Анализ на характеристиките и режещите свойства на PSTM. За свръхтвърди материали се считат тези с твърдост по Викерс при стайна температура над 35 GPa.
Естественият диамант е най-твърдият материал на Земята и отдавна се използва като режещ инструмент. Основната разлика между монокристалния естествен диамант и всички други инструменти с поликристална структура от гледна точка на производителя на инструменти е възможността за получаване на почти идеално остър и прав режещ ръб. Ето защо в края на 20 век, с развитието на електрониката, прецизното машиностроене и уредостроенето, се увеличава използването на фрези с естествен диамант за микроструговане на огледално чисти повърхности на оптични части, дискове с памет, барабани за копирна техника и др. Въпреки това, поради високата си цена и крехкост, естествените диаманти не се използват в общото машиностроене, където изискванията за обработка на детайлите не са толкова високи.
Необходимостта от свръхтвърди материали доведе до факта, че през 1953 - 1957 г. в САЩ и през 1959 г. в СССР малки частици от кубични фази на синтетичен диамант бяха получени от хексагоналните фази на графит (C) и борен нитрид (BN) чрез каталитичен синтез при високи статични налягания и борен нитрид. Големи поликристали, предназначени за инструменти с остриета, се произвеждат индустриално в началото на 70-те години.
Диаграмата на състоянието на въглероден и борен нитрид е показана на фиг. 11.9.
Технологията за производство на поликристали с диаметър 4-40 мм се основава на две различен процес: фазов преход на вещество от едно състояние в друго (самият синтез) или синтероване на малки частици от предварително синтезиран PSTM прах. В нашата страна първият метод е получаването на поликристален кубичен борен нитрид (PCBN) от класове композит 01 (ел-бор RM) и композит 02 (белбор), както и поликристален диамант (PDA) от ASPC (карбонадо) и Оценки ACE (ballas). В чужбина има трима производители на PSTM, използващи технология за синтероване: най-големите компании General Electric (САЩ), De Beers (Южна Африка) и Sumitomo Electric (Япония). Поликристални режещи инструменти от тези трима доставчика се произвеждат от стотици компании по целия свят.
PSTM са принципно нови инструментални материали, както по отношение на технологията на производство, така и по отношение на условията на работа. Могат да се обработват
рязане на продукти при скорости на рязане с порядък по-високи от разрешените скорости при използване на твърдосплавни инструменти. В допълнение PCD инструментите имат десетки пъти по-високи скорости от твърдосплавните инструменти.
* Коефициент на устойчивост на термичен удар R = ,
** Емпирична характеристика на устойчивост на износване I/4 E ' N:
Поликристалните свръхтвърди материали (PSHM) са систематизирани според такива определящи характеристики като състава на поликристалната основа, методите на производство и характеристиките на изходния материал. Цялата гама от поликристали е разделена на пет основни групи: диамантено базирани PSTM (DPA),
PSTM на базата на плътни модификации на борен нитрид (SPNB), композитни свръхтвърди материали (KSTM), двуслойни свръхтвърди композитни материали (DSCM).
PSTM на основата на диамант. Поликристалите на базата на синтетичен диамант могат да бъдат разделени на четири вида:
1. Поликристали, получени чрез синтероване на фини диамантени прахове в чиста формаили след специална предварителна обработка за активиране на процеса на синтероване. Поликристалите, произведени по тази схема, като правило са еднофазен продукт. Примерите включват мегадиамант и карбонит.
2. Поликристали от диамантен тип SV. Те са хетерогенен композит, състоящ се от диамантени частици, държани заедно от свързващо вещество - втората фаза, която е разположена под формата на тънки слоеве между диамантените кристали.
3. Синтетични карбонати от типа ASPK. Те се произвеждат чрез излагане на въглерод-съдържащо вещество със значително количество катализатор на високо налягане и висока температура. Плътността на такива поликристали варира в широк диапазон, а съдържанието на примеси варира от 2 до 20% от теглото. Поради това поликристалите от типа ASPC имат по-ниска твърдост и якост от поликристалите от първите две разновидности.
4. Диамантени поликристали, получени чрез импрегниране на диамантен прах с метално свързващо вещество при високи наляганияи температури. Като свързващи вещества се използват никел, кобалт, желязо и хром. Диамантените поликристали, получени по този метод, имат високи механични свойства.
Физическите и механичните свойства на PSTM на базата на диамант са представени в табл. 11.20.
|
Таблица 11.20 Физико-механични свойства на PSTM на основата на диамант
|
Микротвърдостта на поликристалните диаманти е средно същата като тази на естествените монокристали, но диапазонът на нейното изменение при синтетичните диаманти е по-широк. Съотношението на максималната към минималната стойност за различните видове поликристали е в диапазона 1,2 -2,28.
Микротвърдостта по периферията е 1,25 пъти по-голяма, отколкото в центъра на пробата в зони, съседни на катализатора.
Плътността на синтетичните бала и карбонадо е по-висока от плътността на монокристалите на естествения диамант, което се обяснява с наличието на известно количество метални включвания. Тъй като концентрацията на металната фаза се увеличава, плътността също нараства почти пропорционално.
Топлопроводимостта на диамантените поликристали надвишава топлопроводимостта на медта и среброто и в някои случаи достига топлопроводимостта на диамантените монокристали. Топлопроводимостта на поликристалите зависи от температурата. Освен това, за някои материали, с повишаване на температурата до 450 ° C, топлопроводимостта се увеличава, достигайки максимум и след това намалява. За други, като ASB и SCM, тя монотонно намалява до 900°C.
PSTM на базата на кубичен борен нитрид. Има няколко вида PSTM на базата на борен нитрид.
