Дизайн сверхтвердых материалов. Сверхтвердые материалы Сверхтвердые материалы состав свойства марки применение

Материалы высокой твердости используются главным образом в механизмах, подверженных абразивному изнашиванию.

Из простых веществ большой твердостью обладают лишь алмазы и бор.

Подавляющее большинство веществ высокой твердости — тугоплавкие химические соединения (карбиды, нитриды, бориды, силициды).

Из-за высокой хрупкости твердых соединений и трудности их обработки изготовление деталей из них в большинстве случаев нецелесообразно или экономически невыгодно. Основная область их применения — твердые составляющие композиционных материалов и покрытия, наносимые разными способами.

Сверхтвердые материалы

К ним относятся кубические модификации углерода (алмаз) и нитрида бора.

Синтетические алмазы в виде порошков используют для приготовления абразивного инструмента и абразивных наст, в виде плотных поликристаллических образований (Баллас, Карбонадо) для производства абразивного инструмента, резцов, волок.

Спеканием смеси микропорошков синтетических и природных алмазов получают плотные поликристаллические образования алмаза — СВ и Дисмит.

Алмазы марки СВ применяют для буровых коронок и долот, а также для резки неметаллических материалов.

Дисмит применяют для изготовления горнобурового инструмента, режущего инструмента (резцы, сверла и другие), используемого для обработки цветных металлов и сплавов, пластмасс, стеклопластиков.

Кубический нитрид бора

Получают только синтетическим путем из гексагональной модификации. Применяется главным образом для изготовления абразивного инструмента. По твердости он уступает алмазу, но существенно превосходит его по теплостойкости.

В США кубический нитрид бора выпускается под названием Боразон, в СНГ — Эльбор и Кубонит. Марки их соответственно ЛО и КО обычной прочности и ЛР и КР — повышенной.

Разновидности поликристаллического материала на основе Эльбора и Кубонита — Эльбор -Р, Гексанит — Р, ИСМИТ, ПНТБ, КОМПОЗИТ и других… выпускаются в виде пластин различной формы. Изготавливают из них металлорежущий инструмент, применяемых при обработке труднообрабатываемых закаленных сталей, чугунов и сплавов с твердостью HRC>40. Стойкость такого инструмента в 10…20 раз больше стойкости твердосплавного, производительность повышается в 2…4 раза.

Сверхтвердые материалы

Сверхтвёрдые материа́лы - группа веществ, обладающих высочайшей твердостью, к которой относят материалы, твёрдость и износустойчивость которых превышает твёрдость и износоустойчивость твёрдых сплавов на основе карбидов вольфрама и титана с кобальтовой связкой карбидотитановых сплавов на никель-молибденовой связке. Широко применяемые сверхтвердые материалы: электрокорунд , оксид циркония , карбид кремния , карбид бора , боразон , диборид рения , алмаз . Сверхтвёрдые материалы часто применяются в качестве материалов для абразивной обработки .

В последние годы пристальное внимание современной промышленности направлено к изысканию новых типов сверхтвёрдых материалов и ассимиляции таких материалов, как нитрид углерода, сплав бор-углерод-кремний , нитрид кремния, сплав карбид титана-карбид скандия, сплавы боридов и карбидов подгруппы титана с карбидами и боридами лантаноидов.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Сверхтвердые материалы" в других словарях:

Сверхтвердые керамические материалы - – композиционные керамические материалы, получаемые введением различных легирующих добавок и наполнителей в исходный нитрид бора. Структура таких материалов образована прочно связанными мельчайшими кристаллитами и, следовательно, они являются… …

Группа веществ, обладающих высочайшей твердостью, к которой относят материалы, твёрдость и износоустойчивость которых превышает твёрдость и износоустойчивость твёрдых сплавов на основе карбидов вольфрама и титана с кобальтовой связкой… … Википедия

Древесноволокнистые сверхтвердые плиты СМ-500 - – изготовляют прессованием молотой древесной массы, обработанной полимерами, чаще всего фенолоформальдегидными, с добавками высыхающих масел и некоторых других компонентов. Выпускают длиной 1,2 м, шириной 1,0 м и толщиной 5 6 мм. Полы из таких… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

порошковые материалы - консолидированные материалы, полученные из порошков; в литературе часто используется наряду с «порошковыми материалами» термин «спеченные материалы», т.к. один из основных способов консолидации порошков спекание. Порошковые… … Энциклопедический словарь по металлургии

- (фр. abrasif шлифовальный, от лат. abradere соскабливать) это материалы, обладающие высокой твердостью, и используемые для обработки поверхности различных материалов. Абразивные материалы используются в процессах шлифования, полирования,… … Википедия

В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Новиков. В Википедии есть статьи о других людях с именем Новиков, Николай. Новиков Николай Васильевич … Википедия

Шлифовáние механическая или ручная операция по обработке твёрдого материала (металл, стекло, гранит, алмаз и др.). Разновидность абразивной обработки, которая, в свою очередь, является разновидностью резания. Механическое шлифование обычно… … Википедия

