Однокарбідні тверді сплави добре зарекомендували себе при обробці чавунів. Для виготовлення інструменту, який працює з ударним навантаженням (обдирочні операції, переривисте точіння) застосовують грубозернисті тверді сплави (ВК6В). Згідно з нормами ІSO одно карбідні тверді сплави у своєму позначенні мають букву К (К01, К05, К10, К20, К30, К40) і фарбуються у червоний колір.Тут маркування ведеться не по хімічному складу, а по механічних (експлуатаційних) властивостях, тому деякі однокарбідні тверді сплави не обовязеоко будуть у марці мати букву К. В деякій технічній літературі зустрічається позначення НW.
Двохкарбідні тверді сплави (ТК) у своєму складі містять карбід вольфраму (основна складова), карбід титану і кобальт. Широко застосовуються марки Т30К4, Т5К10, Т15К6 (15% ТіС; 5%Со, 80%WC). При однаковому вмісті кобальту двох карбідні тверді сплави мають вищу твердість і хрупкість ніж одно карбідні, тому їх використовують для напівчистової і чистової обробки сталі. Згідно з нормами ІSО їх маркування починається з букви Р (Р01, Р10, Р15, Р20, Р30, Р40) і фарбуються в синій колір, в деякій літературі вони позначаються НТ.
Трьохкарбідні тверді сплави (ТТК) складаються з карбіду вольфраму, карбіду титану, карбіду танталу і металічного кобальту (зв’язки). Використо-вуються марки ТТ7К12 і ТТ20К4, вони характеризуються високою зносостійкістю і експлуатаційною міцністю (σв=1,3-1,6 мПа), добре витримують ударні навантаження, вібрації і використовуються при струганні і фрезеруванні. Згідно з нормами ІSO їх маркування починається з букви М (М10, М20, М30, М40), або НМ, колір жовтий.
Безвольфрамові тверді сплави створені на основі карбіду і карбонітриду титану, карбіду хрому і тугоплавких зв’язок, зокрема кобальт нікелевої. Ці сплави характеризуються окалиностійкістю, низьким коефіцієнтом тертя, пониженою схильністю до адгезії з оброблюваним матеріалом, але вони мають нижчу міцність, яку втрачають при підвищенні температури, мають низьку теплопровідність. Це сплави: КНТ16;ТН20;ТН30;ТМ1;ТМ3;КХН30. Вони застосовуються для напівчистової і чистової обробки конструкційних низьколегованих сталей і чавунів.
Інститутом надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України розроблені нові тверді сплави (ВН і ВКН), які за своїми властивостями близькі до сплавів ВК з однаковою кількістю зв’язки. Дослідження експлуатаційних властивостей цих сплавів при обробці різанням чавунів, сталей, в буровому і штамповому інструменті підтвердило їх добру якість. Це сплави ВН6;ВН8;ВН10;ВН15.
Розробка цих інструментальних матеріалів викликана відсутністю в Україні необхідної сировинної бази (кобальту). Нікель в 2_3 рази дешевший кобальту. Собівартість твердих сплавів на нікелевій основі на 10-20% нижча ніж сплавів ВК.
1.3 ІНСТРУМЕНТАЛЬНА КЕРАМІКА
Інтенсивний розвиток виробництва, дефіцитність вольфраму, інтенсивний розвиток кераміки привело до створення керамічних інструментальних матеріалів. В залежності від хімічного складу, способу виробництва вони поділяються на три групи.
Оксидна (біла) кераміка складається з оксиду алюмінію (Al2O3)≈99% з незначними домішками оксиду магнію (MgO) і інших елементів. Сюди відносяться марки ВО13;ЦМ332;ВШ75. Пластинки з білої кераміки виготовляють методом холодного пресування з послідуючим спіканням. Основна область застосування – чистова обробка сірих чавунів і негартованих сталей. Розмір зерен – біля 1-2 мкм. Низька міцність на згин (σзг=0,3-0,4 гПа) і термоциклічна втома дозволяють використовувати ці матеріали тільки для чистових і напівчистових операцій при наявності вібростійкого обладнання, але зате швидкість різання може досягати 300-600 м/хв.
Оксидно-карбідна (чорна) кераміка складається з оксиду алюмінію (60-80%) і карбідів тугоплавких металів (TiC;WC;MoC) – до 40%. Сюди відносяться матеріали марок В3;ВОК60;ВОК63. Пластинки з оксидно-карбідної кераміки одержують методом гарячого пресування в графітових прес-формах, тому вони дорожчі. Оксидно_карбідна кераміка служить, в основному, для обробки від білених чавунів, цементованих, гартованих і термічно покращених сталей і видержують температура в процесі різання до 1300 оС.
Пластинки з оксидно-карбідної кераміки мають дрібнішу структуру ніж з білої кераміки, вищу твердість і зносостійкість, краще сприймають термічні навантаження. Але в порівнянні з твердими сплавами їх міцність і опір термоциклічним навантаженням значно менші, тому вони використовуються тільки для чистової і напівчистової обробки.
Оксидно-нітридна кераміка складається з нітриду кремнію і тугоплавких металів з домішками оксиду алюмінію і деяких інших компонентів – це матеріали картиніт ОНТ20 і силініт-Р (твердість 94-96 НRA, швидкість різання 1500 м/хв). Картиніт використовують для обробки загартованих сталей (НRC30-55) ковких, модифікованих і відбілених чавунів з твердістю НВ 300-600, термо-покращених сталей.
