Процессы обработки металлов лезвийными инструментами подчиняются классическим законам теории резания металлов.

На всём протяжении развития обработки металлов ре­занием появление качественно новых инструментальных материалов, обладающих повышенной твёрдостью, тепло­стойкостью и износостойкостью, сопровождалось ростом интенсивности процесса обработки.

Созданные в нашей стране и за рубежом в конце пятидесятых, начале шестидесятых годов прошлого века и широко применяемые инструменты, оснащённые искусственными сверхтвёрдыми материалами на основе кубического нитрида бора (КНБ), характеризуются большим разнообразием.

По сведениям отечественных и зарубежных фирм - производителей инструментов в настоящее время существенно увеличивается применение материалов на основе КНБ.

В промышленно развитых странах потребление лезвийного инструмента из искусственных сверхтвёрдых материалов на основе КНБ продолжает расти в среднем до 15 % в год.

Согласно классификации, предложенной ВНИИинструмент, всем сверхтвёрдым материалам на основе плотных модификаций нитрида бора присвоено наименование композиты.

В теории и практике материаловедения композитом на­зывают материал, не встречающийся в природе, состоящий из двух и более различных по химическому составу компо­нентов. Для композита характерно наличие отчётливых
границ, отделяющих его компоненты. Композит состоит из наполнителя и матрицы. Наибольшее влияние на его свойства оказывает наполнитель, в зависимости от которого композиты подразделяются на две группы: 1) с дисперсными частицами; 2) армированные непрерывными волокнами и армированные волокнами в нескольких направлениях.

Термодинамические особенности полиморфизма нитрида бора обусловили появление большого количества материалов на основе его плотных модификаций и различных технологий его получения.

В зависимости от вида основного процесса, протекаю­щего при синтезе и определяющего свойства сверхтвёрдых материалов, в современных технологиях получения инст­рументальных материалов из нитрида бора можно выде­лить три основных метода:

• фазовое превращение гексагонального нитрида бора в кубический. Поликристаллические сверхтвёрдые ма­териалы, полученные таким образом, отличаются друг от друга наличием или отсутствием катализатора, его видом, структурой, параметрами синтеза и т.д. К ма­териалам этой группы относятся: композит 01 (эльбор-Р) и композит 02 (белбор). За рубежом материа­лы этой группы не выпускаются;
• частичное или полное превращение вюрцитного нит­рида бора в кубический. Отдельные материалы этой группы различаются составом исходной шихты. У нас в стране из материалов этой группы производят одно- и двухслойный композит 10 (гексанит-Р) и различ­ные модификации композита 09 (ПТНБ и др.). За ру­бежом материалы этой группы выпускаются в Япо­нии фирмой «Ниппон Ойл Фате» под торговой мар­кой вюрцип;
• спекание частиц кубического нитрида бора с добавками. Эта группа материалов является самой многочислен­ной, так как возможны различные варианты связки и технологии спекания. По этой технологии в отечествен­ной промышленности производятся композит 05, киборит и ниборит. Наиболее известными зарубежными ма­териалами являются бора зон, амборит и сумиборон.

Дадим краткое описание наиболее известных сверхтвердых инструментальных материалов.

Композит 01 (эльбор-Р) - создан в начале 70-х годов.

Этот материал состоит из беспорядочно ориентирован­ных кристаллов кубического нитрида бора, полученных каталитическим синтезом. В результате высокотемператур­ного прессования под действием высокого давления перво­начальные кристаллы BN K дробятся до размеров 5…20 мкм. Физико-механические свойства композита 01 зависят от состава исходной шихты и термодинамических параметров синтеза (давления, температуры, времени). Примерное мас­совое содержание составляющих композита 01 следующее: до 92 % BN K , до 3 % BN r , остальное - примеси добавок- катализаторов.

Модификация композита 01 (эльбор-РМ) в отличие от эльбора-Р получается прямым синтезом BN r -> BN к, осуще­ствляемым при высоких давлениях (4,0…7,5 ГПа) и темпе­ратурах (1300…2000°С). Отсутствие в шихте катализатора позволяет получить стабильные эксплуатационные свойства.

Композит 02 (белбор) - создан в Институте физики твердого тела и полупроводников АН БССР.

Получается прямым переходом из BN r в аппаратах высокого давления при статическом приложении нагрузки (давление до 9 ГПа, температура до 2900 °С). Процесс осуще­ствляется без катализатора, что обеспечивает высокие фи­зико-механические свойства композита 02. При упрощенной технологии изготовления за счёт введения определенных легирующих добавок имеется возможность варьировать физико-механические свойства поликристаллов.

Белбор по твёрдости сравним с алмазом и значительно превосходит его по термостойкости. В отличие от алмаза он химически инертен к железу, а это позволяет эффектив­но использовать его для обработки чугуна и сталей - ос­новных машиностроительных материалов.

Композит 03 (исмит) - впервые синтезирован в ИСМ АН УССР.

Выпускаются три марки материала: исмит-1, исмит-2, исмит-3, различающиеся физико-механическими и эксплу­атационными свойствами, что является следствием разли­чия исходного сырья и параметров синтеза.

Ниборит - получен ИФВД АН СССР.

Высокая твёрдость, теплостойкость и значительные раз­меры этих поликристаллов предопределяют их высокие эк­сплуатационные свойства.

Киборит - синтезирован впервые в ИСМ АН УССР.

Поликристаллы получают горячим прессованием ших­ты (спеканием) при высоких статических давлениях. В со­став шихты входят порошок кубического нитрида бора и специальные активирующие добавки. Состав и количество добавок, а также условия спекания обеспечивают получение структуры, в которой сросшиеся кристаллы BN К образуют непрерывный каркас (матрицу). В межзёрных промежутках каркаса образуется тугоплавкая твёрдая керамика.