- (от ср. век. лат. detonatio взрыв, лат. detonо гремлю), распространение со сверхзвуковой скоростью зоны быстрой экзотермич. хим. р ции, следующей за фронтом ударной волны. Ударная волна инициирует р цию, сжимая и нагревая детонирующее в во… … Химическая энциклопедия

Неорганическая химия раздел химии, связанный с изучением строения, реакционной способности и свойств всех химических элементов и их неорганических соединений. Это область охватывает все химические соединения, за исключением органических… … Википедия

- … Википедия

Книги

Инструментальные материалы в машиностроении: Учебник. Гриф МО РФ , Адаскин А.М.. В учебнике представлены материалы для изготовления режущего, штампового, слесарно-монтажного, вспомогательного, контрольно-измерительного инструмента: инструментальные, быстрорежущие и…

Какие материалы считаются сверхтвердыми? Каков диапазон их применения? Существуют ли материалы тверже алмаза? Об этом рассказывает профессор, PhD in Crystallography Артем Оганов.

Сверхтвердыми материалами называются материалы, которые имеют твердость выше 40 гигапаскалей. Твердость - это свойство, которое традиционно измеряется путем царапания. Если один материал царапает другой, то считается, что у него выше твердость. Это относительная твердость, она не имеет жестких количественных характеристик. Строгие количественные характеристики твердости определяются путем теста надавливанием. Когда вы берете пирамидку, сделанную обычно из алмаза, прикладываете некоторое усилие и надавливаете пирамидкой на поверхность вашего тестируемого материала, измеряете силу надавливания, измеряете площадь отпечатка, применяется поправочный коэффициент, и эта величина будет твердостью вашего материала. Она имеет размерность давления, поскольку это сила, деленная на площадь, поэтому гигапаскали (ГПа).

40 ГПа - это твердость кубического поликристаллического нитрида бора. Это классический сверхтвердый материал, который достаточно широко применяется. Самым твердым материалом, известным человечеству до сих пор, является алмаз. Долгое время были попытки, которые не прекращаются и сейчас, открыть материал тверже алмаза. Пока что эти попытки к успеху не привели.

Зачем нужны сверхтвердые материалы? Число сверхтвердых материалов невелико, порядка десяти, может быть, пятнадцать материалов, известных на сегодня. Во-первых, сверхтвердые материалы могут использоваться при резке, полировании, шлифовании, бурении. При задачах, которые связаны со станкостроением, с ювелирным делом, с обработкой камня, разработкой месторождений, с бурением и так далее, - это все требует сверхтвердых материалов.

Алмаз является самым твердым материалом, но он не является самым оптимальным материалом. Дело в том, что алмаз, во-первых, хрупок, во-вторых, алмаз горит в кислородной атмосфере. Представьте себе бур, который разогревается до высокой температуры в кислородной атмосфере. Алмаз, будучи элементарным углеродом, сгорит. И, кроме того, алмазом нельзя резать сталь. Почему? Потому что углерод реагирует с железом, образуя карбид железа, то есть ваш алмаз просто растворится в стали при достаточно высокой температуре, и поэтому нужно искать какие-то другие материалы. Кроме того, алмаз, конечно, достаточно дорог, даже синтетический алмаз не является достаточно дешевым материалом.

Более того, сверхтвердые материалы еще могут пригодиться в бронежилетах и прочих защитных военных приспособлениях. В частности, широко используется такой материал, как карбид бора, который тоже является сверхтвердым и достаточно легким. Такой вот диапазон применения сверхтвердых материалов.

Известно, что сверхтвердые материалы образуются в веществах с сильной ковалентной связью. Ионная связь понижает твердость. Металлическая связь тоже понижает твердость. Связи должны быть сильными, направленными, то есть ковалентными, и по возможности короткими. Плотность вещества тоже по возможности должна быть высокой, плотность в смысле числа атомов на единицу объема. И по возможности симметрия вещества должна быть тоже очень высокой, чтобы вещество было одинаково сильным в этом направлении, и в этом, и в этом. Иначе будет такая же история, как в графите, где связи очень сильные, но лишь в двух направлениях, а в третьем направлении между слоями связи исключительно слабые, в результате вещество получается тоже мягким.

Много институтов, много лабораторий по всему миру занимаются синтезом и разработкой сверхтвердых материалов. В частности, это Институт физики высоких давлений в Подмосковье, Институт сверхтвердых и новых углеродных материалов в Подмосковье, Институт сверхтвердых материалов в Киеве и ряд лабораторий на Западе. Активные разработки в этой области начались, я думаю, с 50-х годов, когда в Швеции и Америке впервые был получен искусственный алмаз. Поначалу эти разработки были секретные, но достаточно скоро в Советском Союзе тоже был налажен синтез искусственных алмазов, как раз благодаря работам исследователей из Института физики высоких давлений и Института сверхтвердых материалов.

