Режущий инструмент на основе сверхтвёрдых материалов

МА111И1IOCTPOE11ИЕ И МАТЕРИАЁООБРАБОТКА


Гаршин А. П.
Связкина Т. М.




                РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ




            НА ОСНОВЕ СВЕРХТВЁРДЫХ МАТЕРИАЛОВ


  УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ БАКАЛАВРИАТА И МАГИСТРАТУРЫ



Санкт-Петербург ХИМИЗДАТ 2024

УДК 621.9.025.7
     Г 217

       Рецензенты:
       1. Профессор кафедры «Технологии конструкционных материалов и производства ракетно-космической техники» Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» В. И. Кулик
       2. Доктор химических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), действительный член Академии инженерных наук им. А. М. Прохорова, заслуженный работник высшей школы Ю. П. Удалов

       Гаршин А. П., Связкина Т. М.
Г ²¹⁷ Режущий инструмент на основе сверхтвёрдых материалов. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2024, изд. 2-е, стереот. -104 с.: ил.
       ISBN 978-5-93808-427-8


            В учебном пособии представлено описание способов получения и характеристика основных марок монокри-сталллических порошков и поликристаллов сверхтвёрдых материалов. Описаны свойства моно- и поликристаллов алмазов и кубического нитрида бора и процессы изготовления на их основе режущего инструмента различной конструкции. Определены области их применения для обработки различных материалов (чёрные и цветные металлы, сплавы, композиционные материалы и др.). Даны рекомендации для наиболее эффективного использования режущих инструментов с применением сверхтвёрдых материалов в машиностроении. Пособие соответствует актуальным требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования.
            Рекомендовано для студентов высших учебных заведений, обучающихся по инженерно-техническим направлениям, по направлению «машиностроение и материало-обработка», а также для студентов машиностроительных, политехнических и химико-технологических вузов, аспирантов и преподавателей.


   2705030000—003
      050(01)—24


Без объявл.

ISBN 978-5-93808-427-8

                              © Гаршин А. П., Связкина Т. М., 2019
       © ХИМИЗДАТ, 2019, 2024

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие                                              4

Часть 1
ПРИРОДНЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ АЛМАЗЫ
1.1. Сверхтвёрдые материалы и их краткая характеристика  7
1.2. Синтетические алмазы, получение, свойства и виды 13 монокристаллических порошков и поликристаллов
1.3. Получение, свойства и применение синтетических 21 алмазов в России и за рубежом
1.4. Виды и конструкции режущего инструмента с примене- 31 нием поликристаллического алмаза
1.5. Специальные виды алмазного инструмента              37

Часть 2
КУБИЧЕСКИЙ НИТРИД БОРА
2.1. Марки монокристаллических порошков кубического 52 нитрида бора, их свойства и области применения
2.2. Способы получения поликристаллов кубического нитри- 60
   да бора и области их применения
2.3. Виды и конструкции режущего инструмента на основе 67 поликристаллов кубического нитрида бора
2.4. Некоторые особенности технологии производства, 83 свойства и применение режущего инструмента на основе кубического нитрида бора в России и за рубежом
2.5. Расширение областей применения режущего инстру- 91 мента с использованием кубического нитрида бора и развитие работ по его совершенствованию
Приложение                                               94
Литература                                               99

3

ПРЕДИСЛОВИЕ



   Изучение материаловедения и технологии конструкционных материалов является важным аспектом в формировании инженерной базы у студентов различных машиностроительных специальностей. Постоянное развитие техники и технологий вызывает необходимость разработки всё новых и совершенствование уже известных конструкционных материалов. Конструкционные сверхтвёрдые материалы, к которым относятся алмаз и кубический нитрид бора, стали успешно внедряться в различные отрасли машиностроения, заменяя, где это возможно, традиционные конструкционные стали и твёрдые сплавы. Сверхтвёрдые материалы находят также широкое применение в инструментальной промышленности, производстве ювелирных изделий и др.
   Сведения, полученные из анализа широкого спектра литературы по данной тематике и собственного опыта, авторы обобщили в виде настоящего учебного пособия, состоящего из двух частей. В первой части приводятся краткие сведения об алмазе как наиболее известном представителе из ряда сверхтвёрдых материалов. Описываются виды и свойства монокристаллических порошков природного и синтетического алмаза, а также технология производства его поликристаллов спеканием монокристаллов в аппаратах высокого давления. Даётся описание видов, конструкции и технологии производства режущего алмазного инструмента (резцы, фрезы, свёрла и др.) и приводятся сравнительные данные по зарубежным аналогам, производимым в США, Германии, Великобритании, Японии и др. Во второй части пособия приводятся сведения о кубическом нитриде бора. Даются характеристики монокристаллических порошков куби-4

