Значительным резервом повышения производительности обработки резанием является применение инструмента, оснащенного пластинами из СТМ на основе поликристаллических алмазов, кубического и гексагонального нитрида бора.
СТМ принято называть материалы, имеющие твердость по Виккерсу при 20°С свыше 35 гПа. Субмикромелкая зернистость СТМ (некоторых типов) позволяет обеспечить при заточке инструмента радиус скругления кромок 0,3-3 мкм, а благодаря исключительно высоким «горячей твердости» (измеряется на образцах, нагретых до соответствующей температуры в вакууме) и износостойкости инструмент из СТМ может быть использован на высоких и сверхвысоких скоростях резания. Например, инструмент из СТМ при резании на скоростях 900-1200 м/мин позволяет получить параметры шероховатости обработанной поверхности Ra<0,8-0,1 мкм. Это значительно меньшая шероховатость, чем шероховатость, полученная при шлифовании, и соизмерима с шероховатостью после притирки, суперфиниширования или алмазного выглаживания.
В настоящее время выпускают большое число марок СТМ на основе плотных модификаций нитрида бора и алмаза (табл.2.5).
Таблица 2.5
Характеристики физико-механических свойств сверхтвердых материалов на основе нитрида бора и алмаза (20°С)
| СТМ | r, г/см 3 | d сж, гПа | d и, гПа | HV, гПа | Е , гПа | К 1С, мПа/м 2 |
| Композит 01* (эльбор-РМ) | 3,4 | 2,7 | - | 4,2 | ||
| Композит 02* (бельбор) | 6,5 | - | - | - | - | - |
| Композит 05* | 4,3 | 2,2 | 0,47 | 18,8 | 6,7 | |
| Композит 09* (ПТНБ) | - | 3,4-4,9 | 1,0 | - | - | - |
| Композит 10* (гексанит) | 3,4 | 2,6 | 1,0-1,2 | - | 3,8 | |
| Боразон* | 3,48 | - | - | - | - | |
| Амборит* | - | - | 0,57 | 40,5 | - | |
| АСБ** | 3,5-3,9 | 0,21-0,4 | 0,5-1,0 | 50-114 | - | - |
| АСПК** | 3,5-4,0 | - | 0,5-1,0 | 92-150 | - | - |
| СВБН** | 3,34-3,46 | 8-10 | - | 70-100 | - | - |
Окончание табл. 2.5
| Карбонит** | 3,2-3,4 | 4,42-5,88 | - | 39-44 | - | - |
| Компакс** | - | - | - | - | - | |
| Мегадаймонд** | 3,1-3,48 | - | - | - | - | - |
* СTM на основе нитрида бора
**СТМ на основе алмаза
Свойства кубического нитрида бора (КНБ) обусловлены чисто кова-лентным характером связи атомов с высокой локализацией валентных электронов у атомов. Для КНБ характерна высокая химическая устойчивость, твердость, термостабильность при температуре 1450°С. Это делает возможным применение сверхвысоких скоростей резания (до 1200 м/мин) для инструмента из КНБ. Однако сравнительно низкая прочность (s и »0,47-0,7 гПа) и повышенная хрупкость КНБ позволяют использовать инструмент только для чистовой обработки заготовок из хрупких, твердых материалов при ограниченном сечении срезаемого материала и повышенной жесткости технологической системы. Применение инструмента из КНБ для обработки высокопрочных чугунов, закаленных сталей (HRCэ > 40) и некоторых сплавов позволяет в 10-20 раз превысить скорость резания этих материалов твердосплавным инструментом.
Лезвийный инструмент, оснащенный природными монокристаллами и синтетическими поликристаллами алмазов, а также кубическим нитридом бора, обеспечивает высококачественную обработку деталей из цветных металлов и сплавов, закаленных сталей и чугуна, неметаллических материалов, твердого сплава и минералокерамики в условиях серийного, массового и автоматизированного производства. Этот инструмент обладает высокой стойкостью, позволяет получать изделия высокой точности без переналадки в течение длительного времени, что определяет эффективность его применения на автоматических линиях и станках с ЧПУ. В ряде случаев применение подобного инструмента позволяет заменять операции шлифования лезвийной обработкой.
Применяемые для изготовления режущих инструментов природные алмазы (А) относятся к группе ограненных, т.е. алмазов, которым придается требуемая геометрическая форма и размеры. Алмаз и графит по химическому составу представляют собой чистый углерод и являются лишь его разными модификациями, отличающимися расположением атомов в структурной решетке. Графит имеет гексагональную (шестигранную) структурную решетку с расстоянием между слоями 3,35 А. Атомы углерода расположены в слое по вершинам правильных шестиугольников. Расстояние между атомами в слое равно 1,42 А; центры шестиугольников остаются пустыми. Взаимная ориентация слоев такова, что три вершины шестиугольника одного слоя расположены над центрами шестиугольников следующего слоя. В результате такого строения графита связи между атомами углерода в слое очень прочные, а между слоями, в виду большого расстояния между ними, очень слабые, что приводит к легкому расслоению графита в этом направлении.
Алмаз имеет кубическую кристаллическую решетку, содержащую 18 атомов углерода, из которых 8 расположены в вершинах куба, 6 - в центрах граней куба и 4 - в центрах 4-х из 8 кубов, образованных делением элементарной кубической ячейки тремя взаимно перпендикулярными плоскостями. Постоянная кристаллической решетки алмаза равна 3,57 А, а кратчайшее расстояние между атомами составляет 1,54 А. Каждый атом углерода в решетке алмаза связан общими электронами с четырьмя эквивалентными атомами. Атомы углерода в алмазе обладают чрезвычайно прочными ковалентными связями, которые и обуславливают ее исключительно высокую твердость и другие особенности.
Алмаз анизотропен по твердости, что обусловлено неодинаковым расстоянием между атомами в различных направлениях и неодинаковым количеством атомов, содержащихся в различных плоскостях. Свойство анизотропности алмаза по твердости учитывают при изготовлении однокристального алмазного инструмента.