Были разного рода попытки создания материалов тверже алмаза. Первая попытка была на основе фуллеренов. - это молекулы, похожие на футбольный мяч, полые молекулы, круглые или несколько удлиненные. Связи между этими молекулами очень слабые. То есть это молекулярный кристалл, состоящий из здоровых молекул. Но между молекулами связи слабые, вандерваальсовы. Если такого рода кристалл сдавить, то между молекулами, между этими шарами начнут образовываться связи, и структура превратится в трехмерносвязную ковалентную очень твердую структуру. Этот материал получил название тиснумит в честь Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов. Предполагалось, что у этого материала твердость выше, чем у алмаза, но дальнейшие исследования показали, что это, скорее всего, не так.

Были предложения и достаточно активная дискуссия по поводу того, что нитриды углерода могут быть тверже, чем алмаз, но, несмотря на активную дискуссию и активные исследования, до сих пор такой материал миру представлен не был.

Была достаточно забавная работа китайских исследователей, в которой они предположили на основе теоретических вычислений, что другая модификация углерода похожа на алмаз во многом, но слегка от него отличается, а называется лонсдейлит. Согласно этой работе, лонсдейлит тверже алмаза. Лонсдейлит интересный материал, тонкие ламели этого материала были обнаружены в ударно-сжатом алмазе. Минерал этот был назван в честь знаменитой женщины Кэтлин Лонсдейл, великого британского кристаллографа, которая жила в 50–70-е годы XX века. У нее была крайне интересная биография, ей даже довелось посидеть в тюрьме, когда она отказалась тушить пожары во время Второй мировой войны. Она была по религии квакер, и квакерам запрещались любые действия, связанные с войной, даже тушить пожары. И за это ее в автозак поместили. Но тем не менее у нее все было хорошо, она была президентом Международного союза кристаллографов, и в ее честь был назван этот минерал.

Лонсдейлит, судя по всем имеющимся экспериментальным и теоретическим данным, все же мягче алмаза. Если посмотреть на работу этих китайских исследователей, то видно, что даже по их расчетам лонсдейлит мягче алмаза. Но как-то вывод был сделан вопреки их собственным результатам.

Таким образом, оказывается, что реального кандидата на смещение алмаза с должности самого твердого вещества нет. Но тем не менее вопрос стоит того, чтобы его проработать. Все-таки многие лаборатории до сих пор занимаются попытками создания такого материала. С помощью нашего метода предсказания кристаллических структур мы решили этим вопросом задаться. И задачу можно сформулировать так: вы ищете не вещество, которое обладает максимальной устойчивостью, а вещество, которое обладает максимальной твердостью. Вы задаете диапазон химических составов, например, от чистого углерода до чистого азота, и все, что посередине, все возможные нитриды углерода включены в ваш расчет, и эволюционно пытаетесь найти все более и более твердые составы и структуры.

Самым твердым веществом в этой системе оказывается тот же алмаз, и добавка азота к углероду ничего не улучшает в этой системе.

Таким образом, гипотезу о нитридах углерода как веществах тверже алмаза можно похоронить.

Мы пробовали все остальное, что предлагалось в литературе, разные формы углерода и так далее - во всех случаях побеждал всегда алмаз. Так что, похоже, алмаз с этого пьедестала не сместить. Но можно изобрести новые материалы, которые предпочтительнее алмаза в ряде других отношений, например, в смысле трещиностойкости или в смысле химической устойчивости.

Например, элементный бор. Нами была открыта структура, новая модификация бора. Эту статью мы опубликовали в 2009 году, и она вызвала колоссальный резонанс. Структура получается приложением небольшого давления к обычному бору и нагревом его до высоких температур. Эту форму мы назвали гамма-бор, и оказалось, что в ней присутствует частичная ионная химическая связь. На самом деле это то, что несколько понизит твердость, но за счет высокой плотности эта модификация все же оказывается самой твердой из известных модификаций бора, ее твердость около 50 ГПа. Давления для синтеза небольшие, и поэтому в принципе можно даже думать о ее синтезе в достаточно больших объемах.

Нами был предсказан ряд других сверхтвердых фаз, таких как фазы в системе «вольфрам - бор», «хром - бор» и так далее. Все эти фазы являются сверхтвердыми, но их твердости все же принадлежат к нижней части этого диапазона. Они ближе к отметке в 40 ГПа, чем к отметке в 90–100 ГПа, что соответствует твердости алмаза.

Но поиски продолжаются, мы не отчаиваемся, и вполне возможно, что мы или наши другие коллеги, работающие над этой темой по всему миру, смогут изобрести материал, который можно будет синтезировать при небольших давлениях и который по твердости будет приближаться к алмазу. Кое-что в этой области уже сделано нами и другими коллегами. Но как это применить технологически, пока не совсем понятно.