ческого нитрида бора, описываются способы получения из них поликристаллов (композитных материалов), их свойства и технологии производства режущего инструмента (резцы, фрезы и свёрла) с использованием поликристаллов кубического нитрида бора; приводятся также для сравнения отдельные сведения по этим материалам, производимым как в России, так и за рубежом.
   Предлагаемое учебное пособие полезно студентам, обучающимся по программам как бакалавриата, так и магистратуры по направлению «Материаловедение и технологии материалов», а также аспирантам, научным работникам и преподавателям, интересующимся проблемами производства режущих материалов на основе сверхтвёрдых материалов.

   В результате освоения дисциплины «Режущий инструмент на основе сверхтвёрдых материалов» студент должен:
   знать
   •   основные направления развития технологии производства сверхтвёрдых материалов в России и за рубежом;
   •   основные положения технологий производства монокристаллических и поликристаллических сверхтвёрдых материалов, их физико-механические характеристики и области наиболее эффективного применения;
   •   методы и средства контроля качества сверхтвёрдых материалов и композитов на их основе;
   •   технологии производства различных видов режущего (лезвийного) инструмента на основе сверхтвёрдых материалов;
   уметь
   •   формулировать и успешно решать задачи по определению режимов подготовки сырья и вспомогательных материалов для производства сверхтвёрдых материалов;
   •   использовать в своей работе основные понятия, законы, физико-химические модели процессов получения

5

сверхтвёрдых материалов (алмазов и кубического нитрида бора);
   •   корректировать техпроцессы синтеза искусственных алмазов и кубического нитрида бора;
   •    обосновывать выбор технологического оборудования и средств контроля качества получаемых сверхтвёрдых материалов;
   •    пользоваться нормативными документами, регламентирующими методы контроля свойств сверхтвёрдых материалов и изделий на их основе;
   владеть
   •    навыками расчёта режимов синтеза поликристалли-ческих сверхтвёрдых материалов (синтетического алмаза и кубического нитрида бора) из порошков их монокристаллов;
   •    навыками определения физических, физико-механических и технологических свойств сверхтвёрдых материалов;
   •    навыками мониторинга качества сверхтвёрдых материалов и режущих инструментов на их основе;
   •   основами технологии производства кубического нитрида бора и синтетического алмаза, включая их производство в куске (в виде «штабиков») и в виде порошковых материалов (в зерне), а также схемами аппаратурного оформления и управлением технологическим процессом и режимами синтеза;
   •    знанием классификации алмазов в России и за рубежом и технологий получения монокристаллов синтетических алмазов, получаемых при высоких давлениях и температурах (по методу НРНТ) и методом CVD; знанием марок материалов на основе ПКНБ, производимые в России и за рубежом.

ЧАСТЬ 1

ПРИРОДНЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ АЛМАЗЫ




1.1. СВЕРХТВЁРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА


   К сверхтвёрдым материалам относят природные и синтетические алмазы, а также кубический нитрид бора. Алмаз и кубический нитрид бора (название в России -эльбор, в США - боразон) обладают самой высокой твердостью среди всех видов известных и употребляемых в производстве абразивных и инструментальных материалов. Сравнительные данные по свойствам сверхтвёрдых материалов (СТМ) и некоторых традиционных абразивных материалов приведены в табл. 1.1.