Условно различают «твердые» и «мягкие» направления в кристаллах алмаза. По мягким направлениям алмаз обрабатывается легче, но больше изнашивается, чем по твердым. При изготовлении инструментов алмаз необходимо обрабатывать в «мягком» направлении, а в процессе работы ориентировать кристалл так, чтобы износ происходил в «твердом» направлении. Направления в кристаллах определяют по их внешней форме и на специальных установках с помощью рентгеновских лучей или звуковых колебаний. Лабораторными испытаниями установлено, что точность ориентации главной режущей кромки инструмента, относительно кристаллографических осей оказывает более существенное влияние на стойкость алмазного инструмента, чем другие параметры процесса резания, включая и элементы режима резания. Производительность шлифования монокристалла алмаза, в «твердом» и «мягком» направлениях может отличаться почти в 100 раз.
Алмаз обладает самой высокой твердостью из всех известных в природе минералов; по шкале Моса алмаз занимает наивысшее, десятое место. Микротвердость алмаза по Виккерсу (измеряется алмазной пирамидкой с углом между противоположными гранями 136°) равна примерно 100 гПа. Наряду с высокой твердостью алмаз облает высокой износостойкостью и абразивной способностью.
Алмаз обладает исключительно высокой теплопроводностью. Коэффициент линейного расширения алмаза во много раз меньше коэффициента линейного расширения твердых сплавов. Поэтому инструменты с кристаллами алмаза обладают малыми температурными деформациями. Модуль упругости алмаза превышает модуль упругости всех известных в природе твердых веществ.
Одним из важных свойств алмаза является низкий коэффициент трения. Недостатком алмаза как инструментального материала является его сравнительно низкая теплостойкость. На воздухе алмаз сгорает при температуре 850-1000°С.
Ограниченные запасы природных алмазов, а также их высокая стоимость вызвали необходимость разработки технологий искусственных алмазов. Условия получения искусственных алмазов заключаются в воздействии на алмазообразующий материал, содержащий углерод (графит, сажа, древесный уголь), давлением 60 тыс. атмосфер при температуре 2000-3000°С, что обеспечивает подвижность атомов углерода и возможность перестройки структуры графита в структуру алмаза. Синтез осуществляется в высокопрочных сосудах - автоклавах в присутствии химических катализаторов (железо, никель, хром и др.). При получении алмазов без катализаторов требуется давление 215 тыс. атмосфер и температура свыше 3770°С.
Для обработки закаленных сталей и высокопрочных чугунов эффективен кубический нитрид бора (КНБ).
Существует три варианта техпроцессов получения СТМ:
Синтез из гексагонального нитрида, бора;
Синтез из вюртцитоподобного нитрида бора;
Спекание из порошков кубического нитрида бора с легирующими добавками.
По первому варианту технологического процесса изготовляются Композит 01(Эльбор-Р)* и Композит 02 (Бельбор). Синтез Композита 01 происходит с катализатором, а Композита 02 - без катализатора. Конечный продукт в обоих случаях - кубический нитрид бора.
По второму варианту техпроцесса получают Композит 10 (Гексанит-Р) и Композит 09 (ПТНБ). Композит 10 получают путем синтеза и спекания. Исходный материал - вюрцитоподобный нитрид бора, конечный - смесь вюрцитоподобного и кубического нитрида бора. Композит 09 является результатом синтеза из смеси вюрцитоподобного и кубического нитрида бора, конечный продукт - кубический нитрид бора.
По третьему варианту технологического процесса изготовляется Композит 05 (спекание из порошков КНБ и Аl 2 О 3) и его модификация - композит 05 И.
Поликристаллы всех этих марок отличаются размерами и физико-механическими свойствами.
Композиты 01 и 02 имеют максимальную микротвердость (»75 гПа), но небольшую прочность (s и »0,4-0,5 гПа); диаметр и высота заготовок в этом случае около 4 мм, масса 0,8 карат. Наличие вюрцита в исходном и конечном материалах повышает прочность, но снижает твердость получаемого поликристалла
Композит 10 имеет микротвердость 40-50 гПа, но прочность его выше, чем у Композитов 01 и 02 (s и »0,7-1 гПа). Диаметр поликристаллов Композита 10 равен 4-6 мм, высота 4-5 мм, масса »1,5 карата.
Кубический нитрид бора превосходит по твердости все материалы, кроме алмаза; меньшая твердость объясняется в основном тем, что параметры решетки кубического нитрида бора несколько больше, чем у решетки алмаза. Теплостойкость КНБ выше теплостойкости алмаза; КНБ не теряет своих режущих свойств до температуры »1200°С. Именно эти уникальные свойства, наряду с химической инертностью к железосодержащим сплавам и высокой износостойкостью, предопределили возможность применения КНБ при обработке закаленных и высокопрочных сталей, а также чугунов с высокими скоростями резания.
Алмазы характеризуются высокой твердостью, хорошей теплопроводностью (А,=137,9... 146.3 Вт/(м К)). Теплостойкость алмазов недостаточно высокая; алмазы начинают графитизироваться при температурах 800...900 °С. Кубический нитрид бора КНБ имеет более низкую твердость по сравнению с алмазом, примерно в три раза меньшую теплопроводность (λ = 41,86 Вт/(м К)). У КНБ значительно более высокая теплостойкость. Преобразование структуры кубического нитрида бора в графитоподобную гексагональную модификацию начинается при температурах 1200...1400°С и резко возрастает при нагреве до
1600...1800°С.
Композиционные материалы (поликристаллы) получают различными способами. Так, алмазные поликристаллы типа баллас (АСБ) и карбонадо (АСПК) получают пропиткой пористых прессовок, сформированных из алмазных порошков с металлическими покрытиями. По аналогичной технологии получают материалы эльбор-Р из кубического нитрида бора. Для изготовления лезвийного режущего инструмента, например резцов, разработаны композиционные материалы типа ПТНБ из смесей кубического и вюрцитного нитрида бора.