Композит 05 - структура и технология получения разработаны в НПО ВНИИАШ.

Материал в своей основе содержит кристаллы кубического нитрида бора (85…95 %), спекаемые при высоких давлениях с добавками оксида алюминия, алмазов и др. элементов. По сво­им физико-механическим свойствам композит 05 уступает мно­гим поликристаллическим сверхтвёрдым материалам.

Модификацией композита 05 является композит 05ИТ. Он отличается высокими теплопроводностью и теплостой­костью, которые получены путём введения в шихту специ­альных добавок.

Композит 09 (ПТНБ) разработан в Институте химической физики АН СССР.

Выпускается несколько марок (ПТНБ-5МК, ПТНБ-ИК-1 и др.), которые различаются составом исходной шихты (смесью порошков BN B и BN К). Отличие композита 09 от других композиционных материалов заключается в том, что его ос­нову составляют частицы кубического нитрида бора разме­рами 3…5 мкм, а в качестве наполнителя выступает вюрцитный нитрид бора.

За рубежом выпуск материалов данного класса с исполь­зованием превращения вюрцитного нитрида бора осуществ­ляется в Японии фирмой «Ниппон Ойл Фате» совместно с Токийским государственным университетом.

Композит 10 (гексанит-Р) создан в 1972 г. Институтом про­блем материаловедения АН УССР совместно с Полтавским за­водом искусственных алмазов и алмазного инструмента.

Это поликристаллический сверхтвёрдый материал, ос­нову которого составляет вюрцитная модификация нитри­да бора. Технологический процесс получения гексанита-Р, как и предыдущих композитов, состоит из двух операций:

1. синтеза BN B методом прямого перехода BN r -> BN В при ударном воздействии на исходный материал и
2. спекания порошка BN В при высоких давлениях и температурах.

Для композита 10 характерна мелкозернистая структу­ра, но размеры кристаллов могут колебаться в значитель­ных пределах. Особенности структуры определяют и осо­бые механические свойства композита 10 - он не только обладает высокими режущими свойствами, но и может ус­пешно работать при ударных нагрузках, что менее выра­жено у других марок композитов.

На основе гексанита-Р в Институте проблем материалове­дения АН УССР получена улучшенная марка композита 10 - гексанит-РЛ, армированный нитевидными кристаллами - во­локнами «сапфирных усов».

Композит 12 получается спеканием при высоких давлениях смеси порошка вюрцитного нитрида бора и поликристаллических частиц на основе Si 3 N 4 (нитрида кремния). Раз­мер зёрен основной фазы композита не превышает 0,5 мкм.

Перспектива дальнейшего развития, создания и произ­водства композитов связана с использованием в качестве наполнителя нитевидных или игольчатых кристаллов (усов), которые могут быть получены из таких материалов, как В 4 С, SiC, Si 2 N 4 . ВеО и др.

Сверхтвердые материалы (СТМ) - к ним относят алмазы (природные и синтетические) и композиционные материалы на основе кубического нитрида бора.

Алмаз - одна из модификаций углерода. Благодаря кубическому строению кристаллической решетки алмаз является самым твердым из известных в природе минералов. Его твердость в 5 раз выше, чем твердого сплава, однако прочность невелика и монокристаллы природного алмаза при достижении критических нагрузок разрушаются на мелкие фрагменты. Поэтому природные алмазы используют только на чистовых операциях, для которых характерны малые силовые нагрузки.

Теплостойкость алмазов равна 700...800 °С (при более высоких температурах алмаз сгорает). Природные алмазы имеют высокую теплопроводность и самый низкий коэффициент трения.

Природный алмаз обозначают буквой А , синтетический - АС . Природные алмазы – это отдельные монокристаллы и их обломки, или сросшиеся кристаллы и агрегаты. Синтетические алмазы получают в виде мелкозернистых порошков и используют для изготовления абразивных кругов, паст и микропорошков. Отдельную группу составляют поликристаллические алмазы (ПКА) марок АСБ (Баллас) и АСПК (Карбонадо). 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. Ударная прочность поликристаллов алмаза зависит от размеров алмазных зерен и с их увеличением снижается.

Алмаз имеет химическое сродство с никель- и железосодержащими материалами, 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, поэтому природные алмазы применяют в основном при тонком точении цветных металлов и сплавов, не содержащих углерод и железо. Наиболее эффективное применение алмазного инструмента получают на чистовых и отделочных операциях при обработке деталей из цветных металлов и их сплавов, а также из различных полимерных композиционных материалов. Инструмент может быть использован при точении прерывистых поверхностей и при фрезеровании, однако его стойкость будет чиже, чем при обработке без удара.

Обрабатываемый материал	V, м/мин	s, мм/об	t, мм
Алюминиевые литые сплавы	600…690	0,01…0,04	0,01…0,20
Алюминиево-магниевые сплавы	390…500	0,01…0,05	0,01…0,20
Алюминиевые жаропрочные сплавы	250…400	0,02…0,04	0,05…0,10
Дуралюмин	500…690	0,02…0,04	0,03…0,15
Бронза оловянистая	250…400	0,04…0,07	0,08…0,20
Бронза свинцовая	600…690	0,025...0,05	0,02…0,05
Латунь		0,02…0,06	0,03…0,06
Титановые сплавы	90…200	0,02…0,05	0,03…0,06
Пластмассы	90…200	0,02…0,05	0,05…0,15
Стеклотекстолит	600…690	0,02…0,05	0,03…0,05

Во многих случаях наблюдаемая на практике большая износостойкость резцов из синтетических алмазов, по сравнению с резцами из природных алмазов, что объясняется различием их структур. У природного алмаза появившиеся трещины на режущей кромке, развиваются и могут достигать значительных размеров. У ПКА (синтетический алмаз), возникающие трещины останавливаются границами кристаллов, что и определяет их более высокую, в 1,5…2,5 раза, износостойкость.

