1.6.4.Сверхтвердые инструментальные материалы

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

Алмаз – одна из модификаций углерода. Благодаря кубическому строению кристаллической решетки алмаз является самым твердым из известных в природе минералов. Его твердость в пять раз выше, чем твердого сплава, 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. Технические алмазы имеют вид сростков кристаллов и агрегатов. Синтетические алмазы получают в виде мелкозернистых порошков и используют для изготовления абразивных кругов, паст и т.п.

Природные алмазы применяют в основном при тонком точении цветных металлов, не содержащих углерод и железо. Теплостойкость алмазов равна (при более высоких температурах алмаз сгорает). Природные алмазы имеют высокую теплопроводность и самый низкий коэффициент трения. Алмазные кристаллы обладают большой анизотропией и при надлежащей кристаллографической ориентации можно повысить стойкость инструмента на 200 – 1000% [4].

Недостатки:

• способность интенсивно растворятся в железе и его сплавах с углеродом при температуре 750-850 градусов;

• высокая стоимость и дефицитность;

• высокая хрупкость.

Размеры синтетического алмаза, от микропорошков до 1.2 мм. Алмазные порошки синтетические в основном применяют абразивных инструментов, шлифовальные кружки, сегменты и т.д.

Алмазные порошки (АСО) – из него изготавливают шлифовальные круги, ленты, бруски для чистого шлифования, доводки, хонингования твердых сплавов и закаленных сталей. Зерна АСО обладают повышенной хрупкостью, хорошо развита режущими кромками, такими зернами оснащают круги на органической связки.

АСР – зерно имеет меньшую хрупкость, повышенную прочность, еще достаточно хорошо развитые кромки. Изготавливают шлифовальные круги на керамической и органической связке. Применяют для частого и полу частого сплава, для доводки инструмента.

АСВ – хрупкость ещё меньше, гладкая поверхность. Изготавливают шлифовальные круги на металлической связки, имеет высокую прочность, работает при больших давлениях. Изготавливают шлифовальные круги, сверла, применяют для хонингования изделий из стали и чугуна.

АСК – более высокая прочность, меньшая прочность, оснащает абразивный инструмент на металлической связки для особо тяжелых работ, изготавливают шлифовальные круги, сверла, происходит резка камня, бетона, керамики, хонингования закаленного чугуна и сверления отверстий в рубине, металле.

АСС – зерно оболочкой формы имеет максимальную прочность выше природных алмазных, применяется для изготовления бурового инструмента, правки абразивных кругов и обработки особо твердых материалов, изготавливает отрезные круги для резки корунда, рубина.

АСТ – это хорошо ограненные кристаллы от 0,6-1,6 мм без трещин и включения. По прочности не уступают природному алмазу, изготавливает однокристальный инструмент: резцы, фрезы, сверла, стеклорезы.

В последнее время освоен метод изготовления металлизированных алмазов. Металлизация идет электролитическим способом. Кристалл покрывают медью, никелем или титаном, при этом уменьшается дислокационное нарушение в кристаллах. Покрытие цементирует кристалл и увеличивается прочность. Повышается адгезия при сталях со связках. Улучшается теплопроводность от зерна алмазов в связку. Покрытие дает возможность ориентировать зерна в магнитное поле.

«Баллас» и «карбонадо» - синтетические поликристаллические алмазы впервые в СССР в институте физики высоких давлений. «Баллас» и «карбонадо» – это прочно цементирующая масса достаточно совершенно мелких кристаллов. Работоспособность на уровне природных алмазов. Допуск диаметра до 8 мкм. Используют для однокристаллического инструмента. Из этих материалов изготавливают фрезы, буровой инструмент, шлифовальные отрезные круги и применяют для обработки титановых, высококремнистых алюминиевых сплавов, стеклопластиков, керамики и пластин твердых сплавов.

Кубический нитрид бора является плотной модификацией графитоподобного нитрида бора. Синтезируется при высоких давлениях и температурах в области термодинамической стабильности этих фаз.

Атомные веса бора и азота близки к атому веса углерода. Обработка нитрида бора в специальной камере при высоком давлении и температуре – позволяет получить кристаллическую решетку и физико-механические свойства близка твердости алмазам. Кубический нитрид бора – имеет высокую стойкость к окислению при нагреве при температуре ( ).

Используются два вида кубического нитрида бора: Эльбор - Л, Эльбор - Р.

Эльбор – Л – применяют для получения порошков для абразивного инструмента, повышенная прочность. Изготавливают для кругов, выполняющих резьбо-зубо-шлифование. Применяют для получистового и чистового шлифования сталей и чугунов, нержавеющих сталей и для доводки режущих инструментов из быстрорежущий стали и хонингования.

Эльбор – Р – применяется для изготовление пластин, резцов, фрез, кольцевых сверл, а так же буровых косынок. Обрабатывает закаленные, легированные стали и чугуны.

Эльбор до зернистости 12 синтезируется в виде монокристаллов, а более 12 в виде поликристалла. Из кубонита ИСМ изготавливают шлиф порошки КО, КР и изготавливают микро-порошки КМ – размер зерен 60/40 – 1/0, а так же порошки с металлическим покрытием КОМ. Из кубонита изготавливают шлифованные круги двух марок: КО и КР инструмент, кольцевые сверла. Применяют для получистового и чистового шлифования стали и чугуна, так же для заточки и доводки быстрорежущих инструментов, и резьбошлифовальных, и зубошлифованых кругов. КОМ, КРМ, КОС (с неметаллическим покрытием), КОМА (агрегатированое покрытие) – металлизируется с золотом, медью, титаном и не металлическое покрытие – это специальные пластмассы или керамика толщиной 3-4 мкм, прочность увеличивается у всех примерно на 30%.

Славутич - сверхтвердый синтетический материал, не уступает алмазам по износостойкости, превосходный по прочности, изготавливают в виде штабиков и сплав буровых инструментов (буровые колонки).

Гексанит Р – (композит 10) поликристаллический материал на основе бора и азота, основная часть~80% - имеет гексагональную кристаллическую решетку. Тонкозернистая кристаллическая структура обладает высокой микротвердостью и пониженной хрупкостью. Используется в лезвийных инструментах при работе с ударной нагрузкой при обработке конструкционных, легированных и жаропрочных сталей.

ИСМИТ – поликристаллический сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора, его получают при высоких давлениях и температурах, существует три марки – ИСМИТ-1, ИСМИТ-2, ИСМИТ-3.