Синтетические алмазы получают из углеграфитовых материалов в специальных камерах высокого давления, изготовленных из высокопрочных материалов. Высокая температура достигается пропусканием электрического тока через нагревательное устройство.
Заштрихованная область 1 соответствует реальным условиям превращения графита в алмаз в присутствии катализаторных добавок. Полоса со штриховкой 2 показывает границу прямого фазового перехода графита в алмаз.
В статических условиях с применением катализаторов возможно получение кубйче- ской решетки алмаза из слоистой кристаллической решетки графита в условиях высоких давлений и температур (р=5000...7000 МПа, Т- не ниже 1400... 1500 К). Катализаторами являются металлы, которые в процессе синтеза находятся в жидком состоянии и способны растворять углерод в виде частиц со слоистой графитовой структурой. Из этих частиц образуются зародыши новой алмазной фазы.
Рис. 16. Фазовая диаграмма
Углерода «давление–температура»
В промышленности выпускаются разнообразные порошки синтетических и природных алмазов, используемых в различных областях техники.
Алмазные порошки классифицируются в зависимости от метода получения и размера зерен на следующие группы:
1. Алмазные шлифпорошки с размером зерен от 40...50 мкм до 630...800 мкм.Шлифпорошки из синтетических алмазов выпускаются следующих основных марок: АС2, АС4, АС6, АС 15, АС20, АС32, АС50. Чем выше число, стоящее после индексов АС, тем больше прочность зерен алмазов.
2. Алмазные шлифпорошки с покрытиями поверхности зерен.
Применение покрытий зерен алмазов повышает стойкость инструментови снижает расход алмазов. В качестве стандартных используются следующие виды покрытий зерен:
Покрытие типа К пленкой карбида металла;
Покрытие типа КМ пленками сплавов, содержащих кремний;
Покрытие типа НТ, являющееся карбидо-металлическим;
Покрытие типа А, при котором совокупность агрегатов из нескольких алмазных зерен имеет карбидо-металлическую пленку;
Покрытие типа АН - модификация покрытия А, отличающаяся введением в агрегаты из алмазных зерен дополнительно наполнителя (карбид бора, карбид титана, электрокорунд и др.).
3. Алмазные микропорошки с размером зерен от < 1,0 мкм до 40.. .60 мкм.
Они выпускаются двух разновидностей:
650.. Алмазные микропорошки марок AM из природных алмазов и марок АСМ из синтетических алмазов;
651.. Алмазные микропорошки марок АН из природных алмазов и марок АСН из синтетических алмазов. Они имеют более высокую абразивную способность (на 25...30 %) по сравнению с микропорошками AM и АСМ.
Микропорошки AM и АСМ используют при доводочных работах изделий из закаленных сталей, стекла, керамики и др. Для обработки изделий из более твердых материалов (корунда, керамики, природных алмазов и других труднообрабатываемых материалов) рекомендуются микропорошки АН и АСН.
Микропорошки применяются для изготовления абразивных инструментов, а также использования в свободном незакрепленном состоянии в пастах и суспензиях.
Промышленность выпускает микропорошки зернистостью 60/40, 40/28, 28/20, 20/14, 14/10, 10/7 и др. до 1/0 мкм. В обозначении марок числитель показывает максимальный, а знаменатель минимальный размеры основной фракции порошка в микрометрах.
1.2 Контрольные вопросы:
- Какое строение макромолекул имеют полимеры?
- Как изменяется строение олигомеров (смол) в процессе отверждения?
- Какие межмолекулярные взаимодействия имеют место между макромолекулами?
- Какую надмолекулярную структуру имеют каучуки в высокоэластичном физическом состоянии?
- Что понимается под цис-конфигурацией макромолекул каучуков?
- Какое строение имеют графитовые материалы?
- Какое строение имеют силикатные стекла?
- Какие окиси промышленных стекол являются стеклообразующими?
- Какие физические состояния имеет неорганическое стекло при разных температурах?
- В каком физическом состоянии проводится формование изделий из силикатных стекол?
- Какое строение имеют стеклокристаллические материалы?
- Какие катализаторы применяются при получении стеклокристаллических материалов?
- С какой целью применяется двухступенчатая тепловая обработка стекла при изготовлении стеклокристаллических материалов?
- Какие химические соединения применяются в качестве абразивных материалов?
- Какие требования предъявляются к абразивным материалам?
- Из каких двух составляющих состоят абразивные инструменты?
- Что понимается под структурой абразивного инструмента?
- Какие материалы относятся к классу сверхтвердых материалов?
- На какие разновидности подразделяются сверхтвердые материалы?
- Какие свойства имеют алмазы и кубический нитрид бора?
- Что представляют собой композиционные материалы?
2 Практическое занятие № 2 «Определение параметров шлифования неметаллических материалов» (МЕ-3 Обработка шлифованием неметаллических материалов)
Задания к практическому занятию
На практическом занятии студент представляет презентацию (сообщение), подготовленную в рамках самостоятельной и исследовательской работы. Презентация должна содержать: технологические возможности данного вида обработки, ограничения, оборудование, приспособление и режущий инструмент, критерии выбора СОТС, возможные пути автоматизации.
Краткие сведения из теории
Общее понятие о шлифовании
В примитивных случаях применяют твёрдый зернистый песок или более твёрдый наждак, насыпают его на твёрдую поверхность и трут об неё обрабатываемый предмет. Угловатые зерна, катаясь между обеими поверхностями, производят большое число ударов, от которых разрушаются понемногу выдающиеся места этих поверхностей, и округляются и распадаются на части сами шлифующие зерна. Если же одна из поверхностей мягкая, зерна в неё вдавливаются, остаются неподвижными, и производят на второй поверхности ряд параллельных царапин; в первом случае получается матовая поверхность, покрытая равномерными ямками, а во втором - так называемый «штрих», сообщающий поверхности блеск, переходящий в полировку, когда штрих так мелок, что становится незаметным для глаза. Так, при шлифовке двух медных пластинок одной об другую с наждаком, обе получаются матовыми, а тот же наждак, будучи наклеен на поверхность бумаги, сообщит при трении об латунную поверхность блеск.
