Сверхтвердые материалы (СТМ). Сверхтвердые материалы Классификация искусственных сверхтвердых материалов

Какие материалы считаются сверхтвердыми? Каков диапазон их применения? Существуют ли материалы тверже алмаза? Об этом рассказывает профессор, PhD in Crystallography Артем Оганов.

Сверхтвердыми материалами называются материалы, которые имеют твердость выше 40 гигапаскалей. Твердость - это свойство, которое традиционно измеряется путем царапания. Если один материал царапает другой, то считается, что у него выше твердость. Это относительная твердость, она не имеет жестких количественных характеристик. Строгие количественные характеристики твердости определяются путем теста надавливанием. Когда вы берете пирамидку, сделанную обычно из алмаза, прикладываете некоторое усилие и надавливаете пирамидкой на поверхность вашего тестируемого материала, измеряете силу надавливания, измеряете площадь отпечатка, применяется поправочный коэффициент, и эта величина будет твердостью вашего материала. Она имеет размерность давления, поскольку это сила, деленная на площадь, поэтому гигапаскали (ГПа).

40 ГПа - это твердость кубического поликристаллического нитрида бора. Это классический сверхтвердый материал, который достаточно широко применяется. Самым твердым материалом, известным человечеству до сих пор, является алмаз. Долгое время были попытки, которые не прекращаются и сейчас, открыть материал тверже алмаза. Пока что эти попытки к успеху не привели.

Зачем нужны сверхтвердые материалы? Число сверхтвердых материалов невелико, порядка десяти, может быть, пятнадцать материалов, известных на сегодня. Во-первых, сверхтвердые материалы могут использоваться при резке, полировании, шлифовании, бурении. При задачах, которые связаны со станкостроением, с ювелирным делом, с обработкой камня, разработкой месторождений, с бурением и так далее, - это все требует сверхтвердых материалов.

Алмаз является самым твердым материалом, но он не является самым оптимальным материалом. Дело в том, что алмаз, во-первых, хрупок, во-вторых, алмаз горит в кислородной атмосфере. Представьте себе бур, который разогревается до высокой температуры в кислородной атмосфере. Алмаз, будучи элементарным углеродом, сгорит. И, кроме того, алмазом нельзя резать сталь. Почему? Потому что углерод реагирует с железом, образуя карбид железа, то есть ваш алмаз просто растворится в стали при достаточно высокой температуре, и поэтому нужно искать какие-то другие материалы. Кроме того, алмаз, конечно, достаточно дорог, даже синтетический алмаз не является достаточно дешевым материалом.

Более того, сверхтвердые материалы еще могут пригодиться в бронежилетах и прочих защитных военных приспособлениях. В частности, широко используется такой материал, как карбид бора, который тоже является сверхтвердым и достаточно легким. Такой вот диапазон применения сверхтвердых материалов.

Известно, что сверхтвердые материалы образуются в веществах с сильной ковалентной связью. Ионная связь понижает твердость. Металлическая связь тоже понижает твердость. Связи должны быть сильными, направленными, то есть ковалентными, и по возможности короткими. Плотность вещества тоже по возможности должна быть высокой, плотность в смысле числа атомов на единицу объема. И по возможности симметрия вещества должна быть тоже очень высокой, чтобы вещество было одинаково сильным в этом направлении, и в этом, и в этом. Иначе будет такая же история, как в графите, где связи очень сильные, но лишь в двух направлениях, а в третьем направлении между слоями связи исключительно слабые, в результате вещество получается тоже мягким.

Много институтов, много лабораторий по всему миру занимаются синтезом и разработкой сверхтвердых материалов. В частности, это Институт физики высоких давлений в Подмосковье, Институт сверхтвердых и новых углеродных материалов в Подмосковье, Институт сверхтвердых материалов в Киеве и ряд лабораторий на Западе. Активные разработки в этой области начались, я думаю, с 50-х годов, когда в Швеции и Америке впервые был получен искусственный алмаз. Поначалу эти разработки были секретные, но достаточно скоро в Советском Союзе тоже был налажен синтез искусственных алмазов, как раз благодаря работам исследователей из Института физики высоких давлений и Института сверхтвердых материалов.

