|
Читайте также: |
Значительным резервом повышения производительности и качества обработки деталей резанием является расширение использования инструментов, оснащенных синтетическими сверхтвердыми материалами (СТМ) на основе алмаза (С) или нитрида бора (BN).
Сверхтвердыми материалами принято считать материалы, которые имеют твердость HV>35 ГПа. Материалы, твердость которых выше, чем у металлов (5 - 20 ГПа), можно рассматривать как высокотвердые. К таким материалам условно можно отнести минералокерамику, электрокорунд, карбид кремния и др. (см. табл. 1.2).
Примечания:
1 Некоторые исследователи предлагают относить к классу сверхтвердых материалы с твердостью выше твердости природного корунда, т.е. более 20,6 ГПа.
2 Испытания СТМ, относящихся к хрупким материалам, проводятся только алмазным индентором, заточенным в форме острой пирамиды. Используют инденторы следующих типов – Виккерса, Берковича и Кнуппа, которые оставляют при вдавливании отпечатки соответственно квадрату, треугольнику и вытянутому ромбу (рис. 5.1). После разгрузки индентора измеряют полученный отпечаток и величина твердости находится как отношение приложенной нагрузки к величине площади проекции отпечатка (по Мейеру). При использовании подхода Мейера твердость имеет четкий и ясный физический смысл – это среднее давление в области контакта индентора с образцом. Таким образом, твердость, определяемая по величине среднего давления в области контакта образца с вдавливаемой в него алмазной пирамидой с квадратной формой отпечатка, является твердостью по Виккерсу (HV), а с формой отпечатка в виде вытянутого ромба – твердостью по Кнуппу. Измерение твердости HV производят при нагрузках на индентор 50, 100, 200, 300, 500 и 1000 Н. Измерение микротвердости тонких поверхностных слоев, отдельных структурных составляющих и фаз производят вдавливанием алмазной пирамиды с относительно небольшими (≤5Н) нагрузками: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2 и 5 Н
а) б) в)
Рисунок 5.1 - Отпечатки индентора Виккерса (а), Берковича (б) и Кнуппа (в): d – размер отпечатка по диагонали; а – длина горизонтальной проекции ребра пирамидального отпечатка с треугольным основанием
|
Твердость материалов изменяется в очень широких пределах. Твердость талька, одного из самых мягких материалов, равна всего 0,03 ГПа, твердость отожженной меди – 0,8 ГПа, а сталь можно закалить до твердости 10 ГПа.
Рисунок 5.2 - Пирамида твердости неметаллических материалов и тугоплавких соединений
|
Наибольшей твердостью из известных в природе материалов обладает природный алмаз, твердость которого по Виккерсу равна приблизительно 100 ГПа. Алмаз – единственный из природных материалов относится к сверхтвердым. К настоящему времени уже синтезировано большое количество сверхтвердых материалов, самыми твердыми и получившими наибольшее применение в промышленности из которых являются искусственный (синтетический) алмаз, кубический карбонитрид бора (BC2N) и кубический нитрид бора (cBN или КНБ) (рис. унок 5.2).
СТМ - это группа инструментальных материалов, оптимальные условия применения которых характеризуются высокими скоростями резания и малыми толщинами срезаемой стружки, сравнительно небольшими удельными энергетическими затратами, малыми силами резания и высокой точностью обработки, отсутствием нагрева детали при относительно большом тепловыделении в зоне резания, низкой шероховатостью обработанной поверхности и высоким качеством поверхностного слоя детали, повышенными требованиями к оборудованию и ко всему технологическому процессу изготовления детали в целом.
5.1 Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора
В настоящее время, несмотря на то, что природный алмаз является самым твердым материалом на Земле и издавна применяется в качестве режущего инструмента, инструментальная промышленность в подавляющем большинстве выпускает инструменты из синтетических сверхтвердых материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора. Принципиальное отличие монокристаллического природного алмаза от всех других инструментальных материалов, имеющих, как правило, поликристаллическое строение, с точки зрения инструментальщика состоит в возможности получения практически идеально острой и прямолинейной режущей кромки, благодаря чему во второй половине XX века применение резцов из природных алмазов для микроточения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т.п. начало существенно возрастать в связи с развитием электроники, прецизионного машиностроения и приборостроения. Однако применение природных алмазов в общем машиностроении, где требования к качеству обработки деталей не столь высоки, является экономически нецелесообразным из-за их дороговизны и хрупкости.
Вместе с тем все возрастающая в связи с применением конструкционных материалов с особыми свойствами (высокотвердых, высокопрочных, жаропрочных, коррозионно – и износостойких и т.п.) 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 институтом физики высоких давлений АН СССР (ИФВД) методом каталитического синтеза, при высоких статических давлениях, из гексагональных фаз графита (С) (рис. 5.3а) и нитрида бора (BN) (рис. 5.3г) были получены мелкие частицы кубических фаз как синтетического алмаза (рис. 5.3б), так и нитрида бора (рис. 5.3г).
