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.