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, пов’язані 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 об’ємі. 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 в’яз­кістю 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 зв’язуючих 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 в’язкість руйнування, або під час оброблення чавунів (К01–К30, М10–М40) має бути 80–> 90 % cBN, а в складі зв’язки — обов’язково 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 зв’язка 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 зв’язки 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 в’язкість руйнування, розмір зерен сBN у них до 5 мкм, у окремих випадках навіть 0,5 мкм, але не нижче. У таких композитах зв’яз-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 зв’язка — 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. зв’язки 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 в’язкість 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 пов’язане 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 об’ємом 50 мм³ та 80 мм³), а також до досягнення значно вищих тисків (у тетра­едрич. апараті високого тиску об’ємом 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.

Літ.: Захаренко П. В., Волкогон В. М., Бочко А. В. и др. Технологические особенности механической обработки инструментом из поликристаллических сверхтвердых материалов. К., 1991; Шу-льженко А. А., Божко С. А., Соколов А. Н. и др. Синтез, спекание и свойства кубического нитрида бора. К., 1993; Новиков Н. В., Шульженко А. А., Беженар Н. П. и др. Киборит: получение, структура, свойства, применение // СМ. 2001. № 2; J. Barry, G. Akdogan, P. Smyth et al. Application areas for PCBN materials // Industrial Diamond Rev. 2006. Vol. 66, № 3; Беженар Н. П. Кубический нитрид бора, материалы на его основе // Неорган. материаловедение. Материалы и технологии. К., 2008. Т. 2, кн. 1; Алієв І. С., Беженар М. П., Бейгельзімер Я. Ю. та ін. Наукоємні технології одержання матеріалів та виробів, включно наноструктурних, з новим рівнем показників якості // Физика и техника высоких давлений. 2011. Т. 21, спецвып.; Туркевич В. З., Беженар Н. П., Петруша И. А. Сверхтвердые композиционные материалы на основе кубического нитрида бора // Физ.-тех. пробл. современ. материаловедения. К., 2013. Т. 2.

М. П. Беженар

Рекомендована література

1. Захаренко П. В., Волкогон В. М., Бочко А. В. и др. Технологические особенности механической обработки инструментом из поликристаллических сверхтвердых материалов. К., 1991;
   Google ScholarInternet
2. Шу-льженко А. А., Божко С. А., Соколов А. Н. и др. Синтез, спекание и свойства кубического нитрида бора. К., 1993;
   Google ScholarInternet
3. Новиков Н. В., Шульженко А. А., Беженар Н. П. и др. Киборит: получение, структура, свойства, применение // СМ. 2001. № 2;
   Google ScholarInternet
4. J. Barry, G. Akdogan, P. Smyth et al. Application areas for PCBN materials // Industrial Diamond Rev. 2006. Vol. 66, № 3;
   Google ScholarInternet
5. Беженар Н. П. Кубический нитрид бора, материалы на его основе // Неорган. материаловедение. Материалы и технологии. К., 2008. Т. 2, кн. 1;
   Google ScholarInternet
6. Алієв І. С., Беженар М. П., Бейгельзімер Я. Ю. та ін. Наукоємні технології одержання матеріалів та виробів, включно наноструктурних, з новим рівнем показників якості // Физика и техника высоких давлений. 2011. Т. 21, спецвып.; Туркевич В. З., Беженар Н. П., Петруша И. А. Сверхтвердые композиционные материалы на основе кубического нитрида бора // Физ.-тех. пробл. современ. материаловедения. К., 2013. Т. 2.
   Google ScholarInternet

завантажити статтю