Матеріали на основі кубічного нітриду бору

МАТЕРІА́ЛИ НА ОСНО́ВІ КУБІ́ЧНОГО НІТРИ́ДУ БО́РУ Кубіч. нітрид бору є основою широкої галузі виробництва надтвердих матеріалів, з нього виготовляють полікри­сталічні та композиц. матеріали, ві­домі на світ. ринку як інструм. матеріали PCBN. За мас­штабом за­стосува­н­ня в інструм. виробництві вони не по­ступаються алмаз. полікри­сталіч. матеріалам. Пере­вагами PCBN є більш висока термічна стійкість, а також хім. нейтральність до сплавів на основі Fe, тому PCBN як інструм. матеріал не має конкурентів у лезовому інструменті для обробле­н­ня вуглецевих і легов. сталей, чавунів, багатьох високолегов. спец­сплавів. Нітрид бору може існувати у ви­гляді кількох поліморф. модифікацій, які від­різняються одна від одної будовою кри­сталіч. ґратки. Ві­домі дві графітоподібні модифікації нітриду бору — гексагональна (hBN) та ромбоедрична (rBN), а також дві алмазоподібні — кубічна (сфалеритна, cBN) і гексагональна (вюрцитна, wBN). Стабільною при нормал. умовах є гексагонал. графітоподібна, при високих тисках — кубічна (сфалеритна), дві ін. модифікації мета­стабільні в усьому діапазоні тисків і т-р. В основі технології одержа­н­ня PCBN лежать 3 фіз.-хім. процеси: фазовий пере­хід hBN → cBN; фазовий пере­хід wBN → cBN; спіка­н­ня частинок cBN. Нині найпоширенішим є третій спосіб. Технол. операції, необхідні для одержа­н­ня PCBN, зокрема й спіка­н­ня порошків кубіч. нітриду бору, повʼязані з викори­ста­н­ням техніки високих тисків (до 10 ГПа) і високих т-р (до 3000 К), від­повід. апаратів високого тиску (АВТ) та методик контролю р, Т-параметрів в їхньому робочому обʼємі. Перші композити PCBN (BZN-compact) одержали в 1970-х рр. у США. 1972 у СРСР роз­робили полікри­стали кубіч. нітриду бору Ельбор-Р (РФ), Гексаніт-Р, пізніше — Ісміт (обидва — Україна), Бєлбор (Білорусь), ПТНБ (РФ). У 1970–80-х рр. створ. багато видів полікри­сталів на основі щільних модифікацій нітриду бору. Вони від­різнялися за технологією одержа­н­ня, структурою та осн. фіз.-мех. характеристиками. Спочатку за мету ставили створити матеріал із максимально можливими твердістю та вʼяз­кістю руйнува­н­ня. При цьому перед­бачалося, що сфери за­стосува­н­ня таких матеріалів будуть над­звичайно широкими (вся гама загартованих сталей, чавунів, спец­сплавів, ін. важкооб­роб­лювані матеріали). У 1980-х рр. PCBN класифікували за способом одержа­н­ня. Зокрема Ель-бор-Р, Ельбор-РМ, Бєлбор, Ісміт-1 виготовляли прямим пере­творе­н­ням hBN → cBN. За межами СРСР такі матеріали не виробляли. Гексаніт-Р, ПТНБ, Вюрцин (Японія) випускали прямим пере­творе­н­ням wBN → cBN (повним або частковим). Найпоширенішим способом було спіка­н­ня порошків cBN, яким виготовляли матеріали BZN, Мегадаймонд (США), Амборит (Пд.-Афр. Респ.), BN-200 і Q-боніт (Японія), Ісміт-2 і Киборит-1 (Україна), Композит-05 і Ніборит (РФ). У більшості випадків спіка­н­ня порошків кубіч. нітриду бору проводили з активуючими домішками, одержані матеріали були багатофазними. Після появи матеріалу Амборит фірми «De Beers» (від 2002 — «Element Six») під­ходи до роз­робле­н­ня нових матеріалів почали змінюватися. Від­тоді створюють матеріали з від­повід. структурою та властивостями для потреб тієї чи ін. галузі. Прийнято Між­нар. стандарт ISO 513:2001 зі специфікації та за­стосува­н­ня твердих інструм. матеріалів. У основі класифікації — викори­ста­н­ня інструм. матеріалів PCBN у лезовому інструменті на операціях чорнового, напів­чист. і чист. обробле­н­ня широкого класу матеріалів. Стандарт класифікує операції різа­н­ня або видале­н­ня стружки для конкрет. оброблюв. матеріалів. Залежно від при­значе­н­ня (для різа­н­ня конкрет. матеріалів на конкрет. режимах) вміст cBN у PCBN змінюється в широких межах, так само, як хім. і фазовий склад звʼязуючих фаз, пред­ставлених пере­важно тугоплав. сполуками Al і/або Ti. Нині у світі випускають понад 150 марок PCBN матеріалів. Між класифікацією ISO 513 і осн. характеристиками складу та стру-ктури PCBN існує кореляція. Напр., під час чорнового оброб­ле­н­ня загартов. сталей (Hardma-chining Hardened Steels H30), де необхідна висока вʼязкість руйнува­н­ня, або під час обробле­н­ня чавунів (К01–К30, М10–М40) має бути 80–> 90 % cBN, а в складі звʼязки — обовʼязково кераміка на основі сполук Al. При тонкому точін­ні, де невисокі навантаже­н­ня, напр., при оброблен­ні негартов. сталей (Н01), супер­сплавів (S01–S10) або спечених порошк. сталей (Н01–Н30) використовують PCBN, де вміст cBN складає ≤ 50 %, а звʼязка пред­ставлена лише керамікою на основі сполук Ti. Осн. вимога до таких матеріалів — висока зносо­стійкість. Умовно продукцію PCBN можна роз­ділити на дві групи — з високим вмістом сBN у складі композиту (> 80 об. %) та з низьким (< 80 об. %). До перших належать продукти пд.