Сверхтвердые материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора для лезвийного инструмента

Строение и свойства алмаза и кубического нитрида бора. Алмаз — самое твердое вещество, второе место у кубического нитрида бора. Алмаз является природным веществом, его получают также и синтезом. Кубический нитрид бора (КНБ) в природе не обнаружен, его получают только синтезом из исходного природного нитрида бора, имеющего графитоподобное строение.

Алмаз и кубический нитрид бора имеют аналогичные кристаллические кубические решетки, содержащие по 18 атомов, в том числе 8 атомов в вершинах куба, 6 в центрах граней, 4 — в центрах четырех из восьми кубов, образованных делением элементарной кубической ячейки.

Таблица 9.8

Состав и свойства режущей керамики

гремя взаимно перпендикулярными плоскостями, проходящими через центры граней.

В решетке алмаза все атомы — это атомы углерода. В решетке кубического нитрида бора атомы бора располагаются в узлах куба и центрах его граней, а атомы азота в центрах четырех из восьми кубов, образованных взаимно перпендикулярными плоскостями (рис. 9.4).

Элементарной ячейке (на примере кубического нитрида бора) принадлежат 8 атомов: 4 атома азота (каждый из них принадлежит только одной ячейке), 4 атома бора (каждый из восьми атомов бора, расположенный в узлах куба, принадлежит восьми элементарным ячейкам, т. е. на одну ячейку приходится один атом — 8•1/8 = 1, плюс каждый из шести атомов в центрах граней, принадлежащий двум ячейкам, 6•½ = 3).

Такая кубическая решетка характерна также для сфалерита (минерал, одна из модификаций цинковой обманки ZnS), поэтому кубический нитрид бора часто обозначают «вмСФ» .

Параметры решетки и минимальное расстояние между атомами алмаза несколько меньше, чем у кубического нитрида бора (периоды решетки — 0,3615 и 0,3657 нм, минимальные межатомные расстояния — 0,154 и 0,156 им для алмаза и нитрида бора соответственно). Именно это определяет большую плотность алмаза, несмотря на то, что плотность углерода несколько ниже, чем средняя плотность бора и азота (атомный вес углерода — 12,01, бора — 10,82, азота — 14,008).

Рис. 9.4. Кристаллические решетки алмаза (а) и кубического нитрида бора (б)

Атомы в решетке связаны чрезвычайно прочными ковалентными связями, что обусловливает свойства алмаза и кубического нитрида бора — очень высокие значения твердости и температуры плавления.

Как уже упоминалось, алмаз — самый твердый из всех известных в природе минералов (микротвердость 10 000 кгс/мм2), модуль упругости алмаза также выше, чем у всех известных твердых веществ (900 000 МПа). По этим свойствам кубический нитрид бора уступает только алмазу (микротвердость — 9250 кгс/мм2, Е = 720 000 МПа). Высокая твердость определяет значительную хрупкость. Так, значения коэффициента К1c для алмаза и нитрида бора составляют 4,5…5,0 и 2…5 МПа-м|/2 соответственно (в 3…8 раз ниже, чем у твердого сплава). При относительно высоком сопротивлении сжатию (?сж не ниже, чем у металлокерамики) алмаз плохо сопротивляется изгибающим нагрузкам. Прочностные характеристики нитрида бора ниже, чем у алмаза.

К преимуществам алмаза перед нитридом бора как инструментального материала относится то, что его теплопроводность выше, а коэффициент термического расширения ниже (табл. 9.9), но и алмаз, и кубический нитрид бора по этим параметрам обладают преимуществом перед другими инструментальными материалами.

Таблица 9.9

Физико-механические свойства алмаза и кубического нитрида бора

По химическим свойствам алмаз и нитрид бора весьма устойчивы. Они не растворяются в концентрированных и разбавленных кислотах. Наблюдается растворимость алмаза в расплавах щелочей, натриевой и калиевой селитрах и соде (вернее, алмаз окисляется и сгорает). Нитрид бора разлагается в расплавах щелочей и солей щелочных металлов при нагреве свыше 400°. Использование алмаза на воздухе возможно до температур не выше 800…1000 °С. При нагреве до этих температур алмаз сгорает с выделением углекислого газа. Без доступа кислорода алмаз устойчив до 2000 °C — температуры полиморфного превращения алмаза в графит. Заметное окисление нитрида бора начинается при более высокой температуре (1200 °С) после часовой выдержки. Его высокая устойчивость объясняется тем, что при температуре порядка 1000 °C на поверхности образуется тонкая пленка оксида бора В2O3, препятствующая окислению. Полиморфное превращение кубического нитрида бора в графитоподобный происходит при температуре свыше 1500 °C.

При высокой температуре наблюдается активное диффузионное взаимодействие алмаза со сплавами на основе железа. При температурах ниже? >? превращения, т. е. в феррите, растворимость углерода незначительна (не более 0,02%, см. 4.1 и рис. 4.3), но выше температуры этого превращения (в аустените) она резко возрастает, это подтверждено прямым экспериментом. Часовая выдержка при 1000 °C вдавленного алмазного конуса в образец из железа Армко (содержание углерода равно 0) приводит к образованию слоя толщиной около 40 мкм, содержание углерода в котором превышает 0,2%. Нитрид бора по отношению к железу инертен.