1. Поликристали, синтезирани от хексагонален борен нитрид (HBN) в присъствието на разтворител VMgVMsf (композит 01 е типичен представител);
2. Поликристали, получени в резултат на директния преход на хексагоналната модификация в кубичен BNrBN (композит 02);
3. Поликристали, получени в резултат на превръщането на вюрцитоподобна модификация в кубичен BNg VMdf. Тъй като пълнотата на прехода се регулира от параметрите на синтероване, тази група включва материали със значително различни свойства (композит 10, композит 09);
4. Поликристали, получени чрез синтероване на прахове от кубичен борен нитрид (CBN) с активиращи добавки (композит 05-IT, циборит и др.).
Основните физически и механични характеристики на различни степени на PSTM на базата на плътни модификации на борен нитрид са дадени в таблица. 11.21.
|
Таблица 11.21 Основни физико-механични характеристики на PSTM на базата на плътни модификации на борен нитрид |
|
Край на масата. 11.21
|
PSTM, базирани на плътни модификации на борен нитрид, малко по-ниски от диаманта по твърдост, се характеризират с висока устойчивост на топлина, устойчивост на циклично излагане на високи температури и, най-важното, по-слабо химично взаимодействие с желязото, което е основният компонент на повечето материали в момента подложени на рязане.
Поликристалите от композитния тип 01 имат финозърнеста структура, чиято доминираща фаза са малки зърна CBN, прераснали и взаимно прераснали, за да образуват траен агрегат. Примесите са равномерно разпределени в целия обем на пробата. Заедно с основната кубична модификация, те могат частично да съдържат нереагирал хексагонален борен нитрид.
Размерите на зърната и включванията на съпътстващите фази са приблизително 30 микрона, порьозността е равномерна, 10%.
Композитни свръхтвърди материали (KSTM). Хомогенните по обем CSTM се произвеждат чрез синтероване на смес от синтетични диамантени прахове и кубичен или вюрцитов борен нитрид. Това включва материали като PKNB - AS, SVAB (CIS), compact (Япония). Тези материали трябва да се считат за обещаващи.
От материалите от този клас най-висока микротвърдост имат материалите SV-1 и SV-40, а най-ниска SV-14 и SVAB. Невъзстановената микротвърдост варира от 47,0 до 66,0 GPa, а модулът на еластичност варира от 640 до 810 GPa.
Съдържащите диаманти материали на основата на твърди сплави също принадлежат към композитния клас. Сред материалите от тази група, които са се доказали добре в експлоатация, трябва да отбележим „Славутич“ (направени от естествени диаманти) и твесали (направени от синтетични диаманти).
Двуслойни композитни поликристални материали (DSCM). Основната характеристика на DSCM е, че синтероването на прахове от свръхтвърди материали се извършва при високи температури и налягания върху субстрат, изработен от твърди сплави на базата на волфрамови, титанови, танталови карбиди, което води до образуването на PSTM слой 0,5-1 mm дебел, здраво свързан с материала на основата. Диамантеният слой може да съдържа поддържащи компоненти.
Двуслойните материали имат някои предимства пред STM, които са хомогенни по обем. Технологията за закрепване на режещия инструмент в тялото на държача чрез запояване към карбидния субстрат е опростена. Наличието на субстрат, здраво свързан с работния слой на STM, дава на материалите повишена якост на удар, а използването на тънък слой STM (0,5-2 mm) ги прави по-икономични, тъй като при заточване и повторно шлайфане на инструмент, невъзвратимите загуби на скъпи свръхтвърди материали са значително намалени.
Най-известните вътрешни двуслойни свръхтвърди композитни материали, изработени от кубичен борен нитрид, включват композит 05-IT-2S, композит 10D, VPK, базиран на диамант - DAP, Diamet, AMK-25, AMK-27, BPA, ATP. В чужбина двуслойни поликристални свръхтвърди материали на базата на диамант се произвеждат от De Beers (Южна Африка) под търговската марка синдит RKD010 и RKD 025. Синдит RKD025 се препоръчва главно за груба обработка, а по-финозърнест синдит RKD010 се препоръчва за крайна обработка.
Области на приложение на инструментите PSTM. Основната област на ефективно приложение на режещи инструменти, изработени от PSTM, е автоматизирано производство на базата на машини с ЦПУ, многофункционални машини, автоматични линии и специални високоскоростни машини.
В табл 11.22 показва скоростите на рязане, препоръчани за обработка на различни материали с инструменти PSTM.
Изборът на конкретна скорост на рязане се определя от количеството отстранени резерви, възможностите на оборудването, подаването, наличието на ударни натоварвания по време на процеса на рязане и много други фактори.
Разработена и произведена е широка гама инструменти, направени от PSTM. Това са стругови проходни, набраздяващи, пробиващи, жлебове, резборези, включително тези със стъпаловиден дизайн за премахване на увеличени резерви от части като валцуващи ролки, челни и прикрепващи фрези, включително регулируеми и регулируеми, които могат да бъдат оборудвани с плочи, изработени от различни инструментални материали с оптимална геометрия за всеки, гама от запоени сондажни и готови фрези, зенкери, бормашини и др. Създадени са триони, оборудвани с PSTM за обработка на плочи от дървесни частици на автоматични линии. Инструментите могат да бъдат оборудвани както със запоени режещи елементи (цилиндрични и правоъгълни вложки, твърдосплавни многостенни вложки с PSTM, запоени в един от върховете), така и сменяеми кръгли и многостенни вложки с плътна или двуслойна конструкция.
|
Таблица 11.22 Скорости на рязане с инструменти PSTM
|
Имайте предвид, че за ударно струговане и фрезоване на закалени бързорежещи стомани и стомани с високо съдържание на хром (тип X12) не се препоръчват инструменти, изработени от PSTM.