Были разного рода попытки создания материалов тверже алмаза. Первая попытка была на основе фуллеренов. - это молекулы, похожие на футбольный мяч, полые молекулы, круглые или несколько удлиненные. Связи между этими молекулами очень слабые. То есть это молекулярный кристалл, состоящий из здоровых молекул. Но между молекулами связи слабые, вандерваальсовы. Если такого рода кристалл сдавить, то между молекулами, между этими шарами начнут образовываться связи, и структура превратится в трехмерносвязную ковалентную очень твердую структуру. Этот материал получил название тиснумит в честь Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов. Предполагалось, что у этого материала твердость выше, чем у алмаза, но дальнейшие исследования показали, что это, скорее всего, не так.

Были предложения и достаточно активная дискуссия по поводу того, что нитриды углерода могут быть тверже, чем алмаз, но, несмотря на активную дискуссию и активные исследования, до сих пор такой материал миру представлен не был.

Была достаточно забавная работа китайских исследователей, в которой они предположили на основе теоретических вычислений, что другая модификация углерода похожа на алмаз во многом, но слегка от него отличается, а называется лонсдейлит. Согласно этой работе, лонсдейлит тверже алмаза. Лонсдейлит интересный материал, тонкие ламели этого материала были обнаружены в ударно-сжатом алмазе. Минерал этот был назван в честь знаменитой женщины Кэтлин Лонсдейл, великого британского кристаллографа, которая жила в 50–70-е годы XX века. У нее была крайне интересная биография, ей даже довелось посидеть в тюрьме, когда она отказалась тушить пожары во время Второй мировой войны. Она была по религии квакер, и квакерам запрещались любые действия, связанные с войной, даже тушить пожары. И за это ее в автозак поместили. Но тем не менее у нее все было хорошо, она была президентом Международного союза кристаллографов, и в ее честь был назван этот минерал.

Лонсдейлит, судя по всем имеющимся экспериментальным и теоретическим данным, все же мягче алмаза. Если посмотреть на работу этих китайских исследователей, то видно, что даже по их расчетам лонсдейлит мягче алмаза. Но как-то вывод был сделан вопреки их собственным результатам.

Таким образом, оказывается, что реального кандидата на смещение алмаза с должности самого твердого вещества нет. Но тем не менее вопрос стоит того, чтобы его проработать. Все-таки многие лаборатории до сих пор занимаются попытками создания такого материала. С помощью нашего метода предсказания кристаллических структур мы решили этим вопросом задаться. И задачу можно сформулировать так: вы ищете не вещество, которое обладает максимальной устойчивостью, а вещество, которое обладает максимальной твердостью. Вы задаете диапазон химических составов, например, от чистого углерода до чистого азота, и все, что посередине, все возможные нитриды углерода включены в ваш расчет, и эволюционно пытаетесь найти все более и более твердые составы и структуры.

Самым твердым веществом в этой системе оказывается тот же алмаз, и добавка азота к углероду ничего не улучшает в этой системе.

Таким образом, гипотезу о нитридах углерода как веществах тверже алмаза можно похоронить.

Мы пробовали все остальное, что предлагалось в литературе, разные формы углерода и так далее - во всех случаях побеждал всегда алмаз. Так что, похоже, алмаз с этого пьедестала не сместить. Но можно изобрести новые материалы, которые предпочтительнее алмаза в ряде других отношений, например, в смысле трещиностойкости или в смысле химической устойчивости.

Например, элементный бор. Нами была открыта структура, новая модификация бора. Эту статью мы опубликовали в 2009 году, и она вызвала колоссальный резонанс. Структура получается приложением небольшого давления к обычному бору и нагревом его до высоких температур. Эту форму мы назвали гамма-бор, и оказалось, что в ней присутствует частичная ионная химическая связь. На самом деле это то, что несколько понизит твердость, но за счет высокой плотности эта модификация все же оказывается самой твердой из известных модификаций бора, ее твердость около 50 ГПа. Давления для синтеза небольшие, и поэтому в принципе можно даже думать о ее синтезе в достаточно больших объемах.

Нами был предсказан ряд других сверхтвердых фаз, таких как фазы в системе «вольфрам - бор», «хром - бор» и так далее. Все эти фазы являются сверхтвердыми, но их твердости все же принадлежат к нижней части этого диапазона. Они ближе к отметке в 40 ГПа, чем к отметке в 90–100 ГПа, что соответствует твердости алмаза.

Но поиски продолжаются, мы не отчаиваемся, и вполне возможно, что мы или наши другие коллеги, работающие над этой темой по всему миру, смогут изобрести материал, который можно будет синтезировать при небольших давлениях и который по твердости будет приближаться к алмазу. Кое-что в этой области уже сделано нами и другими коллегами. Но как это применить технологически, пока не совсем понятно.

