Сверхтвёрдые инструментальные материалы и лезвийная обработка металлов

 

1.5. Новые композиционные инструментальные материалы

на основе кубического нитрида бора

 

В промышленно развитых странах потребление лезвийного инструмента из кубического нитрида бора (КНБ) продолжает расти в среднем на 15% в год. Главные причины перехода на лезвийный инструмент из кубического нитрида бора кроются в увеличении ресурса работы инструмента, сокращении времени обработки, уменьшении затрат за счёт замены операции шлифования резанием. Доказано преимущество инструмента из КНБ при обработке высокотвёрдых железистых материалов.

Устойчивой тенденцией является разработка сверхтвёрдых композиционных инструментальных материалов на основе нитрида бора:

– Томал, содержащий, помимо кубического нитрида бора, нитрид и диборид титана, медь, интерметаллид;

– Тибор и Тибор-М, где в качестве связующего применены сплавы никеля с титаном, легированные алюминием, вольфрамом, молибденом;

– Карнибор, включающий смесь кубического нитрида бора и различных сверхтвёрдых порошков;

– композит на основе кубического нитрида бора и оксидной или нитридной керамики;

– композит, имеющий структуру твёрдого сплава, где часть кристаллов карбидной фазы заменена зёрнами кубического нитрида бора и др. [54].

Широкие возможности по обработке закалённых сталей c твёрдостью HRC 35...60, чугунов различной твёрдости, а также алюминиевых сплавов и пластмасс предоставляют двухслойные композиционные сменные многогранные пластины (СМП) марки Томал-10.

Серийное производство таких СМП было налажено Томилинским заводом алмазных инструментов (ныне ОАО "МПО по выпуску алмазного инструмента", Россия).

Композиционный материал "Томал-10" представляет собой двухслойную пластину (рис. 1.5а) с соотношением 1:1 рабочего слоя из гексагонального или кубического нитрида бора и подложки, состоящей из нитрида бора и смеси титана и меди. Толщина пластин S колеблется от 2,18 до 5,5 мм.

Кроме Томала-10, на ОАО "МПО по выпуску алмазного инструмента" освоено производство Томала-30, пластины которого состоят из стальной подложки, в одном углу которой запаяна пластина Томала-10 (рис. 1.5.б), и Томала-50 (рис. 1.5.в) с режущим элементом "COMPAX" (производства "General Electric", США).

Высокая эффективность применения инструментов, оснащённых режущими пластинами марки Томал, обусловлена уникальным сочетанием их физико-механических свойств:

– твёрдостью 40 000...75 000 Н/мм2 (в 2...4 раза выше, чем у твёрдых сплавов);

– теплостойкостью 1100...1300°C;

– химической инертностью к соединениям железа с углеродом;

– способностью режущей кромки к самозатачиванию (радиус округления кромки не превышает 20...40 мкм на протяжении всего периода стойкости инструмента);

         а)

                 б)

               в)

Рис. 1.5. СМП из сверхтвёрдого композиционного материала:

а – Томал 10; б – Томал 30; в – Томал 50

 

– достаточными вязкостью и прочностью, обеспечивающими надёжное и стабильное применение пластин из Томала-10 как при точении, так и при фрезеровании заготовок деталей машин, включая обработку прерывистых поверхностей.

Инструмент с композиционными материалами марки Томал может эксплуатироваться на токарных, фрезерных, алмазно-расточных, агрегатных станках, автоматических линиях.

Рекомендуемые режимы обработки представлены в табл. 1.10.

 

Таблица 1.10

Рекомендуемые режимы обработки при использовании "Томал-10"

 

Режимы обработки	Точение
	стали	чугуна	пластмассы
Скорость точения V, м/мин	60 – 130	150 – 600	150 – 500
Продольная подача S, мм/об	0,05 – 0,2	01 – 0,4	0,2 – 0,5
Глубина точения t, мм	0,5 – 2,5	1,5 – 4	1 – 4

 

Стойкость пластин из КНБ примерно в 3 раза превосходит стойкость пластин из керамики и в 10...15 раз – стойкость пластин из твёрдых сплавов в зависимости от марки обрабатываемых материалов и условий резания.

