Анализ особенностей и режущие свойства ПСТМ. Сверхтвердыми при­нято считать инструментальные материалы, имеющие твердость по Виккерсу при комнатной температуре свыше 35 ГПа.

Природный алмаз — самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента. Принципиальное отличие мо — нокристаллического 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 обработке деталей не столь высоки.

Потребность в сверхтвердых материалах привела к тому, что в 1953 — 1957 годах в США и в 1959 году в СССР 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. Крупные поликристаллы, предназначенные для лез­вийных инструментов, были получены в промышленных условиях в начале 70-х годов.

Диаграмма состояния углерода и нитрида бора представлена на рис. 11.9.

В основе технологии изготовления поликристаллов диаметром 4-40 мм лежат два различных процесса: фазовый переход вещества из одного со­стояния в другое (собственно синтез) или спекание мелких частиц заранее синтезированного порошка ПСТМ. В нашей стране первым способом получают поликристаллический кубический нитрид бора (ПКНБ) марок композит 01 (эль — бор РМ) и композит 02 (бельбор), а также поликристаллический алмаз (ПКА) марок АСПК (карбонадо) и АСЕ (баллас). За рубежом изготовителями ПСТМ по технологии спекания являются три крупнейшие фирмы «General Electric» (США), «De Beers» (ЮАР) и «Sumitomo Electric» (Япония). Режущие инс­трументы из поликристаллов этих трех поставщиков производят сотни фирм во всем мире.

ПСТМ — принципиально новые, как по технологии изготовления, так и по условиям эксплуатации инструментальные материалы. Ими можно обрабаты­
вать изделия при скоростях резания на порядок выше скоростей, допускае­мых при использовании твердосплавного инструмента. Кроме того, инструмент из ПКА имеет в десятки раз более высокую скорость, чем инструмент из твер­дых сплавов.

Поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) систематизируются по таким определяющим признакам, как состав основы поликристаллов, спосо­бы получения, характеристика исходного материала. Вся гамма поликристал­лов разделяется на пять основных групп: ПСТМ на основе алмаза (СПА),

ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора (СПНБ), композиционные сверхтвердые материалы (КСТМ), двухслойные сверхтвердые композиционные материалы (ДСКМ) [12, 65].

ПСТМ на основе алмазов. Поликристаллы на основе синтетического алмаза можно разделить на четыре разновидности [66]:

1. Поликристаллы, получаемые спеканием мелких алмазных порошков в чистом виде или после специальной предварительной обработки для актива­ции процесса спекания. Изготовленные по такой схеме поликристаллы пред­ставляют собой, как правило, однофазный продукт. Примером могут служить мегадаймонд, карбонит.

2. Поликристаллы алмаза типа СВ. Они представляют собой гетерогенный композит, состоящий из частиц алмаза, скрепленных связкой — второй фазой, которая располагается в виде тонких прослоек между кристаллами алмаза.

3. Синтетические карбонады типа АСПК. Их получают путем воздействия на углеродосодержащее вещество со значительным количеством катализатора одновременно высокого давления и высокой температуры. Плотность таких поликристаллов изменяется в широких пределах, а содержание примесей со­ставляет от 2 до 20% по массе. Поэтому поликристаллы типа АСПК обладают меньшей твердостью и прочностью, чем поликристаллы первых двух разно­видностей.

4. Поликристаллы алмаза, получаемые пропиткой алмазного порошка ме­таллическим связующим при высоких давлениях и температурах. В качестве связки используются никель, кобальт, железо, хром. Алмазные поликристаллы, получаемые по указанному способу, имеют высокие механические свойства.

Физико-механические свойства ПСТМ на основе алмазов представлены в табл. 11.20.

Микротвердость поликристаллических алмазов в среднем такая же, как природных монокристаллов, но диапазон изменения ее у синтетических алма­зов шире. Отношение максимального значения к минимальному для различных типов поликристаллов находится в пределах 1,2 -2,28.

Микротвердость на периферии в 1,25 раза больше, чем в центре образца на участках, прилегающих к катализатору.

