пластины) связках, а чистовую заточку и доводку быстрорежу- щего инструмента – эльборовыми кругами.

Абразивные зерна классифицируют (ГОСТ 3647–80): на шлифзерна (2000–160 мкм), шлифпорошки (125–40 мкм), микрошлифпорошки (63–14 мкм) и тонкие микрошлифпорошки (10–3 мкм). Зернистость шлиф- зерна и шлифпорошка, в микрометрах, обозначают числом, равным 0,1 размера стороны сита, на котором задерживаются зерна основной фрак- ции, а зернистость микрошлифпорошков обозначают буквой М, за которой следует число, равное верхнему пределу размеров зерен основной фрак- ции, в микрометрах.

При выборе размера зерна следуют следующему правилу: для чисто- вых операций предпочтение отдают шлифовальным кругам с мелкими зернами, что способствует повышению чистоты обработанной поверхно- сти, для черновых операций выбирают шлифовальные круги с крупным зерном, что способствует повышению интенсивности съема металла.

 



Дата: 2018-12-21, просмотров: 431.