Сверхтвердые сплавы и керамические материалы
Применяемые для лезвийного инструмента синтетические сверхтвердые материалы (СТМ) являются плотными модификациями углерода и нитрида бора.
Алмаз и плотные модификации нитрида бора, имеющие тетраэдрическое распределение атомов в решетке, являются самыми твердыми структурами.
Синтетический алмаз и кубический нитрид бора получают методом каталитического синтеза и безкатализаторного синтезов плотных модификаций нитрида бора при статическом сжатии.
Применение алмаза и нитрида бора для изготовления лезвийного инструмента стало возможным после их получения в виде крупных поликристаллических образований.
В настоящее время существует большое разнообразие СТМ на основе плотных модификаций нитрида бора. Они различаются технологией их получения, структурой и основными физико-механическими свойствами.
Технология их получения основана на трех физико-химических процессах:
1) фазовом переходе графитоподобного нитрида бора в кубический:
BNGp ® BNCub
2) фазовом переходе вюрцитного нитрида бора в кубический:
BNVtc ® BNCub
3) спекании частиц BNCub.
Уникальные физические и химические свойства (высокая химическая устойчивость, твердость, износостойкость) этих материалов объясняются чисто ковалентным характером связи атомов в нитриде бора в сочетании с высокой локализацией валентных электронов у атомов.
Термостойкость инструментального материала является его важной характеристикой. Приводимый в литературе широкий интервал значений термической устойчивости BN (600–1450°С) объясняется как сложностью физико-химических процессов, происходящих при нагреве BN, так и неопределенностью в какой-то степени термина «термостойкость» применительно к СТМ.
При рассмотрении термостойкости поликристаллических СТМ на основе алмаза и плотных модификаций нитрида бора (они часто являются композиционными и количество связующего в них может достигать 40%) следует учитывать, что их термостойкость может определяться как термической устойчивостью BN и алмаза, так и изменением при нагреве свойств связующего и примесей.
В свою очередь, термическая устойчивость алмаза и BN на воздухе определяется как термической стабильностью фаз высокого давления, так и их химической стойкостью в данных условиях, в основном относительно окислительных процессов. Следовательно, термическая устойчивость связана с одновременным протеканием двух процессов: окислением алмаза и плотных модификаций нитрида бора кислородом воздуха и обратным фазовым переходом (графитизацией), поскольку они находятся в термодинамически неравновесном состоянии.
По технологии получения СТМ на основе алмаза можно разделить на две группы:
1) поликристаллы алмаза, получаемые в результате фазового перехода графита в алмаз;
2) поликристаллы алмаза, получаемые спеканием алмазных зерен.
Наиболее часто встречающийся размер зерен – примерно 2,2мкм, а зерен, размер которых превышает 6 мкм, практически нет.
Прочность керамики зависит от среднего размера зерна и, например, для оксидной керамики снижается от 3,80–4,20 ГПа до 2,55–3,00 ГПа при увеличении размеров зерен соответственно от 2–3 до 5,8–6,5 мкм.
У оксидно-карбидной керамики гранулометрический состав еще более тонкозернистый, и средний размер зерен Al2O3 в основном меньше 2 мкм, а размер зерен карбида титана составляет 1–3 мкм.
Существенным недостатком керамики является ее хрупкость – чувствительность к механическим и термическим ударным нагрузкам. Хрупкость керамики оценивается коэффициентом трещиностойкости – KС.
Коэффициент трещиностойкости KС, или критический коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, является характеристикой сопротивления разрушению материалов.
Высокие твердость, прочность и модуль упругости, сложность механической обработки и небольшие размеры образцов из СТМ ограничивают применение большинства используемых в настоящее время методов определения коэффициента трещиностойкости.
Для определения коэффициента трещиностойкости – KС СТМ используют метод диаметрального сжатия диска с трещиной и метод определения вязкости разрушения керамики по внедрению индентора.
Для устранения хрупкости керамики разработаны различные составы оксидно-карбидной керамики.
Включение в керамику на основе оксида алюминия моноклинной двуокиси циркония ZrO2 вызывает улучшение структуры и тем самым заметно повышает ее прочность.
Инструмент, оснащенный поликристаллическими алмазами (ПКА), предназначен для чистовой обработки цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов вместо твердосплавного инструмента.
Композит 01 и композит 02 – поликристаллы из кубического нитрида бора (КНБ) с минимальным количеством примесей – применяют для тонкого и чистового точения, преимущественно без удара, и торцового фрезерования закаленных сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов (Со > 15%) с глубиной резания 0,05–0,50 мм (максимально допустимая глубина резания 1,0 мм).
Композит 05 – поликристаллы, спеченные из зерен КНБ со связкой, – применяют для предварительного и окончательного точения без удара закаленных сталей (HRC < 60) и чугунов любой твердости с глубиной резания 0,05–3,00 мм, а также для торцового фрезерования заготовок из чугуна любой твердости, в т. ч. по корке, с глубиной резания 0,05–6,00 мм.