Изчисленията показаха това необходимо условиеЕфективността на въвеждането на инструменти от PSTM на машини с ЦПУ и обработващи центри вместо твърдосплавни фрези и фрези е да се увеличи интензивността на отстраняване на резервите (обем метал за единица време) с 1,5-2,5 пъти. Въпреки това, практиката за въвеждане на високоскоростно рязане показва възможността за увеличаване на производителността на обработката с 3-6 пъти или повече. По този начин, при създаването на автоматизираната инсталация „Красный пролетарий“ за довършителна обработка на части от чугунени корпуси с грапавост на повърхността Ra от 1,25 микрона на многофункционални машини от типа IR 500, беше предложено да се използват касетъчни челни мелници d = 125 mm нов дизайн с аксиално и радиално регулиране на позицията на радиусните режещи ръбове (с точност не по-лоша от 0,005 mm) на квадратни PCBN плочи. Режим на рязане n = 3000 об/мин; v = 1177 m/min; SM = 2000 mm/min; t = 0,3-0,4 мм. При използване на високоскоростни машини с n = 6000 rpm скоростта на рязане се увеличава до 2350 m/min, подаването до 4000 mm/min, а производителността на процеса на рязане ще бъде 10 пъти по-висока в сравнение със съществуващото ниво.
Тенденции в развитието на процесите механична обработкарязане предполагат, че през следващите години високоскоростното рязане с широкото използване на нови инструменти ще се превърне в напълно обичайно явление в предприятията, оборудвани с модерно автоматизирано оборудване.
Най-ефективното използване на диамантени инструменти е при довършителни и довършителни операции при обработка на детайли от цветни метали и техните сплави, както и неметални и композитни материали. Диамантът като инструментален материал има два съществени недостатъка - относително ниска топлоустойчивост и дифузионно разтваряне в желязо при високи температури, което практически изключва използването на диамантени инструменти при обработка на стомани и сплави, способни да образуват карбиди. В същото време, благодарение на много високата топлопроводимост, режещият ръб на острието се охлажда интензивно, което прави диамантените инструменти подходящи за работа при високи скорости на рязане.
Съществуващите в световната практика видове STM на основата на диаманти са представени на фиг. 6.23.
ориз. 6.23 Свръхтвърди материали за инструменти с диамантено острие
Инструментите с монокристален диамантен диск се използват за обработка на радиокерамика, полупроводникови материали и високопрецизна обработка на цветни сплави. Монокристалните диамантени инструменти се характеризират с рекордна устойчивост на износване и минимален радиус на заобляне на режещия ръб, което гарантира високо качествообработена повърхност. Трябва да се има предвид, че цената на монокристален диамантен инструмент е няколко пъти по-висока от цената на поликристален диамантен инструмент. Предимствата на инструменталните поликристални диаманти (PCD, в чужбина PCD), в сравнение с монокристалните диаманти, са свързани с произволната ориентация на кристалите в работния слой на режещите вложки, което осигурява висока равномерност на твърдостта и устойчивостта на абразия във всички посоки с високи стойности на якост. От поликристални диаманти, получени на базата на фазов преход, класовете ASPC, които се получават от графит по време на синтез в присъствието на метални разтворители, са широко разпространени за инструменти с остриета. ASPC марките се произвеждат под формата на цилиндри с диаметър 2, 3 и 4 mm и дължина до 4 mm.
От всички видове PCD най-разпространени са диамантените инструменти, получени чрез синтероване на диамантени прахове (размер 1...30 микрона) в присъствието на кобалтов катализатор. Пример може да бъде фино зърнестият CMX850 или универсалната марка CTM302 от ElementSix, вложки различни форми VNIIALMAZ, JSC "MPO VAI". Съществени предимства по отношение на здравината на плочите и удобството на тяхното закрепване чрез запояване в тялото на инструмента осигуряват двуслойни плочи с диамантен слой върху твърдосплавна подложка, наричани още ATP - диамантено-карбидни плочи. Например, такива плочи с различни размери се произвеждат в чужбина от Diamond Innovations под марката Compax. Element Six произвежда синдитни вложки с дебелина на диамантения слой от 0,3 до 2,5 mm и различни размери на диамантените зърна. Двуслоен SVBN от местно производство е запоен в горната част на карбидна плоча стандартни размери. Композитният клас включва диамантосъдържащи материали на базата на твърди сплави, както и състави на базата на поликристални диаманти и хексагонален борен нитрид. От композитите от диамантено-твърда сплав, които са се доказали в експлоатация, трябва да се отбележи „Славутич“ (от естествени диаманти) и „Твесал“ (от синтетични диаманти).
Поликристалите на диаманта, получени чрез химическо отлагане на пари (CVD-диамант), представляват фундаментално нов тип STM на базата на диаманти. В сравнение с други видове поликристални диаманти, те се характеризират с висока чистота, твърдост и топлопроводимост, но по-ниска якост. Представляват дебели филми, а всъщност плочи с дебелина 0,3...2,0 mm (най-типичната дебелина е 0,5 mm), които след израстване се отлепват от подложката, изрязват се с лазер и се запояват към карбид. вложки. При обработка на силно абразивни и твърди материали, те имат издръжливост, която е няколко пъти по-висока от другите PCD. Според ElementSix, който произвежда такива PCD под общото наименование CVDite, те се препоръчват за непрекъснато струговане на керамика, твърди сплави и метални матрични композиции. Не се използва за обработка на стомана. През последните години се появиха публикации за индустриално отглежданемонокристални диаманти, използващи CVD технология. Следователно трябва да очакваме този тип монокристални диамантени инструменти да се появят на пазара в близко бъдеще.
