Superhård materialdesign. Superhårda material Superhårda materialkompositioner egenskaper klass tillämpning

Material med hög hårdhet används främst i mekanismer som utsätts för slipande slitage.

Av de enkla ämnena har endast diamanter och bor stor hårdhet.

Den överväldigande majoriteten av ämnen med hög hårdhet är eldfasta kemiska föreningar (karbider, nitrider, borider, silikider).

På grund av den höga bräckligheten hos fasta leder och svårigheten att bearbeta dem, är tillverkning av delar från dem i de flesta fall opraktiskt eller ekonomiskt olönsamt. Deras huvudsakliga tillämpningsområde är fasta beståndsdelar. kompositmaterial och beläggningar applicerade på olika sätt.

Superhårda material

Dessa inkluderar kubiska modifieringar av kol (diamant) och bornitrid.

Syntetiska diamanter i form av pulver används för framställning av slipverktyg och slipskorpa, i form av täta polykristallina formationer (Ballas, Carbonado) för tillverkning av slipverktyg, fräsar, formar.

Genom sintring av en blandning av syntetiska och naturliga diamantmikropulver erhålls täta polykristallina diamantformationer - CB och Dismit.

Diamanter av SV-märket används för borrkronor och för skärning av icke-metalliska material.

Dismit används för tillverkning av gruvverktyg, skärverktyg (skär, borrar och andra) som används för bearbetning av icke-järnmetaller och legeringar, plast, glasfiber.

Kubisk bornitrid

Erhålls endast syntetiskt från den sexkantiga modifieringen. Det används främst för tillverkning av slipverktyg. När det gäller hårdhet är den sämre än diamant, men överträffar den betydligt i värmebeständighet.

I USA produceras kubisk bornitrid under namnet Borazon, i OSS - Elbor och Cubonite. Deras varumärken, LO respektive KO med normal styrka och LR och KR - ökade.

Varianter av polykristallint material baserat på Elbor och Cubonite - Elbor -R, Geksanit - R, ISMIT, PNTB, COMPOSIT och andra ... produceras i form av plattor i olika former. De används för tillverkning av metallskärningsverktyg som används vid bearbetning av hårdhärdade stål, gjutjärn och legeringar med en hårdhet av HRC> 40. Hållbarheten för ett sådant verktyg är 10 ... 20 gånger högre än för ett hårdmetallverktyg, produktiviteten ökar 2 ... 4 gånger.

Superhårda material

Superhårda material- en grupp ämnen med den högsta hårdheten, som inkluderar material vars hårdhet och slitstyrka överstiger hårdheten och slitstyrkan hos hårda legeringar baserade på volfram- och titankarbider med koboltkarbidbindning titanlegeringar på en nickel-molybdenbindning. Mycket använda superhårda material: aluminiumoxid, zirkoniumoxid, kiselkarbid, borkarbid, borazon, rheniumdiborid, diamant. Superhårda material används ofta som slipande material.

Under de senaste åren, noggrann uppmärksamhet modern industri syftar till att hitta nya typer av superhårda material och assimilering av sådana material som kolnitrid, bor-kol-kisellegering, kiselnitrid, titankarbid-skandiumkarbidlegering, legeringar av borider och karbider i titangruppen med lantanidkarbider och borider.

Wikimedia Foundation. 2010.

Se vad "Superhårda material" finns i andra ordböcker:

Superhårda keramiska material- - keramiska kompositmaterial erhållna genom införande av olika legeringstillsatser och fyllmedel i den ursprungliga bornitrid. Strukturen hos sådana material bildas av tätt bundna små kristalliter och därför är de ... ...

En grupp ämnen med den högsta hårdheten, som inkluderar material vars hårdhet och slitstyrka överstiger hårdheten och slitstyrkan hos hårda legeringar baserade på volfram och titankarbider med koboltbindning ... ... Wikipedia

Superhård fiberplatta SM-500- - tillverkad genom pressning av slipad vedmassa behandlad med polymerer, oftast fenol -formaldehyd, med tillsats av torkande oljor och några andra komponenter. Tillverkad med en längd på 1,2 m, en bredd på 1,0 m och en tjocklek på 5 6 mm. Golv av sådana ... ... Encyklopedi av termer, definitioner och förklaringar av byggmaterial

pulvermaterial- konsoliderat material från pulver. i litteraturen används termen "sintrade material" ofta tillsammans med "pulvermaterial", eftersom en av huvudmetoderna för pulverkonsolidering är sintring. Pulver ... ... Encyclopedic Dictionary of Metallurgy

- (fr. slipning, från lat. abradere till avskrapa) är material med hög hårdhet och används för ytbehandling olika material... Slipmaterial används vid processer för slipning, polering, ... ... Wikipedia

Wikipedia har artiklar om andra personer med detta efternamn, se Novikov. Wikipedia har artiklar om andra personer som heter Novikov, Nikolai. Novikov Nikolai Vasilievich ... Wikipedia

Slipning mekanisk eller manuell drift för bearbetning av hårt material (metall, glas, granit, diamant, etc.). En typ av nötning, som i sin tur är en typ av skärning. Mekanisk slipning är vanligtvis ... ... Wikipedia