Хрупкое, твёрдое стекло стирается больше мягкой и упругой металлической пластинки, а порошок алмаза может стирать поверхность самого алмаза и куски кварца можно обрабатывать на точиле из песчаника. Ямки, производимые зёрнами наждака, тем мельче, чем мельче сами эти зерна; поэтому шлифованием можно получать наиболее точно обработанные поверхности, как это делают при шлифовании оптических стекол.
Виды шлифования
Плоское шлифование - обработка плоскостей и сопряжённых плоских поверхностей;
Ленточное шлифование - обработка плоскостей и сопряжённых плоских поверхностей «бесконечными» (сомкнутыми в кольцо) лентами;
Круглое шлифование - обработка цилиндрических и конических поверхностей валов и отверстий.
Круглое шлифование подразделяется на внутреннее (расточка) и наружное. Внутреннее же в свою очередь делится на обычное и планетарное (обычное - отношение диаметра отверстия детали к диаметру образива D=0,9d, планетарное - D=(0,1…0,3)d);
Бесцентровое шлифование - обработка в крупносерийном производстве наружных поверхностей (валы, обоймы подшипников и др);
Резьбошлифование;
Зубошлифование, шлицешлифование.
К инструментальным сверхтвердым материалам относятся алмазы и материалы на основе кубического нитрида бора. Различают природные (А) и синтетические (АС) алмазы. Алмаз является самым твердым материалом. Он обладает высокой износостойкостью, хорошей теплопроводностью, малыми коэффициентами линейного и объемного расширения, небольшим коэффициентом трения и малой адгезионной способностью к металлам, за исключением железа и стали. Однако прочность алмаза невелика. Твердость и прочность алмаза различные в разных направлениях. Обрабатывать алмаз легче в направлении, параллельном граням кристалла, так как в этом направлении атомы наиболее удалены друг от друга. Теплостойкость алмаза характеризуется тем, что при температуре около 800 °С в обычных условиях он начинает превращаться в графит. Вместе с тем алмаз обладает наиболее высокой абразивной способностью по сравнению с другими абразивными материалами. К недостаткам алмаза относится его способность интенсивно растворяться в железе и его сплавах при температуре 750...800 °С. Алмазный инструмент характеризуется высокой производительностью и стойкостью. Он наиболее эффективно применяется при об-
работке твердых сплавов, цветных металлов и их сплавов, титана и его сплавов, а также пластмасс. При этом обеспечивается высокая точность размеров и качество поверхности.
В порядке возрастания прочности, снижения хрупкости и удельной поверхности шлифовальные порошки из синтетических алмазов располагаются так: АС2 (АСО), АС4 (АСР), АС6 (АСВ), АС15 (АСК), АС32 (АСС). Зерна АС2 хорошо удерживаются в связке и рекомендуются для изготовления инструмента на органической связке. Зерна АС4 предназначены в основном для изготовления различного инструмента на металлической и керамической связках, АС6 - инструмента на металлических связках, работающего при повышенных удельных давлениях, АС 12 - для обработки камня и других твердых материалов, АС32 - для правки абразивных кругов, обработки корунда, рубина и других особо твердых материалов.
Из природных алмазов используют микропорошки марок AM и АН, а из синтетических - ACM и АСН. Микропорошки AM и ACM нормальной абразивной способности предназначены для изготовления абразивного инструмента, которым обрабатывают твердые сплавы и другие твердые и хрупкие материалы, а также детали из стали, чугуна, цветных металлов при необходимости получения высокой чистоты поверхности.
Микропорошки АН и АСН, имеющие повышенную абразивную способность, рекомендуются для обработки сверхтвердых, хрупких, труднообрабатываемых материалов. Зернистость порошков обозначается дробью, числитель которой соответствует наибольшему, а знаменатель - наименьшему размеру зерен основной фракции.
С целью повышения эффективности работы алмазного абразивного инструмента применяют алмазные зерна, покрытые тонкой металлической пленкой. В качестве покрытий используют металлы с хорошими адгезионными и капиллярными свойствами по отношению к алмазу - медь, никель, серебро, титан и их сплавы. Покрытие повышает сцепление зерен со связкой, способствует отводу тепла из зоны резания, обеспечивает возможность ориентации зерен в магнитном поле при изготовлении инструмента.
Кубический нитрид бора (элъбор , кубонит ) применяют для обработки заготовок из стали и чугуна. Особенно эффективно его
применение при окончательном и профильном шлифовании термообработанных заготовок из высоколегированных конструкционных жаропрочных и коррозионно-стойких сталей высокой твердости и заточке стального режущего инструмента. При этом расход абразивного инструмента снижается в 50-100 раз по сравнению с расходом электрокорунда.
В зависимости от показателя механической прочности эльбор подразделяют на марки: ЛО - обычной прочности, ЛП - повышенной механической прочности, Л КВ - высокопрочный. Эльбор обычной механической прочности применяют для изготовления инструмента на органической связке и шлифовальной шкурки, эльбор повышенной механической прочности - для изготовления инструмента на керамической и металлических связках, для обдирочного шлифования, глубинной заточки, обработки заготовок из труднообрабатываемых конструкционных сталей. Эльбор марки Л КВ используют для производства инструментов на металлической связке, предназначенных для работы в тяжелых условиях.
Кубонит выпускают двух марок: КО - обычной прочности, КР - повышенной прочности. Кроме того, из кубонита выпускают микропорошки двух марок: нормальной (КМ) и повышенной (КН) абразивной способности. Инструмент из кубонита имеет одинаковые с эльборовым инструментом эксплуатационные свойства. Его используют в тех же целях.