Расскажу о новой форме углерода, которая на самом деле была произведена экспериментально еще в 1963 году американскими исследователями. Эксперимент был концептуально достаточно простой: они брали углерод в форме графита и сдавливали его при комнатной температуре. Дело в том, что алмаз так не получить, алмаз требует сильного нагрева. Вместо алмаза в их экспериментах образовывалась прозрачная сверхтвердая неметаллическая фаза, но тем не менее это был не алмаз. И с характеристиками ни одной из известных форм углерода это никак не согласовывалась. В чем дело, что это за структура?

Совершенно случайно, изучая различные структуры углерода, мы натолкнулись на одну структуру, которая лишь ненамного уступала алмазу по устойчивости. Лишь спустя три года после того, как мы эту структуру увидели, посмотрели на нее, даже где-то опубликовали между строк, до нас дошло, что неплохо было бы свойства этой структуры сравнить с тем, что было опубликовано всеми теми исследователями начиная с 1963 года и вплоть до самых недавних лет. И оказалось, что существует полное совпадение. Мы были счастливы, мы быстро опубликовали статью в одном из самых престижных журналов, The Physical Review Letters , а через год статью в том же журнале опубликовали американские и японские исследователи, которые обнаружили, что совершенно другая структура углерода тоже описывает эти же экспериментальные данные. Проблема в том, что экспериментальные данные были достаточно плохого разрешения. Так кто же прав?

Вскоре швейцарские и китайские исследователи предложили еще ряд модификаций. И под занавес один китайский исследователь опубликовал около сорока структур углерода, большинство из которых тоже описывают эти же экспериментальные данные. Он мне пообещал, что, если ему будет не лень, он еще порядка ста структур предложит. Так какая же структура правильная?

Для этого пришлось исследовать кинетику преобразования графита в различные структуры углерода, и оказалось, что нам крупно повезло. Оказалось, что наша структура является наиболее предпочтительной с точки зрения кинетики преобразования.

Спустя месяц после опубликования нашей статьи вышла экспериментальная работа, в которой экспериментаторы сделали наиболее точный эксперимент с данными гораздо лучшего разрешения, чем прежде, и действительно оказалось, что из всех тех десятков опубликованных структур только одна структура объясняет экспериментальные данные - это все же наша структура. Этот новый материал мы назвали М-углерод, поскольку симметрия его моноклинная, от первой буквы М.

Этот материал лишь ненамного уступает по твердости алмазу, но есть ли какое-то свойство, в котором он превосходит алмаз, до сих пор непонятно.

До сих пор это, можно сказать, «вещь в себе». Мы продолжаем поиски и надеемся, что нам удастся изобрести материал, который, не сильно уступая алмазу по твердости, значительно будет его обгонять по всем остальным характеристикам.

Один из способов улучшения механических характеристик веществ состоит в их наноструктурировании. В частности, повысить твердость того же самого алмаза можно, если создавать нанокомпозиты алмаза или же нанополикристаллы алмаза. В таких случаях твердость удается повысить даже в 2 раза. И это было сделано японскими исследователями, и сейчас можно видеть продукцию, которую они производят, достаточно большие, порядка кубического сантиметра нанополикристаллы алмаза. Основная проблема с этими нанополикристаллами в том, что они настолько тверды, что их практически невозможно даже отшлифовать, и целая лаборатория шлифует это неделями.

Вот таким образом можно как менять химизм, менять структуру вещества в поисках улучшения его твердости и прочих характеристик, так и менять размерность.

Значительным резервом повышения производительности обработки резанием является применение инструмента, оснащенного пластинами из СТМ на основе поликристаллических алмазов, кубического и гексагонального нитрида бора.

СТМ принято называть материалы, имеющие твердость по Виккерсу при 20°С свыше 35 гПа. Субмикромелкая зернистость СТМ (некоторых типов) позволяет обеспечить при заточке инструмента радиус скругления кромок 0,3-3 мкм, а благодаря исключительно высоким «горячей твердости» (измеряется на образцах, нагретых до соответствующей температуры в вакууме) и износостойкости инструмент из СТМ может быть использован на высоких и сверхвысоких скоростях резания. Например, инструмент из СТМ при резании на скоростях 900-1200 м/мин позволяет получить параметры шероховатости обработанной поверхности Ra<0,8-0,1 мкм. Это значительно меньшая шероховатость, чем шероховатость, полученная при шлифовании, и соизмерима с шероховатостью после притирки, суперфиниширования или алмазного выглаживания.

В настоящее время выпускают большое число марок СТМ на основе плотных модификаций нитрида бора и алмаза (табл.2.5).