ТАБЛИЦА 1.1

Основные свойства алмаза и кубического нитрида бора в сравнении с традиционными абразивами

                                 Температура Абразивная 
           Твёрдость, Плотность,   начала    способность
Материал      ГПа       г/см3     изменения  по алмазу, 
                                  основных    доли ед.  
                                 свойств, °C            
Алмаз      100           3,5       650-700       1,0    
Эльбор       80-90    3,45       1100-1200    0,75-0,85 
Боразон    100        3,48       1200-1300       1,0    
Карбид       40-48       2,5         600       0,5-0,6  
бора (B4C)                                              
Карбид         32        3,2     1600-1650     0,3-0,4  
кремния                                                 
(SiC)                                                   
Корунд         22        3,9     1700-1900    0,15-0,16 
(AI2O3)                                                 

7

   В литературе встречается также обозначение твёрдости алмаза в ряду различных минералов с использованием шкалы твёрдости Мооса, которая предназначена для грубой сравнительной диагностики твёрдости материалов по системе мягче-твёрже. Испытываемый материал либо царапает эталон и его твёрдость по шкале Мооса выше, либо царапается эталоном и его твёрдость ниже эталона. Таким образом, шкала Мооса информирует только об относительной твёрдости минералов. В приведённой ниже табл. 1.2 показано соотношение твёрдости алмаза и других минералов по шкале Мооса с абсолютной твёрдостью, измеренной склерометром. Из табл. 1.2 видно, что алмаз среди всех природных минералов является самым твёрдым.
   Высокая твёрдость алмаза и кубического нитрида бора (КНБ) предопределила их применение в качестве эффективных абразивных материалов и режущих инструментов на их основе. В качестве абразивных материалов и режущих инструментов в абразивной отрасли до создания искусственных алмазов применяли только природные.
   Природные алмазы кристаллизуются в перидотитных и кимберлитовых породах в земной коре на больших глубинах при высоких давлениях и температурах. Основными районами добычи природных алмазов являются: Россия (Якутия, Урал), Южная и Юго-Западная Африка (Заир, ЮАР, Ботсвана, Намибия), Бразилия, Индия [13]. Основными разновидностями природных алмазов являются:
   1)   борт - сростки неправильных форм и шаровидные агрегаты;
   2)   карбонадо - агрегаты тонкозернистого строения, пористые и окрашенные в буровато-чёрный цвет.
   Бесцветные образцы состоят из чистого углерода, а окрашенные и непрозрачные дают в несгораемом остатке такие соединения, как SiO₂, MgO, CaO, FeO, Fe₂O₃, AI2O3, ТЮ2 и др. Иногда в образцах природного алмаза

8

ТАБЛИЦА 1.2
Шкала твёрдости Мооса

Твёр-                     Абсо-                   Другие    
дость Эталонный минерал   лютная Обрабатывае-    минералы   
 по                       твёр-      мость     с аналогичной
Моосу                     дость                 твёрдостью  
  1   Тальк               1      Царапается    Графит       
      (Mg3Si4Oio(OH)2            ногтем                     
  2   Гипс (CaSO4-2H2O)   3      Царапается    Галит, хло-  
                                 ногтем        рит, слюда   
  3   Кальцит (CaCO3)     9      Царапается    Биотит, золо-
                                 медью         то, серебро  
                            21   Легко царапа- Доломит,     
  4   Флюорит (CaF2)             ется ножом,   сфалерит     
                                 оконным                    
                                 стеклом                    
  5   Апатит                48   С усилием ца- Гематит, ла- 
      (Сф5(ЗЩ4)з(ЩР-             рапается но-  зурит        
      бСд-бА-))                  жом, оконным               
                                 стеклом                    
  6   Ортоклаз (KAlSi3O8)   72   Царапает      Опал, рутил  
                                 стекло.                    
                                 Обрабаты-                  
                                 вается                     
                                 напильником                
  7   Кварц (SiO2)        100    Поддаётся об- Гранат, тур- 
                                 работке алма- малин        
                                 зом, царапает              
                                 стекло                     
  8   Топаз               200    Поддаётся об- Бе-          
      (Al2SiO4(OH-,F-)2)         работке алма- рилл(гелио-  
                                 зом, царапает дор, аквама- 
                                 стекло        рин, изу-    
                                               мруд), шпи-  
                                               нель,        
  9   Корунд (AI2O3)      400    Поддаётся об- Разновидно-  
                                 работке алма- сти корунда  
                                 зом, царапает (сапфир, ру- 
                                 стекло        бин), карбид 
                                               вольфрама    
 10   Алмаз (C)           1600   Режет стекло  Эльбор, бо-  
                                               разон        

