Вначале определимся с дефинициями. К сверхтвёрдым материалам относятся металлы и неметаллические соединения, твёрдость которых согласно шкале HV составляет более 35 ГПа. Самым твёрдым из них является кристаллический углерод – алмаз. Однако с точки зрения использования в металлорежущем инструменте он не всегда оказывается эффективным, поскольку обладает сравнительно низкой теплостойкостью. Кроме того, у алмаза недостаточно высокая ударная вязкость, из-за чего режущие кромки алмазного инструмента крошатся при интенсивной металлообработке. О таком аспекте, как запредельная цена алмазного инструмента, упоминать, наверное, вообще не требуется.
Ограничения в применении природных алмазов в металлорежущих инструментах привели к появлению технологий синтеза искусственных алмазоподобных материалов на основе углерода. В их число входят следующие.
- Поликристалл карбонит.
- Композитные алмазы.
- Синтетические карбонады.
- Кристаллы из алмазной крошки с металлической связкой (железо, кобальт, хром).
Эти материалы обладают высокой упругостью. А ещё их прочность позволяет переносить значительные сдавливающие нагрузки. Это позволяет использовать алмазную синтетику в большинстве типовых металлорежущих инструментов – фрезах, токарных резцах, свёрлах.
Альтернативное решение для высокоточной металлообработки
При всех достоинствах искусственных алмазов они не способны обеспечить высокую точность металлообработки в случаях, когда допустимы лишь микронные погрешности. Это вынудило учёных на поиск альтернативных решений, и наиболее удачным из них по соотношению цены и качества стали соединения азота и бора. Удивительно, но два неметалла дали в результате материал, который по твёрдости уверенно спорит с любыми металлами и даже с самим алмазом. Этим соединением является нитрид бора.
Относительно этого материала следует сказать, что существует несколько его модификаций, и далеко не все могут использоваться в металлорежущих инструментах. Наибольшую эффективность показывает разновидность нитрида бора, получившая название «эльбор». Его кристаллическая решётка представляет собой сверхплотно упорядоченные кубики микроскопического размера. Правда, твёрдость эльбора не дотягивает до показателей даже синтетических алмазов, но превышает этот параметр у твёрдых сплавов, традиционно используемых в металлообработке, и составляет около 50 ГПа.
Преимущество нитрида бора в плане обеспечения точности металлообработки состоит в более высокой, чем у алмазов, теплостойкости. Как раз эта характеристика и позволяет использовать эльбор для чистовых операций. При этом, так же, как и алмаз, он без труда режет цементованные и закалённые стали с минимальным послойным снятием металла.
Материал, непосредственно наносимый на кромки фрез и резцов, изготавливается двумя способами. Первый – это синтез в специальных установках. Второй метод применяется чаще и представляет собой спекание следующих порошкообразных бор-азотных поликристаллов:
- гексагональный нитрид бора (ГНБ);
- кубический нитрид бора, полученный из ГНБ способом прямой трансформации;
- кубический нитрид бора, полученный из ГНБ способом композитного перехода;
- киборит, полученный из поликристаллического порошка с помощью катализаторов.
Данные материалы не такие твёрдые, как естественные алмазы, но они устойчивы к сильному нагреву. Кроме того, эти поликристаллы без ущерба переносят цикличность высоких температур. И, наконец, их самым большим достоинством является химическая инертность по отношению к железу – они не взаимодействуют с металлом заготовки, что и определяет высокую степень чистоты металлообработки.