Расскажу о новой форме углерода, которая на самом деле была произведена экспериментально еще в 1963 году американскими исследователями. Эксперимент был концептуально достаточно простой: они брали углерод в форме графита и сдавливали его при комнатной температуре. Дело в том, что алмаз так не получить, алмаз требует сильного нагрева. Вместо алмаза в их экспериментах образовывалась прозрачная сверхтвердая неметаллическая фаза, но тем не менее это был не алмаз. И с характеристиками ни одной из известных форм углерода это никак не согласовывалась. В чем дело, что это за структура?

Совершенно случайно, изучая различные структуры углерода, мы натолкнулись на одну структуру, которая лишь ненамного уступала алмазу по устойчивости. Лишь спустя три года после того, как мы эту структуру увидели, посмотрели на нее, даже где-то опубликовали между строк, до нас дошло, что неплохо было бы свойства этой структуры сравнить с тем, что было опубликовано всеми теми исследователями начиная с 1963 года и вплоть до самых недавних лет. И оказалось, что существует полное совпадение. Мы были счастливы, мы быстро опубликовали статью в одном из самых престижных журналов, The Physical Review Letters , а через год статью в том же журнале опубликовали американские и японские исследователи, которые обнаружили, что совершенно другая структура углерода тоже описывает эти же экспериментальные данные. Проблема в том, что экспериментальные данные были достаточно плохого разрешения. Так кто же прав?

Вскоре швейцарские и китайские исследователи предложили еще ряд модификаций. И под занавес один китайский исследователь опубликовал около сорока структур углерода, большинство из которых тоже описывают эти же экспериментальные данные. Он мне пообещал, что, если ему будет не лень, он еще порядка ста структур предложит. Так какая же структура правильная?

Для этого пришлось исследовать кинетику преобразования графита в различные структуры углерода, и оказалось, что нам крупно повезло. Оказалось, что наша структура является наиболее предпочтительной с точки зрения кинетики преобразования.

Спустя месяц после опубликования нашей статьи вышла экспериментальная работа, в которой экспериментаторы сделали наиболее точный эксперимент с данными гораздо лучшего разрешения, чем прежде, и действительно оказалось, что из всех тех десятков опубликованных структур только одна структура объясняет экспериментальные данные - это все же наша структура. Этот новый материал мы назвали М-углерод, поскольку симметрия его моноклинная, от первой буквы М.

Этот материал лишь ненамного уступает по твердости алмазу, но есть ли какое-то свойство, в котором он превосходит алмаз, до сих пор непонятно.

До сих пор это, можно сказать, «вещь в себе». Мы продолжаем поиски и надеемся, что нам удастся изобрести материал, который, не сильно уступая алмазу по твердости, значительно будет его обгонять по всем остальным характеристикам.

Один из способов улучшения механических характеристик веществ состоит в их наноструктурировании. В частности, повысить твердость того же самого алмаза можно, если создавать нанокомпозиты алмаза или же нанополикристаллы алмаза. В таких случаях твердость удается повысить даже в 2 раза. И это было сделано японскими исследователями, и сейчас можно видеть продукцию, которую они производят, достаточно большие, порядка кубического сантиметра нанополикристаллы алмаза. Основная проблема с этими нанополикристаллами в том, что они настолько тверды, что их практически невозможно даже отшлифовать, и целая лаборатория шлифует это неделями.

Вот таким образом можно как менять химизм, менять структуру вещества в поисках улучшения его твердости и прочих характеристик, так и менять размерность.

Материаловедение: конспект лекций Алексеев Виктор Сергеевич

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

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

Значительным резервом повышения производительности обработки резанием является применение инструмента, оснащенного пластинами из СТМ на основе поликристаллических алмазов, кубического и гексагонального нитрида бора.

СТМ принято называть материалы, имеющие твердость по Виккерсу при 20°С свыше 35 гПа. Субмикромелкая зернистость СТМ (некоторых типов) позволяет обеспечить при заточке инструмента радиус скругления кромок 0,3-3 мкм, а благодаря исключительно высоким «горячей твердости» (измеряется на образцах, нагретых до соответствующей температуры в вакууме) и износостойкости инструмент из СТМ может быть использован на высоких и сверхвысоких скоростях резания. Например, инструмент из СТМ при резании на скоростях 900-1200 м/мин позволяет получить параметры шероховатости обработанной поверхности Ra<0,8-0,1 мкм. Это значительно меньшая шероховатость, чем шероховатость, полученная при шлифовании, и соизмерима с шероховатостью после притирки, суперфиниширования или алмазного выглаживания.