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. Инструмент с ПКА имеет стойкость при обработке таких материалов в 200..300 раз выше стойкости твердосплавных инструментов.

Успешно применяются инструменты из ПКА в виде сменных многогранных пластин при обработке полимерных композитных материалов. Их использование позволяет повысить стойкость в 15…20 раз по сравнению с инструментом из твердого сплава.

Кубический нитрид бора (КНБ, BN ) в природе не встречается, его получают искусственным путем из «белого графита» при высоких давлениях и температурах в присутствии катализаторов. При этом гексагональная решетка графита превращается в кубическую, подобную решетке алмаза. Каждый атом бора соединен с четырьмя атомами азота. По твердости КНБ несколько уступает алмазу, но имеет более высокую теплостойкость, доходящую до 1300...1500 °С, и он практически инертен к углероду и железу. Как и алмаз, КНБ имеет повышенную хрупкость и низкую прочность на изгиб.

Известно несколько марок КНБ, объединяемых в группу «композиты». Разновидности КНБ отличаются друг от друга размерами, структурой и свойствами зерен, процентным составом связки, а также технологией спекания.

В качестве композитов наиболее широкое применение нашли: композит 01 (эльбор-Р), композит 05, композит 10 (гексанит-Р) и композит 10Д (двуслойные пластины с рабочим слоем из гексанита Р). Из них самым прочным является композит 10 (σ и = 1000...1500 МПа), поэтому его используют при ударных нагрузках. Остальные композиты применяются при безударной чистовой обработке закаленных сталей, высокопрочных чугунов и некоторых труднообрабатываемых сплавов. Во многих случаях точение композитами эффективнее процесса шлифования, так как из-за своей высокой теплопроводности КНБ не дает прижогов при работе на высоких скоростях резания и обеспечивает при этом низкую шероховатость поверхности.

Используют композиты в виде малоразмерных пластин квадратной, треугольной и круглой форм, закрепляемых на корпусе инструмента пайкой или механическим способом. В последнее время применяют также пластины из твердого сплава с нанесенным на них слоем композита или поликристаллов алмаза. Такие многослойные пластины обладают большей прочностью, износостойкостью и более удобны для крепления. Они позволяют снимать припуски большой глубины.

Главным резервом повышения производительности обработки для инструмента на основе BN является скорость резания (таблица 11.), которая может превышать скорость резания твердосплавным инструментом в 5 и более раз.

Таблица 11. Скорости резания, допускаемые 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 на основе BN является использование смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), которые для инструментов из BN наиболее эффективно использовать путем их распыления при скоростях резания до 90…100 м/мин.

Еще одной из эффективных областей использования инструмента, оснащенного поликристаллами композитов, 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.

Области применения по скорости резания и подаче всех групп рассмотренных инструментальных материалов ориентировочно показаны на рис. 38.

Рис.38. Область применения различных инструментальных материалов по скорости резания V и подаче s .

1 – быстрорежущие стали; 2 – твердые сплавы; 3 – твердые сплавы с покрытиями; 4 – нитридная керамика; 5 – оксидно-карбидная (черная) керамика; 6 - оксидная керамика; 7 – кубический нитрид бора.

Применяемые для лезвийного инструмента синтетические сверхтвердые материалы (СТМ) являются плотными модификациями углерода и нитрида бора.

Алмаз и плотные модификации нитрида бора, имеющие тетраэдрическое распределение атомов в решетке, являются самыми твердыми структурами.

Синтетический алмаз и кубический нитрид бора получают методом каталитического синтеза и безкатализаторного синтезов плотных модификаций нитрида бора при статическом сжатии.

Применение алмаза и нитрида бора для изготовления лезвийного инструмента стало возможным после их получения в виде крупных поликристаллических образований.

В настоящее время существует большое разнообразие СТМ на основе плотных модификаций нитрида бора. Они различаются технологией их получения, структурой и основными физико-механическими свойствами.

Технология их получения основана на трех физико-химических процессах:

1) фазовом переходе графитоподобного нитрида бора в кубический:

BN Gp ® BN Cub

2) фазовом переходе вюрцитного нитрида бора в кубический:

BNVtc ® BN Cub

3) спекании частиц BN Cub .

Уникальные физические и химические свойства (высокая химическая устойчивость, твердость, износостойкость) этих материалов объясняются чисто ковалентным характером связи атомов в нитриде бора в сочетании с высокой локализацией валентных электронов у атомов.

Термостойкость инструментального материала является его важной характеристикой. Приводимый в литературе широкий интервал значений термической устойчивости BN (600–1450°С) объясняется как сложностью физико-химических процессов, происходящих при нагреве BN, так и неопределенностью в какой-то степени термина «термостойкость» применительно к СТМ.

При рассмотрении термостойкости поликристаллических СТМ на основе алмаза и плотных модификаций нитрида бора (они часто являются композиционными и количество связующего в них может достигать 40%) следует учитывать, что их термостойкость может определяться как термической устойчивостью BN и алмаза, так и изменением при нагреве свойств связующего и примесей.