Технологията CVD произвежда не само инструментите с диамантени ножове, описани по-горе, но и диамантени покрития върху карбидни и някои керамични инструменти. Тъй като температурата на процеса е 600...1000 0 C, такива покрития не могат да се нанасят върху стоманени инструменти. Дебелината на покритията върху инструментите, включително тези със сложен профил (бормашини, фрези, SMP), е 1...40 микрона. Региони рационално използванедиамантените покрития са подобни на CVD-диамантените инструменти.
Диамантените покрития трябва да се разграничават от диамантените покрития. Аморфните покрития Diamond-LikeCoating (DLC) се състоят от въглеродни атоми с диамантени и графитоподобни връзки. Диамантеноподобните покрития, нанесени чрез физическо отлагане на газове (PVD) и плазмено активирано химическо отлагане на газове (PACVD), са с дебелина 1...30 микрона (обикновено около 5 микрона) и се характеризират с висока твърдост и рекордно нисък коефициент на триене . Тъй като процесът на нанасяне на такива покрития се извършва при температури не по-високи от 300 0 C, те се използват и за увеличаване на издръжливостта на високоскоростни инструменти. Най-голям ефект от диамантените покрития се постига при обработка на медни, алуминиеви, титанови сплави, неметални материали и силно абразивни материали.
Свръхтвърди композити на основата на борен нитрид. STM на базата на поликристален кубичен борен нитрид (PCBN в Русия и PCBN в чужбина), малко по-нисък от диаманта по твърдост, се характеризират с висока устойчивост на топлина, устойчивост на циклично излагане на високи температури и, най-важното, по-слабо химично взаимодействие с желязото, следователно най-голяма ефективност на използването на инструменти на основата на BN възниква при обработка на чугуни и стомани, включително такива с висока твърдост.
В чужбина, съгласно ISO 513, разделянето на класовете PCBN се извършва според съдържанието на кубичен борен нитрид в материала: с високо (70...95%) съдържание на BN (индекс "H") и относително малък количество свързващо вещество и с ниско (40...70 %) съдържание на BN (индекс "L"). За класове PCBN с ниско съдържание се използва TiCN керамична връзка. Класовете с високо съдържание на BN се препоръчват за високоскоростна обработка на всички видове чугун, включително закален и избелен, както и струговане на топлоустойчиви никелови сплави. PCBN с ниско съдържание на BN имат по-голяма якост и се използват предимно за обработка на закалени стомани, включително обработка с прекъсвания. Sumitomo Electric също произвежда вложки от PCBN с керамично покритие (тип BNC), които имат повишена устойчивост на високоскоростна обработка на стомани и осигуряват висококачествено покритие на повърхността.
В допълнение към хомогенната структура, PCBN се произвеждат под формата на двуслойни плочи с карбидна основа (подобно на PKA). Композитният PCBN се произвежда чрез синтероване на смес от синтетичен диамантен прах и кубичен или вюрцитов борен нитрид. IN чужди държавиматериали на базата на вюрцитов борен нитрид не се използват широко.
Предназначение на STM на базата на кубичен борен нитрид:
Композит 01 (Elbor R), Композит 02 (Belbor R) - фино и фино струговане без удар и челно фрезоване на закалени стомани и чугуни с всякаква твърдост, твърди сплави със съдържание на свързващо вещество над 15%.
Композит 03 (Ismit) - довършителна и полуфина обработка на закалени стомани и чугуни с всякаква твърдост.
Композит 05, композит 05IT, композит KP3 - предварително и окончателно струговане без удар на закалени стомани до 55HRC и сив чугун с твърдост 160...600HB, дълбочина на рязане до 0,2...2 mm, челно фрезоване на чугун.
Композит 06 - фино струговане на закалени стомани до 63HRC.
Композит 10 (Hexanit R), композит KP3 - предварително и окончателно струговане с и без удар, челно фрезоване на стомани и чугуни с всякаква твърдост, твърди сплави със съдържание на свързващо вещество над 15%, периодично струговане, обработка на наплавени детайли. Дълбочина на рязане 0,05...0,7 мм.
Tomal 10, Composite 10D - грубо, полугрубо и довършително струговане и фрезоване на чугун с всякаква твърдост, струговане и пробиване на стомани и сплави на медна основа, рязане върху леярска кора.
Композит 11 (Kiborit) - предварително и окончателно струговане, включително ударно струговане, на закалени стомани и чугуни с всякаква твърдост, устойчиво на износване плазмено наваряване, челно фрезоване на закалени стомани и чугуни.
В чужбина инструментите за ножове, базирани на PCBN, се произвеждат от ElementSix, Diamond Innovations, Sumitomo Electric Industries, Toshiba Tungalloy, Kyocera, NTK Cutting Tools, Ceram Tec, Kennametal, Seco Tools, Mitsubishi Carbide, Sandvik Coromant, ISM (Украйна), Widia, Ssangyong Корпорация за материали и др.
Основната област на ефективно използване на режещи инструменти, изработени от STM, е автоматизирано производство на базата на машини с ЦПУ, многофункционални машини, автоматични линии и специални високоскоростни машини. Поради повишената чувствителност на STM инструментите към вибрации и ударни натоварвания, към машините се поставят повишени изисквания по отношение на точност, устойчивост на вибрации и твърдост технологична система. Различни видове CBN (композити от кубичен борен нитрид) се използва за обработка на закалени стомани и чугун, които имат висока твърдост и якост. Композитите се показват отлично експлоатационни характеристикипо време на обработката и осигуряват добро качество на повърхността благодарение на своята химически състави съвременна технология за синтероване (фиг. 6.24).
Фигура 6.24 – Типични изображения на микроструктурата на CBN-базиран композит
Използването на инструменти STM дава възможност да се увеличи производителността на обработката няколко пъти в сравнение с твърдосплавните инструменти, като същевременно се подобрява качеството на обработваните повърхности и се елиминира необходимостта от допълнителна обработка. абразивна обработка. Изборът на оптималната скорост на рязане се определя от количеството отстранена надбавка, възможностите на оборудването, подаването, наличието на ударни натоварвания по време на процеса на рязане и много други фактори (фиг. 6.25, 6.26).