 
а) б)
 
в) г)
Рисунок 5.3 - Кристаллические решетки гексагонального графита (а), алмаза (б), графитоподобного нитрида бора (в) и кубического (сфалеритного) нитрида бора (г)
|
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 - сверхтвердый материал, который не имеет 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, выпускаемый заводом «Ильич» (по технологии ИФВД, Россия) – эльбором и выпускаемый Полтавским заводом алмазных инструментов (по технолгии ИПМ НАН Украины, разработанной в 60-х годах ХХ века) –кубонитом.
Рисунок 5.4 - Аппарат высокого давления:
1 – твердосплавная матрица;
2 – контейнер из кальцита;
3 – реакционный состав;
4 – скрепляющие кольца
|
Для синтеза сверхтвердых материалов используют аппараты высокого давления, наибольшее распространение из которых получили аппараты следующих типов: «белт», чечевица, кубический и тетраэдрический. Аппаратура высокого давления в производстве сверхтвердых материалов (алмаза, кубического нитрида бора и поликристаллических материалов на их основе) определяет производительность процесса и себестоимость СТМ. Институт физики высоких давлений АН СССР разработал простой в эксплуатации аппарат (со сферическим углублением в матрице) типа чечевица. На основе этого аппарата Институт сверхтвердых материалов НАН Украины (ИСМ НАНУ) разработал высокопроизводительный, экономичный промышленный аппарат высокого давления
(рис. 5.4). Этот аппарат состоит из верхней и нижней матриц, скрепляемых кольцами и снабженных углублениями, образующими полость высокого давления, в которую помещен контейнер из литографического камня (95 % - СаСО3; остальное - оксиды Fе2О3, Аl2О3, SiO2 и др.) с реакционным составом. Работает аппарат следующим образом. Блок-матрицы, помещенные между опорными плитами, под усилием пресса сближаются, контейнер из литографского камня деформируется и заполняет пространство между матрицами, образующими камеру высокого давления.
Переход графита в алмаз осуществляют в присутствии растворителя углерода. В качестве растворителей углерода используются следующие металлы: Ni, Fe, Co, Ru, Pd, Os, Jr, Pt, Cr, Mn и Ta. При синтезе кристаллиты графита, которые представляют собой частицы графита с высокой степенью упорядоченности, являются источниками центров кристаллизации алмаза. При растворении металлом эти частицы достигают определенного размера и становятся центрами кристаллизации алмаза. В дальнейшем рост кристаллов происходит за счет транспортировки (диффузии) углерода через расплавленный металл. В зависимости от условий синтеза (давления и температуры) рост кристаллов алмаза может осуществляться по различным механизмам:
- при синтезе монокристаллов алмаза (при малых пересыщениях) рост кристаллов происходит через расплавленный металл;
- при синтезе поликристаллических алмазов (при больших пересыщениях) рост кристаллов может осуществляться одновременно за счет диффузии атомов углерода и микрогруппировок через расплавленный металл;
- при экстремальных условиях (давлении больше12 ГПа и температуре более 4000 К) создаются условия прямого фазового перехода графита в алмаз без использования растворителей углерода, т.е. происходит трансформация графитовой решетки в алмазную (переход мартенситного типа).
Механизм образования кубического нитрида бора более сложен, чем механизм образования алмазов. В настоящее время еще отсутствует общепринятая модель фазового превращения (в присутствии металлов и их нитридов) гексагонального нитрида бора в кубический. Наиболее предпочтительным является следующий механизм образования КНБ. Металл (например, магний) реагирует с нитридом бора, вследствие чего образуется соединение MeN и BN, в расплаве которого расплавляется нитрид бора. При соответствующих термодинамических условиях из раствора в расплаве и происходит кристаллизация кубического нитрида бора. В зависимости от условий роста, состава и свойств среды кристаллизации выращенный КНБ представляет собой агрегаты, друзы нарастания, перекристаллизации, сростки, двойники или монокристаллы различной степени кристаллического совершенства.
Синтетические монокристаллы алмаза и КНБ, полученные искусственным путем, имеют относительно небольшие размеры и представляют собой отдельные зерна с размерами от 10−4 до
2500 мкм. Поэтому для использования в качестве инструментального материала для лезвийных инструментов их, как правило, соединяют (сращивают) в поликристаллы.
