Сверхтвердыми принято считать материалы, имеющие микротвердость выше 35 ГПа по Виккерсу. Из природных сверхтвердых материалов использование в режущих инструментах имеет только алмаз. Искусственными сверхтвердыми материалами инструментального назначения является синтетический алмаз и плотные модификации нитрида бора.

Инструментальная промышленность выпускает синтетические сверхтвердые материалы на основе алмаза и плотных модификаций нитрида бора.

Естественный алмаз – самый твердый материал на Земле, который издавна применялся как режущий инструмент. Принципиальное отличие монокристаллического природного алмаза от инструментальных материалов, которые имеют поликристаллическое строение, заключается в возможности получения практически идеально острой и прямолинейной режущей кромки. Поэтому в конце XX века с развитием электроники, прецизионного машиностроения и приборостроения применение резцов из природных алмазов для микроточения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т.п. растет. Однако через дороговизну и хрупкость природные алмазы не применяются в общем машиностроении, где требования к качеству обработки деталей не настолько высокие.

Теория синтеза алмаза впервые была предложена харьковским физиком О.И. Лейпунским (в 1939 г.), который на основе экспериментальных данных об обратном переходе алмаза в графит сформулировал условие перехода графита в алмаз и рассчитал кривую равновесия графит–алмаз при высоких давлениях. Синтез алмаза из графита при высоких давлениях (больше 4,0 ГПа) и температурах (свыше 1400ºК) осуществляется в присутствии металлических растворителей углерода (Ni, Fe, Co и др.).

Кубический нитрид бора (КНБ) – сверхтвердый материал, который не имеет природного аналога. Впервые кубический нитрид бора был синтезирован в 1956 году (фирмой «Дженерал Электрик») при высоких давлениях (свыше 4,0 ГПа) и температуре (свыше 1473 К) из гексагонального нитрида бора в присутствии щелочных и щелочноземельных металлов (свинец, сурьма, олово и др.). Кубический нитрид бора, который выпускается фирмой «Дженерал Электрик», был назван «Боразон».

Синтетические монокристаллы алмаза и КНБ имеют относительно малые размеры, поэтому для использования в качестве материала для режущих инструментов их спекают в поликристаллические структуры.

Поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) на основе алмаза и кубического нитрида бора появились на рубеже 60–70 годов. Характерной чертой таких материалов является наличие твердого каркаса из сросшихся зерен алмаза или КНБ (рис. 2.1). Спекание порошков алмаза и КНБ, как правило, осуществляется в области термодинамической стабильности алмаза и КНБ при давлении 5–9 ГПа и температурах 1500–2000 К. Обычное спекание поликристаллических композиционных материалов осуществляют в присутствии активирующих этот процесс добавок: для алмазных порошков – кобальт или кремний, а для порошков КНБ – алюминий.

Классификация ПСТМ основана на способе их получения и особенностях структуры. Основные способы получения ПСТМ показаны в табл. 2.11.

При переходе графита в алмаз в присутствии растворителя получают искусственные алмазы марок АСПК (карбонадо) и АСБ (баллас), структура которых идентична структуре природных алмазов таких же названий. Спеканием порошков алмаза получают марки АКТМ, СКМ, СВБН, карбонит и др. композиты.

 Спеканием поликристалла на твердосплавной подложке получают двухслойные пластины, которые состоят из рабочего слоя – сверхтвердого материала толщиной 0,5–2 мм, скрепленного с твердосплавной пластиной. Спеканием твердосплавной пластины с алмазным рабочим слоем получают пластины типа АТП, а с рабочим слоем из КНБ–КТП. Различают две плотных модификации нитридов бора – сфалеритную и вюрцитную. При переходе гексагонального (графитоподобного) нитрида бора в сфалеритный в присутствии растворителя получают Композит 01 (Эльбор-Р) и Композит 02 (Белбор), при переходе вюрцитного нитрида бора в сфалеритный – Композит 9. Спеканием порошков вюрцитного и сфалеритного нитрида бора получают Композит 10 (Гексанит-Р), спеканием порошков сфалеритного нитрида бора – киборит, ниборит, борсинит и др. композиты.

Управление процессом формирования структуры поликристаллов открывает возможности создавать, в зависимости от областей применения, материалы с необходимым сочетанием твердости, теплопроводности, прочности и электропроводности. Поликристаллические сверхтвердые материалы по своим физико-механическим свойствам могут быть близки к монокристаллам, а по некоторым – превосходить их. Так, большинство алмазных поликристаллов характеризуются изотропией свойств (однородностью в разных направлениях), имеют высокую износостойкость и превосходят монокристаллы по трещиностойкости.

За рубежом на основе технологии спекания алмазных зерен выпускают поликристаллические материалы Syndite 025, Megadiamond, Sumidia, Compax и др., а на основе спекания зерен КНБ Amborite, BZN, Sumiboron, Wurzin и др. Размеры пластин из ПСТМ могут превышать 10 мм в диаметре, что открывает возможность получения инструментов с режущими кромками большой длины.