Силініт Р займає проміжне місце між твердими сплавами на карбідній основі і надтвердими матеріалами на основі алмазу і нітриду бору. Дослідження показали, що його можна застосовувати при чистовій обробці чавуну, сталей сплавів алюмінію і титану. Основна його перевага в не дефіцитності вихідних матеріалів.
1.4.ПОЛІКРИСТАЛІЧНІ НАДТВЕРДІ МАТЕРІАЛИ
До цієї групи відносяться алмази і кубічний нітрид бору. Алмаз найтвердіший з всіх відомих матеріалів, його твердість 100 гПа., він має високу зносостійкість. Добру теплопровідність, малий коефіцієнт тертя і малу адгезію з металами ( за виключенням заліза і його сплавів з вуглецем). Недоліки алмазу як інструментального матеріалу це низька теплостійкість (800оС) і значна хрупкість, що вимагає жорсткого і вібростійкого обладнання.
Різальні інструменти виготовляють як з природних так і з штучних алмазів. Штучні (синтетичні) алмази виготовляють з графіту при тисках біля 1000 гПа і температурі біля 2500оС з витримкою від мікросекунд до десятків секунд. При цих умовах гексагональна гратка графіту перетворюється в кубічну гратку природного алмазу.Природні і штучні алмази мають одинакові параметри кристалічної гратки, близькі фізичні і хімічні властивості, але синтетичні алмази значно дешевші і їх властивості можна регулювати в процесі виготовлення. В техніці біля 90% алмазних інструментів виготовлені на основі синтетичних алмазів.
Промисловість випускає синтетичні алмази у вигляді порошків (монокри-стали), полікристалів і композиційних матеріалів. Алмазні порошки використовуються для виготовлення абразивного інструменту, Для виготовлення лезового інструменту використовуються полікристали марок: баллас, карбонадо, карболіт. Карбонадо кращі балласів, їх міцність позволяє видержувати значні без ударні навантаження, робоча температура не вище 650оС.
В останні 10-15 років активно розвивається новий напрям створення алмазних матеріалів –CVD (chemikalvapourdeposition – метод хімічного осадження з газової фази). Він відомий з 1889 року. Його суть у вирощуванні твердого матеріалу з газової фази з використанням суміші реакційних газів, з яких поступають необхідні реагенти на поверхню підложки.
При вирощуванні алмазів CVDметодом таким реагентом є вуглець. Цей метод при використанні реагентів дуже високої чистоти дає можливість одержувати кристали алмазу оптичної якості.
На відміну від синтезу в умовах високої температури і тиску (НР/НТ метод) вирощування алмазу СVD методом проходить при високій температурі і тиску нижче атмосферного. Алмаз, одержаний CVDметодом, являє собою полікристалічний матеріал з зернистою структурою. Вирощувані за тонко-плівковою технологією зерна СVD алмазу ростуть з дрібних зерен, які зростаються і , по мірі збільшення і потовщення шару, надають СVD алмазу стовбчасту структуру. Твердість CVDкристала алмазу становить 81± 18 гПа, а монокристал має 57 гПа в площині 100 і 104 гПа в площині 111.
Полікристали мають ряд переваг: розмір Ø=8мм, що спрощую кріплення, мають однорідну зернисту будову (відсутня анізотропія через наявність не алмазних (графітних і карбідних) фаз, електропровідні, міцність на згин в 2-3 рази вище алмазу. Вони використовуються для обробки титанових сплавів, високо кремнієвих сплавів, композиційних матеріалів, мінералокераміки, забезпечують високу точність, але мало ефективні при обробці сплавів на основі заліза, дорогі.
На основі синтетичних алмазів випускаються композиційні матеріали у яких підложка 2-4 мм твердосплавна пластинка і алмазне покриття товщиною ≈1 мм, що позволяє об’єднати високу твердість і зносостійкість алмазів і міцність твердого сплаву.
Композити. Основою полікристалічних надтвердих матеріалів, які мають комплект унікальних фізико-механічних і експлуатаційних властивостей, складає нітрид бору (ВN). Це ковалентне зєднання бору з азотом. В природі воно не зустрічається. Нітрид бору відкритий і синтезований в першій половині ХІХ століття, він має кристалічну гратку графіту, має високу температуру плавлення (>2200оК), не розчиняється ні в одному з відомих розчинників, проводить електричний струм. Відомі три види нітриду бору: ВNг –гексагональний графітоподібний, ВNк – кубічний і ВNв –вюрцитоподібний. На основі останніх двох синтезуються всі відомі полікристалічні надтверді матеріали. Синтез відбувається при температурі 1600-2300 оК і тиску 4,0-7,5 гПа в присутності каталізаторів, або без них. Вперше кубічний нітрид бору був синтезований у США в 1957 році, а в СРСР- у 1959 році.
Кубічний нітрид бору (КБН) синтетичний надтвердий матеріал на основі нітриду бору відноситься до числа ефективних інструментальних матеріалів і широко використовується для різних видів абразивних і лезових інструментів. Як показала практика, КНБ не може конкурувати з алмазом при обробці таких твердих і хрумких матеріалів як металокерамічні тверді сплави, скло, граніт, і ряд інших неметалічних матеріалів. В той же час, завдяки теплостійкості і дифузійній стійкості, не проявляючи при обробці металів і сплавів хімічної спорідненості до заліза, КНБ є перспективним для обробки вказаних матеріалів, в тому числі інструментальних сталей, особливо швидкорізальних нормальної і підвищеної продуктивності.