Плотность синтетических балласа и карбонадо выше, чем плотность при­родных монокристаллов алмаза, что объясняется наличием определенного количества металлических включений. С увеличением концентрации метал­лической фазы практически пропорционально возрастает и плотность.

Теплопроводность поликристаллов алмаза превышает теплопроводность меди и серебра, а в ряде случаев достигает значений теплопроводности моно­кристаллов алмаза. Теплопроводность поликристаллов зависит от температу­ры. Причем для одних материалов с увеличением температуры до 450°С теп­лопроводность возрастает, достигая максимума, а затем снижается. Для дру­гих, типа АСБ и СКМ, — монотонно снижается до 900°С.

ПСТМ на основе кубического нитрида бора. Существует несколько разновидностей ПСТМ на основе нитрида бора.

1. Поликристаллы, синтезируемые из гексагонального нитрида бора (ГНБ) в присутствии растворителя ВМгВМсф (типичным представителем является ком­позит 01);

2. Поликристаллы, получаемые в результате прямого перехода гексаго­нальной модификации в кубическую BNrBN (композит 02);

3. Поликристаллы, получаемые в результате превращения вюрцитопо — добной модификации в кубическую BNg ВМдф. Поскольку полнота перехода регулируется параметрами спекания, то к этой группе относятся материалы с заметно отличающимися свойствами (композит 10, композит 09);

4. Поликристаллы, получаемые спеканием порошков кубического нитрида бора (КНБ) с активирующими добавками (композит 05-ИТ, киборит и др.).

Основные физико-механические характеристики различных марок ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора приведены в табл. 11.21.

ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора, незначительно усту­пая алмазу по твердости, отличаются высокой термостойкостью, стойкостью к циклическому воздействию высоких температур и, что особенно важно, более слабым химическим взаимодействием с железом, являющимся основным ком­понентом большинства материалов, подвергаемых в настоящее время обра­ботке резанием.

Поликристаллы типа композит 01 имеют мелкозернистую структуру, доми­нирующей фазой которой являются мелкие зерна КНБ, сросшиеся и взаимно проросшие с образованием прочного агрегата. Примеси равномерно распреде­лены по объему образца. Наряду с основной кубической модификацией в них возможно частичное содержание непрореагировавшего гексагонального нитри­да бора.

Размеры зерен и включений сопутствующих фаз примерно равны 30 мкм, пористость равномерная, составляет 10%.

Композиционные сверхтвердые материалы (КСТМ). Однородные по объему КСТМ получают спеканием смеси порошков синтетического алмаза и кубического или вюрцитного нитрида бора. Сюда относят материалы типа ПКНБ — АС, СВАБ (СНГ), компакт (Япония). Эти материалы следует рас­сматривать как перспективные.

Из материалов этого класса наибольшей микротвердостью обладают мате­риалы СВ-1 и СВ-40, а наименьшей — СВ-14, СВАБ. Невосстановленная мик­ротвердость изменяется от 47,0 до 66,0 ГПа, а модуль упругости — от 640 до 810 ГПа.

К классу композиционных относят также алмазосодержащие материалы на основе твердых сплавов. Из материалов этой группы, хорошо зарекомендо­вавших себя в эксплуатации, следует отметить «Славутич» (из природных ал­мазов) и твесалы (из синтетических алмазов).

Двухслойные композиционные поликристаллические материалы (ДСКМ). Принципиальной особенностью ДСКМ является то, что спекание по­рошков сверхтвердых материалов производится при высоких температурах и давлениях на подложке из твердых сплавов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, в результате чего образуется слой ПСТМ толщиной 0,5-1 мм, прочно связанный с материалом подложки. Алмазоносный слой может со­держать компоненты подложки.

Двухслойные материалы имеют некоторые преимущества по сравнению с однородными по объему СТМ. Упрощается технология крепления режущего инструмента в корпусе державки путем пайки к твердосплавной подложке. Наличие подложки, прочно соединенной с рабочим слоем из СТМ, придает материалам повышенную ударную прочность, а использование слоя СТМ ма­лой толщины (0,5-2 мм) делает их более экономичными, поскольку при затачи­вании и перетачивании инструмента значительно уменьшаются безвозврат­ные потери дорогостоящих сверхтвердых материалов.