Фигура 6.26 – Области на приложение на някои класове композити
Фигура 6.26 – Пример за обработка на закалени стомани с инструменти STM
7 ПРИНЦИПИ ЗА ИЗГРАЖДАНЕ НА ТЕХНОЛОГИЧНИТЕ ПРОЦЕСИ ПРИ ОБРАБОТКА НА МАТЕРИАЛИ ЧРЕЗ РЯЗАНЕ.
Най-твърдият материал на Земята, който отдавна се използва като режещ инструмент, е естественият диамант. Диамантът е минерал, вид самороден въглерод. Като инструментален материал се използва непрозрачен диамант. Твърдостта на диаманта (HV » 60–100 GPa) при стайна температура е много по-висока от твърдостта на карбидите или оксидите и при условия абразивно износванетой е незаменим. Плътност
3500–3600 kg/m3. Топлопроводимостта на диамантените поликристали надвишава топлопроводимостта на медта.
Естественият диамант е единичен кристал и ви позволява да получите почти идеални остри и прави режещи ръбове. С развитието на електрониката, прецизното инженерство и приборостроенето се увеличава използването на фрези с естествен диамант за струговане на огледално чисти повърхности на оптични части, дискове с памет, барабани на копирно оборудване и др.
Диамантът може да се използва ефективно за обработка на медни колектори - премахване на малък слой мед при фино подаване и много високи скорости на рязане. Това осигурява ниска грапавост и висока прецизност на обработваната повърхност. Диамантените инструменти ефективно завършват обработката на бутала, изработени от алуминиеви сплави с високо съдържание на силиций, докато при обработката на такива бутала с карбидни фрези големите силициеви кристали причиняват бързо износване на инструмента. Диамантът е подходящ за обработка на керамика и частично спечени карбиди. Диамантът може да се използва за обработка на шлифовъчни дискове и др.
Диамантът се износва при взаимодействие с желязо при високи температури и затова не се препоръчва използването на диамантени инструменти за обработка на стомани. Топлоустойчивостта на диаманта е относително ниска – 700–750 °C. Диамантите имат недостатъчна якост на удар; острите ръбове на диамантените инструменти лесно се начупват и разрушават. Високата цена и недостигът на естествени диаманти ограничава използването им като инструментален материал.
Необходимостта от по-евтини и оскъдни свръхтвърди материали доведе до факта, че през 1953–1957 г. в САЩ и през 1959 г. в СССР малки частици от кубични фази на синтетичен диамант бяха получени от хексагонални фази на графит (C) чрез каталитичен синтез при високи статични налягания и температури. Цветът варира от черен до бял; в зависимост от технологията на производство синтетичният диамант може да бъде полупрозрачен или непрозрачен.
Размерите на кристалите обикновено варират от няколко десети до 1–2 mm. По-големи, плътни, сферични поликристални синтетични диамантени образувания, предназначени за инструменти с остриета, се произвеждат в търговската мрежа в началото на 70-те години. Синтетичните поликристални диаманти имат висок модул на еластичност E = 700–800 GPa, висока якост на натиск s – IN» 7–8 GPa, но ниска якост на огъване s И» 0,8–1,1 GPa.
По подобна технология е получена модификация на борен нитрид BN от бор и азот, който по структура и свойства прилича на синтетичен диамант. Кристалната решетка е кубична, твърдостта е малко по-ниска от тази на диаманта, но все още е много висока: 40–45 GPa, т.е. повече от два пъти по-висока от тази на твърдите сплави и почти два пъти по-висока от твърдостта на рязане на керамика . Поликристалният кубичен борен нитрид (PCBN) понякога се нарича "боразон", "кубанит", "елбор". Еластичен модул на борен нитрид
E = 700–800 GPa, якостта на натиск е приблизително същата като тази на твърдите сплави: s – IN» 2,5–5 GPa и по-ниска якост на огъване от тази на твърдите сплави и поликристалните диаманти: s И» 0,6–0,8 GPa.
Термоустойчивостта на кубичния борен нитрид е много по-висока от тази на синтетичните и естествените диаманти: около 1000–1100 °C. Поради тази причина, а също и поради по-ниския си химически афинитет с въглерода, кубичният борен нитрид е по-ефективен от диаманта и карбида при довършително рязане на стомани, особено при рязане на закалени стомани с висока твърдост с малки участъци от изрязания слой.
Технологията за производство на поликристали се основава на два различни процеса: фазов преход на вещество от едно състояние в друго (самият синтез) или синтероване на малки частици от предварително синтезиран прах PSTM. В нашата страна първият метод е получаването на поликристален кубичен борен нитрид (PCBN) от следните степени: композит 01 (elbor RM) и композит 02 (belbor), както и поликристален диамант (PDA) на ASPC (карбонадо) и Оценки ACE (ballas).
Поликристалните свръхтвърди материали (PSHM) са систематизирани според такива определящи характеристики като състава на поликристалната основа, методите на производство и характеристиките на изходния материал. Цялата гама от поликристали е разделена на пет основни групи: PSTM на основата на диаманти (DBA), PSTM на базата на плътни модификации на борен нитрид (SPNB), композитни свръхтвърди материали (KSTM), двуслойни свръхтвърди композитни материали (DSCM).
Поликристалите на базата на синтетичен диамант могат да бъдат разделени на четири вида:
1) Поликристали, получени чрез синтероване на фини диамантени прахове в чиста форма или след специална предварителна обработка за активиране на процеса на синтероване. Поликристалите, произведени по тази схема, като правило са еднофазен продукт. Примерите включват мегадиамант и карбонит.