- (från mitten av århundradet lat. detonatio -explosion, lat. detono -skramlande), förökning med en supersonisk hastighet av en zon med snabb exotermisk. kem. rtion efter chockvågens framsida. Chockvågen initierar radion, komprimerar och värmer detonationen i luften ... ... Kemisk encyklopedi

Oorganisk kemi är en gren av kemi associerad med studiet av strukturen, reaktiviteten och egenskaperna hos alla kemiska element och deras oorganiska föreningar. Detta område täcker alla kemiska föreningar med undantag för organiska ... ... Wikipedia

- ... Wikipedia

Böcker

Instrumentmaterial inom maskinteknik: Lärobok. Grif från Ryska federationens försvarsministerium, Adaskin A.M.

Vilka material anses vara superhårda? Vad är deras tillämpningsområde? Finns det material hårdare än diamant? Professor, doktor i kristallografi Artem Oganov berättar om detta.

Superhårda material är material som har en hårdhet större än 40 gigapascal. Hårdhet är en egenskap som traditionellt mäts med repor. Om ett material repar ett annat, anses det ha högre hårdhet. Detta är relativ hårdhet; den har inte stela kvantitativa egenskaper. Strikta kvantitativa egenskaper hos hårdheten bestäms genom ett trycktest. När du tar en pyramid, vanligtvis gjord av diamant, applicerar du lite kraft och trycker pyramiden mot ytan på testmaterialet, mäter trycket, mäter ytan på fördjupningen, en korrigeringsfaktor tillämpas, och detta värde kommer att vara hårdheten i ditt material. Det har dimensionen av tryck, eftersom det är kraft dividerat med yta, därför gigapascal (GPa).

40 GPa är hårdheten för kubisk polykristallin bornitrid. Detta är ett klassiskt superhårt material som används flitigt. Det hårdaste material som mänskligheten hittills har känt till är diamant. Under lång tid har det funnits försök, som inte slutar ens nu, att upptäcka ett material som är hårdare än diamant. Hittills har dessa försök inte lyckats.

Varför behöver du superhårda material? Antalet superhårda material är litet, cirka tio, kanske femton material kända idag. För det första kan superhårda material användas vid skärning, polering, slipning, borrning. För uppgifter relaterade till konstruktion av verktygsmaskiner, smycken, stenbearbetning, gruvdrift, borrning och så vidare kräver allt detta superhårda material.

Diamant är det hårdaste materialet, men det är inte det mest optimala materialet. Faktum är att en diamant för det första är ömtålig, och för det andra brinner en diamant i en syreatmosfär. Tänk dig en borr som värmer upp till höga temperaturer i en syreatmosfär. Diamant, som är elementärt kol, kommer att brinna. Och dessutom kan du inte skära stål med en diamant. Varför? Eftersom kol reagerar med järn för att bilda järnkarbid, vilket innebär att din diamant helt enkelt kommer att lösa sig i stål vid tillräckligt hög temperatur, och därför måste du leta efter andra material. Dessutom är diamant naturligtvis ganska dyrt, även syntetisk diamant är inte ett tillräckligt billigt material.

Dessutom kan superhårda material fortfarande vara användbara i kroppspansar och andra militära skyddsanordningar. I synnerhet används ett material som borkarbid i stor utsträckning, vilket också är superhårt och ganska lätt. Så är tillämpningsområdet för superhårda material.

Det är känt att superhårda material bildas i ämnen med en stark kovalent bindning. Den joniska bindningen sänker hårdheten. Metallbindningen sänker också hårdheten. Obligationerna ska vara starka, riktade, det vill säga kovalenta och så korta som möjligt. Tätheten för ett ämne bör också vara så hög som möjligt, densitet när det gäller antalet atomer per volymenhet. Och om möjligt bör ämnets symmetri också vara mycket hög så att ämnet är lika starkt i denna riktning, och i detta, och i detta. Annars kommer historien att vara densamma som i grafit, där bindningarna är mycket starka, men bara i två riktningar, och i den tredje riktningen är bindningarna mellan lagren extremt svaga, vilket gör att ämnet också är mjukt.

Många institut, många laboratorier runt om i världen sysslar med syntes och utveckling av superhårda material. I synnerhet är detta Institute for High Pressure Physics i Moskva -regionen, Institute for Superhard and New Carbon Materials in the Moscow Region, Institute for Superhard Materials in Kiev och ett antal laboratorier i väst. En aktiv utveckling inom detta område började, tror jag, på 50 -talet, när konstgjorda diamanter först ficks i Sverige och Amerika. Till en början var denna utveckling hemlig, men snart blev syntesen av konstgjorda diamanter också etablerad i Sovjetunionen, tack vare arbete från forskare från Institute of High Pressure Physics och Institute of Superhard Materials.