9

наблюдаются включения графита. Характеризуя основные физико-химические свойства природного алмаза, следует подчеркнуть, что его кристаллы имеют обычно октаэдрическую форму, реже - додекаэдрическую, кубическую и тетраэдрическую формы. Наиболее крупные кристаллы природных алмазов весят от сотен до тысяч карат, например, масса кристалла «Каллиман» составляет 3025 карат (1 карат = 0,2 г). Кристаллы встречаются бесцветные, а также голубого, синего и чёрного цветов. Плотность природных алмазов 3470—3562 кг/м³, микротвёрдость Нц =100 ГПа, показатель преломления равен 2,427. Основными разновидностями природного алмаза являются баллас, карбонадо, борт. Объём мировой добычи природных алмазов составляет около 34 млн. карат, в том числе около 9 млн. карат - это ювелирные алмазы, остальные 25 млн. карат - это «технический» алмаз, основными областями применения которого являются: метало- и камнеобработка, абразивное производство, бурение горных пород, карандаши для правки абразивных кругов, обработка часовых камней, сверление и шлифование стёкол.
   Обобщенная классификация алмазов с кратким описанием групп и подгрупп, принятая в СССР и действующая в РФ, приведена в табл. 1.3. В основу данной классификации положены качество алмазов, их масса, размерность и сфера использования. По качеству выделяется девять категорий природного алмазного сырья: к категории 1 и 2 отнесены ювелирные алмазы, к остальным категориям - различные виды технических алмазов. Категории в свою очередь подразделяются на группы с учётом массы и размеров кристаллов, а группы - на подгруппы с указанием технического применения алмазов.
   Зарубежные фирмы в настоящее время аттестуют алмазы по кристаллической форме, цвету и качеству. Детальная аттестация алмазного сырья производится обычно предприятиям - изготовителями драгоценных камней. Классификация алмазов, принятая за рубежом, приведена в табл. 1. 4.

10

ТАБЛИЦА 1.3

Обобщенная классификация природных алмазов, принятая в СССР

Категория Группа           Характеристика           Использование  
1            I    Алмазы высокого качества          Ювелирные вы-  
          II-III  Алмазы белые с незначительным     сокого качества
                  нацветом*, с нацветом, жёлтые, с                 
                  коричневым нацветом, коричне-                    
                  вые.                                             
2           IV    Бесцветные кристаллы и с нацве-   Ювелирные      
                  том, с небольшими и большими      пониженного    
                  дефектами в различных зонах       качества       
                  кристалла                                        
    3      V-XIV  Отдельные кристаллы правильной    Технические    
                  формы, с незначительным иска-     для инструмен- 
                  жением, ступенчатостью, а также с тов            
                  большими дефектами, пиленные,                    
                  колотые и шлифованные, рекупе-                   
                  рированные кристаллы. Бесцвет-                   
                  ные, с незначительным нацветом,                  
                  коричневые                                       
4         XV-XVI  Целые кристаллы с незначитель-    Технические    
                  ными искажениями (различной       для бурового   
                  формы, кроме кубов), прозрач-     инструмента и  
                  ные, полупрозрачные, различные.   алмазных ка-   
                  Алмазы рекуперированные той же    рандашей       
                  характеристики. С небольшим                      
                  нацветом, прозрачные, полупро-                   
                  зрачные, различные.                              
5         XVII-XX Целые кристаллы разной формы      Технические    
                  пониженного качества, их облом-   пониженного    
                  ки, шпинелевые двойники, иголь-   качества и для 
                  чатые, пластинчатые. Различные.   предваритель-  
                  Прозрачные и полупрозрачные.      ной обработки  
                  Алмазы рекуперированные.                         

11