Примечание. С использованием специальных технологий можно выращивать монокристаллы СТМ и с большими размерами. Например, для получения алмазов «ювелирного качества» (до 5 – 8 мм) используется способ выращивания кристаллов в Т-градиенте на затравке. Необходимым требованием выращивания при изотермических условиях в Т-градиенте является обеспечение в области кристаллизации высокого пресыщения, и питательный материал необходимо разместить на некотором удалении от затравки. При этом реакционный состав отделен от растущего кристалла мембраной из платины или слюды
Рисунок 5.5 - Структура алмазного композиционного поликристаллического материала
|
Поликристаллические (композиционные) сверхтвердые материалы (ПСТМ) на основе алмаза и кубического нитрида бора появились на рубеже 60-70-х годов ХХ века. Характерной особенностью таких материалов является наличие жесткого каркаса из сросшихся зерен алмаза или КНБ (рис. 5.5). 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. Составляющие каркас зерна - это, в сущности, монокристаллы алмаза или КНБ, обладающие рядом уникальных физико-механических и теплофизических свойств. Насколько эти свойства реализуются в поликристалле зависит от степени их взаимосвязи. В настоящее время разработаны технологии производства двухслойных пластин, состоящих из верхнего рабочего слоя из сверхтвердого материала (0,5 – 2,0 мм) и твердосплавной основы (пластины). Спеканием твердосплавной пластины с алмазным рабочим слоем получают АТП, а с рабочим слоем из КНБ – КТП.
Классификация ПСТМ основана на способе их получения и особенностях структуры. Основные способы получения поликристаллических сверхтвердых материалов представлены в табл. 5.1. Физико-механические свойства этих материалов приведены в
табл. 5.2 и 5.3.
Таблица 5.1 - Способы получения ПСТМ
| Груп-па | Способ получения | Пример |
| 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) | |
| Спекание порошков алмаза с активирующими добавками | АКТМ (ИСМ, Украина), СКМ, СВБН, карбонит | |
| Спекание порошков КНБ с активирующими добавками | Киборит (ИСМ, Украина), ниборит | |
| 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) |
Таблица 5.2 - Физико-механические свойства материалов на основе ПКА
| Марка материала | Свойства СТМ на основе ПКА | |||||||
| Микротвердость, ГПа | Плотность, г/см3 | Прочность, ГПа | Модуль Юнга, ГПа | Коэффициент трещиностойкости КlС, МПа×м1/2 | Теплопроводность λ, Вт/(м×К) | Термостойкость на воздухе, К | ||
| на сжатие | на изгиб | |||||||
| АСБ | 50-90 | 3,5-3,9 | 0,4-0,6 | 0,78 | 800-850 | 290-300 | 873-993 | |
| АСПК | 80-100 | 3,5-4,0 | 0,4-0,8 | 0,5-1,0 | - | 1073-1173 | ||
| СКМ | 60-70 | - | 0,6-0,8 | - | 150-250 | 973-1073 | ||
| АТП | 3,74-3,77 | 0,3-0,4 | 0,80-0,85 | 10-13 | - | 950-1000 | ||
| АКТМ | 3,46 | 0,49 | - | |||||
| СВБН | 70-100 | 3,30-3,45 | 8,0-10,0 | - | - | 1073-1223 | ||
| Карбонит | 40-45 | 3,2-3,4 | 4,5-6,0 | - | - | |||
| Алмет | 94-96 HRA | - | 5,0-10,0 | - | 500-600 | - | ||
| СВ | 65-100 | - | 5,0-10,0 | - | - | 1573-1673 |
Таблица 5.3 - Физико-механические свойства материалов на основе поликристаллического КНБ
| Марка КНБ | Свойства СТМ на основе ПКНБ | ||||||||
| Микротвердость, ГПа | Плотность, г/см3 | Прочность, ГПа | Коэффициент трещиностойкости КlС, МПа×м1/2 | Модуль Юнга, ГПа | Теплопроводность, Вт/(м×К) | Термостойкость на воздухе, К | |||
| на сжатие | на растяжение | на изгиб | |||||||
| Композит 01 (Эльбор-Р) | 32-38 | 3,31-3,45 | 2,25-3,15 | 0,43-0,49 | 0,70-0,98 | 3,7-4,2 | 780-840 | 60-80 | 1343-1473 |
| Композит 02 (Белбор) | 3,42-3,50 | 4,00-6,50 | - | 0,68-0,70 | 10,8 | 1273-1423 | |||
| Композит 10 (Гексанит-Р) | 30-38 | 3,34-3,50 | 2,00-4,00 | 0,26-0,39 | 1,20-1,50 | 7,1 | 650-780 | 30-60 | 1273-1373 |
| Композит 05 - ИТ | 4,0-4,3 | - | - | 0,47 | 4,6 – 6,7 | - | 1273-1373 | ||
| Киборит | 32-36 | 3,20-3,34 | 2,60-3,20 | 0,32-0,37 | 0,55-0,65 | 13,5 | 850-910 | ||
| КТП | 25-33 | - | - | - | 14,5-16,1 | - | - |
В настоящее время для изготовления крупных поликристаллов СТМ с размерами пластин толщиной до 8мм и в диаметре до 30-
40 мм, что открывает возможность получения инструмента с режущими кромками большой длины, разработаны специальные технологии, в основе которых лежат два различных процесса: фазовый переход вещества из одного состояния в другое (собственно синтез) или спекание мелких частиц заранее синтезированного порошка ПСТМ.
