Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора
Инструментальная промышленность выпускает синтетические сверхтвердые материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ).
Природный алмаз – самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента. Принципиальное отличие монокристаллического 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 качеству обработки деталей не столь высоки.
Потребность в сверхтвердых материалах привела к тому, что в 1953-1957 годах в Швеции (фирма ASEA) и США («Дженерал электрик») и в 1959 году в СССР (Институт физики высоких давлений) 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.
Теория синтеза алмаза впервые была предложена О.И.Лейпунским (1939г.), который на основе экспериментальных данных об обратном переходе алмаза в графит, сформулировал условие перехода графита в алмаз и рассчитал кривую равновесия графит – алмаз при высоких давлениях. Синтез алмаза из графита при высоких давлениях (более 4,0 ГПа) и температурах (свыше 1400К) осуществляется в присутствии металлических растворителей углерода (Ni, Fe, Co и др.).
Кубический нитрид бора (КНБ) сверхтвердый материал не имеющий природного аналога. Впервые кубический нитрид бора был синтезирован в 1956 году (фирмой «Дженерал Электрик») при высоких давлениях (свыше 4,0 ГПа) и высокой температуре (свыше 1473К) из гексагонального нитрида бора в присутствии щелочных и щелочноземельных металлов (свинец, сурьма, олово и др.). Кубический нитрид бора, выпускаемый фирмой «Дженерал Электрик» был назван Боразоном.
Синтетические монокристаллы алмаза и КНБ, полученные искусственным путем имеют очень малые размеры, поэтому для использования в качестве инструментального материала их соединяют (сращивают) в поликристаллы.
Поликристаллические композиционные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора появились на рубеже 60-70 годов. Характерной особенностью таких материалов является наличие жесткого каркаса из сросшихся зерен алмаза или КНБ. Спекание порошков алмаза и КНБ, как правило, осуществляется в области термодинамической стабильности алмаза и КНБ при давлении 5…9 ГПа и температурах 1500…2000К. Обычно спекание поликристаллических композиционных материалов осуществляют в присутствии активирующих процесс спекания добавок, для алмазных порошков – кобальт или кремний, а для порошков КНБ – алюминий (рис. 2.4). Составляющие каркас зерна это в сущности, монокристаллы алмаза, обладающие рядом уникальных физико-механических и теплофизических свойств. Насколько эти свойства реализуются в поликристалле, зависит от степени их взаимосвязи.
Технология производства двухслойных пластин, состоящих из верхнего рабочего слоя – сверхтвердого материала скрепленного с твердосплавной пластиной. Спеканием двухслойной пластины с алмазным рабочим слоем получают АТП, а с рабочим слоем из КНБ – КТП. Физико-механические свойства этих материалов приведены в табл. 2.14, 2.15
 |
Рисунок 2.4 – Структура алмазного композиционного поликристаллического материала
Управление процессом формирования структуры поликристалла открывает возможности создавать в зависимости от областей применения материалы с требуемым сочетанием твердости, теплопроводности, прочности, электросопротивления. Поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) по своим физико-механическим свойствам могут быть близкими к монокристаллам, а по некоторым и превосходят их. Так, большинство алмазных поликристаллов обладает изотропией (однородностью по различным направлениям) свойств, отличаются высокой износостойкостью и превосходят монокристаллы по трещиностойкости.
Классификация ПСТМ основана на способе их получения и особенностях структуры. Основные способы получения ПСТМ показаны в табл. 2.13.