2) Поликристали от диамантен тип SV. Те са хетерогенен композит, състоящ се от диамантени частици, държани заедно от свързващо вещество - втората фаза, която е разположена под формата на тънки слоеве между диамантените кристали.
3) Синтетични карбонати от типа ASPC, получени чрез излагане на въглерод-съдържащо вещество със значително количество катализатор на високо налягане и висока температура. ASPCs имат по-ниска твърдост и здравина от поликристалите от първите две разновидности.
4) Диамантени поликристали, получени чрез импрегниране на диамантен прах с метално свързващо вещество при високи налягания и температури. Като свързващи вещества се използват никел, кобалт, желязо и хром.
Има няколко вида PSTM на базата на борен нитрид:
1) поликристали, синтезирани от хексагонален борен нитрид (HNB) в присъствието на разтворителя VM g VM sf (композит 01 е типичен представител);
2) поликристали, получени в резултат на директния преход на хексагоналната модификация в кубичен BNrBN (композит 02);
3) поликристали, получени в резултат на превръщането на вюрцитоподобната модификация в кубичен BN g ® VM df. Тъй като пълнотата на прехода се регулира от параметрите на синтероване, тази група включва материали със значително различни свойства (композит 10, композит 09);
4) поликристали, получени чрез синтероване на прахове от кубичен борен нитрид (CBN) с активиращи добавки (композит 05-IT, циборит
и т.н.).
PSTMбазирани на борен нитрид, малко по-ниски от диаманта по твърдост, те се отличават с висока топлоустойчивост, устойчивост на циклично излагане на високи температури и най-важното - по-слабо химично взаимодействие с желязото, което е основният компонент на повечето материали, подложени на рязане .
Хомогенна по обем композитни свръхтвърди материалиполучен чрез синтероване на смес от прахове от синтетичен диамант и кубичен борен нитрид. Това включва материали от типа ПКНБ - АС, СВ, СВАБ. Съдържащите диаманти материали на основата на твърди сплави също принадлежат към композитния клас. Сред материалите от тази група, които са се доказали добре в експлоатация, трябва да отбележим „Славутич“ (от естествени диаманти) и „Твесал“ (от синтетични диаманти).
Основна характеристика двуслойни композитни поликристални материалие, че синтероването на прахове от свръхтвърди материали се извършва при високи температури и налягания върху субстрат, изработен от твърди сплави на базата на волфрамови, титанови, танталови карбиди, което води до образуването на PSTM слой с дебелина 0,5–1 mm, здраво свързан към материала на субстрата. Диамантеният слой може да съдържа поддържащи компоненти.
Според класификацията всички свръхтвърди материали за остриета, базирани на плътни модификации на борен нитрид, са композитни. В зависимост от технологията на производство, физико-механичните свойства и условията на употреба те се разделят на определени групи. Най-широко използваните в битовата металообработка са композит 01 (Elbor-R), композит 03 (Ismite), композит 05, композит 09 (PTNB), еднослоен и двуслоен композит 10 (hexanit-R).
Подобни и подобни инструменти за материали, базирани на модификация на кубичен борен нитрид (CBN), са създадени и се използват в много индустриални приложения. развитите странии употребата им непрекъснато се разширява.
Изброените инструментални материали се отличават с висока твърдост, термична стабилност и химическа инертност към черни метали, т.е. всичко, което прави тези усъвършенствани инструментални материали много ефективни при операциите на струговане, пробиване и челно фрезоване както на гладки, така и на прекъснати прецизни повърхности на части за основни инженерни цели.
Високата ефективност на използването на инструменти, оборудвани с поликристални композити, се дължи на тяхната уникална комбинация физични и химични характеристики, включително изключително висока твърдост, висока топлоустойчивост и топлопроводимост, близки до топлопроводимостта на твърдите сплави и не намаляващи с повишаване на температурата (Таблица 6.1). Поликристалният кубичен борен нитрид има устойчивост на износване 50 пъти по-висока от циментирания карбид и 10 до 25 пъти по-висока от оксидната или нитридната керамика. Тези композити запазват здравината си при високи температури, характерни за обработка на закалени черни метали с относително висока интензивностотстраняване на материал. Тези инструментални материали влизат в химическа реакцияс черни метали във въздуха и при високи температури, което им осигурява известни предимства пред диамантите и други традиционни инструменти инструменти.
Областите на приложение на различни видове композити се определят от размерите на поликристалите и техните физични и механични характеристики. Въпреки разнообразието от марки, композитите не създават конкуренция помежду си, а успешно се допълват. Наличен нормативни документи, каталози, методически препоръкии справочна литература, която доста пълно и широко описва основните свойства на композитите.
Така композитите 01 и 02 се използват за фино и фино струговане, главно без ударни натоварвания, на части от черни метали с всякаква твърдост; композит 03 - за предварително и окончателно струговане на чугун с всякаква твърдост; композит 05 - за окончателно и получисто струговане без ударни натоварвания на закалени стомани и чугун с всякаква твърдост, за челно фрезоване на чугун; композит 10 - за предварително и окончателно струговане (пробиване) с и без ударни натоварвания на стомани и чугуни с всякаква твърдост, за челно фрезоване на закалени стомани и чугуни.
В момента усвоено промишлено производствокомпозити от борен нитрид с различни свойства, като всеки тип инструментален материал предлага предимства при определени условия на обработка.
Има четири основни групи материали, които могат да бъдат ефективно обработени чрез модификации на кубичен борен нитрид:
- избелен чугун; бял чугун, легиран с никел или хром (50...65 HRC);
- закалени стомани и части с повърхностно втвърдяване(50... 65 HRC);
- някои закаляеми сплави (38 HRC);
- някои марки сив чугун (200...220 HB).
