Неметалеві інструментальні матеріали

Для спорядження металорізальних інструментів використовують поряд з природними синтетичні мінерали промислового виробництва, до яких нале-жать мінералокераміка, кермети, нітрид бору та алмази.

Мінералокерамічні інструментальні матеріали. Мінералокерамічні сплави – це мінералокераміка, яка не містить жодних легувальних елементів. Основою кераміки є корунд – мінерал кристалічної будови, який складається з оксиду алюмінію Al₂O₃. Природною сировиною для інструментальної мінера-локераміки є технічний глинозем, який отримують з гідрату глинозему про-жарюванням при температурі 1400–1600 ˚С.

Відпалений глинозем за допомогою віброподрібнювача тонко переме-люють до розміру часточок в основній масі не більшого ніж 1 мкм. Різальні пластини формуються пресуванням зволоженого порошку або литтям пласти-фікованої маси під тиском. Після формування пластини сушать і повторно спікають в електропечах. Для цементування суміші до мікропорошків додають невелику кількість (0,5–1,0 %) оксиду магнію. З цього матеріалу виготовляють стандартні мінералокерамічні різальні пластини.

Мінералокерамічні пластини мають дуже високу твердість, близьку до твердості алмазів. Кристали електрокорунду та мінералокераміка, до складу якої вони входять, мають високу природну температуростійкість (1500 °С), що дає змогу обробляти метали із швидкостями різання 300–800 м/хв.

Суттєвим недоліком мінералокерамічних пластин є їх низька механічна міцність. Для пластин марки ЦМ332, наприклад, межа міцності на згин стано-вить лише 300-400 МПа. Крім того, ці пластини крихкі, а їх леза схильні до викришування, внаслідок чого вони придатні лише для оздоблювальних робіт, а також плавного різання без ударних навантажень.

Кермети. Низька міцність і схильність до викришування мінерало-кераміки ЦМ332 спонукали до створення нових, міцніших марок мінерало-кераміки. Поліпшення властивостей мінералокерамічних матеріалів досягли внесенням до їх складу різноманітних тугоплавних з’єднань – карбідів вольф-раму, титану і молібдену, які отримали назву керметів.

Пластини з керметів промислово виготовляють спіканням у вигляді багатогранних і круглих пластин. Вони мають межу міцності 600–700 МПа, майже вдвічі вищу ніж в пластин марки ЦМ332, проте додавання до мінера-локераміки карбідів тугоплавких металів зменшує їх температуростійкість до 1300 °С. Загалом вища міцність пластин з керметів дає змогу порівняно з твердими сплавами підвищити продуктивність та досягти вищої надійності в роботі. Кермети застосовують для остаточного оброблення металів різанням.

Мінералокерамічні пластини працюють без переточування. Після затуплення усіх лез пластину замінюють новою, оскільки переточування нерентабельне з огляду на дешевий і недефіцитний інструментальний матеріал. Лезам мінералокерамічних пластин надають оптимальних геометричних параметрів та забезпечують елементами для подрібнення стружок. Зараз промисловість випускає велику кількість різноманітних за формою і розмірами твердосплавних багатолезових поворотних різальних пластин, якими споряд-жають, переважно, різці, фрези, зенкери, розвертки. На рис. 1.1 наведено гаму пластин з твердого сплаву, які випускає фірма Mitsubishi.

Для швидкого та надійного закріплення пластин в корпусі різальних іструментів й пришвидшення заміни чи повороту пластин розроблені різно-манітні способи закріплення та конструкції тримачів. Деякі з цих конструкцій для токарних різців показані на рис. 1.2. Для зменшення ударних навантажень, яких зазнають пластини, та для гасіння вібрацій передбачені всілякі варіанти демпфування динамічної силової дії: підпружинення робочого елемента, під-кладки із пластичних металів.