Инструменты, оснащённые СТМ, рекомендуется использовать в машиностроении для обработки сталей 35ХГСА, 38ХА, 5ХГМ, ШХ15, ХВГ твёрдостью HRC 45...56 на автоматических линиях и универсальном оборудовании, для обработки чугунов всех марок, для фрезерования чугунов, сталей.

 

ООО "Петербургский абразивный завод "Ильич" с 2000 г. начал производство режущих пластин из новых композиционных прочных материалов на основе микропорошков КНБ и металлокерамической и керамической связок марок КП1, КП2, КП3.

В основу существующей технологии получения эльбора-Р в камере высокого давления положен фазовый переход гексагонального нитрида бора в кубический. Технология не позволяет получать заготовки поликристаллов размером более 4×4 мм. Это ограничивает номенклатуру изготовляемого инструмента и уменьшает ресурс его работы за счёт малого числа переточек (от 2 до 4) в зависимости от способа закрепления поликристалла в державке (методами порошковой металлургии и др.).

Новые композиционные материалы марок КП1, КП2 и КП3 получают спеканием кубического нитрида бора при высоком давлении и температуре в камере синтеза. Полученные по такой технологии материалы отличаются между собой структурой и свойствами используемого порошка кубического нитрида бора, процентным содержанием, видом, дисперсностью и химической активностью связующего материала – борида, нитрида и др., а также технологиями подготовки исходной шихты и спекания.

Технология позволяет получать широкую гамму инструментальных материалов на основе КНБ повышенной прочности с большими габаритными размерами заготовок до 25 мм и более (по сравнению с 4 мм по первому методу), из которых можно изготовлять режущие круглые и многогранные сменные пластины широкой номенклатуры.

Композит КП1 – материал среднезернистой структуры, высокой износостойкости и удельной теплопроводности, содержащий около 80% КНБ и металлокерамическую связку. КП1 обладает достаточно высокой прочностью на изгиб и применяется в инструменте, работающем при непрерывном и прерывистом резании. Может использоваться для изготовления режущих СМП сборного инструмента и режущих инструментов, получаемых методом вакуумной пайки.

Композит КП2 – материал относительно грубозернистой структуры, содержащей примерно 60% КНБ на металлокерамической связке. Выпускается в виде монослойных (КП2) или двухслойных (КП2Д) режущих СМП на подложке из спечённого твёрдого сплава ВК6, ВК8 или ВК15 с толщиной композиционного слоя не менее 0,5 мм.

Композит КП3 – материал, содержащий около 90% КНБ и керамическую связку повышенной на излом прочности, среднезернистой структуры высокой удельной теплопроводности. Он предназначен для использования в зажимных резцедержателях с отрицательным передним углом. Материал особенно эффективен при работе в условиях ударных нагрузок, когда тяжёлая механическая нагрузка на режущую кромку сопровождается высокими термическими нагрузками. Более высокое содержание КНБ в данной марке материала повышает его удельную теплопроводность и позволяет успешно использовать данный материал на операциях черновой обработки, для быстрого отвода тепла от режущей кромки инструмента.

Рекомендуемые режимы резания резцами, оснащёнными композитами КП1, КП2, КП2Д и КП3, представлены в табл. 1.11 – 1.13 [12].

 

Таблица 1.11

Рекомендуемые режимы резания при точении резцами,

оснащёнными композитом КП1

 

Обрабатываемый материал	Твёрдость	Режим резания
		скорость V, м/мин	подача S, мм/об	глубина t, мм
Стали конструкционные, легированные, инструментальные, закалённые (непрерывное резание, небольшие ударные нагрузки)	HRC 40...50	80...200	0,03...0,15	0,05...0,5
То же, непрерывное точение	HRC 51...68	100...100	0,03...0,15	0,05...0,25
Чугуны серые	НВ 120...170	200...300	до 0,3	до 3,0
Чугуны отбеленные	НВ 400...600	40...180	до 0,15	0,1...0,5

 

Таблица 1.12

Рекомендуемые режимы резания при точении резцами,

оснащёнными композитом КП2 и КП2Д

 

