Сверхтвёрдые инструментальные материалы и лезвийная обработка металлов

В табл. 1.2 представлены сравнительные физико-механические свойства поликристаллических сверхтвёрдых материалов (ПСТМ) и других инструментальных материалов.

Твёрдость поликристаллического алмаза Sindite (De Beers Industrial, Великобритания) и амборита (материал на основе кубического нитрида бора на металлической связке) близка к твёрдости кристаллов синтетического алмаза и КНБ. ПСТМ, в отличие от монокристаллических алмазов, совершенно изотропны, их характеристики не зависят от ориентации кристаллов. Это обстоятельство, а также большое разнообразие форм и размеров изделий из ПСТМ на основе синтетических алмазов и нитрида бора способствуют расширению их применения в качестве инструментальных материалов.

 

1.2. Поликристаллические сверхтвёрдые материалы

на основе углерода

 

По технологии получения сверхтвёрдые материалы (СТМ) на основе алмазов можно разделить на две группы:

1) поликристаллы алмаза, получаемые  в результате фазового перехода графита в алмаз.

2) поликристаллы алмаза, получаемые спеканием алмазных зёрен.

 

Таблица 1.2

 

Физико-механические свойства инструментальных материалов

 

Параметр	Керамические материалы			Твёрдый сплав группы КГО	ПСТМ			Монокристал-лический алмаз
	Al2O3	Al2O3+TiC	Сиалон		Sindite		Эмборит
					РКДО10	РКДО25
Плотность r, г/см-3	3,91	4,28	3,20	14,70	3,85	3,86	3,12	3,52
Предел прочности на сжатие σc, ГПа	4,00	4,50	3,50	4,50	7,60	7,61	2,73	8,68
Предел прочности на изгиб σи, ГПа	0,70	0,91	0,75	2,07	0,96	0,92	0,57	–
Вязкость разрушения (коэффициент трещиностойкости) KIc, МПа	2,33	3,31	5,00	10,80	7,31	8,61	6,32	3,40
Твёрдость по Кнупу HK, ГПа	16	17	13	13	50	50	28	102
Модуль Юнга Е, ГПа	340	370	300	620	900	925	680	1141
Коэффициент Пуассона m	0,22	0,22	0,22	0,21	0,09	0,09	–	0,07
Коэффициент линейного теплового расширения aL, 10–6·K–1	8,10	7,80	3,20	5,40	4,20	4,50	4,90	4,80
Коэффициент теплопроводности l, Вт/(м·K)	22,50	16,70	22,50	100	560	560	100	1250

 

 

К поликристаллам первой группы, получаемым вследствие фазового перехода графита в алмаз в присутствии катализаторов при давлении и температуре, соответствующим области термодинамической стабильности алмаза, относятся алмаз синтетический типа баллас (АСБ) и алмаз синтетический поликристаллический типа карбонадо (АСПК), названные так из-за идентичности их структуры природным балласу и карбонадо.

Поликристаллы второй группы получают спеканием, воздействуя на мелкий порошок из синтетических алмазов статическим давлением и температурой, т. е. применяются методы порошковой металлургии. Из материалов, получаемых спеканием алмазных зёрен, в настоящее время выпускают поликристаллы СВ, СВС, исмит, СВБН, карбонит.

Поликристаллы марки АСБ имеют шаровидную форму диаметром около 6...6,5 мм, чётко выраженную радиально-лучистую 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 зёрен меньше (до 200 мкм).

Поликристаллы АСБ и АСПК, кроме основной преобладающей фазы алмаза, содержат значительное число включений, существенно и, как правило, негативно влияющих на их физико-механические свойства. В состав синтетических балласов и карбонадо входят непрореагировавший графит, металл-катализатор, его карбиды, твёрдый раствор металл-углерод. Размер их составляет 0,5...10 мкм.