В свою очередь, термическая устойчивость алмаза и BN на воздухе определяется как термической стабильностью фаз высокого давления, так и их химической стойкостью в данных условиях, в основном относительно окислительных процессов. Следовательно, термическая устойчивость связана с одновременным протеканием двух процессов: окислением алмаза и плотных модификаций нитрида бора кислородом воздуха и обратным фазовым переходом (графитизацией), поскольку они находятся в термодинамически неравновесном состоянии.

По технологии получения СТМ на основе алмаза можно разделить на две группы:

1) поликристаллы алмаза, получаемые в результате фазового перехода графита в алмаз;

2) поликристаллы алмаза, получаемые спеканием алмазных зерен.

Наиболее часто встречающийся размер зерен – примерно 2,2мкм, а зерен, размер которых превышает 6 мкм, практически нет.

Прочность керамики зависит от среднего размера зерна и, например, для оксидной керамики снижается от 3,80–4,20 ГПа до 2,55–3,00 ГПа при увеличении размеров зерен соответственно от 2–3 до 5,8–6,5 мкм.

У оксидно-карбидной керамики гранулометрический состав еще более тонкозернистый, и средний размер зерен Al 2 O 3 в основном меньше 2 мкм, а размер зерен карбида титана составляет 1–3 мкм.

Существенным недостатком керамики является ее хрупкость – чувствительность к механическим и термическим ударным нагрузкам. Хрупкость керамики оценивается коэффициентом трещиностойкости – K С.

Коэффициент трещиностойкости K С, или критический коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, является характеристикой сопротивления разрушению материалов.

Высокие твердость, прочность и модуль упругости, сложность механической обработки и небольшие размеры образцов из СТМ ограничивают применение большинства используемых в настоящее время методов определения коэффициента трещиностойкости.

Для определения коэффициента трещиностойкости – K С СТМ используют метод диаметрального сжатия диска с трещиной и метод определения вязкости разрушения керамики по внедрению индентора.

Для устранения хрупкости керамики разработаны различные составы оксидно-карбидной керамики.

Включение в керамику на основе оксида алюминия моноклинной двуокиси циркония ZrO 2 вызывает улучшение структуры и тем самым заметно повышает ее прочность.

Инструмент, оснащенный поликристаллическими алмазами (ПКА), предназначен для чистовой обработки цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов вместо твердосплавного инструмента.

Композит 01 и композит 02 – поликристаллы из кубического нитрида бора (КНБ) с минимальным количеством примесей – применяют для тонкого и чистового точения, преимущественно без удара, и торцового фрезерования закаленных сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов (Со > 15%) с глубиной резания 0,05–0,50 мм (максимально допустимая глубина резания 1,0 мм).

Композит 05 – поликристаллы, спеченные из зерен КНБ со связкой, – применяют для предварительного и окончательного точения без удара закаленных сталей (HRC < 60) и чугунов любой твердости с глубиной резания 0,05–3,00 мм, а также для торцового фрезерования заготовок из чугуна любой твердости, в т. ч. по корке, с глубиной резания 0,05–6,00 мм.

Композит 10 и двухслойные пластины из композита 10Д (композит 10 на подложке из твердого сплава) – поликристаллы на основе вюрцитоподобного нитрида бора (ВНБ) – применяют для предварительного и окончательного точения с ударом и без удара и торцового фрезерования сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов (Со > 15%) с глубиной резания 0,05–3,00 мм, прерывистого точения (наличие на обрабатываемой поверхности отверстий, пазов, инородных включений).

Таким образом, инструменты из СТМ на основе нитрида бора и алмаза имеют свои области применения и практически не конкурируют друг с другом.

Износ резцов из композитов 01, 02 и 10 – сложный процесс с преобладанием при непрерывном точении адгезионных явлений.

С увеличением контактных температур в зоне резания свыше 1000°С возрастает роль теплового и химического факторов – интенсифицируются:

– диффузия;

– химический распад нитрида бора;

– фазовый α-переход;

– абразивно-механическое изнашивание.

Поэтому при точении сталей со скоростями 160–190 м/мин износ резко возрастает, а при v > 220 м/мин становится катастрофическим почти независимо от твердости стали.

При прерывистом точении (с ударом) преобладает абразивно-механическое изнашивание с выкрашиванием и вырывом отдельных частиц (зерен) инструментального материала; роль механического удара возрастает при увеличении твердости матрицы обрабатываемого материала и объемного содержания карбидов, нитридов и т. п.

Наибольшее влияние на износ и стойкость резцов при непрерывном точении сталей оказывает скорость резания, при точении с ударом – скорость и подача, при точении чугунов – подача, причем обрабатываемость ковких чугунов ниже, чем серых и высокопрочных.

Порядок выполнения работы

1. Изучите марки и химический состав сталей и сплавов, классификацию сталей по способу изготовления и по назначению в зависимости от содержания хрома, никеля и меди, требования к макроструктуре и микроструктуре, нормирование прокаливаемости. Обратите внимание на порядок отбора образцов для проверки твердости, микроструктуры, глубины обезуглероженного слоя, качества поверхности, излома.

2. Исследуйте микроструктуру образцов стали У10. Оцените микроструктуру термически обработанной стали, проведя исследование под микроскопом МИ-1. Зафиксируйте микроструктуру в компьютере и распечатайте.

При составлении отчета необходимо дать краткое описание теоретических основ строения, свойств материалов для режущих инструментов из инструментальных углеродистых, быстрорежущих сталей, твердых, сверхтвердых сплавов и керамических материалов. Привести полученные при исследовании под микроскопом МИ-1 фотографии микроструктуры стали У10, в подрисуночной подписи укажите режим термообработки и структурные составляющие. Результаты измерений основных параметров нескольких включений рассматриваемой стали занести в табл. 3.19.

Таблица 3.19

Контрольные вопросы

1. Классификация материалов для режущих инструментов.

