Инструментальные материалы

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

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

Таблица 2.15 Физико-механические свойства материалов на основе КНБ

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.

5.2 Характеристика основных свойств и область применения поликристаллов синтетического алмаза (ПКА)

Монокристаллы природного алмаза при достижении критических нагрузок разрушаются на мелкие фрагменты. ПКА из-за своей поликристаллической структуры значительно лучше сопротивляются ударным нагрузкам, чем монокристаллы алмаза, и, несмотря на меньшую твердость по сравнению с природным алмазом, имеют более высокие значения пределов прочности на растяжение и на поперечный сдвиг. При этом ударная прочность поликристаллов алмаза зависит от размеров алмазных зерен и с их увеличением снижается.

Преимущества инструментальных ПКА в сравнении с монокристаллическими алмазами связаны с произвольной ориентацией кристаллов в рабочем слое режущих пластин, что обеспечивает высокую однородность по твердости и стойкости к истиранию во всех направлениях.

Во многих случаях наблюдаемая на практике большая износостойкость резцов из синтетических алмазов, по сравнению с резцами из природных алмазов, объясняется различием их структур. У природного алмаза появившиеся трещины на режущей кромке, развиваются и могут достигать значительных размеров. У синтетического алмаза, представляющего собой поликристалл, возникающие трещины тормозятся и останавливаются границами кристаллов, что и определяет их более высокую в среднем в 1,5-2,5 раза износостойкость.

Поликристаллы алмаза отличаются от монокристаллов более высокой термостойкостью. такие материалы как АКТМ и СВ не теряют своих режущих и прочностных свойств при нагреве до 1473К и выше, что позволяет производить их напайку на твердосплавные пластины.

Коэффициент трения ПКА с металлом несколько выше, чем у природных алмазов. Это объясняется наличием пор на поверхности поликристалла, вызванных выпадением частиц кристаллов, а также наличием частиц металлической фазы (после синтеза) или связующего. Однако величина коэффициента трения ПКА со многими металлами не превышает 0,2, что свидетельствует о превалировании в контакте внешнего трения. Это является особенностью контактных процессов алмаза с большинством металлов. Однако, с никель и железосодержащими материалами алмаз имеет химическое сродство. Поэтому при резании сталей на основе железа, на контактных поверхностях алмазного инструмента происходит интенсивное налипание обрабатываемого материала.

Углерод, из которого состоит алмаз, активно реагирует с этими материалами при нагреве. Это приводит к интенсивному изнашиванию алмазного инструмента и ограничивает области его применения. Накопленный опыт свидетельствует о том, что наиболее эффективное применение алмазного инструмента получают на чистовых и отделочных операциях при обработке деталей из цветных металлов и их сплавов, а так же из различных полимерных композиционных материалов. Инструмент может быть использован при точении прерывистых поверхностей и при фрезеровании, однако его стойкость будет ниже, чем при обработке без удара.

В табл. 2.16 приведены рекомендации по режимам резания инструментами из алмаза различных обрабатываемых материалов.

Таблица 2.15 Рекомендуемые режимы резания резцами из алмаза

Успешно применяются режущие пластины из ПКА при обработке полимерных композитных материалов. Использование режущих пластин с механическим креплением позволяет повысить стойкость в 15-20 раз по сравнению с инструментом из твердого сплава.

Еще одной из перспективных областей применения ПКА является обработка трудно поддающихся резанию и вызывающих быстрый износ инструмента таких материалов, как древесностружечные плиты, плиты средней плотности с высоким содержанием клея, с покрытиями на основе меламиновой смолы, декоративный бумажно-слоистый пластик, а также другие материалы, обладающие абразивным действием. Обработка таких материалов обычным инструментом неэкономична.

В настоящее время режущий инструмент, применяемый в деревообрабатывающей промышленности и промышленности по переработке пластмасс, оснащают поликристаллами алмаза. Такой инструмент имеет стойкость в 200-300 раз выше стойкости твердосплавных инструментов.

Геометрические параметры алмазного инструмента во многом определяются свойствами кристаллов природного алмаза. Кристаллы алмаза обладают высокой хрупкостью, поэтому режущие кромки инструментов должны обладать повышенной прочностью. С целью упрочнения режущей кромки угол заострения , алмазного инструмента должен быть максимально допустимым.