Det har gjorts olika försök att skapa material hårdare än diamant. Det första försöket baserades på fullerener. är fotbollsliknande molekyler, ihåliga molekyler, runda eller något långsträckta. Bindningarna mellan dessa molekyler är mycket svaga. Det vill säga, det är en molekylär kristall som består av friska molekyler. Men bindningarna mellan molekylerna är svaga, van der Waals. Om denna typ av kristall kläms, börjar bindningar bildas mellan molekylerna, mellan dessa kulor, och strukturen förvandlas till en tredimensionellt ansluten kovalent mycket solid struktur. Detta material fick namnet tisnumite för att hedra Technological Institute for Superhard och New Carbon Materials. Man antog att detta material har en högre hårdhet än diamant, men ytterligare forskning har visat att detta sannolikt inte är fallet.

Det fanns förslag och ganska aktiv diskussion om att kolnitrider kan vara hårdare än diamant, men trots aktiv diskussion och aktiv forskning har sådant material hittills inte presenterats för världen.

Var nog roligt jobb Kinesiska forskare, där de på grundval av teoretiska beräkningar föreslog att en annan modifiering av kol liknar diamant på många sätt, men något annorlunda än det, och kallas lonsdaleite. Enligt detta arbete är lonsdaleite hårdare än diamant. Lonsdaleite är ett intressant material, tunna lameller av detta material har hittats i stötkomprimerad diamant. Detta mineral fick sitt namn efter den berömda kvinnan Kathleen Lonsdale, den stora brittiska kristallografen, som levde på 50- och 70 -talen av XX -talet. Hon hade en extremt intressant biografi, hon hade till och med chansen att sitta i fängelse när hon vägrade släcka bränder under andra världskriget. Hon var en kvakare -religion, och kvakare förbjöds att göra något som rör kriget, även för att släcka bränder. Och för detta lade de henne i en rullevagn. Men ändå var allt bra med henne, hon var president för International Union of Crystallographers, och detta mineral namngavs till hennes ära.

Lonsdaleite, att döma av alla tillgängliga experimentella och teoretiska data, är fortfarande mjukare än diamant. Om du tittar på dessa kinesiska forskares arbete kan du se att även enligt deras beräkningar är lonsdaleite mjukare än diamant. Men på något sätt kom slutsatsen i strid med deras egna resultat.

Således visar det sig att det inte finns någon riktig kandidat för att ta bort en diamant från positionen för det hårdaste ämnet i sig. Men frågan är ändå värd att lösa. Ändå försöker många laboratorier fortfarande att skapa ett sådant material. Med vår metod för att förutsäga kristallstrukturer bestämde vi oss för att ställa denna fråga. Och uppgiften kan formuleras enligt följande: du letar inte efter ett ämne som har maximal stabilitet, utan ett ämne som har maximal hårdhet. Du anger en rad kemiska kompositioner, till exempel från rent kol till rent kväve, och allt däremellan, alla möjliga kolnitrider ingår i din beräkning, och du försöker evolutionärt hitta fler och fler fasta kompositioner och strukturer.

Det hårdaste ämnet i detta system är samma diamant, och att tillsätta kväve till kol förbättrar ingenting i detta system.

Således kan hypotesen om kolnitrider som ämnen hårdare än diamant begravas.

Vi provade allt annat som föreslogs i litteraturen, olika former kol och så vidare - i alla fall vann diamanten alltid. Så det ser ut som att diamanten inte kan tas bort från denna piedestal. Men det är möjligt att uppfinna nya material som är att föredra framför diamant i ett antal andra avseenden, till exempel när det gäller sprickhållighet eller när det gäller kemisk resistens.

Till exempel elementärt bor. Vi har upptäckt en struktur, en ny bormodifiering. Vi publicerade den här artikeln 2009, och den gav ett enormt svar. Strukturen erhålls genom att applicera lågt tryck på vanligt bor och värma det till höga temperaturer. Vi kallade denna form gamma-bor, och det visade sig att den innehåller en partiell jonisk kemisk bindning. Faktum är att detta är något som kommer att sänka hårdheten något, men på grund av dess höga densitet visar sig denna modifikation fortfarande vara den svåraste modifieringen av bor, dess hårdhet är cirka 50 GPa. Syntestrycket är litet, och därför kan man i princip till och med tänka på dess syntes i tillräckligt stora volymer.

Vi förutspådde ett antal andra superhårda faser, till exempel faser i "volfram -bor", "krom -bor" -systemet och så vidare. Alla dessa faser är superhårda, men deras hårdhet tillhör fortfarande den nedre delen av detta område. De är närmare 40 GPa -märket än 90–100 GPa -märket, vilket motsvarar diamantens hårdhet.

Men sökningen fortsätter, vi förtvivlar inte, och det är fullt möjligt att vi eller våra andra kollegor som arbetar med detta ämne runt om i världen kommer att kunna uppfinna ett material som kan syntetiseras vid låga tryck och som kommer att vara nära diamant i hårdhet. Något inom detta område har redan gjorts av oss och andra kollegor. Men hur man använder detta tekniskt är ännu inte helt klart.

Jag ska berätta om ny form kol, som faktiskt producerades experimentellt redan 1963 av amerikanska forskare. Experimentet var tillräckligt konceptuellt: de tog kol i form av grafit och pressade det vid rumstemperatur. Faktum är att en diamant inte kan erhållas på detta sätt; en diamant kräver stark uppvärmning. Istället för diamant bildade deras experiment en transparent superhård icke-metallisk fas, men ändå var det inte en diamant. Och detta överensstämde inte med egenskaperna hos någon av de kända kolformerna. Vad är det, vad är den här strukturen?