2. Строение и свойства инструментальных углеродистых сталей.

3. Строение и свойства штамповых сталей.

4. Строение и свойства быстрорежущих сталей.

5. Строение и свойства твердых и сверхтвердых инструментальных сплавов.

6. Строение и свойства керамических инструментальных материалов.

7. Структура инструментальных углеродистых сталей.

8. Основные свойства, которыми должен обладать материал для режущих инструментов.

9. Износостойкость и теплостойкость режущих инструментов.

10. Чем определяется температура нагрева режущей кромки инструментов?

11. Химический состав и режимы термической обработки наиболее применяемых инструментальных сталей.

12. Прокаливаемость углеродистых сталей, балл прокаливаемости, распределение твердости.

13. Влияние содержания углерода на свойства углеродистых инструментальных сталей.

14. Чем определяется температура отпуска инструментов?

15. Горячая твердость и красностойкость быстрорежущей стали.

16. Обратимая и необратимая твердость быстрорежущих сталей.

17. Каким образом структурно создается красностойкость быстрорежущих сталей.

18. Как характеризуется красностойкость, ее обозначение.

19. Режимы термической обработки инструментов из быстрорежущей стали, обработка холодом, многократный отпуск.

20. Стали для горячих штампов, их жаропрочность,термостойкость,вязкость.

21. Рабочие температуры резания инструмента из твердых сплавов.

22. Твердость металлокерамических твердых сплавов, чем она определяется?

23. Стали, применяемые для лезвийного инструмента.

24. Чем объясняются уникальные физические и химические свойства (высокая химическая устойчивость, твердость, износостойкость) синтетических сверхтвердых материалов?

25. Существенный недостаток керамики.

26. Как оценивается хрупкость керамики?

Лабораторная работа № 4

Исследование зависимостей

состав – структура – свойства Для чугунов

Цель работы: изучение строения, состава и свойств передельных и машиностроительных чугунов; их классификация и применение.

Материалы и оборудование: коллекция нетравленых шлифов чугунов; металлографический комплекс, включающий оптический микроскоп МИ-1, цифровую камеру Nikon Colorpix-4300 с фотоадаптером; травитель (4%-ный раствор HNO 3 в спирте).

Теоретическая часть

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода и постоянные примеси – кремний, марганец, серу и фосфор.

Чугуны имеют более низкие механические свойства, чем стали, т. к. повышенное содержание углерода в них приводит либо к образованию твердой и хрупкой эвтектики, либо к появлению свободного углерода в виде графитных включений различной конфигурации, нарушающих сплошность металлической структуры. Поэтому чугуны применяются для изготовления деталей, не испытывающих значительных растягивающих и ударных нагрузок. Чугун находит широкое применение в машиностроении в качестве литейного материала. Однако наличие графита дает и ряд преимуществ чугунам перед сталью:

– они легче обрабатываются резанием (образуется ломкая стружка);

– обладают лучшими антифрикционными свойствами (графит обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения);

– обладают более высокой износоустойчивостью (низкий коэффициент трения);

– чугуны не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточкам, отверстиям, дефектам поверхности).

Чугуны обладают высокой жидкотекучестью, хорошо заполняют литейную форму, имеют малую усадку, поэтому они применяются для изготовления отливок. Детали, полученные из чугунных отливок, значительно дешевле, чем изготовленные обработкой резанием из горячекатанных стальных профилей или из поковок и штамповок.

Химический состав и в частности содержание углерода не характеризуют достаточно надежно свойства чугуна: структура чугуна и его основные свойства зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий охлаждения отливки и режима термической обработки.

Углерод в структуре чугуна может наблюдаться в виде графита и цементита.

В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод, чугуны подразделяются на две группы:

1) чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита или других карбидов;

2) чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в свободном состоянии в виде графита.

К первой группе относят белые чугуны, а ко второй – серые, ковкие и высокопрочные.

По назначению чугуны подразделяют:

1) на передельные;

2) машиностроительные.

Передельные в основном используются для получения стали и ковкого чугуна, а машиностроительные – для изготовления отливок деталей в различных отраслях промышленности: автотракторостроении, станкостроении, сельскохозяйственном машиностроении и т. д.

Белые чугуны

В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии (в виде цементита), т. е. кристаллизуются они, как и углеродистые стали, по метастабильной диаграмме Fe – Fe 3 C. Свое название они получили по специфическому матово-белому цвету излома, обусловленному наличием в структуре цементита.

Белые чугуны очень хрупки и тверды, плохо поддаются механической обработке режущим инструментом. Чисто белые чугуны в машиностроении используется редко, они обычно идут на передел в сталь или используются для получения ковкого чугуна.

Структура белых чугунов при нормальной температуре зависит от содержания углерода и соответствует диаграмме равновесного состояния «железо-цементит». Образуется такая структура в результате ускоренного охлаждения при литье.

В зависимости от содержания углерода белые чугуны делятся:

1) на доэвтектические, содержащие от 2 до 4,3% углерода; состоят из перлита, вторичного цементита и ледебурита;

2) эвтектические, содержащие 4,3% углерода, состоят из ледебурита;

3) эаэвтектические, содержащие от 4,3 до 6,67% углерода, состоят из перлита, первичного цементита и ледебурита.

а б в

Рис. 4.1. Микроструктура белых чугунов, × 200:

а – доэвтектический (ледебурит, перлит + вторичный цементит);

б – эвтектический (ледебурит);

в – заэвтектический (ледебурит + первичный цементит)

Перлит в белом чугуне наблюдается под микроскопом в виде темных зерен, а ледебурит – в виде отдельных участков колоний. Каждый такой участок представляет собой смесь мелких округленных или вытянутых темных зерен перлита, равномерно распределенных в белой цементитной основе (рис. 4.1, а ). Вторичный цементит наблюдается в виде светлых зерен.