Инструментальными являются материалы, основное назначение которых - оснащение рабочей части инструментов. К ним относятся инструментальные углеродистые, легированные и быстрорежущие стали, твердые сплавы, минералокерамика, сверхтвердые материалы.
Основные свойства инструментальных материалов
| Инструментальный материал | Теплостойкость 0 С | Предел прочности при изгибе, МПа | Микротвер-дость, НV | Коэффициент тепло-проводности, Вт/(мЧК) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Углеродистая сталь
Легированная сталь Быстрорежущая сталь Твердый сплав Минералокерамика Кубический нитрид |
8.1. Инструментальные стали.По химическому составу, степени легированности инструментальные стали разделяются на инструментальные углеродистые, инструментальные легированные и быстрорежущие стали. Физико-механические свойства этих сталей при нормальной температуре достаточно близки, различаются они теплостойкостью и прокаливаемостью при закалке. В инструментальных легированных сталях массовое содержание легирующих элементов недостаточно, чтобы связать весь углерод в карбиды, поэтому теплостойкость сталей этой группы лишь на 50-100 0 С превышает теплостойкость инструментальных углеродистых сталей. В быстрорежущих сталях стремятся связать весь углерод в карбиды легирующих элементов, исключив при этом возможность образования карбидов железа. За счет этого разупрочнение быстрорежущих сталей происходит при более высоких температурах. Инструментальные углеродистые (ГОСТ 1435-74) и легированные (ГОСТ 5950-73) стали. Основные физико-механические свойства инструментальных углеродистых и легированных сталей приведены в таблицах. Инструментальные углеродистые стали обозначаются буквой У, за которой следует цифра, характеризующая массовое содержание углерода в стали в десятых долях процента. Так, в стали марки У10 массовое содержание углерода составляет один процент. Буква А в обозначении соответствует высококачественным сталям с пониженным массовым содержанием примесей. Химический состав углеродистых инструментальных сталей
В инструментальных легированных сталях первая цифра, характеризует массовое содержание углерода в десятых долях процента (если цифра отсутствует, то содержание углерода в ней до одного процента). Буквы в обозначении указывают на содержание соответствующих легирующих элементов: Г - марганец, Х - хром, С - кремний, В - вольфрам, Ф - ванадий, а цифры обозначают содержание элемента в процентах. Инструментальные легированные стали глубокой прокаливаемости марок 9ХС, ХВСГ, Х, 11Х, ХВГ отличаются малыми деформациями при термической обработке. Химический состав малолегированных инструментальных сталей
Эти материалы имеют ограниченные области применения: углеродистые идут, в основном, для изготовления слесарных инструментов, а легированные - для резьбообразующих, деревообрабатывающих и длинномерных инструментов (ХВГ)- протяжек, разверток и т.д. 8.2. Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73)Химический состав и прочностные характеристики основных марок этих сталей приведены в таблицах. Быстрорежущие стали обозначаются буквами, соответствующими карбидообразующим и легирующим элементам: Р - вольфрам, М - молибден, Ф - ванадий, А - азот, К - кобальт, Т - титан, Ц - цирконий). За буквой следует цифра, обозначающая среднее массовое содержание элемента в процентах (содержание хрома около 4 процентов в обозначении марок не указывается). Цифра, стоящая в начале обозначения стали, указывает содержание углерода в десятых долях процента (например, сталь 11Р3АМ3Ф2 содержит около 1,1 % С; 3 % W; 3 % Мо и 2 % V). Режущие свойства быстрорежущих сталей определяются объемом основных карбидообразующих элементов: вольфрама, молибдена, ванадия и легирующих элементов- кобальта, азота. Ванадий в связи с малым массовым содержанием (до 3%) обычно не учитывается, и режущие свойства сталей определяются, как правило, вольфрамовым эквивалентом, равным (W+2Mo)%. В прейскурантах на быстрорежущие стали выделяют три группы сталей: стали 1-й группы с вольфрамовым эквивалентом до 16 % без кобальта, стали 2-й группы - до 18 % и содержанием кобальта около 5 %, 2ста 0ли 3-й группы - до 20 % и содержанием кобальта 5-10 %. Соответственно, различаются и режущие свойства этих групп сталей. Химический состав быстрорежущих сталей
Химический состав литых быстрорежущих сталей
Кроме стандартных, применяются и специальные быстрорежущие стали, содержащие, например, карбонитриды титана. Однако высокая твердость заготовок этих сталей, сложность механической обработки не способствующих широкому распространению. При обработке труднообрабатываемых материалов находят применение порошковые быстрорежущие стали Р6М5-П и Р6М5К5-П. Высокие режущие свойства этих сталей определяются особой мелкозернистой структурой, способствующей повышению прочности, уменьшению радиуса скругления режущей кромки, улучшенной обрабатываемости резанием и в особенности шлифованием. В настоящие время проходят промышленные испытания безвольфрамовые быстрорежущие стали с повышенным содержанием различных легирующих элементов, в том числе алюминия, малибдена, никеля и других Один из существенных недостатков быстрорежущих сталей связан с карбидной неоднородностью, т.е. с неравномерным распределением карбидов по сечению заготовки, что приводит, в свою очередь, к неравномерной твердости режущего лезвия инструмента и его износа. Этот недостаток отсутствует у порошковых и мартенситно-стареющих (с содержанием углерода менее 0,03%) быстрорежущих сталей.