Таблица 2.13 Способы получения ПСТМ
| Груп па | Способ получения | Пример |
| Переход графита в алмаз в присутствии растворителя | АСПК (ИФВД, Россия), АСБ (ИФВД, Россия) | |
| Переход графитоподобного нитрида бора в кубический (КНБ) в присутствии растворителя | Композит 01 (НПО «Ильич», Россия), композит 02 (ИФТТиП, Беларусь) | |
| Переход вюрцитного нитрида бора в кубический | Композит 10 (ИПМ, Украина) | |
| Спекание порошков алмаза с активирующими добавками Спекание порошков КНБ с активирующими добавками | АКТМ (ИСМ, Украина), СКМ, СВБН,карбонит. Киборит (ИСМ, Украина), ниборит | |
| Спекание двухслойных пластин на твердосплавной подложке с алмазным рабочим слоем | АТП (ИСМ, Украина) | |
| Спекание двухслойных пластин на твердосплавной подложке с рабочим слоем из КНБ | КТП (ИСМ, Украина) |
При переходе графита в алмаз в присутствии растворителя получают искусственные алмазы марок АСПК-карбонадо и АСБ-баллас, структура которых идентична структуре природных алмазов таких же названий. При переходе графитоподобного нитрида бора в кубический (КНБ) в присутствии растворителя получают Композит 01 (Эльбор-Р) и Композит 02 (Белбол), а при переходе вюрцитного нитрида бора в кубический Композит 10 (Гексанит-Р). Спеканием порошков алмаза получают марки АКТМ , СКМ, СВБН и карбонит, а спеканием порошков КНБ – киборит и ниборит. Получает развитие
Таблица 2.14 Физико-механические свойства материалов на основе ПКА
| Марка материала | Свойства ПКА | ||||||||
| Твердость по Кнуппу, ГПа | Плотность, г/см3 | Прочность, ГПа | Модуль Юнга, ГПа | Коэффициент трещиностойкости К1С, МПа×м10 | Теплопроводность, Вт/(м×К) | Термостойкость на воздухе, К | Коэффициент линейного расширения a, 1/К×10-4 | ||
| на сжатие | на изгиб | ||||||||
| АСБ | 50-90 | 3,5-3,9 | 0,4-0,6 | 0,78 | 800-850 | 290-300 | 873-993 | 0,9-1,2 | |
| АСПК | 80-100 | 3,5-4,0 | 0,4-0,8 | 0,5-1,0 | - | 1073-1173 | 0,9-1,2 | ||
| СКМ | 60-70 | - | 0,6-0,8 | - | 150-250 | 973-1073 | |||
| АТП | 3,74-3,77 | 0,3-0,4 | 0,80-0,85 | 10-13 | - | 950-1000 | |||
| АКТМ | 3,46 | 0,49 | - | ||||||
| СВБН | 70-100 | 3,30-3,45 | 8,0-10,0 | - | - | 1073-1223 | |||
| Продолжение таблицы 2.14 | |||||||||
| Карбонит | 40-45 | 3,2-3,4 | 4,5-6,0 | - | - | ||||
| Алмет | 94-96 HRA | - | 5,0-10,0 | - | 500-600 | - | |||
| СВ | 65-100 | - | 5,0-10,0 | - | - | 1573-1673 |
Таблица 2.15 Физико-механические свойства материалов на основе КНБ
| Марка КНБ | Свойства ПКА | |||||||||
| Твердость по Кнуппу, ГПа | Плотность, г/см3 | Прочность, ГПа | Коэффициент трещиностойкости К1С, МПа×м10 | Модуль Юнга, ГПа | Теплопроводность, Вт/(м×К) | Термостойкость на воздухе, К | Размер зерен, мкм | |||
| на сжатие | на растяжение | на изгиб | ||||||||
| Композит 01 | 32-38 | 3,31-3,45 | 2,25-3,15 | 0,43-0,49 | 0,70-0,98 | 3,7-4,2 | 680-720 | 60-80 | 1343-1473 | 5,20 |
| Продолжение таблицы 2.15 | ||||||||||
| Композит 02 | 3,42-3,50 | 4,00-6,50 | - | 0,68-0,70 | 10,8 | 1273-1423 | 0,2-5 | |||
| Композит 10 | 30-38 | 3,34-3,50 | 2,00-4,00 | 0,26-0,39 | 1,20-1,50 | 7,1 | 650-780 | 30-60 | 1273-1373 | 0,1-0,3 |
| Киборит | 32-36 | 3,20-3,34 | 2,60-3,20 | 0,32-0,37 | 0,55-0,65 | 13,5 | 850-910 | 3-14 | ||
| КТП | 25-33 | - | - | - | 14,5-16,1 | - | - | - |
За рубежом на основе технологии спекания алмазных зерен выпускают поликристаллические материалы Syndite 025, Megadiamond, Sumidia, Compax и др., а на основе спекания зерен КНБ Amborite, BZN, Sumiboron, Wurzin и др. размеры пластин СПТМ могут достигать 30-40 мм в диаметре, что открывает возможность получения инструмента с режущими кромками большой длины.