С увеличением концентрации углерода в доэвтектическом чугуне доля ледебурита в структуре увеличивается за счет уменьшения участков структуры, занимаемых перлитом и вторичным цементитом.

Эвтектический чугун состоит из одной структурной составляющей ‑ ледебурита, представляющего собой равномерную механическую смесь перлита с цементитом (рис. 4.1, б ).

Структура заэвтектического чугуна состоит из первичного цементита и ледебурита (рис. 4.1, в ). С увеличением углерода количество первичного цементита в структуре возрастает.

Похожая информация.

Твердые сплавы и режущую керамику получают с помощью методов порошковой металлургии. Порошковая металлургия – область техники, охватывающая совокупность методов изготовления металлических порошков из металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них, а также из их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента. Исходные материалы для твердых сплавов и металлокерамики – порошки – получают химическими или механическими способами. Формообразование заготовок (изделий) осуществляют в холодном состоянии либо при нагревании. Холодное формообразование происходит при осевом прессовании на механических и гидравлических прессах или при давлении жидкости на эластичную оболочку, в которую помещают порошки (гидростатический метод). Горячим прессованием в штампах под молотом (динамическое прессование) или газостатическим методом в специальных контейнерах за счет давления (15-400 тыс. Па) горячих газов получают изделия из плохо спекающихся материалов – тугоплавких соединений, которые применяются для изготовления твердых сплавов и металлокерамики. В состав таких спеченных тугоплавких соединений (псевдосплавов) включаются неметаллические компоненты – графит, глинозем, карбиды, придающие им особые свойства.

В инструментальном производстве получили широкое распространение твердые спеченные сплавы и режущая металлокерамика (металлы + неметаллические компоненты) По содержанию основных компонентов порошков в смеси твердые спеченные сплавы подразделяются на три группы вольфрамовые, титановольфрамовые и титанотанталоволь-фрамовые, по области применения – на сплавы для обработки материалов резанием, оснащения горного инструмента, для наплавки быстро изнашивающихся деталей машин, приборов и приспособлений.

Физико-механические свойства твердых сплавов: предел прочности при изгибе – 1176–2156 МПа (120–220 КГС/мм 2), плотность – 9,5-15,3 г/см 3 , твердость – 79–92 HRA.

Твердые сплавы для бесстружковой обработки металлов, наплавки быстро изнашивающихся деталей машин, приборов и приспособлений: ВК3, ВК3–М, ВК4, ВК10–КС, ВК20–КС, ВК20К. В обозначении марок твердых сплавов буква «К» означает – кобальт, «В» – карбид вольфрама, «Т» – карбиды титана и тантала; цифры соответствуют процентному содержанию порошков компонентов, входящих в сплав. Например, сплав ВК3 содержит 3 % кобальта, остальное – карбид вольфрама.

Дефицит вольфрама обусловил необходимость разработки безвольфрамовых твердых сплавов, не уступающих по основным свойствам спеченным сплавам на основе карбидов вольфрама.

Безвольфрамовые и карбидохромовые твердые металлокера-мические сплавы применяются в машиностроении для изготовления волок, вытяжных матриц, для распыления различных, в том числе абразивных, материалов, деталей трения, работающих при температурах до 900 °C, режущего инструмента для обработки цветных металлов.

2. Сверхтвердые материалы

Для изготовления различного режущего инструмента в настоящее время в различных отраслях промышленности, в том числе в машиностроительной, применяются три вида сверхтвердых материалов (СТМ): природные алмазы, поликристаллические синтетические алмазы и композиты на основе нитрита бора (эльбора).

Природные и синтетические алмазы обладают такими уникальными свойствами, как самая высокая твердость (HV 10 000 кгс/мм 2), у них весьма малые: коэффициент линейного расширения и коэффициент трения; высокие: теплопроводность, адгезионная стойкость и износостойкость. Недостатками алмазов являются невысокая прочность на изгиб, хрупкость и растворимость в железе при относительно низких температурах (+750 °C), что препятствует использованию их для обработки железоуглеродистых сталей и сплавов на высоких скоростях резания, а также при прерывистом резании и вибрациях. Природные алмазы используются в виде кристаллов, закрепляемых в металлическом корпусе резца Синтетические алмазы марок АСБ (балас) и АСПК (карбонадо) сходны по своей структуре с природными алмазами Они имеют поликристаллическое строение и обладают более высокими прочностными характеристиками.

Природные и синтетические алмазы применяются широко при обработке медных, алюминиевых и магниевых сплавов, благородных металлов (золота, серебра), титана и его сплавов, неметаллических материалов (пластмасс, текстолита, стеклотекстолита), а также твердых сплавов и керамики.

Синтетические алмазы по сравнению с природными имеют ряд преимуществ, обусловленных их более высокими прочностными и динамическими характеристиками. Их можно использовать не только для точения, но также и для фрезерования.

Композит представляет собой сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора, применяемый для изготовления лезвийного режущего инструмента. По твердости композит приближается к алмазу, значительно превосходит его по теплостойкости, более инертен к черным металлам Это определяет главную область его применения – обработка закаленных сталей и чугунов. Промышленность выпускает следующие основные марки СТМ: композит 01 (эльбор – Р), композит 02 (белбор), композит 05 и 05И и композит 09 (ПТНБ – НК).