Передний угол от 0 до 15, задний угол от 2 до 6, радиус вершины r_b от 0,2 до 1,0 мм для алмазных резцов выбирают от вида обрабатываемого материала.

Для обеспечения шероховатости обработанной поверхности до R_a 0,1, режущая кромка не должна иметь сколов, а передняя и задняя поверхность инструмента обработаны до шероховатости R_a 0,01-0,015. Радиус округления режущей кромки , должен достигать размеров менее 0,1 мкм.

В связи с повышенной чувствительностью инструментов из ПСТМ к вибрациям и ударным нагрузкам, к станкам, используемым для обработки режущих элементов из ПСТМ предъявляются повышенные требования в отношении точности, виброустойчивости и жесткости.

5.3 Характеристика основных свойств и область применения ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора BN

ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора, незначительно уступая алмазу по твердости, отличаются высокой термостойкостью (до 1573К), стойкостью к циклическому воздействию высоких температур и, что особенно важно, слабым химическим взаимодействием с железом, являющимся основным компонентом большинства обрабатываемых материалов (стали, чугуны, наплавочные материалы).

Главным резервом повышения производительности обработки для инструмента на основе BN является скорость резания (табл. 2.17), которая может превышать скорость резания твердосплавным инструментом в 5 и более раз.

Таблица 2.17 Скорости резания различными инструментальными материалами

Из таблицы видно, что наибольшая эффективность применения инструментов на основе BN имеет место при обработке высокотвердых чугунов, сталей и сплавов.

Одной из возможностей повышения эффективности инструмента из ПСТМ на основе BN является использование смазочно-ожлаждающих технологических сред (СОТС). Для инструментов из BN наиболее эффективно использовать жидкие среды путем их распыления при скоростях резания до 1,5-1,7м/с.

Еще одной из эффективных областей использования инструмента оснащенного поликристаллами BN, является обработка наплавок, которыми упрочняют детали металлургического производства. Наплавленные материалы очень высокой твердости до HRC 60-62 получают путем электродугового или плазменного наплавления порошковыми проволоками или лентами.

Перспективы применения режущих инструментов из СТМ

В ближайшие годы мировой рынок инструмента из СТМ ожидает резкий подъем. Это объясняется прежде всего тем, что в различных областях техники все большее применение находят труднообрабатываемые материалы и принципиально новые схемы обработки.

Эффективность инструмента из СТМ наиболее полно проявляется в условиях автоматизированного производства, гибкой смены технологий механообработки.

При применении ПСТМ на оптимальных режимах резания на станках с ЧПУ, производительность обработки повышается в 1,5-3 раза по сравнению с твердосплавным инструментом, улучшается качество обработанных поверхностей, исключается необходимость последующей абразивной обработки.

6. Инструментальные материалы с износостойким покрытием

В мировой практике металлообработки все большее применение находят инструментальные материалы с покрытиями. Тонкие "пленочные" покрытия, толщиной от 2 до 10 мкм, наносят на поверхность заточенного и доведенного инструмента из быстрорежущей стали, твердого сплава и режущей керамики, которые позволяют улучшить ряд служебных характеристик инструмента и значительно изменить условия его работы. Снижение сил и температур резания на 20-40%, позволяет повысить стойкость режущего инструмента в 2 и выше раз, или увеличить скорость резания от 20 до 60% и значительно улучшить шероховатость обработки.

К износостойкому покрытию для режущего инструмента предъявляется ряд требований:

1.Высокая микротвердость, в 1,5-2 раза превышающая твердость инструментального материала;

2.Высокая износостойкость (т.е. необходимо обладать сопротивлением к поверхностному усталостному разрушению);

3.Низкая склонность к адгезии (химическому взаимодействию) с обрабатываемым материалом;

4.Сохранение основных свойств, при высоких температурах (быть устойчивым против коррозии и окисления);

5.Минимальная способность к диффузионному растворению в обрабатываемом материале;

6.Высокая прочность сцепления с инструментальным материалом.

