Инструментальные материалы

В таблице 1 приведены  области применения минералокерамических инструментальных материалов.

Таблица 1

Марка материала	Характеристика	Область применения
ВО13, ВО18	Белая оксидная керамика на основе Al2O3	Чистовое и получистовое точение нетермообработанных конструкционных сталей и чугунов
ВОК71	Смешанная оксидно-карбидная керамика Al2O3 + TiC	Чистовое, получистовое и предварительное точение нетермообработанных и закаленных сталей и чугунов
ВОК95	Двухслойные пластины
ОНТ-20 кортинит	Смешанная оксидно-нитридная  керамика Al2O3 + TiN
Силинит-Р	Смешанная керамика на основе нитрида кремния Si3N4	Получистовое и предварительное точение и фрезерование чугунов, в том числе по корке
-	Керамика на основе Al2O3, упрочненная нитевидными кристаллами карбида кремния SiC	Скоростное точение  жаропрочных сплавов на никелевой основе

 

Для эффективного использования  высоких режущих свойств керамики оборудование должно обладать высокими рабочими скоростями, повышенной жесткостью и виброустойчивостью, а режущий инструмент – надежностью крепления режущих пластин.

Перспективным направлением совершенствования режущей керамики является армирование волокнами  карбида кремния длиной 20-30 мкм  и диаметром до 1 мкм. Армирование позволяет повысить вязкость на 60% без существенного снижения твердости. Достаточно длинные кристаллы SiC (в два и более раз превышающие размеры зерен металла) служат мостиками между зернами, повышая их стабильность под действием нагрузки. Кроме того, разность коэффициентов теплового расширения кристаллов SiC и основы Al₂O₃ создает при нагреве благоприятные сжимающие напряжения, которые компенсируют напряжения растяжения, возникающие в СМП в процессе резания.

Упрочняющий эффект кристаллов SiC проявляется в предотвращении катастрофических отказов СМП и в уменьшении интенсивности микроразрушений, сопровождающихся удалением частиц инструментального материала с контактных поверхностей.

Важным преимуществом  режущей керамики по сравнению с  твердыми сплавами применительно к условиям малолюдной технологии является возможность обеспечения транспортабельной стружки в широком диапазоне условий обработки даже при использовании СМП без стружкозавивающих элементов.

СВЕРХТВЕРДЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Сверхтвердые материалы  (СТМ), используемые для оснащения  металлорежущих инструментов, разделяются на две основные группы: СТМ на основе углерода – естественные и искусственные (поликристаллические) алмазы и СТМ на основе нитрида бора (композиты).

Естественные алмазы, применяемые для режущих инструментов, относятся к группе ограненных, т. е. алмазов, которым придается требуемая геометрическая форма и размеры. Алмаз и графит представляют собой модификации углерода и отличаются расположением атомов в кристаллической решетке. Графит имеет гексагональную решетку со сравнительно слабыми связями между слоями, что определяет его низкую прочность. Алмаз имеет кубическую решетку, состоящую из 18 атомов углерода, причем каждый атом связан общими электронами с четырьмя соседними атомами, что определяет высокую твердость и другие свойства алмаза.

Алмаз анизотропен по твердости – в различных направлениях твердость разная. Поэтому при  изготовлении алмазного инструмента  кристалл ориентируют таким образом, чтобы его обработка проводилась по «мягкому» направлению, а износ во время работы проходил по «твердому» направлению.

Алмаз обладает самой  высокой твердостью (10000 кг/мм²) из известных материалов, высокой износостойкостью, низким коэффициентом линейного расширения, хорошей теплопроводностью, малыми температурными деформациями, низким коэффициентом трения и исключительно высоким модулем упругости. Однако, недостатком алмаза является его низкая теплостойкость. При температуре 700-750⁰С происходит аллотропическое превращение алмаза в углерод, при 850-1000⁰С на воздухе алмаз сгорает. Кроме того, алмаз при температурах, характерных для резания, интенсивно растворяется в железе.

 Поэтому основной  областью использования естественных  алмазов является чистовая обработка цветных металлов и пластмасс.

Синтетические алмазы получают из графита при высоких давлениях (до 60000 атмосфер) и температурах 2000-3000⁰С в присутствии химических катализаторов. Поликристаллы синтетических алмазов обладают изотропностью свойств и большей прочностью по сравнению с природными. Карбонадо (АСПК) – цельные и двухслойные поликристаллы, получаемые синтезом или спеканием зерен синтетических алмазов со связующим веществом. В России синтетические алмазы используются для лезвийного инструмента в виде поликристаллов, а также в виде покрытий твердосплавных пластин.