Helt av misstag, när vi studerade olika kolstrukturer, stötte vi på en struktur som bara var något sämre än diamant när det gäller stabilitet. Bara tre år efter att vi såg den här strukturen, tittade på den, till och med publicerade någonstans mellan raderna, gick det upp för oss att det skulle vara trevligt att jämföra egenskaperna hos denna struktur med vad som publicerats av alla dessa forskare sedan 1963. och rätt upp till de senaste åren. Och det visade sig att det finns en fullständig slump. Vi var glada, vi publicerade snabbt en artikel i en av de mest prestigefyllda tidningarna, The Physical Review Letters, och ett år senare publicerades en artikel i samma tidskrift av amerikanska och japanska forskare som fann att en helt annan struktur av kol också beskriver samma experimentella data. Problemet är att de experimentella uppgifterna hade tillräckligt låg upplösning. Så vem har rätt?

Snart föreslog schweiziska och kinesiska forskare ett antal ändringar. Och i slutändan publicerade en kinesisk forskare ett fyrtiotal kolstrukturer, varav de flesta också beskriver samma experimentella data. Han lovade mig att om han inte var för lat skulle han erbjuda cirka hundra strukturer till. Så vilken struktur är korrekt?

För att göra detta var vi tvungna att undersöka kinetiken för omvandlingen av grafit till olika kolstrukturer, och det visade sig att vi hade mycket tur. Det visade sig att vår struktur är den mest föredragna ur transformeringskinetiken.

En månad efter publiceringen av vår artikel kom ett experimentellt arbete, där experimentörerna gjorde det mest exakta experimentet med data med mycket bättre upplösning än tidigare, och det visade sig verkligen att av alla de dussintals publicerade strukturerna, bara en struktur förklarar experimentdata - detta är fortfarande vår struktur. Detta nytt material vi namngav M-kol, eftersom dess symmetri är monoklinisk, från den första bokstaven M.

Detta material är bara något sämre i hårdhet mot diamant, men om det finns någon egenskap där det överstiger diamant är fortfarande oklart.

Fram till nu kan det sägas vara en "sak i sig". Vi fortsätter att söka och hoppas att vi kommer att kunna uppfinna ett material som, även om det inte är sämre än diamant i hårdhet, kommer att avsevärt komma över det i alla andra egenskaper.

Ett av sätten att förbättra de mekaniska egenskaperna hos ämnen är att nanostrukturera dem. I synnerhet kan hårdheten för samma diamant ökas genom att skapa diamant -nanokompositer eller diamant -nanopolykristaller. I sådana fall kan hårdheten ökas till och med 2 gånger. Och detta gjordes av japanska forskare, och nu kan du se de produkter de producerar, ganska stora, i storleksordningen en kubikcentimeter, diamant -nanopolykristaller. Huvudproblemet med dessa nanopolykristaller är att de är så hårda att det är nästan omöjligt att ens slipa dem, och ett helt laboratorium maler det i veckor.

På så sätt kan du både ändra kemi, ändra strukturen för ett ämne på jakt efter en förbättring av dess hårdhet och andra egenskaper, och ändra dimensionen.

En betydande reserv för att öka skärproduktiviteten är användningen av verktyg utrustade med STM -insatser baserade på polykristallina diamanter, kubiska och sexkantiga bornitrid.

Det är vanligt att kalla STM -material som har en Vickers -hårdhet vid 20 ° C över 35 hPa. Den submikrofina kornstorleken hos STM (vissa typer) gör det möjligt att ge en radie av avrundning av kanter på 0,3-3 mikron vid skärpning av ett verktyg, och på grund av den exceptionellt höga "heta hårdheten" (mätt på prover som värms upp till lämplig temperatur i vakuum) och slitstyrka kan STM-verktyg användas vid höga och extremt höga klipphastigheter. Till exempel tillåter ett verktyg gjord av STM vid skärning i hastigheter på 900-1200 m / min att erhålla parametrarna för grovheten hos den bearbetade ytan 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.

För närvarande produceras ett stort antal STM -kvaliteter baserat på täta modifieringar av bornitrid och diamant (tabell 2.5).