Структура алмазов типа СВ поликристаллическая, двухфазная. Общее количество примесей не превышает 2%. Поликристаллическое строение рассматриваемых алмазов, состав и структура порождают специфические свойства (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Физико-механические свойства

сверхтвёрдых материалов на основе алмаза

 

СТМ	Плотность r, г/см3	Предел прочности на сжатие σс, МПа	Предел прочности на изгиб σи, МПа	Теплостойкость на воздухе Т, °С	Микротвёрдость HV, МПа
Баллас (АСБ)	3,50 – 4,00	200 – 400	500 – 1000	700 – 800	7000 – 7500
Карбонадо (АСПК)	3,69 – 3,93	400 – 800	500 – 1000	850 – 950	71000 – 76000
СВ	3,34 – 3,46	7740 – 10590	–	800	70000 – 75000

 

Свойства этих материалов, благодаря их поликристаллическому строению, отличаются от свойств природных монокристаллов алмаза. Микротвёрдость поликристаллических алмазов в среднем такая же, как у природных монокристаллов, но диапазон изменения её у синтетических алмазов шире. Отношение максимального значения к минимальному для различных типов поликристаллов находится в пределах 1,5 – 2,28. У отдельных образцов микротвёрдость на периферии в 1,25 раза больше, чем в центре образца на участках, прилегающих к катализатору.

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

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

Их прочность обусловлена изменением внутреннего строения, в частности размеров кристаллитов, а также количества примесных включений и неоднородности их распределения.

Размер зёрен поликристалла оказывает двойное влияние на его прочность. С одной стороны, с уменьшением зерна, а значит, и снижением дефектности, относительная прочность возрастает, т. е. поликристалл в этом случае состоит из высококачественного материала. С другой стороны, при небольших размерах зёрен, как и равномерном распределении металлофазы, обеспечивается возможность локализации возникающих в процессе разрушения микротрещин в соответствующих им микрообъемах поликристалла.

Термостойкость синтетических алмазов наряду с микротвёрдостью и прочностью является важной характеристикой, определяющей работоспособность этих материалов.

Термостойкость, т. е. температура, при которой наступает потеря прочности и абразивной способности, для таких алмазов определяется диапазоном 600...1000°С. Такое изменение наступает вследствие окисления или графитизации алмазных зёрен, т. е. обратного перехода алмаза в графит. Интенсивность процесса зависит от состава окружающей среды, внешнего давления, времени выдержки при данной температуре, степени совершенства кристаллов и количества примесей. Этим и объясняется широкий интервал значений термостойкости.

Коэффициент трения, играющий важную роль в контактных явлениях при резании, у синтетических поликристаллов больше, чем у природного алмаза, и для значительного количества контактирующих материалов составляет 0,1...0,3 при скорости скольжения от 10 до 900 м/мин.

Возрастание значения коэффициента трения fтр в направлении алмаз → АСПК → АСБ обусловлено структурными особенностями материалов, различным количеством металла и состоянием поверхности.

Микронеровности, поры и трещины на поверхности синтетических алмазов, обусловленные их внутренним строением, позволяют накапливать частицы сопряженного металла. В результате трения однородных металлов показатель fтр также возрастает.

Кроме того, для кристаллов алмаза характерно изменение сил трения в зависимости от их ориентации. Учитывая хаотическое расположение кристаллов в синтетических алмазах, следует ожидать повышения их коэффициента трения вследствие того, что с металлами одновременно контактируют плоскости различной твёрдости.

Отличительной особенностью сверхтвёрдых поликристаллов алмазов является их высокая устойчивость, инертность к воздействию агрессивных сред – кислот, щелочей и т. д. Исследуемые материалы представляют собой многофазную систему, поэтому их устойчивость в указанных условиях складывается из соответствующих показателей каждой фазы в отдельности и взаимовлияния.