8.3. Твердые сплавы (ГОСТ 3882-74)Твердые сплавы содержат смесь зерен карбидов, нитридов, карбонитридов тугоплавких металлов в связующих материалах. Стандартные марки твердых сплавов выполнены на основе карбидов вольфрама, титана,тантала. В качестве связки используется кобальт. Состав и основные свойства некоторых марок твердых сплавов для режущих инструментов приведены в таблице. Физико-механические свойства одно-, двух- и трехкарбидных твердых сплавов Состав физико-механические свойства безвольфрамовых твердых сплавов В зависимости от состава карбидной фазы и связки обозначение твердых сплавов включает буквы, характеризующие карбидообразующие элементы (В - вольфрам, Т - титан, вторая буква Т - тантал) и связку (буква К- кобальт). Массовая доля карбидообразующих элементов в однокарбидных сплавах, содержащих только карбид вольфрама, определяется разностью между 100% и массовой долей связки (цифра осле буквы К), например, сплав ВК4 содержит 4% кобальта и 96% WC. Вдвухкарбидных WC+TiC сплавах цифра после буквы карбидообразующего элемента определяется массовая доля карбидов этого элемента, следующая цифра - массовая доля связки, остальное - массовая доля карбида вольфрама (например, сплав Т5К10 содержит 5% TiC,10% Co и 85% WC). В трехкарбидных сплавах цифра после букв ТТ означает массовую долю карбидов титана и тантала. Цифра за буквой К - массовая доля связки, остальное- массовая доля карбида вольфрама (например, сплав ТТ8К6 содержит 6% кобальта, 8% карбидов титана и тантала и 86% карбида вольфрама). В металлообработке стандартом ISO выделены три группы применяемости твердосплавного режущего инструмента: группа Р - для обработки материалов, дающих сливную стружку; группа К - стружку надлома и группа М - для обработки различных материалов (универсальные твердые сплавы). Каждая область разделяется на группы и подгруппы. Твердые сплавы, в основном, выпускаются в виде различных по форме и точности изготовления пластин: напайных (наклеиваемых) - по ГОСТ 25393-82 или сменных многогранных - по ГОСТ 19043-80 - 19057-80 и другим стандартам. Многогранные пластины выпускаются как из стандартных марок твердых сплавов, так и из этих же сплавов с однослойными или многослойными сверхтвердыми покрытиями из TiC, TiN, оксида алюминия и других химических соединений. Пластины с покрытиями обладают повышенной стойкостью. К обозначению пластин из стандартных марок твердых сплавов с покрытием нитридов титана добавляют - маркировку букв КИБ (ТУ 2-035-806-80), а к обозначению сплавов по ISO - букву С. Выпускаются также пластины и из специальных сплавов (например, по ТУ 48-19-308-80). Сплавы этой группы (группы "МС") обладают более высокими режущими свойствами. Обозначение сплава состоит из букв МС и трехзначного (для пластин без покрытий)или четырехзначного (для пластин с покрытием карбидом титана) числа: 1-я цифра обозначения соответствует области применения сплава по классификации ISO (1 - обработка материалов, дающих сливную стружку; 3 - обработка материалов, дающих стружку надлома; 2 - область обработки, соответствующая области М по ISO); 2-я и 3-я цифры характеризуют подгруппу применяемости, а 4-я цифра - наличие покрытия. Например, МС111 (аналог стандартного Т15К6), МС1460 (аналог стандартного Т5К10) и т.д. Кроме готовых пластин выпускаются также заготовки в соответствии с ОСТ 48-93-81; обозначение заготовок то же, что и готовых пластин, но с добавлением буквы З. Безвольфрамовые твердые сплавы широко применяются как материалы, не содержащие дефицитных элементов. Безвольфрамовые сплавы поставляются в виде готовых пластин различной формы и размеров, степеней точности U и М, а также заготовок пластин. Области применения этих сплавов аналогичны областям использования двухкарбидных твердых сплавов при безударных нагрузках.
8.4. Минералокерамика (ГОСТ 26630-75) и сверхтвердые материалыМинералокерамические инструментальные материалы обладают высокой твердостью, тепло- и износостойкостью. Их основой являются глинозем (оксид кремния)- оксидная керамика или смесь оксида кремния с карбидами, нитридами и другими соединениями (керметы). Основные характеристики и области применения различных марок минералокерамики приведены в таблице. Формы и размеры сменных многогранных керамических пластин определены стандартом ГОСТ 25003-81*. Кроме традиционных марок оксидной керамики и керметов широко применяются оксидно-нитридная керамика (например, керамика марки "кортинит" (смесь корунда или оксида алюминия с нитридом титана) и нитридно-кремниевая керамика- "силинит-Р" . Физико-механические свойства инструментальной керамики
Синтетические сверхтвердые материалы изготавливаются либо на основе кубического нитрида бора - КНБ, либо на основе алмазов. Материалы группы КНБ обладают высокой твердостью, износостойкостью, низким коэффициентом трения и инертностью к железу. Основные характеристики и эффективные области использования приведены в таблице. Физико-механические свойства СТМ на основе КНБВ последнее время к этой группе относятся и материалы, содержащие композицию Si-Al-O-N (торговая марка "сиалон"), в основе которых нитрид кремния Si3N4. Синтетические материалы поставляются в виде заготовок или готовых сменных пластин. На основе синтетических алмазов известны такие марки, как АСБ - алмаз синтетический "баллас", АСПК - алмаз синтетический "карбонадо" и другие. Достоинства этих материалов - высокая химическая и коррозионная стойкость, минимальные радиусы закругления лезвий и коэффициент трения с обрабатываемым материалом. Однако, алмазы имеют существенные недостатки: низкая прочность на изгиб (210-480 МПа); химическая активность к некоторым жирам содержащимся в охлаждающей жидкости; растворение в железе при температурах 750-800 С, что практически исключает возможность их использования для обработки сталей и чугуна. В основном, поликристаллические искусственные алмазы применяются для обработки алюминия, меди и сплавов на их основе. Назначение СТМ на основе кубического нитрида бора
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Какие материалы считаются сверхтвердыми? Каков диапазон их применения? Существуют ли материалы тверже алмаза? Об этом рассказывает профессор, PhD in Crystallography Артем Оганов.