Tabell 2.5

Egenskaper för de fysiska och mekaniska egenskaperna för superhårda material baserade på bornitrid och diamant (20 ° C)

Privat etikett	r, g / cm 3	d komp, hPa	d och, hPa	HV, hPa	E, hPa	TILL 1C, mPa / m 2
Komposit 01 * (Elbor-RM)	3,4	2,7	-			4,2
Komposit 02 * (belbor)	6,5	-	-	-	-	-
Komposit 05 *	4,3	2,2	0,47	18,8		6,7
Komposit 09 * (PTNB)	-	3,4-4,9	1,0	-	-	-
Komposit 10 * (hexanit)	3,4	2,6	1,0-1,2		-	3,8
Borazon *	3,48	-	-		-	-
Amborit *	-	-	0,57	40,5		-
ASB **	3,5-3,9	0,21-0,4	0,5-1,0	50-114	-	-
ASPK **	3,5-4,0	-	0,5-1,0	92-150	-	-
SVBN **	3,34-3,46	8-10	-	70-100	-	-

Slutet av bordet. 2.5

Karbonit **	3,2-3,4	4,42-5,88	-	39-44	-	-
Compax **	-	-	-		-	-
Megadimond **	3,1-3,48	-	-	-	-	-

* CTM baserat på bornitrid

** Privat etikett baserad på diamant

Egenskaperna för kubisk bornitrid (CBN) beror på den atomära bindningens rent kovalenta natur med en hög lokalisering av valenselektroner vid atomerna. CBN kännetecknas av hög kemisk resistens, hårdhet, termisk stabilitet vid en temperatur av 1450 ° C. Detta gör det möjligt att använda extremt höga klipphastigheter (upp till 1200 m / min) för CBN-verktyg. Dock den relativt låga styrkan ( s och »0,47-0,7 hPa) och ökad sprödhet i CBN gör det möjligt att använda verktyget endast för efterbehandling av arbetsstycken från spröda, hårda material med ett begränsat tvärsnitt av det skurna materialet och ökad styvhet i det tekniska systemet. Användningen av CBN-verktyg för bearbetning av höghållfasta gjutjärn, härdade stål (HRCe> 40) och vissa legeringar möjliggör 10-20 gånger skärhastigheten för dessa material med ett hårdmetallverktyg.

Bladverktyget, utrustat med naturliga enkristaller och syntetiska polykristaller av diamanter, samt kubisk bornitrid, ger högkvalitativ bearbetning av delar av icke-järnmetaller och legeringar, härdat stål och gjutjärn, icke-metalliska material, hårda legering och mineralkeramik i serier, massor och automatiserad produktion... Detta verktyg har en hög hållbarhet, gör att du kan få högprecisionsprodukter utan övergångar under lång tid, vilket avgör effektiviteten av dess användning på automatiska linjer och CNC -maskiner. I vissa fall kan användningen av ett sådant verktyg ersätta slipoperationer med bladbearbetning.

Används för tillverkning skärverktyg naturliga diamanter (A) tillhör den avskurna gruppen, d.v.s. diamanter, som ges den erforderliga geometriska formen och dimensionerna. Diamant och grafit av kemisk sammansättning representerar rent kol och är bara dess olika modifieringar, som skiljer sig åt i atomarrangemanget i det strukturella gallret. Grafit har ett sexkantigt (sexkantigt) strukturellt gitter med ett avstånd mellan lagren på 3,35 A. Kolatomer är placerade i ett lager längs hörnen på vanliga sexkantar. Avståndet mellan atomerna i skiktet är 1,42 A; sexkantarnas centrum förblir tomma. Lagrenas ömsesidiga orientering är sådan att de tre hörnena i hexagonen i ett lager är belägna ovanför centren för hexagonerna i nästa lager. Som ett resultat av denna grafitstruktur är bindningarna mellan kolatomerna i skiktet mycket starka och mellan lagren i åtanke lång distans mellan dem, mycket svag, vilket leder till enkel avskalning av grafit i denna riktning.

Diamanten har ett kubiskt kristallgitter som innehåller 18 kolatomer, varav 8 är placerade vid kubens hörn, 6 är i mitten av kubytorna och 4 är i mitten av 4 av 8 kuber bildade genom att dela en elementär kubisk cell med tre ömsesidigt vinkelräta plan. Kristallgitterkonstanten för diamant är 3,57 A, och det kortaste avståndet mellan atomer är 1,54 A. Varje kolatom i diamantgitteret är länkad av vanliga elektroner till fyra ekvivalenta atomer. Kolatomer i diamant har extremt starka kovalenta bindningar, som är ansvariga för dess extremt höga hårdhet och andra egenskaper.

Diamant är anisotrop i hårdhet, vilket beror på det ojämna avståndet mellan atomer i olika riktningar och ett ojämnt antal atomer som finns i olika plan. Egenskapen hos anisotropi av diamant när det gäller hårdhet beaktas vid tillverkning av enkristalliga diamantverktyg.

Villkorligt skilja mellan "hårda" och "mjuka" riktningar i diamantkristaller. I de mjuka riktningarna är diamanten lättare att bearbeta, men slits mer än i de hårda. Vid tillverkning av verktyg måste diamanten bearbetas i den "mjuka" riktningen, och under arbetets gång måste kristallen orienteras så att slitage sker i "hård" riktning. Kristallriktningarna bestäms av deras yttre form och på speciella installationer med röntgenstrålning eller ljudvibrationer. Laboratorietester det visade sig att riktigheten för orienteringen av verktygets huvudskär i förhållande till de kristallografiska axlarna har en mer signifikant effekt på diamantverktygets hållbarhet än andra parametrar i skärprocessen, inklusive elementen i skärläget. Slipningsprestandan för en enda kristall av diamant, i de "hårda" och "mjuka" riktningarna, kan skilja sig nästan 100 gånger.

