Сверхтвердые инструментальные материалы

К сверхтвердым инструментальным материалам относят алмазы (природные и синтетические) и композиционные материалы на основе нитрида бора.

Алмаз — одна из модификаций углерода (а-С). Благодаря кубическому строению кристаллической решетки алмаз является самым твердым из известных в природе минералов. Его твердость в 5 раз выше, чем твердость ТС, однако прочность невелика, и он раскалывается по плоскостям спайности. Поэтому алмазы используют только на чистовых операциях, для которых характерны малые силовые нагрузки.

Природный алмаз обозначают буквой А, синтетический — АС. 11рнродные алмазы имеют вид сростков кристаллов и агрегатов. Синтетические алмазы получают в виде мелкозернистых порошков и используют для изготовления абразивных кругов, шлифовальных кружков и сегментов, брусков для чистового шлифования, доводки, хонингования изделий из твердых сплавов и т. п. Размер зерен порошка синтетического алмаза достигает 1,2 мм.

Режущие инструменты из алмаза применяют в основном при тонком точении цветных металлов, материалов, не содержащих углерод и железо. Теплостойкость алмазов равна 700—800°С. Природные алмазы имеют высокую теплопроводность и самый низкий коэффициент трения.

Зерна синтетических алмазных порошков по возрастанию прочности подразделяют на следующие группы:

• • АСО-зерпо характеризуется наиболее развитой режущей поверхностью и повышенной хрупкостью;
• • АСР-зерно имеет меньшую, по сравнению с АСО-зерном, хрупкость, повышенную прочность, достаточно хорошо развитые режущие кромки. Применяют для изготовления шлифовальных кругов на керамической и органической связке;
• • АСВ-зерно, в сравнении с АСР-зерном, имеет еще меньшую хрупкость и гладкую поверхность, высокую прочность, работает при больших давлениях. Зерна применяют для изготовления шлифовальных кругов на металлической связке, сверл, хонов для хонингования изделий из сталей и чугуна;
• • АСК-зерно имеет более высокую прочность, им оснащают абразивный инструмент на металлической связке для особо тяжелых работ, как то: резка камня, бетона, керамики, хонингование изделий из закаленного чугуна и сверление отверстий в рубине. Из них изготавливают шлифовальные круги и сверла;
• • ACC-зерно имеет более высокую прочность, чем природный алмаз. Применяют такие зерна для изготовления бурового инструмента, правки абразивных кругов и обработки особо твердых материалов, а также для изготовления отрезных кругов для резки корунда, рубина;
• •ACT— это хорошо ограненные кристаллы размером 0,6—1,6 мм, без трещин и включений. По прочности не уступают природному алмазу. Из них изготавливают однокристальный инструмент: резцы, фрезы, сверла, стеклорезы.

Кубический нитрид бора 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 кубический нитрид бора несколько уступает алмазу, но имеет высокую теплостойкость, доходящую до 1300— 1500 °C, и практически инертен к углероду и железу. Как и алмаз, кубический нитрид бора имеет повышенную хрупкость и низкую прочность на изгиб.

Известно несколько марок кубического нитрида бора, объединяемых в группу «композиционные материалы» (композиты). Разновидности кубического нитрида бора отличаются друг от друга размерами, структурой и свойствами зерен, процентным составом связки: металлов, карбидов, карбонитратов, оксидов и др., а также технологией спекания.

Из композиционных материалов наиболее широко применяют композит 01 (эльбор), композит 10 (гексанит-Р) и композит 05. Из них самым прочным является композит 10 (предел прочности при изгибе а_и = 1000^-1500 Па), поэтому его используют при ударных нагрузках. Остальные композиты применяют при безударной чистовой обработке закаленных сталей, высокопрочных чугунов и некоторых труднообрабатываемых сплавов.

Во многих случаях точение композитами эффективнее процесса шлифования, так как ввиду своей высокой теплопроводности кубический нитрид бора не дает прижогов при работе на высоких скоростях резания и обеспечивает при этом низкую шероховатость поверхности. Используют композиты в виде мелкоразмерных пластин квадратной, треугольной и круглой формы, 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 двухслойные пластины обладают большей прочностью, износостойкостью и более удобны для крепления. Они позволяют снимать припуски большой глубины.

Для удобства сопоставления по двум важнейшим свойствам: теплостойкости и пределу прочности при изгибе — все рассмотренные группы инструментальных материалов сведены в табл. 2.6, а на рис. 2.1 ориентировочно показаны области их применения, но скорости резания и подаче.

Таблица 2.6

Свойства инструментальных материалов.

Следует отметить, что по применяемости в режущих инструментах инструментальные материалы располагаются примерно следующим образом: 60—70% — БРС; 20—30% — твердые сплавы; 5—10% — остальные материалы. Высокая доля применяемости БРС объясняется главным образом их прочностными и технологическими свойствами, обеспечивающими высокую надежность и универсальность инструментов. На долю твердых сплавов благодаря их высоким режущим свойствам приходится более половины объема снимаемой стружки.