Резкий рост машиностроительного производства в середине XX столетия быстро привел к дефициту легирующих металлов (вольфрам, кобальт, титан, хром и пр.), которые лежат в основе быстрорежущих сталей и твердых сплавов. По этой причине для резки металлов начали использоваться минеральные соединения.
Большая твердость технического (синтетического) алмаза, в пределах 100 HRc, открыла неплохие возможности для резки металлов и сплавов повышенной прочности. Но алмазный инструмент плохо подходит для резки на высоких скоростях, более 100-120 (м/мин), по этой причине ученые синтезировали так называемый кубический нитрид бора, способный выдерживать режимы резания до 300 и даже 500 (м/мин)!
До недавнего времени считалось, что кубический нитрид бора не встречается в природе в естественном виде. Однако в 2009 году была обнаружена порода с кубическим нитридом бора. Природная модификация данного минерала получила название кингсонгит.
Кубический нитрид бора (КНБ) – один из самых прочных материалов на минеральной основе. Твердость КНБ уступает лишь алмазу. Кубический нитрид бора имеет твердость в пределах 90 HRc.
Наиболее известной разновидностью кубического нитрида бора является так называемый эльбор. Модификации КНД представлены композитами. Эльбор имеет маркировку композит 01.
Металлорежущий инструмент из КНБ представлен пластиной, которая создается методом спекания порошкового абразива с керамикой или металлической связкой на основе кобальта, вольфрама, никеля и молибдена.
КНБ получают соединением оксида бора с аммонием. Для преобразования гексагональной кристаллической решетки в кубическую соединение нитрида бора подвергают воздействию сверхвысокого давления и большой температуры, как и при получении синтетических алмазов.
Ниже будет рассказано про резцы и фрезы из кубического нитрида бора.
Свойства кубического нитрида бора
Следует сразу оговориться, что существует широчайшее видовое разнообразие модификаций кубического нитрида бора. Конечные свойства КНБ определяются типом и качеством сырья, а также технологией изготовления.
Для нужд металлообработки чаще всего применяют: эльбор, белбор, гексанит-Р и поликристаллы на основе композита 09 (ПТНБ).
Эльбор является аналогом сверхтвердого материала боразон (бор-азот). Название эльбор образовано от маркировки Л-бор (Ленинград-бор). При быстром произношении Л-бор возникает слово «эльбор», что и закрепилось в названии.
КНБ ценится за сохранение прочностных характеристик при высоком нагреве. Режущая кромка кубического нитрида бора выдерживает нагрев 1200 С в пределах 1 часа. После этого происходит заметное окисление и выкрашивание острия.
Температурная стойкость КНБ превосходит порог температурного разложения алмаза, по крайней мере на воздухе. При этом кубический нитрид бора не растворяется в железе, как это происходит с алмазом при большом нагреве. Все это делает режущий инструмент на основе КНБ неимоверно долговечным и очень надежным!
КНБ отличается от алмаза и электрическими свойствами. Кубический нитрид бора является диэлектриком. На основе КНД создают диэлектрическую фольгу и другие компоненты, которые широко используются в электротехнике и электронике.
Разумеется, при нагреве кубический нитрид бора все же может проводить электричество, что делает КНБ неплохим полупроводником.
Кубический нитрид бора хоть и склонен к выкрашиванию острой кромки, но все же КНБ является не таким хрупким, как алмаз. Это позволяет применять режущий инструмент на основе КНБ в условиях повышенной вибрации и ударных нагрузок.
Что нужно обязательно знать про металлорежущий инструмент из КНБ.
КНБ в металлообработке
Для обработки металлов и сплавов используются следующие варианты КНБ:
- Абразивные порошки
- Абразивные пасты
- Шлифовальные круги
- Хоны
- Пластины для оправок в виде резцов и фрез
Существует широкая линейка наждака с порошковой присыпкой из кубического нитрида бора. Промышленность предлагает большой выбор точильных брусков с абразивом КНБ на металлической подложке.