В частности, первым способом получают при переходе графита в алмаз в присутствии растворителя углерода поликристаллические алмазы марок АСПК (карбонадо) и АСБ (баллас), структура которых идентична структуре природных алмазов таких же названий, и при переходе графитоподобного нитрида бора в кубический в присутствии растворителя получают Композит 01 (Эльбор-Р) и Композит 02 (Белбор), а при переходе вюрцитного нитрида бора в кубический - Композит 10 (Гексанит-Р). Спеканием (второй способ) порошков алмаза получают марки АКТМ, СКМ, СВБН и карбонит, а спеканием порошков сКНБ – киборит и ниборит.
За рубежом на основе технологии спекания алмазных зерен выпускают поликристаллические материалы Sindite (De Beers, ЮАР), Megapax и Megadiamond (Megadiamond Ind., США), Sumidia (Sumioto Electric Ind., Япония), Compax (General Electric Co, США) и др., а на основе спекания зерен КНБ - Amborite (De Beers, ЮАР), BZN Compax (General Electric Co, США), Sumiboron (Sumioto Electric Ind., Япония) и др.
Управление процессом формирования структуры поликристалла открывает возможности создания, в зависимости от областей применения, материалов с требуемым сочетанием твердости, теплопроводности, прочности и т.п. Поликристаллические сверхтвердые материалы по своим физико-механическим свойствам могут быть близкими к монокристаллам, а по некоторым и превосходят их. Так, монокристаллы алмаза при достижении критических нагрузок благодаря повышенной хрупкости разрушаются на мелкие фрагменты. ПСТМ на основе алмаза из-за своей поликристаллической структуры значительно лучше сопротивляются ударным нагрузкам, чем монокристаллы алмаза, и, несмотря на меньшую твердость по сравнению с природным алмазом, имеют более высокие значения пределов прочности на растяжение и сдвиг.
Примечание. Ударная вязкость поликристаллов зависит от размера зерен и с их увеличением снижается
Кроме того, большинство поликристаллов обладает изотропией (однородностью по различным направлениям) свойств, отличается высокой однородностью по твердости во всех направлениях, а следовательно, и высокой износостойкостью, и превосходит монокристаллы по трещиностойкости. Ими можно обрабатывать детали из различных конструкционных материалов при скоростях резания, на порядок выше скоростей, допускаемых твердосплавными инструментами.
В настоящее время ведутся научно-исследовательские работы по созданию новых инструментальных СТМ на основе как алмаза, так и КНБ с высокими твердостью, износостойкостью и вязкостью разрушения, что позволит расширить области использования современного режущего инструмента и его эффективность.
а) б) в)
Рисунок 5.6 - Кристаллические решетки алмаза (а), карбонитрида бора (б), кубического нитрида бора (в):
1 – атомы углерода; 2 – атомы азота; 3 – атомы бора
|
Так, в 2000 году в Институте сверхтвердых материалов (ИСМ) АН Украины (г. Киев) прямым превращением графитоподобного твердого раствора BN-C при давлении 25 ГПа и температуре 2100 К была получена новая сверхтвердая фаза, кубический карбонитрид бора (BC2N), получивший обозначение КАНБ, кристаллическая решетка которого показана на
рис. 5.6б. Абсолютные значения твердости (см. рис. 5.1) и модуля упругости КАНБ находятся между значениями этих показателей для алмаза и кубического нитрида бора (несколько меньше, чем у алмаза, но больше, чем у кубического нитрида бора), что делает его вторым по твердости материалом после алмаза (см. рис.унок 5.2), и открывает новые перспективы в обработке железосодержащих материалов.
В настоящее время уже созданы и испытаны в производственных условиях композиционные СТМ (КСТМ), которые получают спеканием порошков из различных материалов. Так, спеканием порошков синтетического алмаза и кубического или вюрцитоподобного нитрида бора получают перспективные инструментальные материалы типа СВАБ (СНГ), компакт (Япония) и др. К классу композиционных относят также алмазосодержащие материалы на основе твердых сплавов. Из материалов этой группы хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации «Славутич» (из смеси порошков твердого сплава и природных алмазов) и твесалы (из смеси порошков твердого сплава и синтетических алмазов).
