Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора

3. Абразивные материалы

 

       Большое  место  в  современном  производстве  деталей  машин  занимают процессы  шлифования,  при  которых   используются   различные   абразивные инструменты.  Режущими  элементами  этих  инструментов  служат  твердые   и теплоустойчивые зерна абразивного материала с острыми кромками.

       Абразивные  материалы подразделяются на  естественные и  искусственные. К естественным абразивным материалам относятся такие минералы,  как  кварц, наждак, корунд и др. Естественные абразивные материалы  отличаются  большой неоднородностью,  наличием  посторонних  примесей.  Поэтому   по   качеству абразивных   свойств   они   не   удовлетворяют    растущим    потребностям промышленности.

       В настоящее  время обработка  искусственными  абразивными  материалами занимает ведущее место в машиностроении.

       Наиболее  распространенными  искусственными  абразивными  материалами являются электрокорунды, карбиды кремния и бора.

       К искусственным  абразивным материалам относятся  также  полировально- доводочные порошки – оксиды хрома и железа.

       Особую  группу   искусственных   абразивных   материалов   составляют синтетические алмазы и кубический нитрид бора.

       Электрокорунд  получают  электрической  плавкой  материалов,  богатых оксидом  алюминия,  например,  из  боксита  или   глинозема   в   смеси   с восстановителем (антрацитом или коксом).

       Электрокорунд  выпускается  следующих   разновидностей:   нормальный, белый,  хромистый,  титанистый,  циркониевый,  монокорунд  и   сферокорунд. Электрокорунд нормальный содержит 92-95 % оксида алюминия и  подразделяется на  несколько  марок:  12А,  13А,  14А,  15А,  16А.  Зерна   электрокорунда нормального наряду с высокой твердостью и  .механической  прочностью  имеют значительную вязкость,  необходимую  при  выполнении  работ  с  переменными нагрузками  при  больших  давлениях.   Поэтому   электрокорунд   нормальный применяют  для  обработки  различных   материалов   повышенной   прочности:

 углеродистой  и  легированной  сталей,  ковкого  и  высокопрочного  чугуна, никелевых и алюминиевых  сплавов.

       Электрокорунд  белый марок  22А,  23А,  24А,  25А  отличается  высоким содержанием  оксида  алюминия  (98-99%).  По  сравнению  с  электрокорундом нормальным  он  является  более  твердым,   имеет   повышенную   абразивную способность и хрупкость. Электрокорунд белый  может  быть  использован  для обработки тех же материалов, что и электрокорунд нормальный.  Однако  из-за более высокой стоимости его применяют на более  ответственных  работах  для операций окончательного и профильного шлифования, резьбошлифования, заточки режущего инструмента.

       Электрокорунд  хромистый марок 32А, ЗЗА, 34А наряду  с оксидом алюминия А12О3 содержит до 2% оксида хрома Сr2О3. Добавка оксида  хрома  меняет  его микроструктуру   и   строение.   По   прочности   электрокорунд   хромистый приближается к электрокорунду нормальному,  а  по  режущим  свойствам  -  к электрокорунду белому. Рекомендуется применять электрокорунд хромистый  для круглого шлифования изделий из конструкционных и  углеродистых  сталей  при интенсивных режимах, где он обеспечивает повышение производительности на 20- 30 % по сравнению с электрокорундом белым.

       Электрокорунд  титанистый марки 37А наряду с  оксидом алюминия содержит оксид  титана ТiO2. Он  отличается  от  электрокорунда  нормального  большим постоянством свойств и повышенной вязкостью. Это позволяет использовать его в условиях  тяжелых  и  неравномерных  нагрузок.  Электрокорунд  титанистый применяется на операциях предварительного шлифования с  увеличенным  съемом металла.

       Электрокорунд  циркониевый  марки  ЗЗА  наряду  с  оксидом   алюминия содержит оксид  циркония.  Он  имеет  высокую  прочность  и  применяется  в основном для обдирочных работ с большими удельными давлениями резания.