Таблица 6.1
Свойства на композити на базата на плътни модификации на борен нитрид (съгласно TU 2-035-982-85)
|
композитен |
сила якост на опън o„, MPa |
Пределна якост на натиск, MPa |
Твърдост HV, MPa |
Топлоустойчивост, "C" |
|
Композити 01 и 02 |
75 000... 80 000 |
|||
|
Композити 05 и 06 |
||||
|
Композит 09 |
||||
|
Композит 10 |
При обработката на черни метали с твърдост над 45 HRC широко се използва грубо и окончателно струговане с помощта на композити вместо шлайфане. Поради недостатъчно високата издръжливост на традиционните инструментални материали, такива метали се обработват неефективно, например с твърди сплави или режещи керамични материали. Използването на шлайфане с електрокорундови колела за тези цели е доста дълъг процес, характеризиращ се с ниска скорост на отстраняване на метала и бързо износване на колелото, което ограничава производителността.
Развитието на дизайна на инструменти, оборудвани с изкуствени свръхтвърди материали, протича в две основни посоки - създаване на инструменти с механично закрепване на твърди, многослойни кръгли и многостранни режещи вложки, както и използването на шлифовани режещи вложки, когато дизайн с механично закрепване на вложки е практически невъзможен.
Твърдостта на синтетичния диамант е приблизително 90... 100 GPa. Използва се за производство на диамантени свредла, фрези, боркорони и инструменти за пробиване на най-твърди скали, както и за производство на накрайници за инструменти за измерване на твърдост и чистота на повърхността.
Най-благоприятните условия за синтез на диаманти са налягане 4...6 GPa и температура 1125...1325°C.
Технически е доста трудно да се получат големи режещи вложки за композити, тъй като това е свързано с много висока температура и налягане, които са необходими за синтеза на тези материали. Поради това по-често се използват инструменти със запоени плочи от композити, които могат да бъдат заточени няколко пъти, които са по-прости в производствената технология.
По-нататъшното развитие на дизайна на режещи инструменти, оборудвани със свръхтвърди остриета, се насочва към разширяване на възможностите на композитите и тяхното използване в автоматизирани производствени условия. Композитните фрези се използват широко за обработка на детайли с различни конфигурации на стругове, револверни стругове, пробивни машини, както и на многофункционални машини. Ефективното използване на инструментите се постига на твърди, високопрецизни машини с повишена мощност. Такова оборудване трябва да има достатъчна твърдост, тъй като при струговане и пробиване с инструменти, изработени от композитни материали, възникват относително големи сили на рязане. Вибрациите на оборудването не са разрешени, тъй като това не само влошава грапавостта на обработваната повърхност, но в някои случаи причинява и отчупване на режещите ръбове. Инструментите, изработени от композитни материали, имат висока издръжливост и относително ниско износване важнопри обработка на автоматизирани стругове, тъй като броят на смените на инструмента е значително намален и зададените размери на детайла се поддържат без честа намеса на оператора. Ако товаренето и разтоварването на части се извършва от робот, тогава инструментите, оборудвани с модификации на композити, са напълно подходящи за обработка в условия на безпилотна технология.
Процесите на обработка на метали с инструменти с остриета се подчиняват на класическите закони на теорията за рязане на метали.
По време на развитието на рязането на метали, появата на качествено нови инструментални материали с повишена твърдост, топлоустойчивост и устойчивост на износване беше придружено от увеличаване на интензивността на процеса на обработка.
Създадени у нас и в чужбина в края на петдесетте и началото на шестдесетте години на миналия век и широко използвани, инструменти, оборудвани с изкуствени свръхтвърди материали на базата на кубичен борен нитрид (CBN), се характеризират с голямо разнообразие.
Според информация от местни и чуждестранни производители на инструменти, използването на материали на основата на CBN в момента значително се увеличава.
В индустриализираните страни потреблението на остриета, изработени от изкуствени свръхтвърди материали на базата на CBN, продължава да расте средно с 15% годишно.
Според класификацията, предложена от VNIIinstrument, всички свръхтвърди материали, базирани на плътни модификации на борен нитрид, се наричат композити.
В теорията и практиката на материалознанието композитът е материал, който не се среща в природата и се състои от два или повече компонента с различен химичен състав. Композитът се характеризира с наличието на отчетливи
граници, разделящи неговите компоненти. Композитът се състои от пълнител и матрица. Най-голямо влияние върху свойствата му има пълнителят, в зависимост от което композитите се разделят на две групи: 1) с диспергирани частици; 2) подсилени с непрекъснати влакна и подсилени с влакна в няколко посоки.
Термодинамичните особености на полиморфизма на борния нитрид са довели до появата на голям брой материали, базирани на неговите плътни модификации и различни технологии за неговото производство.
В зависимост от вида на основния процес, протичащ по време на синтеза, и определящите свойства на свръхтвърдите материали, в модерни технологииИма три основни метода за получаване на инструментални материали от борен нитрид:
- фазова трансформация на хексагонален борен нитрид в кубичен. Поликристалните свръхтвърди материали, получени по този начин, се различават един от друг по наличието или отсъствието на катализатор, неговия вид, структура, параметри на синтез и др. Материалите от тази група включват: композит 01 (elbor-R) и композит 02 (belbor). Материали от тази група не се публикуват в чужбина;
- частична или пълна трансформация на вюрцитовия борен нитрид в кубичен. Отделните материали от тази група се различават по състава на първоначалния заряд. У нас материали от тази група се използват за получаване на едно- и двуслоен композит 10 (хексанит-R) и различни модификации на композит 09 (PTNB и др.). В чужбина материалите от тази група се произвеждат в Япония от компанията Nippon Oil Fat под марката Wurtzip;
- синтероване на кубични частици от борен нитрид с добавки. Тази група материали е най-многобройна, тъй като е възможно различни опциисвързващи вещества и технологии за синтероване. Използвайки тази технология, композит 05, киборит и ниборит се произвеждат в местната промишленост. Най-известните чужди материали са борна зона, амборит и сумибор.