Повышение твердости и теплостойкости инструментальных материалов - одно из важных направлений в повышении производительности труда при механической обработке. Наиболее перспективными в этом отношении являются синтетические сверхтвердые материалы на базе поликристаллов алмаза (карбонадо, баллас) и кубического нитрида бора (торговые марки — композит 01, 05 и 10).
5.2 Характеристика основных свойств и области применения поликристаллов синтетического алмаза (ПКА)
Как уже отмечалось, преимущества инструментальных ПКА в сравнении с монокристаллическими алмазами, особенно природными, связаны с произвольной ориентацией кристаллов в рабочем слое режущих пластин, что и 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 в первую очередь 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 и более высокой термостойкостью. Такие материалы, как АКТМ и СВ, не теряют своих режущих и прочностных свойств при нагреве до 1473К и выше (см. табл. 5.2), что позволяет даже 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 вещества. 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, что 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, твердых 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 из ПКА 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.
Техническая эффективность. Резцы из синтетических поликристаллических алмазов имеют высокую размерную стойкость (кроме сохранения режущих свойств, сохраняются также заданные размеры обрабатываемых поверхностей), улучшают качество обработанной поверхности, способствуют повышению надежности и долговечности изготовляемых деталей.
Стойкость резцов из синтетических поликристаллических алмазов в среднем в 6 - 10 раз выше по сравнению со стойкостью твердосплавных резцов, что позволяет повысить производительность обработки не менее чем в 1,5 - 2 раза. Особенно хорошие результаты дает применение алмазных резцов на станках с программным управлением и автоматических линиях.
5.3 Характеристика основных свойств и область применения ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора BN
ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора, незначительно уступая алмазу по твердости, отличаются высокой термостойкостью (до 1573К), стойкостью к циклическому воздействию высоких температур и, что особенно важно, слабым химическим взаимодействием с железом, являющимся основным компонентом многих обрабатываемых материалов (стали, чугуны, наплавочные материалы).
Одной из возможностей повышения эффективности инструмента из ПСТМ на основе BN является использование смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС). Для инструментов из BN наиболее эффективно использовать жидкие среды путем их распыления при скоростях резания до 1,5-1,7м/с.
Еще одной из эффективных областей использования инструмента, оснащенного поликристаллами BN, является обработка наплавок, которыми упрочняют детали металлургического производства. Наплавленные материалы очень высокой твердости (до HRC 60-62) получают путем электродугового или плазменного наплавления порошковыми проволоками или лентами.
Поликристаллы кубического нитрида бора превосходят по теплостойкости все материалы, применяемые для лезвийного инструмента: алмаз почти в 1,9 раза, быстрорежущую сталь в 2,3 раза, твердый сплав в 1,7 раза, минералокерамику в 1,2 раза. Этот материал изотропен (одинаковая прочность в различных направлениях) и химически инертен к железосодержащим материалам, обладает пониженной хрупкостью.
Одним из основных направлений в применении лезвийных инструментов на базе нитрида бора является обработка черных металлов (сталей и чугунов различной твердости). Причем чем выше твердость стали или чугуна, а также скорость резания, тем более заметно проявляется преимущество по износостойкости и режущим свойствам лезвийных инструментов из композита по сравнению с инструментами из твердого сплава и минералокерамики. Так, при точении закаленных быстрорежущих сталей твердостью НRС 62 - 65 стойкость резцов из кубического нитрида бора при скорости резания 80 - 100 м/мин выше стойкости резцов из твердого сплава Т30К4 в 15 - 20 раз и выше стойкости минералокерамики в 3 - 4 раза.
Преимущества резцов из кубического нитрида бора по износостойкости и режущим свойствам объясняются значительно более высокой твердостью и теплостойкостью кубического нитрида бора по сравнению с твердым сплавом и минералокерамикой. Кубический нитрид бора обладает твердостью, хоть и меньшей, но близкой к твердости алмаза, повышенной теплостойкостью (до 1300°С), высокой теплопроводностью и, как уже отмечалось, химической инертностью по отношению к углероду и железу. При обработке закаленных сталей твердостью НRС 62—64 стойкость резцов из кубического нитрида бора в десятки раз выше, чем стойкость резцов из твердого сплава. При обработке чугунов стойкость таких резцов в 4—5 раз выше, чем резцов из твердого сплава.
Рекомендуемые области применения. Резцы из композита применяют вместо твердосплавных резцов при обработке закаленных сталей, чугунов и труднообрабатываемых сталей на операциях:
- растачивание отверстий диаметром 6 - 50 мм вместо шлифования;
- растачивание отверстий с одновременной подрезкой торца вместо шлифования;
- точение многоступенчатых деталей с одновременной подрезкой торца и снятием фасок (валики, шпиндели, оси);
- прецизионная обработка заготовок взамен точения твердосплавными резцами;
- нарезание резьбы с малым шагом;
- при чистовой обработке термически необработанных сталей вместо шлифования.