Diamant har den högsta hårdheten av alla kända mineraler i naturen; på Mohs -skalan tar diamanten den högsta, tionde platsen. Vickers mikrohardhet hos diamant (mätt med en diamantpyramid med en vinkel mellan motstående ytor på 136 °) är cirka 100 hPa. Tillsammans med hög hårdhet har diamant hög slitstyrka och nötningsförmåga.

Diamant har en extremt hög värmeledningsförmåga. Koefficienten för linjär expansion av diamant är många gånger mindre än koefficienten för linjär expansion av hårda legeringar. Därför har verktyg med diamantkristaller låga termiska deformationer. Elasticitetsmodulen för diamant överstiger elasticitetsmodulen för alla kända fasta ämnen i naturen.

En av diamantens viktiga egenskaper är dess låga friktionskoefficient. Nackdelen med diamant som verktygsmaterial är dess relativt låga värmebeständighet. I luft brinner diamant vid en temperatur av 850-1000 ° C.

De begränsade reserverna av naturliga diamanter, liksom deras höga kostnader, har nödvändiggjort utveckling av konstgjorda diamanttekniker. Förutsättningarna för framställning av konstgjorda diamanter är påverkan på det diamantbildande materialet som innehåller kol (grafit, sot, träkol), ett tryck på 60 tusen atmosfärer vid en temperatur av 2000-3000 ° C, vilket säkerställer kolatomernas rörlighet och möjligheten att omstrukturera grafitstrukturen till en diamantstruktur. Syntesen utförs i höghållfasta kärl - autoklaver i närvaro av kemiska katalysatorer (järn, nickel, krom, etc.). Vid framställning av diamanter utan katalysatorer krävs ett tryck på 215 tusen atmosfärer och en temperatur på över 3770 ° C.

Kubisk bornitrid (CBN) är effektivt för bearbetning av härdat stål och segjärn.

Det finns tre alternativ för tekniska processer för att erhålla ett privat märke:

Syntes från hexagonal nitrid, bor;

Syntes från wurtzitliknande bornitrid;

Sintring av kubisk bornitridpulver med legeringstillsatser.

Enligt den första varianten av den tekniska processen tillverkas Composite 01 (Elbor-R) * och Composite 02 (Belbor). Komposit 01 syntetiseras med en katalysator, medan komposit 02 syntetiseras utan en katalysator. Slutprodukten är i båda fallen kubisk bornitrid.

Komposit 10 (Hexanit-R) och Komposit 09 (PTNB) erhålls enligt den andra versionen av den tekniska processen. Komposit 10 framställs genom syntes och sintring. Utgångsmaterialet är wurtzitliknande bornitrid, det slutliga materialet är en blandning av wurtzitliknande och kubisk bornitrid. Komposit 09 är resultatet av syntes från en blandning av wurtzitliknande och kubisk bornitrid, slutprodukt- kubisk bornitrid.

Enligt den tredje varianten av den tekniska processen tillverkas Composite 05 (sintring från CBN- och Al203 -pulver) och dess modifiering - komposit 05 I.

Polykristaller av alla dessa märken skiljer sig åt i storlek och fysiska och mekaniska egenskaper.

Kompositerna 01 och 02 har maximal mikrohårdhet (»75 hPa), men låg hållfasthet (s och» 0,4-0,5 hPa); diametern och höjden på ämnena i detta fall är cirka 4 mm, vikten är 0,8 karat. Närvaron av wurtzit i de första och sista materialen ökar styrkan, men minskar hårdheten hos den resulterande polykristallen

Komposit 10 har en mikrohårdhet på 40-50 hPa, men dess styrka är högre än kompositerna 01 och 02 (s och »0,7-1 hPa). Diametern på komposit 10 polykristaller är 4-6 mm, höjden är 4-5 mm och vikten är 1,5 karat.

Kubisk bornitrid är överlägsen i hårdhet än alla material utom diamant; den lägre hårdheten beror främst på att gitterparametrarna för kubisk bornitrid är något större än diamantens. Värmebeständigheten för CBN är högre än diamantens; CBN tappar inte sina klippegenskaper upp till en temperatur på »1200 ° C. Exakt dessa unika egenskaper, tillsammans med kemisk inertitet mot järnhaltiga legeringar och hög slitstyrka, förutbestämde möjligheten att använda CBN vid bearbetning av härdat och höghållfast stål, samt gjutjärn med höga skärhastigheter.

Naturliga och syntetiska mineraler används ofta inom maskinteknik för tillverkning av skär- och slipverktyg. De mest använda naturliga mineralerna är diamant, kvarts, korund och syntetiska - diamanter, kubisk bornitrid, elektrokorund, borkarbid, kiselkarbid. I många avseenden är syntetiska material överlägsna naturliga. De viktigaste egenskaperna hos syntetiska superhårda material (STM) som används vid skärning visas i tabell 2.18.