Таблица 2.5

Характеристики физико-механических свойств сверхтвердых материалов на основе нитрида бора и алмаза (20°С)

СТМ	r, г/см 3	d сж, гПа	d и, гПа	HV, гПа	Е , гПа	К 1С, мПа/м 2
Композит 01* (эльбор-РМ)	3,4	2,7	-			4,2
Композит 02* (бельбор)	6,5	-	-	-	-	-
Композит 05*	4,3	2,2	0,47	18,8		6,7
Композит 09* (ПТНБ)	-	3,4-4,9	1,0	-	-	-
Композит 10* (гексанит)	3,4	2,6	1,0-1,2		-	3,8
Боразон*	3,48	-	-		-	-
Амборит*	-	-	0,57	40,5		-
АСБ**	3,5-3,9	0,21-0,4	0,5-1,0	50-114	-	-
АСПК**	3,5-4,0	-	0,5-1,0	92-150	-	-
СВБН**	3,34-3,46	8-10	-	70-100	-	-

Окончание табл. 2.5

Карбонит**	3,2-3,4	4,42-5,88	-	39-44	-	-
Компакс**	-	-	-		-	-
Мегадаймонд**	3,1-3,48	-	-	-	-	-

* СTM на основе нитрида бора

**СТМ на основе алмаза

Свойства кубического нитрида бора (КНБ) обусловлены чисто кова-лентным характером связи атомов с высокой локализацией валентных электронов у атомов. Для КНБ характерна высокая химическая устойчивость, твердость, термостабильность при температуре 1450°С. Это делает возможным применение сверхвысоких скоростей резания (до 1200 м/мин) для инструмента из КНБ. Однако сравнительно низкая прочность (s и »0,47-0,7 гПа) и повышенная хрупкость КНБ позволяют использовать инструмент только для чистовой обработки заготовок из хрупких, твердых материалов при ограниченном сечении срезаемого материала и повышенной жесткости технологической системы. Применение инструмента из КНБ для обработки высокопрочных чугунов, закаленных сталей (HRCэ > 40) и некоторых сплавов позволяет в 10-20 раз превысить скорость резания этих материалов твердосплавным инструментом.

Лезвийный инструмент, оснащенный природными монокристаллами и синтетическими поликристаллами алмазов, а также кубическим нитридом бора, обеспечивает высококачественную обработку деталей из цветных металлов и сплавов, закаленных сталей и чугуна, неметаллических материалов, твердого сплава и минералокерамики в условиях серийного, массового и автоматизированного производства. Этот инструмент обладает высокой стойкостью, позволяет получать изделия высокой точности без переналадки в течение длительного времени, что определяет эффективность его применения на автоматических линиях и станках с ЧПУ. В ряде случаев применение подобного инструмента позволяет заменять операции шлифования лезвийной обработкой.

Применяемые для изготовления режущих инструментов природные алмазы (А) относятся к группе ограненных, т.е. алмазов, которым придается требуемая геометрическая форма и размеры. Алмаз и графит по химическому составу представляют собой чистый углерод и являются лишь его разными модификациями, отличающимися расположением атомов в структурной решетке. Графит имеет гексагональную (шестигранную) структурную решетку с расстоянием между слоями 3,35 А. Атомы углерода расположены в слое по вершинам правильных шестиугольников. Расстояние между атомами в слое равно 1,42 А; центры шестиугольников остаются пустыми. Взаимная ориентация слоев такова, что три вершины шестиугольника одного слоя расположены над центрами шестиугольников следующего слоя. В результате такого строения графита связи между атомами углерода в слое очень прочные, а между слоями, в виду большого расстояния между ними, очень слабые, что приводит к легкому расслоению графита в этом направлении.

Алмаз имеет кубическую кристаллическую решетку, содержащую 18 атомов углерода, из которых 8 расположены в вершинах куба, 6 - в центрах граней куба и 4 - в центрах 4-х из 8 кубов, образованных делением элементарной кубической ячейки тремя взаимно перпендикулярными плоскостями. Постоянная кристаллической решетки алмаза равна 3,57 А, а кратчайшее расстояние между атомами составляет 1,54 А. Каждый атом углерода в решетке алмаза связан общими электронами с четырьмя эквивалентными атомами. Атомы углерода в алмазе обладают чрезвычайно прочными ковалентными связями, которые и обуславливают ее исключительно высокую твердость и другие особенности.

Алмаз анизотропен по твердости, что обусловлено неодинаковым расстоянием между атомами в различных направлениях и неодинаковым количеством атомов, содержащихся в различных плоскостях. Свойство анизотропности алмаза по твердости учитывают при изготовлении однокристального алмазного инструмента.

Условно различают «твердые» и «мягкие» направления в кристаллах алмаза. По мягким направлениям алмаз обрабатывается легче, но больше изнашивается, чем по твердым. При изготовлении инструментов алмаз необходимо обрабатывать в «мягком» направлении, а в процессе работы ориентировать кристалл так, чтобы износ происходил в «твердом» направлении. Направления в кристаллах определяют по их внешней форме и на специальных установках с помощью рентгеновских лучей или звуковых колебаний. Лабораторными испытаниями установлено, что точность ориентации главной режущей кромки инструмента, относительно кристаллографических осей оказывает более существенное влияние на стойкость алмазного инструмента, чем другие параметры процесса резания, включая и элементы режима резания. Производительность шлифования монокристалла алмаза, в «твердом» и «мягком» направлениях может отличаться почти в 100 раз.