Резцы и фрезы на основе кубического нитрида бора способны выдерживать в 3-4 раза более высокие нагрузки, чем твердосплавный режущий инструмент. КНБ с легкостью справляется с металлобработкой на повышенных скоростях, 300-500 (м/мин). Основной сферой применения режущего инструмента из эльбора является чистовая обработка металлов и сплавов повышенной твердости.
Кубический нитрид бора хорошо подходит для обработки:
- Чугуна
- Жаропрочных сплавов
- Нержавеющей стали
- Закаленных труднообрадатываемых металлов и сплавов
Высокая надежность и стабильность режущей кромки на основе кубического нитрида бора позволяет использовать КНБ при обработке ответственных поверхностей высокоточного измерительного инструмента.
Как получают КНБ
Кубический нитрид бора создается на основе так называемого гексагонального (графитоподобного) нитрида бора путем воздействия на исходное сырье сверхвысокого давления и температуры, в присутствии модифицирующей добавки и катализатора.
Для производства гексагонального нитрида бора используют химическую реакцию азотирования оксида бора при наличии углерода. В качестве азотирующего агента можно использовать простой карбамид. Смесь подвергают нагреву до температуры 1200 С, что позволяет получить порошкообразный нитрид бора BN и оксид углерода CO, который улетучивается.
- Перед преобразованием гексагонального нитрида бора в кубический исходное сырье подвергают мелкодисперсному помолу. Размер фракции нитрида бора должен соответствовать зернистости абразива будущего КНБ.
Модифицирующая добавка представлена оксидом кальция, магния, кремния, железа, алюминия. Допустимо использование как какого-то одного оксида, так и смеси оксидов различных компонентов.
Катализатором могут быть нитриды и бориды щелочных металлов.
- Порошковая смесь тщательно смешивается и подвергается сжатию в пресс-форме. Давление обычно составляет около 60 000 атмосфер.
- В процессе сжатия смесь подвергается быстрому нагреву, в течении 5-15 секунд, до температуры 1300—1600 С.
Под действием повышенного давления и температуры гексагональный нитрид бора переходит в кубическую модификацию (КНБ).
- Для удаления из смеси модификатора и катализатора спеченный материал дробится. Размер частиц фракции должен находиться в пределах 60 (мкм).
- В процессе жидкостной и газовой классификации из помола выделяются частицы кубического нитрида бора.
В чистом виде полученный абразив КНБ используется для производства шлифовальных порошков и полировальных паст.
Абразив эльбора необходим и для производства наждачной бумаги, шлифовальных кругов, точильных брусков, хонов и многих других вариантов абразивного инструмента.
Теперь подробнее про резцы и фрезы из кубического нитрида бора.
Металлорежущие пластины с КНБ
Касательно изготовления пластин для токарных резцов и фрез, абразивные частицы КНБ подвергаются дополнительной обработке. В результате из порошкового абразива создается полноразмерная острая кромка, которая фиксируется на оправке.
Металлорежущие пластины для резцов и фрез получают из так называемых сверхтвердых материалов (СТМ). Классические СТМ создаются на основе абразивных частиц КНБ с добавлением либо металлической связки, либо режущей керамики.
Для производства металлорежущих пластин используют эльбор с субмикронными или даже нанодисперсными частицами. В данном случае размер зерна абразива должен находиться в пределах 0,5-1 (мкм).
Высококачественные металлорежущие пластины КНБ отличаются структурой без пор. Подобные материалы лишены посторонних примесей. Пластины этого типа создаются в условиях сверхвысокого давления, на уровне 80 000 или даже 100 000 атмосфер.
В составе мелкодисперсного абразива КНБ может наблюдаться помол нитридной или оксидной керамики. После сдавливания в пресс-форме состав запекается при температуре 1400 С или даже более того.
Нередко абразив КНБ вводится в состав твердых сплавов на основе кобальтовой или вольфрамовой связки. В данном случае нанодисперсный помол кубического нитрида бора заменяет собой некоторую часть карбидов, повышая температурную стойкость острой кромки.
Достаточно большое распространение получили многослойные металлорежущие пластины КНБ в виде треугольника, ромба или прямоугольника. Такие пластины имеют 2, 3 или даже 4 режущие кромки, которые можно менять после притупления.