Tabell 2.18

Grundläggande egenskaper hos syntetiska superhårda material

Namn på privat etikett	namn	Hårdhet, HV, GPa	Värmebeständighet, ° С
Ballas (ASB)	Syntetisk diamant
Carbonado (ASPK)	Syntetisk diamant
	Syntetisk diamant
Komposit 01
Komposit 02 (05)
Komposit 03
Komposit 09
Komposit 10	Hexaiit-R
Komposit KP1 (bullpen)

Naturliga, syntetiska diamanter och kubisk bornitrid CBN används för bladbearbetning. För slipmedel - naturliga och syntetiska diamanter, kubisk bornitrid, korund och elektrokorund, kiselkarbid, borkarbid, aluminiumoxid, kromoxid, järnoxid samt några stenar.

Diamant är ett naturligt superhårt naturmaterial. Namnet "diamant" kommer från arabiska al-mas, som översätts som "hårdast", eller grekiska adamas (adamas), som betyder "oemotståndlig, oförstörbar, oövervinnerlig." I slutet av 1700 -talet. man fann att diamanten består av kol. Diamanter finns i form av separata väldefinierade kristaller eller i form av en ansamling av kristallkorn och många sammanväxta kristaller (aggregat). Enheten för att mäta storleken på en diamant är karat (från Arab, kirat), vilket är 0,2 g.

Det bör noteras att naturliga diamanter sällan används vid metallbearbetning. Som regel används en bräda (kastad överbord) för dessa ändamål - detta är namnet på alla diamanter som inte används för att göra smycken. För tillverkning av skärverktyg (fräsar, borrar) används diamantkristaller som väger 0,2-0,6 karat. Diamantpulver används för att göra diamanthjul. Diamantkristaller fixeras i hållaren genom lödning med silverlödning eller mekanisk fastsättning.

Vid slipning avlägsnas diamanten preliminärt från stången och slipas i en teknikhållare på specialmaskiner med gjutjärnsskivor, karikerade med en blandning av diamantpulver och olivolja.

Polykristaller av syntetiska diamanter tillverkas av ballastyp enligt TU 2-037-19-70 (ASBZ och ASB4 för tillverkning av utjämnare och ASPK2 för fräsar). De är polykristallina formationer upp till 12 mm i storlek av tätt bundna kristaller med hög hållfasthet och slitstyrka.

Fält för private label -ansökan:

för diamanter (A) - bearbetning av icke -järnmetaller och deras legeringar samt trä, slipmaterial, plast, hårda legeringar, glas, keramik;
för CBN - bearbetning av järnmetaller, råa och härdade, samt speciallegeringar baserade på nickel och kobolt.

För närvarande använder industrin huvudsakligen syntetiskt A, erhållet från kol (i form av grafit) när det utsätts för högt tryck och temperatur, medan det sexkantiga ansiktscentrerade galleret av grafit förvandlas till ett kubiskt ansiktscentrerat galler av diamant. Temperaturen och trycket som krävs för konstruktionstransformationer bestäms utifrån diagrammet grafit-diamant.

Eftersom bor och kväve är belägna på båda sidor av kol i det periodiska systemet kan en förening av dessa element erhållas genom en lämplig kemisk reaktion, det vill säga bornitrid, som har ett grafitliknande sexkantigt kristallgitter med ungefär samma antal bor och kväveatomer placerade omväxlande. I likhet med grafit har sexkantig bornitrid (HDD) en skiktad lös struktur och kan omvandlas till CBN. Denna process beskrivs av diametern på tillståndet för HDD - CBN. Genom tillsats av speciella katalytiska lösningsmedel (vanligtvis metallnitrider) ökar omvandlingshastigheten och processens tryck och temperatur reduceras till 6 GPa och 1500 ° C, Under transformationen ökar CBN -kristallerna. individuella kristaller av CBN sintras samman i kontaktzonerna och bildar en "polykristallin" massa.

Som ett resultat av sintring erhålls ett CBN -konglomerat, där godtyckligt orienterade anisotropa kristaller är sammankopplade och bildar en isotrop massa med stor volym. Från denna massa erhålls plattor för skärverktyg, formar för dragtråd, verktyg för slipning av sliphjul, slitstarka delar etc.

Som skärmaterial har diamant hög hållbarhet och låg friktion när den är ihopkopplad med metall, vilket ger en hög ytkvalitet. Diamanter används (naturligt och syntetiskt) för precisionssvarvning och borrning av icke-järnhaltiga legeringsdelar. Diamanter används inte för bearbetning av kolhaltiga metaller (gjutjärn, stål), eftersom diamantfräsarna på grund av den bearbetade och verktygsmaterialens kemiska affiniteten är intensivt slitna och ytskiktet på arbetsstycket förkolvat.

Bornitridmaterial är kristallina kubiska (CBN) eller wurtzitliknande (VNB) modifieringar av bor-kväveföreningen, syntetiserade med användning av en teknik som liknar produktion av syntetiska diamanter. Genom olika tekniska faktorer erhålls flera olika material på denna grundval - elbor, kubonit, hexanit etc. Polykristaller baserade på bornitrid erhålls upp till 12 mm i storlek, de används för bearbetning av stål och järnbaserade legeringar.

I inhemsk produktion produceras material baserade på bornitrid för slipverktyg under varumärket Elbor och för bladverktyg - komposit.