Композиты 01 и 02 обладают высокой твердостью (HV 750 кгс/мм 2), но небольшой прочностью на изгиб (40–50 кг/мм 2). Основная область их применения – тонкое и чистовое безударное точение деталей из закаленных сталей твердостью HRC 55–70, чугунов любой твердости и твердых сплавов марок ВК 15, ВК 20 и ВК 25 (HP^ 88–90), с подачей до 0,15 мм/об и глубиной резания 0,05-0,5 мм. Композиты 01 и 02 могут быть использованы также для фрезерования закаленных сталей и чугунов, несмотря на наличие ударных нагрузок, что объясняется более благоприятной динамикой фрезерной обработки. Композит 05 по твердости занимает среднее положение между композитом 01 и композитом 10, а его прочность примерно такая же, как и композита 01. Композиты 09 и 10 имеют примерно одинаковую прочность на изгиб (70-100 кгс/мм 2).

3. Материалы абразивных инструментов

Абразивные материалы делятся на естественные и искусственные. К первым относятся кварц, наждак, корунд и алмаз, а ко вторым – электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, кубический нитрид бора и синтетические алмазы.

Кварц (П) – это материал, состоящий в основном из кристаллического кремнезема (98,5…99,5 % SiO2). Применяется для изготовления шлифовальных шкурок на бумажной и тканевой основе в виде шлифовальных зерен в свободном состоянии.

Наждак (Н) – мелкокристаллическая окись алюминия (25…60 % A l2 O 3) темно-серого и черного цветов с примесью окиси железа и силикатов. Предназначен для изготовления наждачного полотна и брусков.

Корунд (Е и ЕСБ) – минерал, состоящий в основном из кристаллической окиси алюминия (80.95 % A l2 O 3) и незначительного количества других минералов, в том числе химически связанных с A l2 O 3 . Зерна корунда тверды и при разрушении образуют раковистый излом с острыми гранями. Естественный корунд имеет ограниченное применение и используется главным образом в виде порошков и паст для доводочных операций (полирования).

Алмаз (А) – минерал, представляющий собой чистый углерод. Он имеет наиболее высокую твердость из всех известных в природе веществ. Из кристаллов и их осколков изготовляют однолезвийные режущие инструменты и алмазно-металлические карандаши для правки шлифовальных кругов.

Электрокорунды бывают четырех видов:

1) нормальный электрокорунд 1А, выплавляемый из бокситов, его разновидности – 12А, 13А, 14А, 15А, 16А;

2) белый, выплавляемый из глинозема, его разновидности – 22А, 23А, 24А, 25А;

3) легированные электрокорунды, выплавляемые из глинозема с различными добавками: хромистый 3А с разновидностями 32А, 33А, 34А и титанистый 3А с разновидностью 37А;

4) монокорунд А4, выплавляемый из боксита с сернистым железом и восстановителем с последующим выделением монокристаллов корунда.

Электрокорунды состоят из окиси алюминия Al 2 O 3 и некоторого количества примесей.

Карбид кремния – химическое соединение кремния с углеродом (SiC). Обладает большей твердостью и хрупкостью. чем электрокорунды. В зависимости от процентного содержания карбида кремния этот материал бывает зеленого (6С) и черного (5С) цветов. Первый содержит не менее 97 % кремния. Второй вид (черный) выпускают следующие разновидности: 52С, 53С, 54С и 55С. Из зерен зеленого карбида кремния изготавливают различные абразивные инструменты (например, шлифовальные круги) для обработки твердых сплавов и неметаллических материалов, а из зерен черного карбида кремния – инструменты (шлифовальные круги) для обработки изделий из чугуна, цветных металлов и для заточки режущих инструментов (резцов, сверл и т. д.).

Кубический нитрид бора (КНБ) – соединение бора, кремния и углерода. КНБ обладает твердостью и абразивной способностью, близкими к алмазу.

Синтетический алмаз (АС) имеет то же строение, что и природный. Физико-механические свойства синтетических алмазов хороших сортов аналогичны свойствам природных алмазов. Синтетические алмазы выпускают пяти марок АСО, АСР, АСК, АСВ, АСС.

Материаловедение: конспект лекций Алексеев Виктор Сергеевич

2. Сверхтвердые материалы

2. Сверхтвердые материалы

Для изготовления различного режущего инструмента в настоящее время в различных отраслях промышленности, в том числе в машиностроительной, применяются три вида сверхтвердых материалов (СТМ): природные алмазы, поликристаллические синтетические алмазы и композиты на основе нитрита бора (эльбора).

Природные и синтетические алмазы обладают такими уникальными свойствами, как самая высокая твердость (HV 10 000 кгс/мм 2), у них весьма малые: коэффициент линейного расширения и коэффициент трения; высокие: теплопроводность, адгезионная стойкость и износостойкость. Недостатками алмазов являются невысокая прочность на изгиб, хрупкость и растворимость в железе при относительно низких температурах (+750 °C), что препятствует использованию их для обработки железоуглеродистых сталей и сплавов на высоких скоростях резания, а также при прерывистом резании и вибрациях. Природные алмазы используются в виде кристаллов, закрепляемых в металлическом корпусе резца Синтетические алмазы марок АСБ (балас) и АСПК (карбонадо) сходны по своей структуре с природными алмазами Они имеют поликристаллическое строение и обладают более высокими прочностными характеристиками.

Природные и синтетические алмазы применяются широко при обработке медных, алюминиевых и магниевых сплавов, благородных металлов (золота, серебра), титана и его сплавов, неметаллических материалов (пластмасс, текстолита, стеклотекстолита), а также твердых сплавов и керамики.

Синтетические алмазы по сравнению с природными имеют ряд преимуществ, обусловленных их более высокими прочностными и динамическими характеристиками. Их можно использовать не только для точения, но также и для фрезерования.