Алмаз обладает самой высокой твердостью из всех известных в природе минералов; по шкале Моса алмаз занимает наивысшее, десятое место. Микротвердость алмаза по Виккерсу (измеряется алмазной пирамидкой с углом между противоположными гранями 136°) равна примерно 100 гПа. Наряду с высокой твердостью алмаз облает высокой износостойкостью и абразивной способностью.

Алмаз обладает исключительно высокой теплопроводностью. Коэффициент линейного расширения алмаза во много раз меньше коэффициента линейного расширения твердых сплавов. Поэтому инструменты с кристаллами алмаза обладают малыми температурными деформациями. Модуль упругости алмаза превышает модуль упругости всех известных в природе твердых веществ.

Одним из важных свойств алмаза является низкий коэффициент трения. Недостатком алмаза как инструментального материала является его сравнительно низкая теплостойкость. На воздухе алмаз сгорает при температуре 850-1000°С.

Ограниченные запасы природных алмазов, а также их высокая стоимость вызвали необходимость разработки технологий искусственных алмазов. Условия получения искусственных алмазов заключаются в воздействии на алмазообразующий материал, содержащий углерод (графит, сажа, древесный уголь), давлением 60 тыс. атмосфер при температуре 2000-3000°С, что обеспечивает подвижность атомов углерода и возможность перестройки структуры графита в структуру алмаза. Синтез осуществляется в высокопрочных сосудах - автоклавах в присутствии химических катализаторов (железо, никель, хром и др.). При получении алмазов без катализаторов требуется давление 215 тыс. атмосфер и температура свыше 3770°С.

Для обработки закаленных сталей и высокопрочных чугунов эффективен кубический нитрид бора (КНБ).

Существует три варианта техпроцессов получения СТМ:

Синтез из гексагонального нитрида, бора;

Синтез из вюртцитоподобного нитрида бора;

Спекание из порошков кубического нитрида бора с легирующими добавками.

По первому варианту технологического процесса изготовляются Композит 01(Эльбор-Р)* и Композит 02 (Бельбор). Синтез Композита 01 происходит с катализатором, а Композита 02 - без катализатора. Конечный продукт в обоих случаях - кубический нитрид бора.

По второму варианту техпроцесса получают Композит 10 (Гексанит-Р) и Композит 09 (ПТНБ). Композит 10 получают путем синтеза и спекания. Исходный материал - вюрцитоподобный нитрид бора, конечный - смесь вюрцитоподобного и кубического нитрида бора. Композит 09 является результатом синтеза из смеси вюрцитоподобного и кубического нитрида бора, конечный продукт - кубический нитрид бора.

По третьему варианту технологического процесса изготовляется Композит 05 (спекание из порошков КНБ и Аl 2 О 3) и его модификация - композит 05 И.

Поликристаллы всех этих марок отличаются размерами и физико-механическими свойствами.

Композиты 01 и 02 имеют максимальную микротвердость (»75 гПа), но небольшую прочность (s и »0,4-0,5 гПа); диаметр и высота заготовок в этом случае около 4 мм, масса 0,8 карат. Наличие вюрцита в исходном и конечном материалах повышает прочность, но снижает твердость получаемого поликристалла

Композит 10 имеет микротвердость 40-50 гПа, но прочность его выше, чем у Композитов 01 и 02 (s и »0,7-1 гПа). Диаметр поликристаллов Композита 10 равен 4-6 мм, высота 4-5 мм, масса »1,5 карата.

Кубический нитрид бора превосходит по твердости все материалы, кроме алмаза; меньшая твердость объясняется в основном тем, что параметры решетки кубического нитрида бора несколько больше, чем у решетки алмаза. Теплостойкость КНБ выше теплостойкости алмаза; КНБ не теряет своих режущих свойств до температуры »1200°С. Именно эти уникальные свойства, наряду с химической инертностью к железосодержащим сплавам и высокой износостойкостью, предопределили возможность применения КНБ при обработке закаленных и высокопрочных сталей, а также чугунов с высокими скоростями резания.

В машиностроении для изготовления режущих и абразивных инструментов широко используются природные и синтетические минералы. Из природных минералов наиболее широко применяются алмаз, кварц, корунд, из синтетических - алмазы, кубический нитрид бора, электрокорунд, карбид бора, карбид кремния. По многим показателям синтетические материалы превосходят природные. Основные свойства синтетических сверхтвердых материалов (СТМ), применяемых при обработке резанием, приведены в таблице 2.18.

Таблица 2.18

Основные свойства синтетических сверхтвердых материалов

Наименование СТМ	Наименование	Твердость, HV, ГПа	Теплостойкость, °С
Баллас (АСБ)	Синтетический алмаз
Карбонадо (АСПК)	Синтетический алмаз
	Синтетический алмаз
Композит 01
Композит 02 (05)
Композит 03
Композит 09
Композит 10	Гексаиит-Р
Композит КП1 (КПЗ)

Для лезвийной обработки применяются природные, синтетические алмазы и кубический нитрид бора КНБ. Для абразивной - природные и синтетические алмазы, кубический нитрид бора, корунд и электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, окись алюминия, окись хрома, окись железа, а также некоторые горные породы.