В настоящее время выпускают большое число марок СТМ на основе плотных модификаций нитрида бора и алмаза (табл.2.5).

Таблица 2.5

Характеристики физико-механических свойств сверхтвердых материалов на основе нитрида бора и алмаза (20°С)

СТМ	r, г/см 3	d сж, гПа	d и, гПа	HV, гПа	Е , гПа	К 1С, мПа/м 2
Композит 01* (эльбор-РМ)	3,4	2,7	-			4,2
Композит 02* (бельбор)	6,5	-	-	-	-	-
Композит 05*	4,3	2,2	0,47	18,8		6,7
Композит 09* (ПТНБ)	-	3,4-4,9	1,0	-	-	-
Композит 10* (гексанит)	3,4	2,6	1,0-1,2		-	3,8
Боразон*	3,48	-	-		-	-
Амборит*	-	-	0,57	40,5		-
АСБ**	3,5-3,9	0,21-0,4	0,5-1,0	50-114	-	-
АСПК**	3,5-4,0	-	0,5-1,0	92-150	-	-
СВБН**	3,34-3,46	8-10	-	70-100	-	-

Окончание табл. 2.5

Карбонит**	3,2-3,4	4,42-5,88	-	39-44	-	-
Компакс**	-	-	-		-	-
Мегадаймонд**	3,1-3,48	-	-	-	-	-

* СTM на основе нитрида бора

**СТМ на основе алмаза

Свойства кубического нитрида бора (КНБ) обусловлены чисто кова-лентным характером связи атомов с высокой локализацией валентных электронов у атомов. Для КНБ характерна высокая химическая устойчивость, твердость, термостабильность при температуре 1450°С. Это делает возможным применение сверхвысоких скоростей резания (до 1200 м/мин) для инструмента из КНБ. Однако сравнительно низкая прочность (s и »0,47-0,7 гПа) и повышенная хрупкость КНБ позволяют использовать инструмент только для чистовой обработки заготовок из хрупких, твердых материалов при ограниченном сечении срезаемого материала и повышенной жесткости технологической системы. Применение инструмента из КНБ для обработки высокопрочных чугунов, закаленных сталей (HRCэ > 40) и некоторых сплавов позволяет в 10-20 раз превысить скорость резания этих материалов твердосплавным инструментом.

Лезвийный инструмент, оснащенный природными монокристаллами и синтетическими поликристаллами алмазов, а также кубическим нитридом бора, обеспечивает высококачественную обработку деталей из цветных металлов и сплавов, закаленных сталей и чугуна, неметаллических материалов, твердого сплава и минералокерамики в условиях серийного, массового и автоматизированного производства. Этот инструмент обладает высокой стойкостью, позволяет получать изделия высокой точности без переналадки в течение длительного времени, что определяет эффективность его применения на автоматических линиях и станках с ЧПУ. В ряде случаев применение подобного инструмента позволяет заменять операции шлифования лезвийной обработкой.

Применяемые для изготовления режущих инструментов природные алмазы (А) относятся к группе ограненных, т.е. алмазов, которым придается требуемая геометрическая форма и размеры. Алмаз и графит по химическому составу представляют собой чистый углерод и являются лишь его разными модификациями, отличающимися расположением атомов в структурной решетке. Графит имеет гексагональную (шестигранную) структурную решетку с расстоянием между слоями 3,35 А. Атомы углерода расположены в слое по вершинам правильных шестиугольников. Расстояние между атомами в слое равно 1,42 А; центры шестиугольников остаются пустыми. Взаимная ориентация слоев такова, что три вершины шестиугольника одного слоя расположены над центрами шестиугольников следующего слоя. В результате такого строения графита связи между атомами углерода в слое очень прочные, а между слоями, в виду большого расстояния между ними, очень слабые, что приводит к легкому расслоению графита в этом направлении.