       Монокорунд  марок 43А, 44А, 45А  получается  в  виде  зерна,  имеющего повышенную прочность, острые кромки и вершины с более выраженным  свойством самозатачивания  по  сравнению  с  электрокорундом.  Это  обеспечивает  ему повышенные  режущие  свойства.  Монокорунд  предпочтителен  для  шлифования труднообрабатываемых сталей и сплавов, для прецизионного шлифования сложных профилей и для сухого шлифования режущего инструмента,

       Сферокорунд  содержит более 99 % А1203 и получается  в виде полых сфер. В процессе шлифования  сферы  разрушаются  с  образованием  острых  кромок. Сферокорунд целесообразно применять при  обработке  таких  материалов,  как резина, пластмассы, цветные металлы.

       Карбид  кремния получается в результате  взаимодействия  кремнезема  и углерода в электрических печах, а затем дробления на зерна. Он  состоит  из карбида кремния и  незначительного  количества  примесей.  Карбид  кремния, обладает  большой  твердостью,  превосходящей   твердость   электрокорунда, высокой механической прочностью и режущей способностью.

       Карбид  кремния черный марок 53С, 54С,  55С  применяют  для  обработки твердых, хрупких  и  очень  вязких  материалов;  твердых  сплавов,  чугуна, стекла, цветных металлов, пластмасс. Карбид кремния зеленый марок 63С,  64С используют для заточки твердосплавного инструмента, шлифования керамики.

       Карбид   бора    В4С    обладает    высокой    твердостью,    высокой износоустойчивостью и абразивной способностью. Вместе  с  тем  карбид  бора очень хрупок, что и определяет  его  применение  в  промышленности  в  виде порошков и паст для доводки твердосплавных режущих инструментов.

       Абразивные  материалы характеризуются такими  основными свойствами, как форма абразивных зерен,  зернистость,  твердость,  механическая  прочность, абразивная способность зерен.

       Твердость  абразивных материалов характеризуется  сопротивлением  зерен поверхностному  измельчению,  местному  воздействию  приложенных  сил.  Она должна быть выше твердости обрабатываемого материала. Твердость  абразивных материалов определяют методом царапания острия одного тела  по  поверхности другого или методом вдавливания алмазной пирамиды  под  малой  нагрузкой  в абразивное зерно.

       Механическая  прочность характеризуется дробимостью  зерен под влиянием внешних усилий.

       Оценку  прочности производят раздавливанием  навески абразивных зерен в стальной форме под прессом с помощью определенной статической нагрузки.

       При  обдирочных режимах с большим  съемом  металла  требуются  прочные  абразивы,  а  при  чистовом  шлифовании  и  обработке  труднообрабатываемых материалов предпочтительны абразивы с большей хрупкостью и  способностью  к самозатачиванию.

 

 

 

 

 

4. Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора

 

Алмаз как инструментальный материал получил в последние годы  широкое применение в машиностроении.

             В  настоящее  время  выпускается  большое  количество  разнообразного инструмента с использованием алмазов: шлифовальные круги,  инструменты  для правки шлифовальных кругов из электрокорунда и  карбида  кремния,  пасты  и порошки для доводочных и притирочных  операций.  Значительные  по  размерам кристаллы алмазов применяют для изготовления алмазных резцов, фрез, сверл и других режущих инструментов. Область  применения  алмазного  инструмента  с каждым годом вес более расширяется.

             Алмаз   представляет   собой    одну    из    модификаций    углерода кристаллического строения. Алмаз  –  самый  твердый  из  всех  известных  в природе минералов. Высокая твердость алмаза  объясняется  своеобразием  его кристаллического   строения,   прочностью   связей   атомов   углерода    в кристаллической решетке, расположенных на равных и очень малых  расстояниях друг от друга.

           Коэффициент теплопроводности алмаза в два и более раза  выше,  чем  у сплава ВК8, поэтому тепло от зоны резания отводится сравнительно быстро.

            Возросшие потребности в алмазном инструменте не могут быть  полностью удовлетворены  за  счет  природных  алмазов.  В  настоящее  время   освоено промышленное производство синтетических  алмазов  из  графита  при  больших давлениях и высоких температурах.