К естественным сверхтвердым природным материалам относится алмаз. Название «алмаз» происходит от арабского al-mas, что переводится как «твердейший», или греческого adamas (адамас), что в переводе означает «непреодолимый, несокрушимый, непобедимый». В конце XVIII в. было установлено, что алмаз состоит из углерода. Алмазы встречаются в виде отдельных хорошо выраженных кристаллов или же в виде скопления кристаллических зерен и многочисленных сросшихся кристаллов (агрегатов). Единицей измерения величины алмаза является карат (от араб, kirat), что составляет 0,2 г.

Следует отметить, что в металлообработке природные алмазы применяются весьма редко. Как правило, для этих целей используют борт (выброшенные за борт) - так называют все алмазы, не идущие на изготовление украшений. Для изготовления режущих инструментов (резцов, сверл) применяются кристаллы алмаза весом 0,2-0,6 карата. Алмазные порошки употребляются для изготовления алмазных кругов. Кристаллы алмаза закрепляются в державке путем пайки серебряным припоем или механическим креплением.

При заточке алмаз предварительно извлекается из стержня и перешлифовывается в технологической державке на специальных станках с помощью чугунных дисков, шаржированных смесью алмазного порошка с оливковым маслом.

Поликристаллы синтетических алмазов выпускаются типа баллас по ТУ 2-037-19-70 (АСБЗ и АСБ4 для изготовления выглаживателей и АСПК2 - для резцов). Они представляют собой поликристаллические образования размером до 12 мм прочно связанных кристаллов, обладающих высокой прочностью и износостойкостью.

Области применения СТМ:

для алмазов (А) - обработка цветных металлов и их сплавов, а также дерева, абразивных материалов, пластмасс, твердых сплавов, стекла, керамики;
для КНБ - обработка черных металлов, сырых и закаленных, а также специальных сплавов на основе никеля и кобальта.

В настоящее время в промышленности в основном используют синтетические А, получаемые из углерода (в форме графита) при воздействии высоких давления и температуры, при этом гексагональная гранецентрированная решетка графита превращается в кубическую гранецентрированную решетку алмаза. Температуру и давление, необходимые для структурных превращений, определяют из диаграммы состояния «графит - алмаз».

Так как бор и азот располагаются по обеим сторонам углерода в таблице Менделеева, путем соответствующей химической реакции можно получить соединение этих элементов, т. е. нитрид бора, который имеет графитообразную гексагональную кристаллическую решетку с приблизительно одинаковым числом атомов бора и азота, расположенных попеременно. Аналогично графиту гексагональный нитрид бора (ГНБ) имеет слоистую рыхлую структуру и может превращаться в КНБ. Это процесс описывается диах"раммой состояния ГНБ - КНБ. За счет добавления специальных растворителей-катализаторов (обычно нитриды металлов) интенсивность превращения увеличивается, а давление и температура процесса снижаются соответственно до 6 ГПа и 1500°С. В процессе превращения кристаллы КНБ увеличиваются. При нагреве отдельные кристаллы КНБ спекаются между собой в зонах контакта и образуют «поликристаллическую» массу. Для интенсификации спекания добавляют также растворители. Кроме того, вся спекаемая масса должна находиться при определенных давлении и температуре, чтобы предотвратить обратное превращение твердых кристаллов КНБ в мягкие гексагональные кристаллы.

В результате спекания получают конгломерат КНБ, в котором произвольно ориентированные анизотропные кристаллы соединяются между собой, образуя изотропную массу большого объема. Затем из этой массы получают пластины для режущих инструментов, фильеры для волочения проволоки, инструменты для правки шлифовальных кругов, износостойкие детали и др.

Как режущий материал алмаз обладает высокой стойкостью и низким коэффициентом трения в паре с металлом, что обеспечивает высокое качество поверхности. Алмазы применяются (природные и синтетические) для точного точения и растачивания деталей из цветных сплавов. Для обработки углеродосодержащих металлов (чугу- нов, сталей) алмазы не используются, так как из-за химического сродства обрабатываемого и инструментального материалов происходит интенсивное изнашивание алмазных резцов и науглероживание поверхностного слоя заготовки.

Материалы на основе нитрида бора представляют собой кристаллическую кубическую (КНБ) или вюрцито- подобную (ВНБ) модификацию соединения бора с азотом, синтезируемую по технологии, аналогичной производству синтетических алмазов. За счет варьирования технологическими факторами получают несколько отличных друг от друга материалов на этой основе - эльбор, кубонит, гексанит и др. Поликристаллы на основе нитрида бора получают размером до 12 мм, применяются они для обработки сталей и сплавов на основе железа.