Алмаз имеет кубическую кристаллическую решетку, содержащую 18 атомов углерода, из которых 8 расположены в вершинах куба, 6 - в центрах граней куба и 4 - в центрах 4-х из 8 кубов, образованных делением элементарной кубической ячейки тремя взаимно перпендикулярными плоскостями. Постоянная кристаллической решетки алмаза равна 3,57 А, а кратчайшее расстояние между атомами составляет 1,54 А. Каждый атом углерода в решетке алмаза связан общими электронами с четырьмя эквивалентными атомами. Атомы углерода в алмазе обладают чрезвычайно прочными ковалентными связями, которые и обуславливают ее исключительно высокую твердость и другие особенности.

Алмаз анизотропен по твердости, что обусловлено неодинаковым расстоянием между атомами в различных направлениях и неодинаковым количеством атомов, содержащихся в различных плоскостях. Свойство анизотропности алмаза по твердости учитывают при изготовлении однокристального алмазного инструмента.

Условно различают «твердые» и «мягкие» направления в кристаллах алмаза. По мягким направлениям алмаз обрабатывается легче, но больше изнашивается, чем по твердым. При изготовлении инструментов алмаз необходимо обрабатывать в «мягком» направлении, а в процессе работы ориентировать кристалл так, чтобы износ происходил в «твердом» направлении. Направления в кристаллах определяют по их внешней форме и на специальных установках с помощью рентгеновских лучей или звуковых колебаний. Лабораторными испытаниями установлено, что точность ориентации главной режущей кромки инструмента, относительно кристаллографических осей оказывает более существенное влияние на стойкость алмазного инструмента, чем другие параметры процесса резания, включая и элементы режима резания. Производительность шлифования монокристалла алмаза, в «твердом» и «мягком» направлениях может отличаться почти в 100 раз.

Алмаз обладает самой высокой твердостью из всех известных в природе минералов; по шкале Моса алмаз занимает наивысшее, десятое место. Микротвердость алмаза по Виккерсу (измеряется алмазной пирамидкой с углом между противоположными гранями 136°) равна примерно 100 гПа. Наряду с высокой твердостью алмаз облает высокой износостойкостью и абразивной способностью.

Алмаз обладает исключительно высокой теплопроводностью. Коэффициент линейного расширения алмаза во много раз меньше коэффициента линейного расширения твердых сплавов. Поэтому инструменты с кристаллами алмаза обладают малыми температурными деформациями. Модуль упругости алмаза превышает модуль упругости всех известных в природе твердых веществ.

Одним из важных свойств алмаза является низкий коэффициент трения. Недостатком алмаза как инструментального материала является его сравнительно низкая теплостойкость. На воздухе алмаз сгорает при температуре 850-1000°С.

Ограниченные запасы природных алмазов, а также их высокая стоимость вызвали необходимость разработки технологий искусственных алмазов. Условия получения искусственных алмазов заключаются в воздействии на алмазообразующий материал, содержащий углерод (графит, сажа, древесный уголь), давлением 60 тыс. атмосфер при температуре 2000-3000°С, что обеспечивает подвижность атомов углерода и возможность перестройки структуры графита в структуру алмаза. Синтез осуществляется в высокопрочных сосудах - автоклавах в присутствии химических катализаторов (железо, никель, хром и др.). При получении алмазов без катализаторов требуется давление 215 тыс. атмосфер и температура свыше 3770°С.

Для обработки закаленных сталей и высокопрочных чугунов эффективен кубический нитрид бора (КНБ).

Существует три варианта техпроцессов получения СТМ:

Синтез из гексагонального нитрида, бора;

Синтез из вюртцитоподобного нитрида бора;

Спекание из порошков кубического нитрида бора с легирующими добавками.

По первому варианту технологического процесса изготовляются Композит 01(Эльбор-Р)* и Композит 02 (Бельбор). Синтез Композита 01 происходит с катализатором, а Композита 02 - без катализатора. Конечный продукт в обоих случаях - кубический нитрид бора.

По второму варианту техпроцесса получают Композит 10 (Гексанит-Р) и Композит 09 (ПТНБ). Композит 10 получают путем синтеза и спекания. Исходный материал - вюрцитоподобный нитрид бора, конечный - смесь вюрцитоподобного и кубического нитрида бора. Композит 09 является результатом синтеза из смеси вюрцитоподобного и кубического нитрида бора, конечный продукт - кубический нитрид бора.

По третьему варианту технологического процесса изготовляется Композит 05 (спекание из порошков КНБ и Аl 2 О 3) и его модификация - композит 05 И.

Поликристаллы всех этих марок отличаются размерами и физико-механическими свойствами.