           Синтетические алмазы могут быть различных марок,  которые  отличаются между собой прочностью, хрупкостью, удельной поверхностью и формой зерен. В порядке возрастания прочности, снижения хрупкости  и  удельной  поверхности марки шлифовальных порошков из  синтетических  алмазов  располагаются  так:АС2, АС4, АС6, АС15, АС32.

           К   числу   новых   видов   инструментальных   материалов   относятся сверхтвердые поликристаллы на основе алмаза  и  кубического  нитрида  бора.

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.

Диаметр заготовок из сверхтвердых поликристаллов находится  в  пределах  4-8мм, а высота –  3-4мм.  Такие  размеры  заготовок,  а  также  совокупность физических,  механических  свойств   позволяют   с   успехом   использовать рассматриваемые материалы в качестве  материала  для  изготовления  режущей части таких инструментов, как резцы, торцевые фрезы и др.

       Сверхтвердые  поликристаллы на основе алмаза  особенно  эффективны  при резании  таких материалов, как стеклопластики, цветные металлы и их  сплавы, титановые сплавы.

       Значительное  распространение рассматриваемых  композитов  объясняется рядом  присущих  им  уникальных  свойств  –  твердостью,  приближающейся  к твердости  алмаза,  высокой  теплопроводностью,  химической  инертностью  к железу. Однако они обладают повышенной хрупкостью, что  делает  невозможным их  применение  в  условиях  ударных  нагрузок.  Более  устойчивы  к  удару инструменты из  композитов  09  и  10.  Они  оказываются  эффективными  при обработке с тяжелыми режимами и ударными  нагрузками  закаленных  сталей  и чугунов.  Применение  сверхтвердых   синтетических   материалов   оказывает

 существенное влияние  на  технологию  машиностроения,  открывая  перспективу замены во многих случаях шлифования точением и фрезерованием.

       Перспективным  видом инструментального материала  являются  двухслойные пластины круглой, квадратной, трехгранной или  шестигранной  форм.  Верхний  слой пластин состоит из поликристаллического алмаза, а нижний  из  твердого сплава либо металлической подложки. Поэтому пластины  можно  применять  для инструментов с механическим креплением в державке.

       Сплав  силинит-Р на основе нитрида  кремния с добавками окиси  алюминия и титана  занимает  промежуточное  положение  между  твердыми  сплавами  на карбидной основе и сверхтвердыми материалами на  основе  алмаза  и  нитрида бора. Как показали исследования, он может применяться при чистовом  точении сталей, чугуна,  сплавов  алюминия  и  титана.  Преимущество  этого  сплава заключается и в том, что нитрид кремния никогда не станет дефицитным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Развитие новой техники диктует требования к разработке новых материалов, в число которых входят сверхтвердые материалы. Традиционно их используют в металлообработке, инструментальном производстве, камне и стеклообработке, обработке строительных материалов, керамики, ферритов, полупроводниковых и др. материалов. В последние годы интенсивно ведутся работы по применению алмазов в электронике, лазерной технике, медицине и других областях науки и техники . В индустриально развитых странах мира получению  сверхтвердых материалов и изделий из них уделяется большое внимание. Российская Федерация за последние годы существенно продвинулась в части создания  отечественного алмазного производства. Большой вклад в решении этой проблемы вносит государственная научно-техническая программа "Алмазы", во многом благодаря поддержке которой свыше 25 % потребностей  республики в алмазной продукции сегодня удовлетворяется за счет собственного производства. 

Более полное решение проблемы импортозамещения требует дальнейшего  проведения работ по совершенствованию существующих и разработке новых материалов и технологий  получения сверхтвердых материалов и изделий на их основе,  расширения областей их применения. Сегодня работы в области сверхтвердых материалов  в России ведутся в широком спектре проблем, в том числе:  синтез порошков алмаза и кубического нитрида бора, выращивание крупных монокристаллов алмаза, выращивание монокристаллов драгоценных камней,  получение поликристаллов алмаза, кубического нитрида бора и композиций на их основе, в том числе с использованием нанопорошков, разработка новых композиционных алмазосодержащих материалов и технологий получения из них инструмента, разработка технологии и оборудования для нанесения алмазных пленок и покрытий, сертификация алмазной продукции, а также освоение мощностей по выпуску алмазной продукции.