Классификация искусственных сверхтвёрдых материалов

Процессы обработки металлов лезвийными инструментами подчиняются классическим законам теории резания металлов.

На всём протяжении развития обработки металлов ре­занием появление качественно новых инструментальных материалов, обладающих повышенной твёрдостью, тепло­стойкостью и износостойкостью, сопровождалось ростом интенсивности процесса обработки.

Созданные в нашей стране и за рубежом в конце пятидесятых, начале шестидесятых годов прошлого века и широко применяемые инструменты, оснащённые искусственными сверхтвёрдыми материалами на основе кубического нитрида бора (КНБ), характеризуются большим разнообразием.

По сведениям отечественных и зарубежных фирм — производителей инструментов в настоящее время существенно увеличивается применение материалов на основе КНБ.

В промышленно развитых странах потребление лезвийного инструмента из искусственных сверхтвёрдых материалов на основе КНБ продолжает расти в среднем до 15 % в год.

Согласно классификации, предложенной ВНИИинструмент, всем сверхтвёрдым материалам на основе плотных модификаций нитрида бора присвоено наименование композиты.

В теории и практике материаловедения композитом на­зывают материал, не встречающийся в природе, состоящий из двух и более различных по химическому составу компо­нентов. Для композита характерно наличие отчётливых
границ, отделяющих его компоненты. Композит состоит из наполнителя и матрицы. Наибольшее влияние на его свойства оказывает наполнитель, в зависимости от которого композиты подразделяются на две группы: 1) с дисперсными частицами; 2) армированные непрерывными волокнами и армированные волокнами в нескольких направлениях.

Термодинамические особенности полиморфизма нитрида бора обусловили появление большого количества материалов на основе его плотных модификаций и различных технологий его получения.

В зависимости от вида основного процесса, протекаю­щего при синтезе и определяющего свойства сверхтвёрдых материалов, в современных технологиях получения инст­рументальных материалов из нитрида бора можно выде­лить три основных метода:

• фазовое превращение гексагонального нитрида бора в кубический. Поликристаллические сверхтвёрдые ма­териалы, полученные таким образом, отличаются друг от друга наличием или отсутствием катализатора, его видом, структурой, параметрами синтеза и т.д. К ма­териалам этой группы относятся: композит 01 (эльбор-Р) и композит 02 (белбор). За рубежом материа­лы этой группы не выпускаются;
• частичное или полное превращение вюрцитного нит­рида бора в кубический. Отдельные материалы этой группы различаются составом исходной шихты. У нас в стране из материалов этой группы производят одно- и двухслойный композит 10 (гексанит-Р) и различ­ные модификации композита 09 (ПТНБ и др.). За ру­бежом материалы этой группы выпускаются в Япо­нии фирмой «Ниппон Ойл Фате» под торговой мар­кой вюрцип;
• спекание частиц кубического нитрида бора с добавками. Эта группа материалов является самой многочислен­ной, так как возможны различные варианты связки и технологии спекания. По этой технологии в отечествен­ной промышленности производятся композит 05, киборит и ниборит. Наиболее известными зарубежными ма­териалами являются бора зон, амборит и сумиборон.

Дадим краткое описание наиболее известных сверхтвердых инструментальных материалов.

Композит 01 (эльбор-Р) — создан в начале 70-х годов.

Этот материал состоит из беспорядочно ориентирован­ных кристаллов кубического нитрида бора, полученных каталитическим синтезом. В результате высокотемператур­ного прессования под действием высокого давления перво­начальные кристаллы BN_K дробятся до размеров 5…20 мкм. Физико-механические свойства композита 01 зависят от состава исходной шихты и термодинамических параметров синтеза (давления, температуры, времени). Примерное мас­совое содержание составляющих композита 01 следующее: до 92 % BN_K,  до 3 % BN_r, остальное — примеси добавок- катализаторов.

Модификация композита 01 (эльбор-РМ) в отличие от эльбора-Р получается прямым синтезом BN_r -> BN_к, осуще­ствляемым при высоких давлениях (4,0…7,5 ГПа) и темпе­ратурах (1300…2000°С). Отсутствие в шихте катализатора позволяет получить стабильные эксплуатационные свойства.

Композит 02 (белбор) — создан в Институте физики твердого тела и полупроводников АН БССР.

Получается прямым переходом из BN_r в аппаратах высокого давления при статическом приложении нагрузки (давление до 9 ГПа, температура до 2900 °С). Процесс осуще­ствляется без катализатора, что обеспечивает высокие фи­зико-механические свойства композита 02. При упрощенной технологии изготовления за счёт введения определенных легирующих добавок имеется возможность варьировать физико-механические свойства поликристаллов.