Framväxten av varje kvalitativt ny grupp verktygsmaterial kännetecknas främst av en betydande, plötslig ökning av skärhastigheterna och följs därför alltid av stora förändringar i verktygsmaskinens konstruktion och bearbetningsteknik.

Skärhastighet är den viktigaste faktorn vid intensifiering av skärmaterial med hjälp av verktyg tillverkade av syntetiska superhårda material under förhållanden när reserverna för en betydande ökning av skärhastigheterna för traditionella verktygsmaterial är praktiskt taget slut.

Samtidigt, som nyare studier visar, är skärhastighet också en mycket effektiv faktor för att lösa problemet med spånbrytning - ett av de svåraste problemen vid metallbearbetning.

Vid hög skärhastighet omvandlas arbetet nästan helt till värme och segmenterade flisar bildas, i vilka segmenten separeras med en ömtålig smal bro av mycket deformerad metall; i själva verket bildas korta krossade spån. Automatisering av materialbearbetningsprocesser med spånborttagning och ytterligare ökning av skärhastigheter är oskiljaktiga.

En kraftig ökning av skärhastigheten, allt annat lika, ger en motsvarande ökning av verktygets minutmatning, det vill säga produktiviteten för processen, liksom en minskning av skärkraften, arbetshärdningen och grovheten hos den bearbetade ytan, dvs noggrannheten och kvaliteten på behandlingen. Det har dessutom fastställts att med en ökning av skärhastigheten inom vissa gränser ökar tillförlitligheten för STM -verktyget; detta är i grunden viktigt när det tillämpas på automatiserad utrustning.

Som regel används en del av den tillgängliga skärhastighetsökningsreserven vid byte från hårdmetallverktyg till STM -verktyg för att minska tjockleken på det skurna skiktet. Till exempel, med en ökning av malningshastigheten för gjutjärn med 10 gånger, kan minutmatningen ökas inte med 10, utan med 4 gånger, med en motsvarande minskning av matningen per varv med 2,5 gånger. Detta resulterar i ytterligare en signifikant minskning av skärkraften och ytjämnheten.

Polykristaller av SV, SHS, dismite, SVBN, karbonit produceras för närvarande av material som erhållits genom sintring av diamantkorn.

ASB-polykristaller har en sfärisk form med en diameter på cirka 6-6,5 mm, en tydligt uttalad radiell struktur. Ballaskristaller bildar en blockstruktur och olika storlekaröver provets tvärsnitt: i mitten är de mindre än i periferin. Deras värde ligger i intervallet 10-300 mikron.

ASPK-diamanter har formen av en cylinder med en diameter på 2-4,5 mm, en höjd av 3-5 mm, deras struktur är också radiellt strålande, men mer finformad och perfekt. Kornstorleken är mindre (upp till 200 mikron).

Strukturen för diamanter av SV-typ är polykristallin, tvåfasig. Den totala mängden föroreningar överstiger inte 2%.

Genom att öka styrkan ordnas diamantpolykristaller enligt följande: ASB, ASPK, SV, dismit.

Ett diamantverktyg kan manövreras, till skillnad från ett kompositverktyg, och vidare låga hastigheter inneboende hårdmetallverktyg, vilket ger en mångfaldig ökning av hållbarheten. Vid fräsning kan hastigheterna ökas med 1,5-2 gånger. Skärdjupet i träbaserade material bestäms av skärarnas eller sågarnas bredd.

Effektiviteten av att använda SA vid bearbetning av mycket hårda material kan illustreras med exemplet på svarvning av hårda legeringar VK10, VK10S, VS15, VK20 med ASPC -skär. Produktiviteten för sådan bearbetning är tio gånger högre än produktiviteten för slipning samtidigt som den önskade kvaliteten bibehålls konsekvent.

Bearbetat material	Klipphastighet, V, m / min	Innings, S, mm / varv	Skärdjup, t, mm
Aluminium och aluminiumlegeringar
Aluminiumlegeringar (10-20% kisel)
Koppar och kopparlegeringar (brons, mässing, kaniner etc.)
Olika kompositer (plast, plast, glasfiber, kolfiber, hårt gummi)
Halvsintrad keramik och hårdmetall
Sintrad hårdmetall
Spånskivor
Stenar (sandsten, granit)

Hög slitstyrka avslöjas av verktyg tillverkade av ASPK och ASB vid svarvning av slipande material, utbredda högkisel- och kopparlegeringar, glasfiber, plastkeramik, pressmaterial, etc. Det är tio eller fler gånger högre än hårdmetall.

Betydande erfarenhet har samlats i svarvning och uttråkning med ASPC-skärare av billets tillverkade av aluminiumlegeringar AL-2, AL-9, AL-25, AK-6, AK-9, AK-12M2, VKZhLS-2, titanlegeringar VT6, VT22, VT8, VTZ -1, glasfiber, icke -järnmetaller, trä.

ASB-polykristaller kännetecknas av hög effektivitet vid vridning av högkisel aluminiumlegering AK-21, AL-25, kopparbaserad legering L62, vid bearbetning av LS59-1, brons, glasfiber ST, SVAM, AG, etc.