Ряд требований носит противоречивый характер, например низкую адгезию к обрабатываемому материалу и высокую прочность сцепления с инструментальным материалом. При резании сталей, в основе которых содержится железо, инструментом из быстрорежущей стали в основе которой также содержится железо целесообразнее всего наносить многослойные или композиционные покрытия. У многослойных покрытий нижний слой, прилегающий к инструментальному материалу, обеспечивает прочное сцепление с ним, а верхний - минимальное схватывание с обрабатываемым материалом. Промежуточные слои могут выполнять роль связующих слоев, слоев с тепловыми барьерами или слоев препятствующих продвижению трещин при разрушении покрытий. Композиционные покрытия - это покрытия изменяющие свой состав и свойства по толщине: например для быстрорежущего инструмента состав покрытия может постепенно переходить от нитрида циркония (ZrN), обеспечивающего наилучшее сцепление с инструментальной подложкой, к нитриду ниобия (NbN), дающего аномально низкое схватывание с железосодержащими обрабатываемыми материалами.

В качестве материалов для покрытий используют карбиды, натриды карбонитриды, бориды и силициды тугоплавких металлов IV - VI групп периодической системы элементов (IV - титан, цирконий, гафний; V - ванадий, ниобий, тантал; VI - хром, молибден, вольфрам). Применяется также оксид алюминия Al₂O₃ и алмазоподобные покрытия на основе углерода.

Наибольшее распространение для нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент получили методы химического (газофазного) осаждения покрытий (ХОП) или методы CVD (Chemical Vapour Deposition), термодиффузионное насыщение поверхности (ТДН) и физическое осаждение покрытий в вакууме (ФОП) или PVD (Physical Vapour Deposition).

Методы химического осаждения покрытий (CVD). В основе методов CVD лежат реакции в парогазовой среде, окружающей инструмент, в результате которых образуются покрытия. Исходными продуктами служат газообразные галогениды, при взаимодействии которых с другими составляющими смесей (водородом, аммиаком, окисью углерода и т.д.) образуется покрытие. Разложение галогенида происходит за счет термической химической реакции при Т=1000…1100С. Уравнения химических реакций процессов ХОП с образованием карбидов, нитридов и оксидов в общем виде имеют следующий вид:

- реакция образования карбидов

МеГ + Н₂ + C_nH_m MeC + HГ + Н₂;

- реакция образования нитридов

МеГ + Н₂ + N₂ MeN + HГ + Н₂;

реакция образования оксидов

МеГ + Н₂ + CO₂ MeO_m + HГ + CO;

- реакция образования боридов

МеГ + Н₂ + ВГ Me_nB_m ,

где Ме - металл; Г - галоген; m, n - целые числа.

Так как реакция осаждения покрытий происходит при высоких температурах (Т1000С), то этим методом покрытие может наноситься только на инструменты из твердого сплава и режущей керамики.

Наибольшее распространение в качестве материала покрытий на твердых сплавах получили карбиды, нитриды, карбонитриды титана и оксид алюминия. Свойства покрытий сильно зависят от параметров процесса газофазового осаждения. Наиболее существенную роль играет температура на границе раздела конденсата и инструментального материала. От температуры зависят структура покрытия, прочность его адгезии с твердым сплавом, причем последнее определяется также возможностью диффузионного взаимодействия пары "покрытие - твердый сплав". Взаимная диффузия повышает прочность сцепления покрытия и твердого сплава.

Практическая реализация метода (CVD) нашла широкое применение в технологии ГТ (газофазового титанирования), где на сменные многогранные пластины (СМП) из твердого сплава наносятся износостойкие покрытия (TiC, TiCN, TiC-TiCN-TiN и др.).

Области применения твердосплавных пластин с износостойким покрытием приведены в табл. 2.18.

Таблица 2.18 Марки и области применения твердосплавных пластин с покрытием

Методы термодиффузионного насыщения (ТДН). При производстве твердосплавных пластин с покрытием используют также методы термодиффузионного насыщения (ТДН), к которым относится метод ДТ (диффузионное титанирование).