По сравнению с монокристаллами алмаза ПКА значительно лучше сопротивляются ударной нагрузке, имеют более высокие значения прочности на растяжение и на поперечный сдвиг. При этом ударная прочность поликристаллов алмаза зависит от размеров кристаллитов алмаза и с их уменьшением повышается.

Преимущества инструментальных ПКА по сравнению с монокристаллическими алмазами связаны с произвольной ориентацией кристаллитов в рабочем слое режущих пластин, что обеспечивает высокую однородность по твердости и стойкости к истиранию во всех направлениях.

Во многих случаях наблюдаемая на практике бóльшая износостойкость резцов из синтетических алмазов по сравнению с резцами из природных алмазов объясняется различием их структур. У синтетического поликристаллита алмаза возникающие трещины тормозятся и останавливаются границами кристаллитов. Именно этот фактор и определяет их более высокую (в среднем в 1,5–2,5 раза) износостойкость.

Поликристаллы алмаза отличаются от монокристаллов более высокой термостойкостью. Такие материалы как АКТМ и СВ не теряют свои режущие свойства и прочность при нагреве до 1473 К и выше, что позволяет применять их в инструментах с напаянной режущей частью.

Коэффициент трения ПКА с металлом несколько выше, чем у природных алмазов. Это объясняется наличием пор на поверхности поликристалла, вызванных выпадением частиц кристаллов, а также присутствием частиц металлической фазы (после синтеза) или связки. Однако величина среднего коэффициента трения на передней поверхности ПКА со многими металлами не превышает 0,2, что свидетельствует о превалировании в контакте внешнего трения.

Алмаз имеет химическое сродство с железосодержащими материалами. Поэтому при резании сплавов на основе железа на контактных поверхностях алмазного инструмента происходит интенсивное химическое взаимодействие. Углерод, из которого состоит алмаз, активно реагирует с этими материалами при нагревании. Это приводит к интенсивному изнашиванию алмазного инструмента и ограничивает область его применения.

Наиболее эффективно применение алмазного инструмента на чистовых и финишных операциях при обработке деталей из цветных металлов и их сплавов, а так же из древесины и камня. Инструмент может быть использован при точении прерывистых поверхностей и при фрезеровании, однако его стойкость будет ниже, чем при обработке без ударов.

Успешно применяются режущие пластины из ПКА при обработке полимерных композиционных материалов. Использование режущих пластин с механическим креплением позволяет повысить стойкость в 15–20 раз по сравнению с инструментом из твердого сплава.

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. Обработка таких материалов обычным инструментом неэкономична. Здесь инструмент из ПКА имеет стойкость в 200–300 раз выше стойкости твердосплавных инструментов.

Геометрические параметры алмазного инструмента во многом определяются свойствами поликристаллов алмаза. Они имеют высокую хрупкость, потому режущие лезвия инструментов должны иметь повышенную прочность. С целью укрепления режущего лезвия угол заострения b алмазного инструмента должен назначаться максимально допустимым.

В связи с повышенной чувствительностью инструментов из ПСТМ к вибрациям и ударным нагрузкам к станкам, используемым для обработки режущие элементы из сверхтвердых материалов, предъявляются повышенные требования относительно точности, жесткости и виброустойчивости.

ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора, незначительно уступая алмазу по твердости, отличаются высокой термостойкостью (до 1573 К), стойкостью к циклическому воздействию высоких температур и, что особенно важно, относительно слабым химическим взаимодействием с железом, которое является основным компонентом большинства современных обрабатываемых конструкционных материалов.

Главным резервом повышения производительности обработки для инструментов на основе BN является повышение скорости резания, которая может превышать скорость резания твердосплавным инструментом в 5 и более раз. Наибольшая эффективность применения инструментов на основе BN имеет место при обработке чугунов, сталей и сплавов высокой твердости.

Одной из возможностей повышения эффективности инструментов из ПСТМ на основе BN является использование смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС). Для инструментов из BN наиболее эффективно использовать жидкие среды путем их распыления при скоростях резания до 1,5–1,7 м/с.

Еще одной из эффективных областей использования инструментов, оснащенных поликристаллами BN, рассматривается обработка напыленных и наплавленных материалов высокой твердости (до HRC 60–62), которыми упрочняют детали металлургического оборудования, транспорта и пр.

В ближайшие годы мировой рынок инструментов из СТМ ожидает резкий подъем. Это объясняется в первую очередь тем, что в разных областях техники все большее применение находят труднообрабатываемые материалы и принципиально новые схемы обработки.

Эффективность инструмента из СТМ более полно проявляется в условиях автоматизированного производства, гибкого изменения технологии механической обработки. При применении СТМ с оптимальными режимами резания на станках с ЧПУ производительность обработки повышается в 1,5–3 раза по сравнению с твердосплавным инструментом, улучшается качество обработанных поверхностей, исключается необходимость последующей абразивной обработки.