Сверхтвердыми материалами называются материалы, которые имеют твердость выше 40 гигапаскалей. Твердость - это свойство, которое традиционно измеряется путем царапания. Если один материал царапает другой, то считается, что у него выше твердость. Это относительная твердость, она не имеет жестких количественных характеристик. Строгие количественные характеристики твердости определяются путем теста надавливанием. Когда вы берете пирамидку, сделанную обычно из алмаза, прикладываете некоторое усилие и надавливаете пирамидкой на поверхность вашего тестируемого материала, измеряете силу надавливания, измеряете площадь отпечатка, применяется поправочный коэффициент, и эта величина будет твердостью вашего материала. Она имеет размерность давления, поскольку это сила, деленная на площадь, поэтому гигапаскали (ГПа).
40 ГПа - это твердость кубического поликристаллического нитрида бора. Это классический сверхтвердый материал, который достаточно широко применяется. Самым твердым материалом, известным человечеству до сих пор, является алмаз. Долгое время были попытки, которые не прекращаются и сейчас, открыть материал тверже алмаза. Пока что эти попытки к успеху не привели.
Зачем нужны сверхтвердые материалы? Число сверхтвердых материалов невелико, порядка десяти, может быть, пятнадцать материалов, известных на сегодня. Во-первых, сверхтвердые материалы могут использоваться при резке, полировании, шлифовании, бурении. При задачах, которые связаны со станкостроением, с ювелирным делом, с обработкой камня, разработкой месторождений, с бурением и так далее, - это все требует сверхтвердых материалов.
Алмаз является самым твердым материалом, но он не является самым оптимальным материалом. Дело в том, что алмаз, во-первых, хрупок, во-вторых, алмаз горит в кислородной атмосфере. Представьте себе бур, который разогревается до высокой температуры в кислородной атмосфере. Алмаз, будучи элементарным углеродом, сгорит. И, кроме того, алмазом нельзя резать сталь. Почему? Потому что углерод реагирует с железом, образуя карбид железа, то есть ваш алмаз просто растворится в стали при достаточно высокой температуре, и поэтому нужно искать какие-то другие материалы. Кроме того, алмаз, конечно, достаточно дорог, даже синтетический алмаз не является достаточно дешевым материалом.
Более того, сверхтвердые материалы еще могут пригодиться в бронежилетах и прочих защитных военных приспособлениях. В частности, широко используется такой материал, как карбид бора, который тоже является сверхтвердым и достаточно легким. Такой вот диапазон применения сверхтвердых материалов.
Известно, что сверхтвердые материалы образуются в веществах с сильной ковалентной связью. Ионная связь понижает твердость. Металлическая связь тоже понижает твердость. Связи должны быть сильными, направленными, то есть ковалентными, и по возможности короткими. Плотность вещества тоже по возможности должна быть высокой, плотность в смысле числа атомов на единицу объема. И по возможности симметрия вещества должна быть тоже очень высокой, чтобы вещество было одинаково сильным в этом направлении, и в этом, и в этом. Иначе будет такая же история, как в графите, где связи очень сильные, но лишь в двух направлениях, а в третьем направлении между слоями связи исключительно слабые, в результате вещество получается тоже мягким.
Много институтов, много лабораторий по всему миру занимаются синтезом и разработкой сверхтвердых материалов. В частности, это Институт физики высоких давлений в Подмосковье, Институт сверхтвердых и новых углеродных материалов в Подмосковье, Институт сверхтвердых материалов в Киеве и ряд лабораторий на Западе. Активные разработки в этой области начались, я думаю, с 50-х годов, когда в Швеции и Америке впервые был получен искусственный алмаз. Поначалу эти разработки были секретные, но достаточно скоро в Советском Союзе тоже был налажен синтез искусственных алмазов, как раз благодаря работам исследователей из Института физики высоких давлений и Института сверхтвердых материалов.
Были разного рода попытки создания материалов тверже алмаза. Первая попытка была на основе фуллеренов. - это молекулы, похожие на футбольный мяч, полые молекулы, круглые или несколько удлиненные. Связи между этими молекулами очень слабые. То есть это молекулярный кристалл, состоящий из здоровых молекул. Но между молекулами связи слабые, вандерваальсовы. Если такого рода кристалл сдавить, то между молекулами, между этими шарами начнут образовываться связи, и структура превратится в трехмерносвязную ковалентную очень твердую структуру. Этот материал получил название тиснумит в честь Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов. Предполагалось, что у этого материала твердость выше, чем у алмаза, но дальнейшие исследования показали, что это, скорее всего, не так.
Были предложения и достаточно активная дискуссия по поводу того, что нитриды углерода могут быть тверже, чем алмаз, но, несмотря на активную дискуссию и активные исследования, до сих пор такой материал миру представлен не был.
Была достаточно забавная работа китайских исследователей, в которой они предположили на основе теоретических вычислений, что другая модификация углерода похожа на алмаз во многом, но слегка от него отличается, а называется лонсдейлит. Согласно этой работе, лонсдейлит тверже алмаза. Лонсдейлит интересный материал, тонкие ламели этого материала были обнаружены в ударно-сжатом алмазе. Минерал этот был назван в честь знаменитой женщины Кэтлин Лонсдейл, великого британского кристаллографа, которая жила в 50–70-е годы XX века. У нее была крайне интересная биография, ей даже довелось посидеть в тюрьме, когда она отказалась тушить пожары во время Второй мировой войны. Она была по религии квакер, и квакерам запрещались любые действия, связанные с войной, даже тушить пожары. И за это ее в автозак поместили. Но тем не менее у нее все было хорошо, она была президентом Международного союза кристаллографов, и в ее честь был назван этот минерал.
Лонсдейлит, судя по всем имеющимся экспериментальным и теоретическим данным, все же мягче алмаза. Если посмотреть на работу этих китайских исследователей, то видно, что даже по их расчетам лонсдейлит мягче алмаза. Но как-то вывод был сделан вопреки их собственным результатам.