Композит 10 и двухслойные пластины из композита 10Д (композит 10 на подложке из твердого сплава) – поликристаллы на основе вюрцитоподобного нитрида бора (ВНБ) – применяют для предварительного и окончательного точения с ударом и без удара и торцового фрезерования сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов (Со > 15%) с глубиной резания 0,05–3,00 мм, прерывистого точения (наличие на обрабатываемой поверхности отверстий, пазов, инородных включений).
Таким образом, инструменты из СТМ на основе нитрида бора и алмаза имеют свои области применения и практически не конкурируют друг с другом.
Износ резцов из композитов 01, 02 и 10 – сложный процесс с преобладанием при непрерывном точении адгезионных явлений.
С увеличением контактных температур в зоне резания свыше 1000°С возрастает роль теплового и химического факторов – интенсифицируются:
– диффузия;
– химический распад нитрида бора;
– фазовый α-переход;
– абразивно-механическое изнашивание.
Поэтому при точении сталей со скоростями 160–190 м/мин износ резко возрастает, а при v > 220 м/мин становится катастрофическим почти независимо от твердости стали.
При прерывистом точении (с ударом) преобладает абразивно-механическое изнашивание с выкрашиванием и вырывом отдельных частиц (зерен) инструментального материала; роль механического удара возрастает при увеличении твердости матрицы обрабатываемого материала и объемного содержания карбидов, нитридов и т. п.
Наибольшее влияние на износ и стойкость резцов при непрерывном точении сталей оказывает скорость резания, при точении с ударом – скорость и подача, при точении чугунов – подача, причем обрабатываемость ковких чугунов ниже, чем серых и высокопрочных.
Порядок выполнения работы
1. Изучите марки и химический состав сталей и сплавов, классификацию сталей по способу изготовления и по назначению в зависимости от содержания хрома, никеля и меди, требования к макроструктуре и микроструктуре, нормирование прокаливаемости. Обратите внимание на порядок отбора образцов для проверки твердости, микроструктуры, глубины обезуглероженного слоя, качества поверхности, излома.
2. Исследуйте микроструктуру образцов стали У10. Оцените микроструктуру термически обработанной стали, проведя исследование под микроскопом МИ-1. Зафиксируйте микроструктуру в компьютере и распечатайте.
Содержание отчета
При составлении отчета необходимо дать краткое описание теоретических основ строения, свойств материалов для режущих инструментов из инструментальных углеродистых, быстрорежущих сталей, твердых, сверхтвердых сплавов и керамических материалов. Привести полученные при исследовании под микроскопом МИ-1 фотографии микроструктуры стали У10, в подрисуночной подписи укажите режим термообработки и структурные составляющие. Результаты измерений основных параметров нескольких включений рассматриваемой стали занести в табл. 3.19.
Таблица 3.19
| Клеймо образца | Режим термической обработки |
| У10–1 | Отжиг 750–770°С, охлаждение с печью (50°/ч.) до 500–600°С, далее – на воздухе. |
| У10–2 | Отжиг 900°С |
| У10–3 | Нормализация 900°С |
Контрольные вопросы
1. Классификация материалов для режущих инструментов.
2. Строение и свойства инструментальных углеродистых сталей.
3. Строение и свойства штамповых сталей.
4. Строение и свойства быстрорежущих сталей.
5. Строение и свойства твердых и сверхтвердых инструментальных сплавов.
6. Строение и свойства керамических инструментальных материалов.
7. Структура инструментальных углеродистых сталей.
8. Основные свойства, которыми должен обладать материал для режущих инструментов.
9. Износостойкость и теплостойкость режущих инструментов.
10. Чем определяется температура нагрева режущей кромки инструментов?
11. Химический состав и режимы термической обработки наиболее применяемых инструментальных сталей.
12. Прокаливаемость углеродистых сталей, балл прокаливаемости, распределение твердости.
13. Влияние содержания углерода на свойства углеродистых инструментальных сталей.
14. Чем определяется температура отпуска инструментов?
15. Горячая твердость и красностойкость быстрорежущей стали.
16. Обратимая и необратимая твердость быстрорежущих сталей.
17. Каким образом структурно создается красностойкость быстрорежущих сталей.
18. Как характеризуется красностойкость, ее обозначение.
19. Режимы термической обработки инструментов из быстрорежущей стали, обработка холодом, многократный отпуск.
20. Стали для горячих штампов, их жаропрочность,термостойкость,вязкость.
21. Рабочие температуры резания инструмента из твердых сплавов.
22. Твердость металлокерамических твердых сплавов, чем она определяется?
23. Стали, применяемые для лезвийного инструмента.