Техническая эффективность. Применение лезвийных инструментов из кубического нитрида бора при обработке закаленных сталей позволяет:
- получить малую шероховатость (высокий класс) поверхности и высокую точность обработки;
- обеспечить отсутствие структурных изменений и шаржирования абразива в поверхностном слое обрабатываемых сталей (при замене шлифования);
- выполнять лезвийную механическую обработку после термообработки;
- повысить производительность обработки.
При обработке чугунов такими инструментами достигаются малая шероховатость поверхности (до 0,3 мкм) и высокая точность обработки за счет меньшего размерного износа. Применение таких инструментов особенно эффективно на станках с ЧПУ.
Эффективность при растачивании достигается за счет повышения производительности обработки, так как жесткость технологической системы при растачивании выше, чем при внутреннем шлифовании. Эффективность обработки при растачивании отверстия с одновременной подрезкой торца достигается не только за счет замены операции внутреннего шлифования, но и благодаря выполнению двух операций с одной установки. Совместить эти операции при токарной обработке значительно проще, чем при шлифовании.
Глубина резания при точении такими резцами ограничивается размерами заготовки и не может превышать 1,2 - 1,5 мм. Выбор величины подачи зависит от требуемого класса шероховатости обработанной поверхности. При этом руководствуются следующими ориентировочными данными: при подачах 0,02 - 0,04 мм/об можно получить шероховатость обработанной поверхности 8 - 9-го класса, а при подачах 0,04 - 0,08 мм/об - 7 - 8-го класса. Большие значения подач (0,12 мм/об) применяют для получистовой и черновой обработки, при которых обеспечивается 6-й класс шероховатости поверхности.
Инструменты из СТМ рекомендуется применять в ремонтном производстве при механической обработке изношенных деталей под ремонтный размер или перед нанесением покрытий, а также деталей, восстановленных различными методами (наплавкой, металлизацией, напылением, гальваническим наращиванием, напеканием металлическими порошками, заливкой жидким металлом и др.). Это объясняется тем, что только методы механической обработки позволяют получить необходимую точность размеров, формы и взаимного расположения поверхностей и требуемую шероховатость.
5.4 Краткие рекомендации по выбору и применению ПСТМ
Большие размеры поликристаллов позволяют использовать эти материалы для изготовления сменных пластин различной формы и размеров.
Поликристаллы в основном изготовляются в виде сферы и цилиндров с размерами: длина 3,5 - 5 мм, диаметр 3 - 5 мм, последние выпуски - крупногабаритные поликристаллы в виде диска тощиной более 8 мм и диаметром до 40 мм.
Поликристаллы с державкой соединяют вакуумной пайкой, а также горячей опрессовкой стальной втулки с поликристаллом.
Формы и размеры пластин соответствуют стандарту ISO 1832:1991 Е – круглые, квадратные, треугольные, ромбические с диаметрами описанной окружности от 3,97 до 6,35 мм (треугольные), 9,53 мм (ромбические), 15,9 мм (квадратные) и 36 мм (круглые). Пластины с одной режущей вершиной выпускаются всех типоразмеров, предусмотренных стандартом ISO. Толщина пластин – от 1,59 до 7,97 мм, радиусы при вершине от 0,2 до
4,0 мм, задние углы от 0 до 11°. Конструктивные параметры пластин из ПСТМ регламентируются ТУ 2-037-636-89 «Пластины режущие сменные многогранные из сверхтвердых материалов», ТУ 88-90-1244-91 «Пластины алмазно-твердосплавные для режущего и бурового инструмента» и ТУ 2-035-808-81 «Форма и размеры пластин из синтетических сверхтвердых материалов». Крепление пластин производится как механически, так и с помощью пайки (двухслойные пластины).
Часто применяют сборные инструменты со вставками из СТМ. Сменные вставки, оснащенные СТМ, предназначены для закрепления в стальных корпусах сборного лезвийного инструмента (резцы, фрезы и др.), оправках, бортштангах. Наиболее распространенные конструкции вставок показаны на рис. 5.7.
Вставки к инструментам изготовляются 20 типоразмеров диаметром 8 - 16 мм, высотой 5 - 8,5 мм и длиной 13 - 30 мм с различными углами заточки.
Из многолезвийных инструментов освоены торцовые фрезы диаметром от 60 до 250 мм, которые, например, со вставками из СТМ на основе BN применяют для обработки заготовок из закаленных сталей (кроме быстрорежущих и высокохромистых (типа Х12М)) при изготовлении деталей штампов, пресс - форм, направляющих станин станков и т.п. и чугунов - корпусов коробок передач, кронштейнов и т.п.