-афр. фірми «Element Six» (AMB90 і DBA80), амер. фірми «Megadia-mond» (N90), рос. фірми «Мік­робор» (MBR7011, MBR7020, MBR8040), пд.-корей. фірми «Taegu Turn» (KB90, KB90A) та япон. фірм «Toshiba Tungaloy» (ВХ950) і «Sumitomo Electric» (BN100, BN600, BN700, BN800). Як звʼязки в матеріалах цієї групи використовують сполуки Al, комбінації металів (Co–Al) або метали та карбід вольфраму (WC–Co–Al), розмір зерен сBN переважно до 10 мкм. Такі матеріали мають підвищену твердість, тріщиностійкість, міцність на згин, їх застосовують під час операцій чорнового оброблення з високим навантаженням, зокрема й з ударянням, ефективні також під час оброблення жароміц. сплавів, наплавлених поверхонь. PCBN з низьким вмістом сBN у структурі (45–75 %) мають нижчі твердість і вʼязкість руйнування, розмір зерен сBN у них до 5 мкм, у окремих випадках навіть 0,5 мкм, але не нижче. У таких композитах звʼяз-кою переважно є нітрид титану, використовують також карбід і карбонітрид титану, алюм. тугоплавкі сполуки. Завдяки високому вмісту тугоплавкої хімічно стійкої кераміки в структурі такі композити стійкі до трибохім. зношування та можуть працювати при надвисоких швидкостях різання, коли температура на лезі інструменту до 1200–1400 °С. Різал. інструменти на основі нових композитів цього класу з додатк. покриттям ріжучої пластини тугоплавкою керам. плівкою фірми «Sumitomo Electric» — BNС150, BNС200, BNС300 — мають подвій. захист від трибохім. зношування й особливо ефективні при високошвидкіс. точінні загартов. сталей і чавунів. Фахівці Інституту надтвердих матеріалів НАНУ (Київ) створили гетерофазні композити Киборит-1, Киборит-2, Киборит-3, Киборит-4, Гетероніт, Борсеніт. У матеріалах Киборит-2 і Киборит-3 осн. фаза сBN (відповідно бл. 84 і 65 %) утворює структуру з неперерв. каркасом, що стало визначал. фактором формування високої твердості композитів. Киборит усіх марок отримують реакцій. спіканням сBN з Al в умовах високого тиску. В Кибориті-1 і Кибориті-2 звʼязка — кераміка на основі тугоплавких сполук Al, яка забезпечує високу тріщиностійкість (відповідно 10 і 12 МПа·м1/2). Киборит-3 містить також тугоплавкі сполуки Ti, за вмістом сBN наближається до ВХ380, за твердістю — до Кибориту-2. Киборит-4 — надтвердий композит системи cBN–Al–TiB2 з підвищеною твердістю, в якому ефект зміцнення досягається створенням навколо неперерв. каркаса cBN високодисперс. однорід. звʼязки з підвищеними модулями пружності, в складі якої тверді розчини Al–B–N і Ti–Al–B на базі кристаліч. ґраток AlN і TiB2 відповідно, з розміром зерен у нанодіапазоні. Матеріали Гетероніт і Борсеніт за вмістом сBN та властивостями близькі до Кибориту-1, призначені, в першу чергу, для роботи при високих навантаженнях на лезо, мають підвищені твердість та вʼязкість руйнування. В Україні проблемами створення нових матеріалів PCBN також займаються в Інституті проблем матеріалознавства НАНУ (Київ). Тенденція розширення номенклатури продукції PCBN у світі за рахунок геометрії вставок (круглі, трикутні, квадратні, ромбічні тощо), збільшення діаметра та товщини круглих пластин практично вичерпана. Пластини великого діаметра здебільшого використовують для одержання лазер. різанням вставок менших ліній. розмірів. Їхнє розроблення повʼязане з екон. перевагами. Макс. розмір пластин серед виробів PCBN отримано фірмою «Element Six» (AMB90, діаметр 101,6 мм). Серед нових сфер застосування PCBN — інструмент для зварювання тертям із перемішуванням. Світ. лідерами у цьому напрямі є Велика Британія, США та Японія. В Україні подіб. інструмент із використанням PCBN Киборит-2 розроблено фахівцями Інституту надтвердих матеріалів НАНУ та Інституту електрозварювання НАНУ (Київ). Також новою сферою застосування для PCBN композитів є конструкц. кераміка. Закордонні фірми, що спеціалізуються на випуску інструм. композиц. матеріалів на основі кубіч. нітриду бору, не виготовляють матеріали конструкц. призначення, тому приклад застосування Кибориту-2 в елементах конструкцій для техніки високого тиску є піонерським. Випробування, проведені в наук. центрах Німеччини, Франції, США, Японії, показали, що використання Кибориту для виготовлення елементів конструкцій апаратів високого тиску призводить до знач. збільшення термінів використання (в 25 разів під час заміни твердосплав. сегментів ковадел на киборитові для кубіч. апаратів високого тиску обʼємом 50 мм³ та 80 мм³), а також до досягне­н­ня значно вищих тисків (у тетра­едрич. апараті високого тиску обʼємом 1,2 мм³ тиск може становити 39 ГПа). Особливістю Кибориту є його про­зорість у діапазоні довжин хвиль рентґенів. ви­промінюва­н­ня синхрофазотрона. Це до­зволило проводити наук. дослідж. «in situ» в умовах високих тисків і т-р.

Завантажити статтю