Композиты 01 и 02 имеют максимальную микротвердость (»75 гПа), но небольшую прочность (s и »0,4-0,5 гПа); диаметр и высота заготовок в этом случае около 4 мм, масса 0,8 карат. Наличие вюрцита в исходном и конечном материалах повышает прочность, но снижает твердость получаемого поликристалла

Композит 10 имеет микротвердость 40-50 гПа, но прочность его выше, чем у Композитов 01 и 02 (s и »0,7-1 гПа). Диаметр поликристаллов Композита 10 равен 4-6 мм, высота 4-5 мм, масса »1,5 карата.

Кубический нитрид бора превосходит по твердости все материалы, кроме алмаза; меньшая твердость объясняется в основном тем, что параметры решетки кубического нитрида бора несколько больше, чем у решетки алмаза. Теплостойкость КНБ выше теплостойкости алмаза; КНБ не теряет своих режущих свойств до температуры »1200°С. Именно эти уникальные свойства, наряду с химической инертностью к железосодержащим сплавам и высокой износостойкостью, предопределили возможность применения КНБ при обработке закаленных и высокопрочных сталей, а также чугунов с высокими скоростями резания.

Одним из направлений совершенствования режущих свойств инструментов, позволяющим повысить производительность труда при механической обработке, является повышение твердости и теплостойкости инструментальных материалов. Наиболее перспективными в этом отношении являются алмаз и синтетические сверхтвердые материалы на основе нитрида бора.

Алмазы и алмазные инструменты широко используются при обработке деталей из различных материалов. Для алмазов характерны исключительно высокая твердость и износостойкость. По абсолютной твердости алмаз в 4 - 5 раз тверже твердых сплавов и в десятки и сотни раз превышает износостойкость других инструментальных материалов при обработке цветных сплавов и пластмасс. Кроме того, вследствие высокой теплопроводности алмазы лучше отводят теплоту из зоны резания, что способствует гарантированному получению деталей с бесприжоговой поверхностью. Однако алмазы весьма хрупки, что сильно сужает область их применения.

Для изготовления режущих инструментов основное применение получили искусственные алмазы , которые по своим свойствам близки к естественным. При больших давлениях и температурах в искусственных алмазах удается получить такое же расположение атомов углерода, как и в естественных. Масса одного искусственного алмаза обычно составляет 1/8-1/10 карата (1 карат - 0,2 г). Вследствие малости размеров искусственных кристаллов они непригодны для изготовления таких инструментов, как сверла, резцы и другие, а поэтому применяются при изготовлении порошков для алмазных шлифовальных кругов и притирочных паст.

Лезвийные алмазные инструменты выпускаются на основе поликристаллических материалов типа «карбонадо» или «баллас». Эти инструменты имеют длительные размерные периоды стойкости и обеспечивают высокое качество обработанной поверхности. Применяются они при обработке титановых, высококремнистых алюминиевых сплавов, стеклопластиков и пластмасс, твердых сплавов и других материалов.

Алмаз как инструментальный материал имеет существенный недостаток - при повышенной температуре он вступает в химическую реакцию с железом и теряет работоспособность.

Для того чтобы обрабатывать стали, чугуны и другие материалы на основе железа, были созданы сверхтвердые материалы , химически инертные к нему. Такие материалы получены по технологии, близкой к технологии получения алмазов, но в качестве исходного вещества используется не графит, а нитрид бора.

Поликристаллы плотных модификаций нитрида бора превосходят по теплостойкости все материалы, применяемые для лезвийного инструмента: алмаз в 1,9 раза, быстрорежущую сталь в 2,3 раза, твердый сплав в 1,7 раза, минералокерамику в 1,2 раза.

Эти материалы изотропны (одинаковая прочность в различных направлениях), обладают микротвердостью меньшей, но близкой к твердости алмаза, повышенной теплостойкостью, высокой теплопроводностью и химической инертностью по отношению к углероду и железу.

Характеристики отдельных из рассматриваемых материалов, которые в настоящее время получили название «композит», приведены в таблице.

Сравнительные характеристики СТМ на основе нитрида бора

Марка	Первоначальное название	Твердость HV, ГПа	Теплостойкость, o С
Композит 01	Эльбор-Р	60...80	1100...1300
Композит 02	Белбор	60...90	900...1000
Композит 03	Исмит	60	1000
Композит 05	Композит	70	1000
Композит 09	ПКНБ	60...90	1500
Композит 10	Гексанит-Р	50...60	750...850

Эффективность применения лезвийных инструментов из различных марок композитов связана с совершенствованием конструкции инструментов и технологии их изготовления и с определением рациональной области их использования:

композиты 01(эльбор-Р) и 02 (белбор)

композит 05

композит 10 (гексанит-Р)

При этом период стойкости инструментов возрастает в десятки раз по сравнению с другими инструментальными материалами.