Да дадем кратко описаниенай-известните свръхтвърди инструментални материали.
Композит 01(elbor-R) - създаден в началото на 70-те години.
Този материал се състои от произволно ориентирани кубични кристали на борен нитрид, получени чрез каталитичен синтез. В резултат на високотемпературно пресоване под високо налягане първоначалните кристали BN K се раздробяват до размери 5...20 микрона. Физическите и механични свойства на композита 01 зависят от състава на първоначалния заряд и термодинамичните параметри на синтеза (налягане, температура, време). Приблизителното масово съдържание на компонентите на композита 01 е както следва: до 92% BN K, до 3% BN r, останалото са примеси от катализаторни добавки.
Модификацията на композит 01 (Elbor-RM), за разлика от Elbor-R, се получава чрез директен синтез BN r -> BN k, извършен при високи налягания (4,0...7,5 GPa) и температури (1300...2000 °C). Отсъствието на катализатор в заряда позволява да се получат стабилни експлоатационни свойства.
Композит 02(белбор) - създаден в Института по физика на твърдото тяло и полупроводниците на Академията на науките на БССР.
Получава се чрез директен преход от BN r в апарати с високо налягане със статично натоварване (налягане до 9 GPa, температура до 2900 ° C). Процесът се извършва без катализатор, което осигурява високи физико-механични свойства на композита 02. С опростена технология на производство, дължаща се на въвеждането на определени легиращи добавки, е възможно да се променят физико-механичните свойства на поликристалите.
Belbor е сравним по твърдост с диаманта и значително го надвишава по устойчивост на топлина. За разлика от диаманта, той е химически инертен към желязото и това му позволява ефективно да се използва за обработка на чугун и стомана - основните инженерни материали.
Композит 03(ISM) - за първи път синтезиран в Института по материали и математика на Академията на науките на Украинската ССР.
Произвеждат се три вида материали: Исмит-1, Исмит-2, Исмит-3, различаващи се по физични, механични и експлоатационни свойства, което е следствие от разликите в изходните суровини и параметрите на синтеза.
Ниборит- получен от Института по физика и физика на Академията на науките на СССР.
Високата твърдост, топлоустойчивостта и значителният размер на тези поликристали определят техните високи експлоатационни свойства.
Киборит- синтезиран за първи път в Института по материали и математика на Академията на науките на Украинската ССР.
Поликристалите се произвеждат чрез горещо пресоване на шихтата (синтероване) при високи статични налягания. Сместа съдържа прах от кубичен борен нитрид и специални активиращи добавки. Съставът и количеството на добавките, както и условията на синтероване, осигуряват структура, в която врасналите BN K кристали образуват непрекъсната рамка (матрица). В междузърнестите пространства на рамката се оформя огнеупорна твърда керамика.
Композит 05- структурата и производствената технология са разработени в NPO VNIIASH.
Материалът основно съдържа кристали от кубичен борен нитрид (85...95%), синтерован при високо налягане с добавяне на алуминиев оксид, диаманти и други елементи. Според техните собствени физични и механични свойстваКомпозитът 05 е по-нисък от много поликристални свръхтвърди материали.
Модификация на композит 05 е композит 05IT. Характеризира се с висока топлопроводимост и устойчивост на топлина, които се получават чрез въвеждане на специални добавки в заряда.
Композит 09(PTNB) е разработен в Института по химическа физика на Академията на науките на СССР.
Произвеждат се няколко марки (PTNB-5MK, PTNB-IK-1 и др.), Различаващи се по състава на първоначалния заряд (смес от BN B и BN K прахове). Разликата между композит 09 и другите композитни материали е, че се основава на частици от кубичен борен нитрид с размери 3...5 микрона, а пълнителят е вюрцитов борен нитрид.
Пускане на материали в чужбина от този класс помощта на трансформацията на вюрцитов борен нитрид се извършва в Япония от Nippon Oil Fate в сътрудничество с Токийския държавен университет.
Композит 10(хексанит-R) е създаден през 1972 г. от Института по проблеми на материалознанието на Академията на науките на Украинската ССР съвместно с Полтавския завод за изкуствени диаманти и диамантени инструменти.
Това е поликристален свръхтвърд материал, чиято основа е вюрцитната модификация на борен нитрид. Процесполучаването на хексанит-R, подобно на предишните композити, се състои от две операции:
- синтез на BN B чрез директен преход BN r -> BN B при въздействие върху изходния материал и
- синтероване на BN B прах при високи налягания и температури.
Композит 10 се характеризира с финозърнеста структура, но размерите на кристалите могат да варират в значителни граници. Структурните особености определят и специалните механични свойства на композит 10 - той не само има високи режещи свойства, но може да работи успешно и при ударни натоварвания, което е по-слабо изразено при други марки композити.
Въз основа на хексанит-R, Институтът по проблеми на науката за материалите на Академията на науките на Украинската ССР получи подобрен клас композит 10 - хексанит-RL, подсилен с мустакови кристали - влакна „сапфирени мустаци“.
Композит 12се получава чрез синтероване при високо налягане на смес от прах от вюрцитов борен нитрид и поликристални частици на базата на Si 3 N 4 (силициев нитрид). Размерът на зърната на основната фаза на композита не надвишава 0,5 микрона.
Перспективата за по-нататъшно развитие, създаване и производство на композити е свързана с използването на нишковидни или игловидни кристали (мустаци) като пълнители, които могат да бъдат получени от материали като B 4 C, SiC, Si 2 N 4. VeO и др.