Рис. 1.1. Твердосплавні поворотні непереточувальні пластини

фірми Mitsubishi

Рис. 1.2. Способи кріплення пластин різців

Нітрид бору – це штучний інструментальний матеріал, який отримують синтезом при температурі 1360–2000 ˚С і тиску 6–9 ГПа. У процесі виготовлення, за технологією синтезу азоту з бором утворюються кристали кубічної або гексагональної будови. Із двох модифікацій інструментального матеріалу вищі фізико-механічні властивості має нітрид бору гексагональної структури.

Для спорядження різців використовують полікристали на основі нітриду бору діаметром 3–4 мм та довжиною 4–5 мм. Їх утворюють із кристалів нітриду бору розміром до 100 мкм, розмежованих продуктами кристалізації маточного розчину. Розмір зерен залежить від тиску під час вирощування кристалів і в’язкості розчинника. Структура ельбору може бути двох типів: дрібнозер-ниста і з напрямленою дендритною кристалізацією, а тип структури впливає на рівень нестабільності його різальних властивостей.

Нітрид бору, або ельбор за твердістю поступається лише алмазу. Але міц-ність нітриду бору, з його межею міцності на згин 0,5 ГПа більша ніж міцність алмазу, а температуростійкість є найвищою з усіх різальних іструментів (близько 1800 ˚С). Під час різання нітридом бору відсутнє дифузійне розчинення залізо-містких металів; коефіцієнт тертя низький, як в алмазу. Це дає змогу викорис-товувати ельбор для викінчувального оброблення з високими швидкостями різан-ня (тонкого точіння, розточування й фрезування) високоміцних і тяжкообробних сталей і сплавів, а також сталей, гартованих до високої твердості.

Алмази. Природні алмази – це одна із алотропних форм вуглецю – найтвердіший із природних матеріалів. Мікротвердість алмазів – 100 ГПа, у 7 разів вища від мікротвердості карбідів вольфраму та в 3,5 раза – карбідів титану. Окрім цього, алмази мають високу теплопровідність й не схильні до адгезії. Ці властивості забезпечують високу точність і малу шорсткість оброблених поверхонь.

Синтетичні алмази вперше були отримані в лабораторних умовах у 1958 р. Початково їх отримували з графіту при високих тисках (20 ГПа) та температурах (4000 ˚С), які відповідають природним умовам їх утворення в надрах Землі на великій глибині. За допомогою каталізаторів – рідких металів (Cr, Mo, Co, Fe, Ni) вдалось зменшити тиск до 5–12 ГПа і температуру до 1200 – 2000 ˚С.

Промислове виробництво синтетичних алмазів вперше освоєно в Інсти-туті надтвердих матеріалів АН України в 1961 р., спочатку у вигляді порошків для виготовлення шліфувальних кругів, а потім і в формі великих полі-кристалів – баласів (марки АСП) і карбонадо (марки АСПК) розмірами 4–6 мм і масою до 0,4–0,7 карата.

За твердістю синтетичні полікристали лише незначно поступаються при-родним монокристалам алмазу. За температур різання, які перевищують 750–850 ˚С, алмаз втрачає твердість, перетворюючись в графіт. Проте невисока температуростійкість алмазів (близько 650 ˚С) компенсується їх високою теплопровідністю. Теплота, яка виділяється в процесі різання на поверхнях лез, добре відводиться в глибину алмазу, внаслідок чого температура на робочих поверхнях не перевищує його температуростійкості. Висока твердість і жорст-кість, зносостійкість, низький коефіцієнт тертя дозволяє інструментам, споряд-женим синтетичними алмазами, обробляти різанням тверді, в’язкі і пластичні матеріали (деталі з кераміки, пластмас, кольорових сплавів, склопластиків) із швидкостями різання, які дорівнюють 1000–1200 м/хв. Завдяки здатності кристалів алмазу до великої анізотропії, за умови належної кристалографічної орієнтації зерен можна підвищити стійкість цих інструментів на 200–1000 %.

Алмази використовують також для вигладжування загартованих сталевих поверхонь. Зерна синтетичних алмазів легше розщеплюються під наванта-женням порівняно з природними, утворюючи гострі леза, що сприяє їх успіш-ному застосуванню в абразивних інструментах.