Алмазы характеризуются высокой твердостью, хорошей теплопроводностью (А,=137,9... 146.3 Вт/(м К)). Теплостойкость алмазов недостаточно высокая; алмазы начинают графитизироваться при температурах 800...900 °С. Кубический нитрид бора КНБ имеет более низкую твердость по сравнению с алмазом, примерно в три раза меньшую теплопроводность (λ = 41,86 Вт/(м К)). У КНБ значительно более высокая теплостойкость. Преобразование структуры кубического нитрида бора в графитоподобную гексагональную модификацию начинается при температурах 1200...1400°С и резко возрастает при нагреве до

1600...1800°С.

Композиционные материалы (поликристаллы) получают различными способами. Так, алмазные поликристаллы типа баллас (АСБ) и карбонадо (АСПК) получают пропиткой пористых прессовок, сформированных из алмазных порошков с металлическими покрытиями. По аналогичной технологии получают материалы эльбор-Р из кубического нитрида бора. Для изготовления лезвийного режущего инструмента, например резцов, разработаны композиционные материалы типа ПТНБ из смесей кубического и вюрцитного нитрида бора.

Синтетические алмазы получают из углеграфитовых материалов в специальных камерах высокого давления, изготовленных из высокопрочных материалов. Высокая температура достигается пропусканием электрического тока через нагревательное устройство.

Заштрихованная область 1 соответствует реальным условиям превращения графита в алмаз в присутствии катализаторных добавок. Полоса со штриховкой 2 показывает границу прямого фазового перехода графита в алмаз.

В статических условиях с применением катализаторов возможно получение кубйче- ской решетки алмаза из слоистой кристаллической решетки графита в условиях высоких давлений и температур (р=5000...7000 МПа, Т- не ниже 1400... 1500 К). Катализаторами являются металлы, которые в процессе синтеза находятся в жидком состоянии и способны растворять углерод в виде частиц со слоистой графитовой структурой. Из этих частиц образуются зародыши новой алмазной фазы.

Рис. 16. Фазовая диаграмма

Углерода «давление–температура»

В промышленности выпускаются разнообразные порошки синтетических и природных алмазов, используемых в различных областях техники.

Алмазные порошки классифицируются в зависимости от метода получения и размера зерен на следующие группы:

1. Алмазные шлифпорошки с размером зерен от 40...50 мкм до 630...800 мкм.Шлифпорошки из синтетических алмазов выпускаются следующих основных марок: АС2, АС4, АС6, АС 15, АС20, АС32, АС50. Чем выше число, стоящее после индексов АС, тем больше прочность зерен алмазов.

2. Алмазные шлифпорошки с покрытиями поверхности зерен.

Применение покрытий зерен алмазов повышает стойкость инструментови снижает расход алмазов. В качестве стандартных используются следующие виды покрытий зерен:

Покрытие типа К пленкой карбида металла;

Покрытие типа КМ пленками сплавов, содержащих кремний;

Покрытие типа НТ, являющееся карбидо-металлическим;

Покрытие типа А, при котором совокупность агрегатов из нескольких алмазных зерен имеет карбидо-металлическую пленку;

Покрытие типа АН - модификация покрытия А, отличающаяся введением в агрегаты из алмазных зерен дополнительно наполнителя (карбид бора, карбид титана, электрокорунд и др.).

3. Алмазные микропорошки с размером зерен от < 1,0 мкм до 40.. .60 мкм.

Они выпускаются двух разновидностей:

650.. Алмазные микропорошки марок AM из природных алмазов и марок АСМ из синтетических алмазов;

651.. Алмазные микропорошки марок АН из природных алмазов и марок АСН из синтетических алмазов. Они имеют более высокую абразивную способность (на 25...30 %) по сравнению с микропорошками AM и АСМ.

Микропорошки AM и АСМ используют при доводочных работах изделий из закаленных сталей, стекла, керамики и др. Для обработки изделий из более твердых материалов (корунда, керамики, природных алмазов и других труднообрабатываемых материалов) рекомендуются микропорошки АН и АСН.