Метод ДТ основан на термообработке твердосплавных пластин в специальной порошковой засыпке из материалов, содержащих титан, при температурах, достаточных для реализации диффузионных реакций в среде водорода. Метод не требует специального оборудования, так как осуществляется в стандартных водородных электропечах непрерывного действия, исключается необходимость точной дозировки и очистки газа восстановителя (водорода).. Производительность процесса ДТ очень высокая и составляет до 500 пластинок в час. Скорость роста покрытия до 10-15 мкм/ч. Вместе с тем методы ТДН, основанные на использовании порошковой технологии, имеют заметные недостатки, связанные с налипанием порошковой смеси на рабочие поверхности инструмента, необходимостью герметизации контейнера или использования защитных газов, одноразовым использованием смеси. В настоящее время промышленностью выпускаются пластины ВК6-TiC ДТ, рекомендуемые для обработки чугуна в области применения К10-К20.

Методы физического осаждения покрытий (PVD). Методы PVD основаны на физическом испарении или распылении вещества в вакуумное пространство камеры с последующей подачей реакционного газа (N₂, O₂, CN₄ и др.). В результате плазмохимической реакции ионизированного потока металлической плазмы и реакционного газа на поверхности инструмента конденсируется покрытие.

Среди методов наибольшее распространение получили: конденсация вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой (метод КИБ), магнетронное распыление (метод МИР) и ионное плакирование.

Широкие возможности варьирования температурой от 20-1000С в зонах нанесения покрытий позволяет использовать методы PVD в качестве универсальных для нанесения покрытий на режущий инструмент из быстрорежущей стали и твердого сплава. Методы PVD универсальны также и с точки зрения возможности нанесения гаммы монослойных, многослойных и композиционных покрытий.

Применение методов PVD для получения покрытий на режущем инструменте существенно расширяет его технологические возможности за счет более эффективного, чем для методов CVD, управления процессами получения покрытий и их свойствами.

Опыт эксплуатации инструментов с покрытием позволяет определять условия при которых достигаются наибольшее повышение их работоспособности.

Инструменты из быстрорежущей стали с покрытиями показывают значительное повышение стойкости при различных видах обработки, углеродистых, конструкционных и низколегированных сталей, а также серых чугунов низкой и средней твердости. При обработке титановых и жаропрочных сплавов на основе никеля, высоколегированных и высокопрочных сплавов, эффективность от применения инструментов с покрытием существенно ниже, а в ряде случаев стойкость снижается.

При обработке материалов, где получено повышение стойкости инструмента, износостойкие покрытия позволяют на 20-30% увеличить скорость резания. Наибольший эффект применения инструментов достигается при резании с малыми значениями толщины среза а0,05 мм, и средними толщинами а=0,1…0,25 мм. В первом случае за счет повышения износостойкости задней поверхности инструмента, а во втором случае за счет торможения роста лунки износа на передней поверхности. При толщинах среза а=0,05…0,1 мм, а также а0,3 мм покрытие интенсивно разрушается, в первом случае из-за высоких нагрузок на покрытие со стороны задней поверхности, а во втором со стороны передней поверхности. Эти рекомендации необходимо учитывать при назначении режимов резания.

Твердосплавные пластины с покрытиями из карбида и нитридов титана эффективны для большинства наиболее распространенных видов обработки резанием конструкционных сталей и серых чугунов, особенно для точения, а также чистового и получистового фрезерования с умеренными подачами.

При тяжелых условиях резания, когда наблюдаются выкрашивания и сколы и на сплавах без покрытий, эффективность пластин с износостойкими покрытиями снижается.

Результаты испытания пластин с различными покрытиями при обработке труднообрабатываемых материалов различных групп обрабатываемости показывают, что, чем труднее обрабатывается материал резанием (чем выше группа обрабатываемости), тем меньше проявляется эффект покрытия.

Необходимо отметить, что несмотря на более высокую стоимость инструментов с покрытием, затраты потребителя на обработку единицы продукции по сравнению с аналогичными затратами при применении непокрытых инструментов ниже благодаря повышению либо стойкости инструмента, либо скорости резания и производительности обработки.

В промышленно развитых странах выпуск СМП с износостойкими покрытиями составляет 60-90% от общего выпуска твердосплавных пластин, и около 70% всех типов инструментов из быстрорежущей стали.