В США фирма «General Electric» выпускает пластины типа  «Compax», состоящие из твердосплавной основы толщиной 2,7 или 1 мм и слоя 0,5-1 мм синтетических алмазов, предназначенных для напайки на режущие инструменты или для механического закрепления. Кроме того, в США выпускаются поликристаллические алмазы «Megadiamond» в виде круглых, квадратных и треугольных пластин толщиной 1,52-1,78 мм, устанавливаемых на сборных резцах. Твердосплавные пластины, оснащенные слоем алмазов на металлической связке, выпускаются в Англии («Syndite» фирмой De Beers) и в Германии («Polyblock», Winter).

Синтетические алмазы, как  и природные, используются для обработки  материалов, не содержащих железа.

Композиты. Природных  соединений бора (BN) не существует. В технологии получения современных сверхтвердых материалов выделяют три основные группы:

- синтез из гексагонального  нитрида бора – композит 01 (эльбор-Р)  и композит 02 (белбор);

- синтез из вюртцитоподобной  модификации нитрида бора –  композит 10 (гексонит-Р) и композит 09;

- спекание из порошков  кубического нитрида бора с  легирующими добавками – композиты 05 и 06.

Наибольшее распространение  получили резцы и фрезы, оснащенные режущими пластинками из композитов 01 и 10. Спекание кубического нитрида бора с жаропрочными связующими позволило получить новый поликристаллический материал  киборит, предназначенный для точения жаропрочных сталей и сплавов на никелевой основе на высоких скоростях резания (300-450 м/мин). Томал 10 – крупные двухслойные поликристаллы, получаемые спеканием зерен кубического нитрида бора со связующим веществом.

Характерной особенностью кубического нитрида бора является строение его кристаллической решетки, состоящей из атомов бора  и азота, напоминающей строение кристаллической решетки алмаза. Поэтому твердость КНБ лишь ненамного меньше твердости алмаза, а основными его преимуществами являются: высокая теплостойкость – до 1400⁰С, химическая инертность по отношению к железу и более   высокая прочность.

В России изготавливают  следующие разновидности композитов: композит 01 и композит 02, содержащие не менее 98% КНБ и отличающиеся высокой твердостью и хрупкостью; композит 09 и композит10, содержащие до 5%  вюртцитоподобного нитрида бора и имеющие несколько большую прочность и вязкость; композит 05, содержащий до 25% Al₂O_3. Композиты изготавливаются в виде таблеток диаметром 8 мм и высотой 6 мм.

В США фирма «General Electric» выпускает пластины из КБН (Borazon) в виде сегментов толщиной 4,8 мм и диаметром 12,7 и 15,8 мм. Фирма «De Beers» выпускает пластины «Аmborite» по типу алмазных пластин  «Syndite» на твердосплавной подложке и металлической связке диаметром до 52 мм. Фирма «Sumitomo Electric Co» выпускает материал «Sumiboron» (BN300),отличающийся меньшей зернистостью  КНБ и керамической связки, предназначенный для прерывистого резания.

Высокая теплостойкость и химическая инертность к железу предопределили область применения таких инструментальных материалов, как  композиты. Эти материалы используются для чистовой обработки (точение, растачивание) закаленных конструкционных и инструментальных сталей, а также чистового фрезерования, точения и растачивания чугунов, в том числе и высокопрочных.

Использование композитов на окончательных операциях  взамен шлифования позволяет сократить время обработки в 2-3 раза, повысить качество и точность обработки, улучшить условия производства. При обработке закаленных сталей и отбеленных чугунов скорости резания в 4-5 раза выше, чем при использовании твердых сплавов, причем с увеличением твердости обрабатываемого материала экономический эффект от внедрения композитов увеличивается.

В табл. 2 приведены области применения сверхтвердых  материалов.

Таблица 2

Марка материала	Область применения
Композиты 01 и 02	Тонкое и чистовое точение без ударных нагрузок, торцевое фрезерование деталей из закаленных сталей твердостью (HRC 47-65), чугунов любой твердости, твердых сплавов группы ВК
Композиты 05 и 06	Чистовое и получистовое точение без ударных нагрузок закаленных сталей (HRC 47-65) и чугунов любой твердости, торцовое фрезерование чугунов
Композиты 10 и 10Д	Тонкое, чистовое и получистовое точение с ударом и без удара, торцовое фрезерование закаленных сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов группы ВК
Киборит	Точение жаропрочных  сплавов на никелевой основе
Томал-10	Получистовое и предварительное  точение и фрезерование деталей из чугунов, в том числе по корке, а также обработка некоторых марок жаропрочных сплавов на никелевой основе
Карбонадо	Чистовое, получистовое и предварительное точение и фрезерование алюминиевых и цветных металлов и сплавов, твердых сплавов, композиционных неметаллических и древесно-стружечных материалов

 

Таким образом, в мировой практики существует большое количество разнообразных инструментальных материалов. Оптимальный выбор материала для инструмента, работающего в конкретных  условиях, предполагает знание физических особенностей условий обработки и знание свойств всех известных инструментальных материалов. Задача заключается в выборе такого материала, который в данных условиях наилучшим образом удовлетворял бы требованиям производительности, качества и себестоимости.