Микропорошки применяются для изготовления абразивных инструментов, а также использования в свободном незакрепленном состоянии в пастах и суспензиях.

Промышленность выпускает микропорошки зернистостью 60/40, 40/28, 28/20, 20/14, 14/10, 10/7 и др. до 1/0 мкм. В обозначении марок числитель показывает максимальный, а знаменатель минимальный размеры основной фракции порошка в микрометрах.

1.2 Контрольные вопросы:

Какое строение макромолекул имеют полимеры?
Как изменяется строение олигомеров (смол) в процессе отверждения?
Какие межмолекулярные взаимодействия имеют место между макромолекулами?
Какую надмолекулярную структуру имеют каучуки в высокоэластичном физическом состоянии?
Что понимается под цис-конфигурацией макромолекул каучуков?
Какое строение имеют графитовые материалы?
Какое строение имеют силикатные стекла?
Какие окиси промышленных стекол являются стеклообразующими?
Какие физические состояния имеет неорганическое стекло при разных температурах?
В каком физическом состоянии проводится формование изделий из силикатных стекол?
Какое строение имеют стеклокристаллические материалы?
Какие катализаторы применяются при получении стеклокристаллических материалов?
С какой целью применяется двухступенчатая тепловая обработка стекла при изготовлении стеклокристаллических материалов?
Какие химические соединения применяются в качестве абразивных материалов?
Какие требования предъявляются к абразивным материалам?
Из каких двух составляющих состоят абразивные инструменты?
Что понимается под структурой абразивного инструмента?
Какие материалы относятся к классу сверхтвердых материалов?
На какие разновидности подразделяются сверхтвердые материалы?
Какие свойства имеют алмазы и кубический нитрид бора?
Что представляют собой композиционные материалы?

2 Практическое занятие № 2 «Определение параметров шлифования неметаллических материалов» (МЕ-3 Обработка шлифованием неметаллических материалов)

Задания к практическому занятию

На практическом занятии студент представляет презентацию (сообщение), подготовленную в рамках самостоятельной и исследовательской работы. Презентация должна содержать: технологические возможности данного вида обработки, ограничения, оборудование, приспособление и режущий инструмент, критерии выбора СОТС, возможные пути автоматизации.

Краткие сведения из теории

Общее понятие о шлифовании

В примитивных случаях применяют твёрдый зернистый песок или более твёрдый наждак, насыпают его на твёрдую поверхность и трут об неё обрабатываемый предмет. Угловатые зерна, катаясь между обеими поверхностями, производят большое число ударов, от которых разрушаются понемногу выдающиеся места этих поверхностей, и округляются и распадаются на части сами шлифующие зерна. Если же одна из поверхностей мягкая, зерна в неё вдавливаются, остаются неподвижными, и производят на второй поверхности ряд параллельных царапин; в первом случае получается матовая поверхность, покрытая равномерными ямками, а во втором - так называемый «штрих», сообщающий поверхности блеск, переходящий в полировку, когда штрих так мелок, что становится незаметным для глаза. Так, при шлифовке двух медных пластинок одной об другую с наждаком, обе получаются матовыми, а тот же наждак, будучи наклеен на поверхность бумаги, сообщит при трении об латунную поверхность блеск.

Хрупкое, твёрдое стекло стирается больше мягкой и упругой металлической пластинки, а порошок алмаза может стирать поверхность самого алмаза и куски кварца можно обрабатывать на точиле из песчаника. Ямки, производимые зёрнами наждака, тем мельче, чем мельче сами эти зерна; поэтому шлифованием можно получать наиболее точно обработанные поверхности, как это делают при шлифовании оптических стекол.

Виды шлифования

Плоское шлифование - обработка плоскостей и сопряжённых плоских поверхностей;

Ленточное шлифование - обработка плоскостей и сопряжённых плоских поверхностей «бесконечными» (сомкнутыми в кольцо) лентами;

Круглое шлифование - обработка цилиндрических и конических поверхностей валов и отверстий.

Круглое шлифование подразделяется на внутреннее (расточка) и наружное. Внутреннее же в свою очередь делится на обычное и планетарное (обычное - отношение диаметра отверстия детали к диаметру образива D=0,9d, планетарное - D=(0,1…0,3)d);

Бесцентровое шлифование - обработка в крупносерийном производстве наружных поверхностей (валы, обоймы подшипников и др);

Резьбошлифование;

Зубошлифование, шлицешлифование.