24. Чем объясняются уникальные физические и химические свойства (высокая химическая устойчивость, твердость, износостойкость) синтетических сверхтвердых материалов?
25. Существенный недостаток керамики.
26. Как оценивается хрупкость керамики?
Лабораторная работа № 4
Исследование зависимостей
состав – структура – свойства Для чугунов
Цель работы: изучение строения, состава и свойств передельных и машиностроительных чугунов; их классификация и применение.
Материалы и оборудование: коллекция нетравленых шлифов чугунов; металлографический комплекс, включающий оптический микроскоп МИ-1, цифровую камеру Nikon Colorpix-4300 с фотоадаптером; травитель (4%-ный раствор HNO3 в спирте).
Теоретическая часть
Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода и постоянные примеси – кремний, марганец, серу и фосфор.
Чугуны имеют более низкие механические свойства, чем стали, т. к. повышенное содержание углерода в них приводит либо к образованию твердой и хрупкой эвтектики, либо к появлению свободного углерода в виде графитных включений различной конфигурации, нарушающих сплошность металлической структуры. Поэтому чугуны применяются для изготовления деталей, не испытывающих значительных растягивающих и ударных нагрузок. Чугун находит широкое применение в машиностроении в качестве литейного материала. Однако наличие графита дает и ряд преимуществ чугунам перед сталью:
– они легче обрабатываются резанием (образуется ломкая стружка);
– обладают лучшими антифрикционными свойствами (графит обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения);
– обладают более высокой износоустойчивостью (низкий коэффициент трения);
– чугуны не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточкам, отверстиям, дефектам поверхности).
Чугуны обладают высокой жидкотекучестью, хорошо заполняют литейную форму, имеют малую усадку, поэтому они применяются для изготовления отливок. Детали, полученные из чугунных отливок, значительно дешевле, чем изготовленные обработкой резанием из горячекатанных стальных профилей или из поковок и штамповок.
Химический состав и в частности содержание углерода не характеризуют достаточно надежно свойства чугуна: структура чугуна и его основные свойства зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий охлаждения отливки и режима термической обработки.
Углерод в структуре чугуна может наблюдаться в виде графита и цементита.
В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод, чугуны подразделяются на две группы:
1) чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита или других карбидов;
2) чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в свободном состоянии в виде графита.
К первой группе относят белые чугуны, а ко второй – серые, ковкие и высокопрочные.
По назначению чугуны подразделяют:
1) на передельные;
2) машиностроительные.
Передельные в основном используются для получения стали и ковкого чугуна, а машиностроительные – для изготовления отливок деталей в различных отраслях промышленности: автотракторостроении, станкостроении, сельскохозяйственном машиностроении и т. д.
Белые чугуны
В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии (в виде цементита), т. е. кристаллизуются они, как и углеродистые стали, по метастабильной диаграмме Fe – Fe3C. Свое название они получили по специфическому матово-белому цвету излома, обусловленному наличием в структуре цементита.
Белые чугуны очень хрупки и тверды, плохо поддаются механической обработке режущим инструментом. Чисто белые чугуны в машиностроении используется редко, они обычно идут на передел в сталь или используются для получения ковкого чугуна.
Структура белых чугунов при нормальной температуре зависит от содержания углерода и соответствует диаграмме равновесного состояния «железо-цементит». Образуется такая структура в результате ускоренного охлаждения при литье.
В зависимости от содержания углерода белые чугуны делятся:
1) на доэвтектические, содержащие от 2 до 4,3% углерода; состоят из перлита, вторичного цементита и ледебурита;
2) эвтектические, содержащие 4,3% углерода, состоят из ледебурита;
3) эаэвтектические, содержащие от 4,3 до 6,67% углерода, состоят из перлита, первичного цементита и ледебурита.
а б в
Рис. 4.1. Микроструктура белых чугунов, × 200:
а – доэвтектический (ледебурит, перлит + вторичный цементит);
б – эвтектический (ледебурит);
в – заэвтектический (ледебурит + первичный цементит)
Перлит в белом чугуне наблюдается под микроскопом в виде темных зерен, а ледебурит – в виде отдельных участков колоний. Каждый такой участок представляет собой смесь мелких округленных или вытянутых темных зерен перлита, равномерно распределенных в белой цементитной основе (рис. 4.1, а). Вторичный цементит наблюдается в виде светлых зерен.
С увеличением концентрации углерода в доэвтектическом чугуне доля ледебурита в структуре увеличивается за счет уменьшения участков структуры, занимаемых перлитом и вторичным цементитом.
Эвтектический чугун состоит из одной структурной составляющей ‑ ледебурита, представляющего собой равномерную механическую смесь перлита с цементитом (рис. 4.1, б).
Структура заэвтектического чугуна состоит из первичного цементита и ледебурита (рис. 4.1, в). С увеличением углерода количество первичного цементита в структуре возрастает.