а) б)
Рисунок 5.7 - Сменные вставки, оснащенные СТМ: цилиндрическая (а); призматическая с отверстием (б)
|
Геометрические параметры инструмента из СТМ во многом определяются его свойствами и условиями обработки. Учитывая склонность СТМ к хрупкому разрушению, режущие кромки инструментов должны обладать повышенной прочностью. С целью обеспечения высокой прочности режущей кромки угол заострения b для инструмента из СТМ должен быть максимально допустимым.
Передний угол g от 0 до 15°, задний угол a от 2 до 6°, радиус вершины rв от 0,2 до 1,0 мм выбирают от вида обрабатываемого материала и требуемой чистоты обработанной поверхности.
Для обеспечения шероховатости обработанной поверхности до Ra =0,1 мм режущая кромка не должна иметь сколов, а передняя и задняя поверхности инструмента обработаны до шероховатости Ra =0,01-0,015 мм. Радиус округления режущей кромки r должен достигать размеров менее 10 мкм.
В связи с повышенной чувствительностью инструментов из ПСТМ к вибрациям и ударным нагрузкам, к станкам, используемым для обработки режущими элементами из ПСТМ, предъявляются повышенные требования в отношении точности, виброустойчивости и жесткости.
Режущие инструменты, оснащенные поликристаллическими алмазами, применяются при обработке титановых, высококремнистых алюминиевых сплавов, стеклопластиков и пластмасс, минералокерамики, твердых сплавов, медных сплавов и других материалов.
В табл. 5.4 приведены рекомендации по режимам резания инструментами из алмаза различных обрабатываемых материалов.
Таблица 5.4 - Рекомендуемые режимы резания резцами из алмаза
| Обрабатываемый материал | V, м/с | S, мм/об | t, мм |
| Алюминиевые литые сплавы | 10,0-11,5 | 0,010-0,04 | 0,01-0,20 |
| Алюминиево-магниевые сплавы | 6,6-8,3 | 0,010-0,05 | То же |
| Алюминиевые жаропрочные сплавы | 4,1-6,6 | 0,020-0,04 | 0,05-0,10 |
| Дуралюмин | 8,3-11,5 | 0,021-0,04 | 0,03-0,15 |
| Медь | 6,0-8,3 | 0,010-0,04 | 0,01-0,40 |
| Бронза оловянистая | 4,1-6,6 | 0,040-0,07 | 0,08-0,20 |
| Бронза алюминиево - железистая | 11,5 | 0,020-0,04 | 0,03-0,06 |
| Бронза свинцовистая | 10,0-11,5 | 0,025-0,05 | 0,02-0,05 |
| Латунь | 8,3 | 0,020-0,06 | 0,03-0,06 |
| Баббит | 6,6-8,3 | 0,010-0,05 | 0,05-0,20 |
| Монель | 2,5-5,0 | 0,010-0,02 | 0,03-0,05 |
| Титановые сплавы | 1,6-5,0 | 0,020-0,05 | 0,03-0,06 |
| Пластмассы | 1,6-3,3 | 0,020-0,05 | 0,05-0,15 |
| Стеклотекстолит | 10,0-11,5 | 0,020-0,05 | 0,03-0,05 |
| Резина | 5,0-6,6 | 0,010-0,04 | 0,02-0,06 |
Высокая эффективность применения инструмента, оснащенного поликристаллами композита, обусловлена уникальным сочетанием их физико-химических характеристик: высокой твердостью (400 - 750 МПа), т. е. в 2 - 4 раза большей, чем у твердых сплавов; высокой теплостойкостью (1100 - 1300°С); хорошей
теплопроводностью (42 - 50 Вт/(м∙К)), не снижающейся при повышении температуры; высокой остротою режущей кромки (радиус округления кромки не превышает 2,0 – 3,0 мкм на протяжении всего периода стойкости инструмента и практически не зависит от режимов резания); достаточной вязкости и прочности.
Марки кубического нитрида бора 01, 05 и 10, и режимы выбираются в зависимости от требований и качеству обработки, обрабатываемого материала, его твердости, характера обработки (резание с ударом или без удара) и др.:
- композит 01 (эльбор - Р) и композит 02 (белбор) КНБ с минимальным количеством примесей применяются для тонкого и чистового точения, преимущественно без удара, и торцового фрезерования деталей из закаленных сталей и чугунов любой твердости, из твердых сплавов с содержанием кобальта менее 15% с глубиной резания 0,05 - 0,5 мм (максимально допустимая 1 мм);
- композит 05 - поликристаллы, спеченные из зерен КНБ со связкой, применяются для предварительного и окончательного точения без удара деталей из закаленных сталей HRС<60 и чугунов любой твердости с глубиной резания 0,05 - 3 мм, а также для торцевого фрезерования чугунов любой твердости, в том числе по корке, с глубиной резания 0,05 – 1,2 мм (многоступенчатыми фрезами – до 6 мм);
- композит 10 (гексанит-Р) и двухслойные пластины из композита 10Д - поликристаллы на основе вюртцитоподобного нитрида бора (ВНБ) - применяются для предварительного и окончательного точения с ударом и без удара и торцового фрезерования деталей из сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов (в том числе содержащих кобальта более 15%) с глубиной резания 0,05 - 3 мм.