Таким образом, оказывается, что реального кандидата на смещение алмаза с должности самого твердого вещества нет. Но тем не менее вопрос стоит того, чтобы его проработать. Все-таки многие лаборатории до сих пор занимаются попытками создания такого материала. С помощью нашего метода предсказания кристаллических структур мы решили этим вопросом задаться. И задачу можно сформулировать так: вы ищете не вещество, которое обладает максимальной устойчивостью, а вещество, которое обладает максимальной твердостью. Вы задаете диапазон химических составов, например, от чистого углерода до чистого азота, и все, что посередине, все возможные нитриды углерода включены в ваш расчет, и эволюционно пытаетесь найти все более и более твердые составы и структуры.
Самым твердым веществом в этой системе оказывается тот же алмаз, и добавка азота к углероду ничего не улучшает в этой системе.
Таким образом, гипотезу о нитридах углерода как веществах тверже алмаза можно похоронить.
Мы пробовали все остальное, что предлагалось в литературе, разные формы углерода и так далее - во всех случаях побеждал всегда алмаз. Так что, похоже, алмаз с этого пьедестала не сместить. Но можно изобрести новые материалы, которые предпочтительнее алмаза в ряде других отношений, например, в смысле трещиностойкости или в смысле химической устойчивости.
Например, элементный бор. Нами была открыта структура, новая модификация бора. Эту статью мы опубликовали в 2009 году, и она вызвала колоссальный резонанс. Структура получается приложением небольшого давления к обычному бору и нагревом его до высоких температур. Эту форму мы назвали гамма-бор, и оказалось, что в ней присутствует частичная ионная химическая связь. На самом деле это то, что несколько понизит твердость, но за счет высокой плотности эта модификация все же оказывается самой твердой из известных модификаций бора, ее твердость около 50 ГПа. Давления для синтеза небольшие, и поэтому в принципе можно даже думать о ее синтезе в достаточно больших объемах.
Нами был предсказан ряд других сверхтвердых фаз, таких как фазы в системе «вольфрам - бор», «хром - бор» и так далее. Все эти фазы являются сверхтвердыми, но их твердости все же принадлежат к нижней части этого диапазона. Они ближе к отметке в 40 ГПа, чем к отметке в 90–100 ГПа, что соответствует твердости алмаза.
Но поиски продолжаются, мы не отчаиваемся, и вполне возможно, что мы или наши другие коллеги, работающие над этой темой по всему миру, смогут изобрести материал, который можно будет синтезировать при небольших давлениях и который по твердости будет приближаться к алмазу. Кое-что в этой области уже сделано нами и другими коллегами. Но как это применить технологически, пока не совсем понятно.
Расскажу о новой форме углерода, которая на самом деле была произведена экспериментально еще в 1963 году американскими исследователями. Эксперимент был концептуально достаточно простой: они брали углерод в форме графита и сдавливали его при комнатной температуре. Дело в том, что алмаз так не получить, алмаз требует сильного нагрева. Вместо алмаза в их экспериментах образовывалась прозрачная сверхтвердая неметаллическая фаза, но тем не менее это был не алмаз. И с характеристиками ни одной из известных форм углерода это никак не согласовывалась. В чем дело, что это за структура?
Совершенно случайно, изучая различные структуры углерода, мы натолкнулись на одну структуру, которая лишь ненамного уступала алмазу по устойчивости. Лишь спустя три года после того, как мы эту структуру увидели, посмотрели на нее, даже где-то опубликовали между строк, до нас дошло, что неплохо было бы свойства этой структуры сравнить с тем, что было опубликовано всеми теми исследователями начиная с 1963 года и вплоть до самых недавних лет. И оказалось, что существует полное совпадение. Мы были счастливы, мы быстро опубликовали статью в одном из самых престижных журналов, The Physical Review Letters , а через год статью в том же журнале опубликовали американские и японские исследователи, которые обнаружили, что совершенно другая структура углерода тоже описывает эти же экспериментальные данные. Проблема в том, что экспериментальные данные были достаточно плохого разрешения. Так кто же прав?
Вскоре швейцарские и китайские исследователи предложили еще ряд модификаций. И под занавес один китайский исследователь опубликовал около сорока структур углерода, большинство из которых тоже описывают эти же экспериментальные данные. Он мне пообещал, что, если ему будет не лень, он еще порядка ста структур предложит. Так какая же структура правильная?
Для этого пришлось исследовать кинетику преобразования графита в различные структуры углерода, и оказалось, что нам крупно повезло. Оказалось, что наша структура является наиболее предпочтительной с точки зрения кинетики преобразования.
Спустя месяц после опубликования нашей статьи вышла экспериментальная работа, в которой экспериментаторы сделали наиболее точный эксперимент с данными гораздо лучшего разрешения, чем прежде, и действительно оказалось, что из всех тех десятков опубликованных структур только одна структура объясняет экспериментальные данные - это все же наша структура. Этот новый материал мы назвали М-углерод, поскольку симметрия его моноклинная, от первой буквы М.
Этот материал лишь ненамного уступает по твердости алмазу, но есть ли какое-то свойство, в котором он превосходит алмаз, до сих пор непонятно.
До сих пор это, можно сказать, «вещь в себе». Мы продолжаем поиски и надеемся, что нам удастся изобрести материал, который, не сильно уступая алмазу по твердости, значительно будет его обгонять по всем остальным характеристикам.
Один из способов улучшения механических характеристик веществ состоит в их наноструктурировании. В частности, повысить твердость того же самого алмаза можно, если создавать нанокомпозиты алмаза или же нанополикристаллы алмаза. В таких случаях твердость удается повысить даже в 2 раза. И это было сделано японскими исследователями, и сейчас можно видеть продукцию, которую они производят, достаточно большие, порядка кубического сантиметра нанополикристаллы алмаза. Основная проблема с этими нанополикристаллами в том, что они настолько тверды, что их практически невозможно даже отшлифовать, и целая лаборатория шлифует это неделями.
Вот таким образом можно как менять химизм, менять структуру вещества в поисках улучшения его твердости и прочих характеристик, так и менять размерность.