Композит представляет собой сверхтвердый материал на основе кубического нитрида бора, применяемый для изготовления лезвийного режущего инструмента. По твердости композит приближается к алмазу, значительно превосходит его по теплостойкости, более инертен к черным металлам Это определяет главную область его применения – обработка закаленных сталей и чугунов. Промышленность выпускает следующие основные марки СТМ: композит 01 (эльбор – Р), композит 02 (белбор), композит 05 и 05И и композит 09 (ПТНБ – НК).

Композиты 01 и 02 обладают высокой твердостью (HV 750 кгс/мм 2), но небольшой прочностью на изгиб (40–50 кг/мм 2). Основная область их применения – тонкое и чистовое безударное точение деталей из закаленных сталей твердостью HRC 55–70, чугунов любой твердости и твердых сплавов марок ВК 15, ВК 20 и ВК 25 (HP^ 88–90), с подачей до 0,15 мм/об и глубиной резания 0,05-0,5 мм. Композиты 01 и 02 могут быть использованы также для фрезерования закаленных сталей и чугунов, несмотря на наличие ударных нагрузок, что объясняется более благоприятной динамикой фрезерной обработки. Композит 05 по твердости занимает среднее положение между композитом 01 и композитом 10, а его прочность примерно такая же, как и композита 01. Композиты 09 и 10 имеют примерно одинаковую прочность на изгиб (70-100 кгс/мм 2).

Из книги Работы по металлу автора Коршевер Наталья Гавриловна

Материалы Для ковки в условиях небольшой кузницы можно использовать довольно большое число различных металлов и сплавов. Большинство изделий выполняется из стали всевозможных марок.СтальКак говорилось ранее, для ручной ковки наиболее пригодна так называемая

Из книги Создаем робота-андроида своими руками автора Ловин Джон

Материалы Формовочные материалыПри наличии всевозможных инструментов и приспособлений, модели и песчаной смеси, которую называют формовочной, можно изготовить литейную форму. В нее заливается металл. Этот процесс и есть получение отливки. Процесс изготовления

Из книги Материаловедение: конспект лекций автора Алексеев Виктор Сергеевич

Пьезоэлектрические материалы Существует большое количество разнообразных пьезоэлектрических датчиков. Пьезоэлектрические датчики могут регистрировать вибрации, толчки и тепловое излучение. Компания Pennwall производит уникальный продукт, названный пьезоэлектрической

Из книги Строим дом от фундамента до кровли автора Хворостухина Светлана Александровна

ЛЕКЦИЯ № 10. Твердые и сверхтвердые сплавы 1. Твердые сплавы и режущая керамика Твердые сплавы и режущую керамику получают с помощью методов порошковой металлургии. Порошковая металлургия – область техники, охватывающая совокупность методов изготовления

Из книги Загородное строительство. Самые современные строительные и отделочные материалы автора Страшнов Виктор Григорьевич

1. Неметаллические материалы Еще во второй половине XX в. в нашей стране уделялось большое внимание применению неметаллических материалов в различных отраслях промышленности и народного хозяйства в целом. Было налажено и постоянно наращивалось производство самых

Из книги История электротехники автора Коллектив авторов

4. Композиционные материалы В различных отраслях хозяйства страны, в том числе и в строительстве, широко используются различные композиционные материалы на основе измельченной древесины: древесно-стружечные, древесно-волокнистые плиты, арболит, фибролит, плиты

Из книги Крыши. Устройство и ремонт автора Плотникова Татьяна Федоровна

3. Гидроизоляционные материалы В строительстве, системе ЖКХ широко применяются различные гидроизоляционные материалы, которые предназначены для защиты строительных конструкций, зданий и сооружений от вредного воздействия воды и химически агрессивных жидкостей –

Из книги автора

4. Электроизоляционные материалы В условиях большой распространенности различных электроустановок практически во всех отраслях промышленности и хозяйства страны в целом электроизоляционные материалы получили повсеместное применение. Самая важная характеристика

Из книги автора

5. Смазочные материалы В соответствии со стандартом смазочные материалы классифицируют по происхождению, физическому состоянию, по наличию присадок, по назначению, по температуре применения.По происхождению или исходному сырью смазочные материалы подразделяют

Из книги автора

Материалы Невозможно точно определить, какой из материалов является главным, а какой - второстепенным. Здесь важно все. Неправильный подбор плитки может сказаться на эстетической стороне, а неправильный подбор клеящей прослойки (подстилающего слоя) - на

Из книги автора

Из книги автора

Из книги автора

10.4.1. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ На протяжении многих лет для массивных магнитопроводов применялась конструкционная низкоуглеродистая сталь марки Ст10 с содержанием углерода 0,1%. Требования увеличения магнитной индукции и снижения коэрцитивной силы привели к разработке

Из книги автора

10.4.3. ФЕРРИМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В настоящее время большое внимание уделяется ферритам. Ферриты ведут свое происхождение от магнетита - естественного постоянного магнита, известного на протяжении всей истории человечества. Природный минерал - феррит железа, или

Из книги автора

10.4.4. МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ До 1910 г. постоянные магниты изготовлялись из углеродистой стали, так как эта сталь обладает относительно небольшим значением коэрцитивной силы Нс и большим значением индукции Вr, отношение длины магнитов к поперечному сечению было большим.

Из книги автора

Необходимые материалы Сырьем для цементной черепицы служит портландцемент и кварцевый песок.Для придания цементной черепице гладкой поверхности ее обычно покрывают слоем акриловой или акрилово-силикатной краски. Защитный красочный слой обеспечивает ей высокую