Интенсификация режимов резания при внедрении инструмента из синтетических сверхтвердых материалов осуществляется, как правило, за счет увеличения скорости резания. Поэтому главным резервом повышения производительности обработки для инструмента на основе BN является скорость резания, которая может превышать скорость резания твердосплавным инструментом в 5 и более раз как при обработке чугуна, так и при обработке стали (табл. 5.5).
Из таблицы видно, что наибольшая эффективность применения инструментов на основе BN имеет место при обработке высокотвердых и высокопрочных чугунов и сталей.
Для обработки наплавленных поверхностей и труднообрабатываемых материалов Институтом сверхтвердых материалов АН Украины созданы поликристаллические СТМ - киборит, карбонит и алмазные бипластины. Резцами из киборита можно обрабатывать, кроме деталей, выполненных из закаленных сталей и различных марок чугунов, также и с наплавленным поверхностным слоем, размеры которого достигают 2 мм и более.
Таблица 5.5 - Скорости резания различными инструментальными материалами
| Обрабатываемый материал | Скорость резания, м/мин, для инструментального материала | ||||
| Точение | Фрезерование | ||||
| Композит | Твердый сплав | Композит | Твердый сплав | ||
| Сталь | НВ 150-250 | 100-200 | 130-300 | 400-900 | 100-300 |
| HRC 45-55 | 80 -160 | 25-45 | 200-500 | 30-70 | |
| HRC 60-70 | 60-120 | 10-15 | 80-200 | - | |
| Серый чугун (НВ 120-240) | 600-1000 | 100-200 | 800-3000 | 800-3000 | |
| Высокопрочный чугун (НВ 160-330) | 400-800 | 50-100 | 500-2000 | 50-80 | |
| Отбеленный и закаленный чугун (HRC 40-60) | 50-150 | 10-20 | 200-800 | 10-20 |
Например, при безударной обработке закаленной стали ХВГ (НRС 60 - 62) и нержавеющей закаленной стали 40X13 (НRС 58) стойкость таких резцов в 1,5 – 2 раза превышает стойкость резцов, оснащенных другими марками поликристаллических СТМ.
В ближайшие годы мировой рынок инструмента из СТМ ожидает резкий подъем. Это объясняется прежде всего тем, что в различных областях техники все большее применение находят труднообрабатываемые материалы и принципиально новые схемы обработки.
Эффективность инструмента из СТМ наиболее полно проявляется в условиях автоматизированного производства, гибкой смены технологий механообработки.
При применении ПСТМ на оптимальных режимах резания на станках с ЧПУ производительность обработки повышается в 1,5-3 раза по сравнению с твердосплавным инструментом, улучшается качество обработанных поверхностей, и, как правило, исключается необходимость последующей абразивной обработки.
5.5 Вопросы для самопроверки
1 Охарактеризуйте особенности кристаллического строения графита, алмаза, графитоподобного и кубического нитрида бора.
2 По каким характеристикам отличаются естественные и искусственные сверхтвердые материалы на основе углерода?
3 Охарактеризуйте пирамиду твердости неметаллических тугоплавких соединений.
4 По каким свойствам кубический нитрид бора превосходит алмаз?
5 Охарактеризуйте особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора.
6 Приведите классификацию поликристаллических сверхтвердых материалов (ПСТМ) и охарактеризуйте их свойства.
7 Охарактеризуйте особенности кристаллического строения и свойства кубического карбонитрида бора.
8 Дайте характеристику основных свойств и области применения поликристаллов синтетического алмаза.
9 Дайте характеристику основных свойств и области применения ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора.
10 Приведите краткие рекомендации по выбору и применению ПСТМ. Укажите рациональные области применения ПСТМ.
11 Какие сверхтвердые инструментальные материалы предпочтительно выбирать при обработке сталей, чугунов, цветных металлов?
12 Какие сверхтвердые инструментальные материалы предпочтительно выбирать при черновой и чистовой обработках?
13 Какие сверхтвердые инструментальные материалы могут использоваться при обработке высокопрочных материалов, наплавленных материалов и материалов в закаленном состоянии?
Дата добавления: 2015-11-30; просмотров: 90 | Нарушение авторских прав