 

1.3. Особенности применения инструмента,

оснащённого поликристаллическими алмазами

 

Низкий коэффициент трения fтр в сочетании с высокой теплопроводностью поликристаллов алмаза предопределяет значительно меньший уровень температуры резания, чем при работе твердосплавным и быстрорежущим инструментом. Это, а также высокая стабильность fтр в большом диапазоне изменения скоростей создают предпосылки для обоснованного их повышения, увеличения производительности обработки при одновременном повышении качества обработанной поверхности.

Наиболее полный учёт физико-механических свойств, структуры и химического состава в каждом конкретном случае обработки того или иного материала может служить надёжной основой эффективного использования синтетических поликристаллов алмаза (СПА). Опыт и результаты исследований позволяют рекомендовать их для обработки материалов, обладающих высокой твёрдостью и абразивной способностью, а также многих материалов, химически инертных к алмазу (табл. 1.4).

 

Таблица 1.4

Рекомендуемые диапазоны режимов резания инструментом

из поликристаллических алмазов при точении

 

Обрабатываемый материал	Режим резания
	скорость резания V, м/мин	подача S, мм/об	глубина резания t, мм
Алюминий и алюминиевые сплавы	600 – 3000	0,03 – 0,30	0,05 – 1,0
Алюминиевые сплавы (10 – 20% кремния)	500 – 1500	0,03 – 0,30	0,05 – 1,0
Медь и медные сплавы (бронзы, латуни, баббиты и др.)	300 – 1000	0,03 – 0,30	0,05 – 1,0
Различные композиты (пластмассы, пластики, стеклопластики, углепластики, твёрдая резина)	200 – 1000	0,03 – 0,30	0,05 – 1,0
Полуспечённые керамика и твёрдые сплавы	100 – 300	0,03 – 0,15	0,05 – 1,0
Спечённые твёрдые сплавы	15 – 40	0,03 – 0,10	0,05 – 1,0
Древесностружечные материалы	2000 – 4000	0,03 – 0,10	0,05 – 1,0
Горные породы (песчаник, гранит)	50 – 400	0,03 – 0,30	0,05 – 1,0

 

Алмазный инструмент, в отличие от инструмента из композита, может эксплуатироваться и на низких скоростях, присущих твердосплавному инструменту, обеспечивая многократное повышение стойкости. При фрезеровании скорости могут быть увеличены в 1,5 – 2 раза.

Геометрические параметры резцов и фрез те же, что резцов и фрез из твёрдых сплавов: положительные передние углы γ = 0...15°, задние углы не более 15°. Доводка и полирование рабочих поверхностей уменьшают интенсивность адгезионных явлений, заметно повышают стойкость инструмента и качество обработки. Такое же воздействие оказывают смазочно-охлаждающие технические среды (СОТС).

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

Высокую износостойкость проявляют инструменты из АСПК и АСБ при точении абразивосодержащих материалов, широко распространённых 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.

Физико-механические свойства СПА и правильно выбранный обрабатываемый материал заготовки благоприятно определяют процесс стружкообразования. Так, при точении цветных металлов резцами АСБ и АСПК усадка стружки значительно меньше, чем при тонком точении твёрдым сплавом, и приближается по величине к усадке при точении резцами, оснащёнными природными алмазами.

Силы резания при точении цветных металлов и их сплавов, а также пластмасс резцами из поликристаллов алмаза в 1,5...2 раза меньше, чем при обработке твердосплавными резцами. По сравнению с обработкой резцами с природными алмазами, вертикальная составляющая резцов из АСБ и АСПК незначительно отличается, а радиальная сила Рy существенно больше (до 4 раз). Это объясняется большим радиусом округления кромки резцов из поликристаллов алмаза.

С увеличением износа алмазного резца силы резания незначительно возрастают только в начальный период (период приработки), а затем мало изменяются. Установлено, что с износом резца сила Ру почти не увеличивается, сохраняется микрогеометрия режущей кромки, в частности величина радиуса её округления. Этим обеспечивается стабильность теплонапряжённости процесса резания.