К наиболее известным отечественным двухслойным сверхтвердым компо­зиционным материалам из кубического нитрида бора относятся композит 05- ИТ-2С, композит 10Д, ВПК [65, 66], на основе алмаза — ДАП, диамет, АМК-25, АМК-27, БПА, АТП. За рубежом двухслойные поликристаллические сверх­твердые материалы на основе алмаза выпускает фирма «De Beers» (ЮАР) с торговой маркой синдит РКД010 и РКД 025 [48]. Синдит РКД025 рекоменду­ется главным образом для грубой обработки, а более мелкозернистый синдит марки РКД010 — для окончательной обработки.

Области применения инструмента из ПСТМ. Основная область эффек­тивного применения лезвийного режущего инструмента из ПСТМ — автоматизи­рованное производство на базе станков с ЧПУ, многоцелевых станков, авто­матических линий, специальных скоростных станков.

В табл. 11.22 приведены скорости резания, рекомендуемые для обработки различных материалов инструментом из ПСТМ.

Выбор конкретной скорости резания определяется величиной снимаемого припуска, возможностями оборудования, подачей, наличием ударных нагрузок в процессе резания и многими другими факторами.

Следует отметить, что в отличие от рекомендуемых по твердосплавному инструменту скорости резания инструментом из ПСТМ при фрезеровании в 1,5-3 раза выше, чем при точении.

Разработана и выпускается широкая номенклатура инструментов из ПСТМ [65,66]. Это токарные проходные, подрезные, расточные, канавочные, резьбо­вые резцы, в том числе ступенчатой конструкции для снятия повышенных при­пусков с деталей типа прокатных валков, торцовые хвостовые и насадные фрезы, в том числе регулируемые и переналаживаемые, которые могут осна­щаться пластинами из различных инструментальных материалов с опти­мальной для каждого геометрией, гамма расточных напайных и сборных резцов, зенковки, расточные головки и т. д. Для обработки древесностружечных плит на автоматических линиях созданы пилы, оснащенные ПСТМ. Инструмен­ты могут оснащаться как напайными режущими элементами (цилиндрические и прямоугольные вставки, твердосплавные многогранные пластины с напа­янными в одной из вершин ПСТМ), так и сменными круглыми и многогранными пластинами цельной или двухслойной конструкции.

Отметим, что для точения с ударом и фрезерования закаленных быстроре­жущих сталей и сталей с высоким содержанием хрома (типа Х12) инструмент из ПСТМ не рекомендуется.

Расчеты [42] показали, что необходимым условием эффективности вне­дрения инструмента из ПСТМ на станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах взамен твердосплавных резцов и фрез является увеличение интенсивности съема припуска (объем металла в единицу времени) в 1,5-2,5 раза. Однако практика внедрения высокоскоростного резания указывает на возможность повышения производительности обработки в 3-6 и более раз. Так, при соз­дании автоматизированного завода «Красный пролетарий» для чистовой обработки чугунных корпусных деталей с шероховатостью поверхности Ra 1,25 мкм на многоцелевых станках типа ИР 500 предложено [43] использовать кас­сетные торцовые фрезы d = 125 мм новой конструкции с осевым и ради­альным регулированием положения зачистных радиусных режущих кромок (с точностью не хуже 0,005 мм) квадратных пластин из ПКНБ. Режим резания п = 3000 об/мин; v = 1177 м/мин; SM = 2000 мм/мин; t = 0,3-0,4 мм. При исполь­зовании высокоскоростных станков с п = 6000 об/мин скорость резания воз­растает до 2350 м/мин, подача до 4000 мм/мин, а производительность процес­са резания станет в 10 раз выше по сравнению с существующим уровнем.

Тенденции развития процессов механической обработки резанием позво­ляют утверждать, что в ближайшие годы высокоскоростное резание с широким применением новых инструментальных материалов станет вполне заурядным явлением на предприятиях, оснащенных передовым автоматизированным обо­рудованием.