В отечественном производстве материалы на основе нитрида бора для абразивного инструмента выпускают под маркой эльбор, а для лезвийного инструмента - композит.

Появление каждой качественно новой группы инструментальных материалов характерно прежде всего существенным, скачкообразным увеличением скоростей резания и поэтому всегда сопровождается глубокими изменениями в станкостроении и технологии механической обработки.

Скорость резания - важнейший фактор интенсификации обработки материалов резанием с применением инструмента из синтетических сверхтвердых материалов в условиях, когда резервы существенного повышения скоростей резания традиционных инструментальных материалов практически исчерпаны.

Вместе с тем, как показывают последние исследования, скорость резания является к тому же весьма действенным фактором решения проблемы стружкодробления - одной из труднейших проблем в металлообработке.

При высокой скорости резания работа почти полностью превращается в тепло и образуется сегментная стружка, у которой сегменты разделяются хрупкой узкой перемычкой сильно деформированного металла; фактически образуется короткая дробленая стружка. Автоматизация процессов обработки материалов со снятием стружки и дальнейший рост скоростей резания неразрывны.

Резкое увеличение скорости резания при прочих равных условиях обеспечивают соответствующее увеличение минутной подачи инструмента, т. е. производительности процесса, а также уменьшение силы резания, наклепа и шероховатости обработанной поверхности, т. е. точности и качества обработки. Установлено, кроме того, что при увеличении скорости резания в определенных пределах возрастает надежность работы инструмента из СТМ; это принципиально важно применительно к автоматизированному оборудованию.

Как правило, часть имеющегося резерва повышения скорости резания при переходе от твердосплавного инструмента к инструменту из СТМ используется для уменьшения толщины срезаемого слоя. Например, при повышении скорости фрезерования чугуна в 10 раз минутная подача может быть увеличена не в 10, а в 4 раза с соответствующим уменьшением в 2,5 раза подачи на оборот. Это дает дополнительное существенное уменьшение силы резания и шероховатости поверхности.

Из материалов, получаемых спеканием алмазных зерен, в настоящее время выпускают поликристаллы СВ, СВС, дисмит, СВБН, карбонит.

Поликристаллы марки АСБ имеют шаровидную форму диаметром около 6-6,5 мм, четко выраженную радиальнолучистую структуру. Кристаллы балласа образуют блочное строение и разные размеры по сечению образца: в центре более мелкие, чем на периферии. Их величина находится в пределах 10-300 мкм.

Алмазы марки АСПК имеют форму цилиндра диаметром 2-4,5 мм, высотой 3-5 мм, структура их также радиально-лучистая, но более тонко сформированная и совершенная. Размеры зерен меньше (до 200 мкм).

Структура алмазов типа СВ поликристаллическая, двухфазная. Общее количество примесей не превышает 2%.

По возрастанию прочности алмазные поликристаллы располагаются следующим образом: АСБ, АСПК, СВ, дисмит.

Алмазный инструмент может эксплуатироваться, в отличие от инструмента из композита, и на низких скоростях, присущих твердосплавному инструменту, обеспечивая многократное повышение стойкости. При фрезеровании скорости могут быть увеличены в 1,5-2 раза. Глубина резания древесностружечных материалов определяется шириной фрез или пил.

Эффективность использования СА при обработке высокотвердых материалов можно иллюстрировать на примере точения твердых сплавов ВК10, ВК10С, ВС15, ВК20 резцами из АСПК. Производительность такой обработки в десять раз выше производительности шлифования при стабильном обеспечении заданного качества.

Обрабатываемый материал	Скорость резания, V , м/мин	Подача, S , мм/об	Глубина резания, t, мм
Алюминий и алюминиевые сплавы
Алюминиевые сплавы (10-20% кремния)
Медь и медные сплавы (бронзы, латуни, баббиты и др.)
Различные композиты (пластмассы, пластики, стеклопластики, углепластики, твердая резина)
Полуспеченные керамика и твердые сплавы
Спеченные твердые сплавы
Древесностружечные материалы
Горные породы (песчаник, гранит)

Высокую износостойкость выявляют инструменты из АСПК и АСБ при точении абразивосодержащих материалов, широко распространенных высококремнистых и медных сплавов, стеклопластиков, пластической керамики, пресс-материалов и др. Она в десять и более раз выше, чем у твердосплавных.

Накоплен значительный опыт точения и растачивания резцами из АСПК заготовок из алюминиевых сплавов АЛ-2, АЛ-9, АЛ-25, АК-6, АК-9, АК-12М2, ВКЖЛС-2, титановых сплавов ВТ6, ВТ22, ВТ8, ВТЗ-1, стеклопластиков, цветных металлов, дерева.

Поликристаллы АСБ характеризуются высокой работоспособностью при точении высококремнистого алюминиевого сплава АК-21, АЛ-25, сплава на основе меди Л62, при обработке ЛС59-1, бронзы, стеклопластиков СТ, СВАМ, АГ и др.