Обрабатываемый материал	Твёрдость	Режим резания
		скорость V, м/мин	подача S, мм/об	глубина t, мм
Стали конструкционные 35ХГАСА, 34ХНЗМ, подшипниковые ШХ15 и т. п.	HRC 40...62	100...200	0,05...0,2	до 0,5
То же, непрерывное точение	HRC 50...64	50...100	0,05...0,1	до 0,5
Чугуны серые	НВ 150...300	200...400	до 0,5	до 3,0
Чугуны отбеленные, закалённые	НВ 400...600	40...100	до 0,3	до 1,5

 

Таблица 1.13

Рекомендуемые режимы резания при точении резцами,

оснащёнными композитом КП3

 

Обрабатываемый материал	Твёрдость	Режим резания
		скорость V, м/мин	подача S, мм/об	глубина t, мм
Стали конструкционные легированные, закалённые (работа с ударом)	HRC 40...64	80...120	0,03...0,15	0,05...0,25
Чугуны отбеленные, закалённые	НВ 400...600	40...100	0,05...0,25	0,1...2,0
Спеченные твёрдые сплавы	HRA 86...88	15...25	0,05...0,07	до 0,2

 

При черновой обработке, связанной с восстановлением изделий, например валков, режимы резания должны быть другими. Скорости резания снижают до 40...50 м/мин, а подачи при обработке твёрдых сталей (HRC 60 – 62) увеличивают до 0,15...0,29 мм/об.

В качестве основной области применения композитов КП1, КП2 и КП3 можно рассматривать замену операций шлифования на точение заготовок из закалённых сталей, отбеленных чугунов, серых перлитных чугунов, твёрдых наплавок и покрытий. В результате в поверхностном слое создаются сжимающие остаточные напряжения (растягивающие при шлифовании), что особенно важно для деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок, отсутствуют прижоги и шаржирование обработанной поверхности.

Другой областью применения композитов марки КП может служить замена резцов с пластинами из керамики и твёрдых сплавов при обработке закалённых сталей и чугунов на токарных операциях на резцы с пластинами из композитов. Обработка выполняется на существующем оборудовании со значительно более высокими скоростями резания.

Результаты сравнительных стойкостных испытаний инструментов, оснащённых композитами КП1, КП2 и КП3, в соответствии со средними величинами износа пластины за время её работы представлены на рис. 1.6 – 1.8 [12].

Испытания в производственных условиях показали, что средний ресурс работы круглых пластин из указанных материалов составил 720 мин у КП1 и 780 мин у КПЗ.

 

Рис. 1.6. Средняя величина износа h3 пластины за время работы Т, сталь 35ХГСА, пластина CNMA120408T, V = 180...200 м/мин; S = 0,12 мм/об; t = 0,2 мм: 1 – К05; 2 – К01; 3 – КПЗ; 4 – КП1; 5 – КП2

Рис. 1.7. Средняя величина износа h3 пластины за время работы Т, сталь ШX15, пластина CNMN0413004T, V = 60...70 м/мин; S = 0,1 мм/об; t = 0,2 мм: 1 – КП2; 2 – К10Л; 3 – КП1; 4 – КП3

Данные соответствуют обработке деталей пресс-форм из стали NC6 (аналог стали 12Х1), твёрдостью HRC 62...64 при режимах обработки: V = 40...150 м/мин; Sпрод = 0,2...0,29 мм/об; Sпоп = 0,29 мм/об.

При обработке матриц из твёрдого сплава G10 с твёрдостью HRA > 80 ресурс работы  составил 180 (200) мин у КП3, при обработке абразивной керамики – 360 мин у КП1.

На ресурс работы пластин влияние оказывают свойства обрабатываемых материалов (неоднородность структуры, макропятнистость, термообработка), состояние технологической системы.

 

1.6. Основные поликристаллические модификации

нитрида бора, выпускаемые за рубежом

 

После демонстрации в 1975 г. на Ганноверской ярмарке первых образцов инструмента с КНБ фирмой "Дженерал Электрик" (США) интерес к фирмам, выпускающим инструмент, оснащённый режущим элементом из ПСТМ на основе КНБ, несмотря на большую стоимость, не ослабевает.