Белбор по твёрдости сравним с алмазом и значительно превосходит его по термостойкости. В отличие от алмаза он химически инертен к железу, а это позволяет эффектив­но использовать его для обработки чугуна и сталей — ос­новных машиностроительных материалов.

Композит 03 (исмит) —  впервые синтезирован в ИСМ АН УССР.

Выпускаются три марки материала: исмит-1, исмит-2, исмит-3, различающиеся физико-механическими и эксплу­атационными свойствами, что является следствием разли­чия исходного сырья и параметров синтеза.

Ниборит — получен ИФВД АН СССР.

Высокая твёрдость, теплостойкость и значительные раз­меры этих поликристаллов предопределяют их высокие эк­сплуатационные свойства.

Киборит —  синтезирован впервые в ИСМ АН УССР.

Поликристаллы получают горячим прессованием ших­ты (спеканием) при высоких статических давлениях. В со­став шихты входят порошок кубического нитрида бора и специальные активирующие добавки. Состав и количество добавок, а также условия спекания обеспечивают получение структуры, в которой сросшиеся кристаллы BN_К образуют непрерывный каркас (матрицу). В межзёрных промежутках каркаса образуется тугоплавкая твёрдая керамика.

Композит 05 —  структура и технология получения разработаны в НПО ВНИИАШ.

Материал в своей основе содержит кристаллы кубического нитрида бора (85…95 %), спекаемые при высоких давлениях с добавками оксида алюминия, алмазов и др. элементов. По сво­им физико-механическим свойствам композит 05 уступает мно­гим поликристаллическим сверхтвёрдым материалам.

Модификацией композита 05 является композит 05ИТ. Он отличается высокими теплопроводностью и теплостой­костью, которые получены путём введения в шихту специ­альных добавок.

Композит 09 (ПТНБ) разработан в Институте химической физики АН СССР.

Выпускается несколько марок (ПТНБ-5МК, ПТНБ-ИК-1 и др.), которые различаются составом исходной шихты (смесью порошков BN_B и BN_К). Отличие композита 09 от других композиционных материалов заключается в том, что его ос­нову составляют частицы кубического нитрида бора разме­рами 3…5 мкм, а в качестве наполнителя выступает вюрцитный нитрид бора.

За рубежом выпуск материалов данного класса с исполь­зованием превращения вюрцитного нитрида бора осуществ­ляется в Японии фирмой «Ниппон Ойл Фате» совместно с Токийским государственным университетом.

Композит 10 (гексанит-Р) создан в 1972 г. Институтом про­блем материаловедения АН УССР совместно с Полтавским за­водом искусственных алмазов и алмазного инструмента.

Это поликристаллический сверхтвёрдый материал, ос­нову которого составляет вюрцитная модификация нитри­да бора. Технологический процесс получения гексанита-Р, как и предыдущих композитов, состоит из двух операций:

1. синтеза BN_B методом прямого перехода BN_r -> BN_В при ударном воздействии на исходный материал и
2. спекания порошка BN_В при высоких давлениях и температурах.

Для композита 10 характерна мелкозернистая структу­ра, но размеры кристаллов могут колебаться в значитель­ных пределах. Особенности структуры определяют и осо­бые механические свойства композита 10 —  он не только обладает высокими режущими свойствами, но и может ус­пешно работать при ударных нагрузках, что менее выра­жено у других марок композитов.

На основе гексанита-Р в Институте проблем материалове­дения АН УССР получена улучшенная марка композита 10 — гексанит-РЛ, армированный нитевидными кристаллами — во­локнами «сапфирных усов».

Композит 12 получается спеканием при высоких давлениях смеси порошка вюрцитного нитрида бора и поликристаллических частиц на основе Si₃N₄ (нитрида кремния). Раз­мер зёрен основной фазы композита не превышает 0,5 мкм.

Перспектива дальнейшего развития, создания и произ­водства композитов связана с использованием в качестве наполнителя нитевидных или игольчатых кристаллов (усов), которые могут быть получены из таких материалов, как В₄С, SiC, Si₂N₄. ВеО и др.

Вам также могут быть интересны статьи:

Режущие свойства инструментов из композитов Физико-механические и химические свойства композитов Получение и применение композиционных материалов с металлической матрицей Ресурсосберегающие технологии получения композиционных материалов и биметаллических заготовок Аморфные сплавы и композиции Классификация видов износа

(Пока оценок нет)

Загрузка...