2.5 Сверхтвердые синтетические поликристаллические инструментальные материалы

Сверхтвердыми принято считать материалы, имеющие микротвердость, выше микротвердости природного корунда (Al₂O₃) (т.е. твердость по Виккерсу более 20 ГПа). Материалы, твердость которых выше, чем металлов (т.е. 5-20 ГПа) можно рассматривать как высокотвердые. Из природных материалов к сверхтвердым относится только алмаз. В 2000 году в ИСМ АН Украины прямым превращением графитоподобного твердого раствора BN-C при давлении 25 ГПа и температуре 2100К была получена новая сверхтвердая фаза, кубический карбонитрид бора (BC₂N), получившим обозначение КАНБ. Твердость и модуль упругости КАНБ является промежуточным между алмазом и кубическим нитридом бора, что делает его вторым по твердости материалом после алмаза, и открывает новые перспективы.

2.5.1 Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора

Инструментальная промышленность выпускает синтетические сверхтвердые материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ).

Природный алмаз – самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента. Принципиальное отличие монокристаллического природного алмаза от всех других инструментальных материалов, имеющих поликристаллическое строение, с точки зрения инструментальщика состоит в возможности получения практически идеально острой и прямолинейной режущей кромки. Поэтому в конце XX века с развитием электроники, прецизионного машиностроения и приборостроения применение резцов из природных алмазов для микроточения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т.п. возрастает. Однако из-за дороговизны и хрупкости природные алмазы не применяются в общем машиностроении, где требования к качеству обработки деталей не столь высоки.

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 (Институт физики высоких давлений) методом каталитического синтеза, при высоких статических давлениях, из гексагональных фаз графита (С) и нитрида бора (BN), были получены мелкие частицы кубических фаз синтетического алмаза и нитрида бора.

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 (КНБ) сверхтвердый материал не имеющий 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.

Синтетические монокристаллы алмаза и КНБ, полученные искусственным путем имеют очень малые размеры, поэтому для использования в качестве инструментального материала их соединяют (сращивают) в поликристаллы.

Поликристаллические композиционные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора появились на рубеже 60-70 годов. Характерной особенностью таких материалов является наличие жесткого каркаса из сросшихся зерен алмаза или КНБ. 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 (рис. 2.4). Составляющие каркас зерна это в сущности, монокристаллы алмаза, обладающие рядом уникальных физико-механических и теплофизических свойств. Насколько эти свойства реализуются в поликристалле, зависит от степени их взаимосвязи.

Технология производства двухслойных пластин, состоящих из верхнего рабочего слоя – сверхтвердого материала скрепленного с твердосплавной пластиной. Спеканием двухслойной пластины с алмазным рабочим слоем получают АТП, а с рабочим слоем из КНБ – КТП. Физико-механические свойства этих материалов приведены в табл. 2.14, 2.15

Рисунок 2.4 – Структура алмазного композиционного поликристаллического материала

Управление процессом формирования структуры поликристалла открывает возможности создавать в зависимости от областей применения материалы с требуемым сочетанием твердости, теплопроводности, прочности, электросопротивления. Поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) по своим физико-механическим свойствам могут быть близкими к монокристаллам, а по некоторым и превосходят их. Так, большинство алмазных поликристаллов обладает изотропией (однородностью по различным направлениям) свойств, отличаются высокой износостойкостью и превосходят монокристаллы по трещиностойкости.

Классификация ПСТМ основана на способе их получения и особенностях структуры. Основные способы получения ПСТМ показаны в табл. 2.13.

Таблица 2.13 Способы получения ПСТМ

Груп па	Способ получения	Пример
1	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)
2	Спекание порошков алмаза с активирующими добавками Спекание порошков КНБ с активирующими добавками	АКТМ (ИСМ, Украина), СКМ, СВБН,карбонит. Киборит (ИСМ, Украина), ниборит
3	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)

При переходе графита в алмаз в присутствии растворителя получают искусственные алмазы марок АСПК-карбонадо и АСБ-баллас, структура которых идентична структуре природных алмазов таких же названий. При переходе графитоподобного нитрида бора в кубический (КНБ) в присутствии растворителя получают Композит 01 (Эльбор-Р) и Композит 02 (Белбол), а при переходе вюрцитного нитрида бора в кубический Композит 10 (Гексанит-Р). Спеканием порошков алмаза получают марки АКТМ , СКМ, СВБН и карбонит, а спеканием порошков КНБ – киборит и ниборит. Получает развитие

Таблица 2.14 Физико-механические свойства материалов на основе ПКА

Марка материала	Свойства ПКА
	Твердость по Кнуппу, ГПа	Плотность, г/см3	Прочность, ГПа		Модуль Юнга, ГПа	Коэффициент трещиностойкости К1С, МПам10	Теплопроводность, Вт/(мК)	Термостойкость на воздухе, К	Коэффициент линейного расширения , 1/К10-4
			на сжатие	на изгиб
АСБ	50-90	3,5-3,9	0,4-0,6	0,78	800-850		290-300	873-993	0,9-1,2
АСПК	80-100	3,5-4,0	0,4-0,8	0,5-1,0	900		-	1073-1173	0,9-1,2
СКМ	60-70	-	0,6-0,8	-	850		150-250	973-1073
АТП	50	3,74-3,77	0,3-0,4	0,80-0,85		10-13	-	950-1000
АКТМ	52	3,46	0,49	-	970	8	260	1473
СВБН	70-100	3,30-3,45	8,0-10,0	-			-	1073-1223
Продолжение таблицы 2.14
Карбонит	40-45	3,2-3,4	4,5-6,0	-			-	1473
Алмет	94-96 HRA	-	5,0-10,0	-	500-600		-	973
СВ	65-100	-	5,0-10,0	-	850		-	1573-1673

Таблица 2.15 Физико-механические свойства материалов на основе КНБ

Марка КНБ	Свойства ПКА
	Твердость по Кнуппу, ГПа	Плотность, г/см3	Прочность, ГПа			Коэффициент трещиностойкости К1С, МПам10	Модуль Юнга, ГПа	Теплопроводность, Вт/(мК)	Термостойкость на воздухе, К	Размер зерен, мкм
			на сжатие	на растяжение	на изгиб
Композит 01	32-38	3,31-3,45	2,25-3,15	0,43-0,49	0,70-0,98	3,7-4,2	680-720	60-80	1343-1473	5,20
Продолжение таблицы 2.15
Композит 02	38	3,42-3,50	4,00-6,50	-	0,68-0,70	10,8	720	85	1273-1423	0,2-5
Композит 10	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	0,1-0,3
Киборит	32-36	3,20-3,34	2,60-3,20	0,32-0,37	0,55-0,65	13,5	850-910	100	1573	3-14
КТП	25-33	-	-		-	14,5-16,1	-	80	-	-

За рубежом на основе технологии спекания алмазных зерен выпускают поликристаллические материалы Syndite 025, Megadiamond, Sumidia, Compax и др., а на основе спекания зерен КНБ Amborite, BZN, Sumiboron, Wurzin и др. размеры пластин СПТМ могут достигать 30-40 мм в диаметре, что открывает возможность получения инструмента с режущими кромками большой длины.