Сверхтвердые сплавы и керамические материалы. Дизайн сверхтвердых материалов Синтетические сверхтвердые и керамические материалы

Алмазы характеризуются высокой твердостью, хорошей теплопроводно­стью (А,=137,9... 146.3 Вт/(м К)). Теплостойкость алмазов недостаточно высокая; алмазы начинают графитизироваться при температурах 800...900 °С. Кубический нитрид бора КНБ имеет более низкую твердость по сравнению с алмазом, примерно в три раза меньшую теплопроводность (λ = 41,86 Вт/(м К)). У КНБ значительно более высокая теплостойкость. Преобразование структуры кубиче­ского нитрида бора в графитоподобную гексагональную модификацию начина­ется при температурах 1200...1400°С и резко возрастает при нагреве до

1600...1800°С.

Композиционные материалы (поликристаллы) получают различными способами. Так, алмазные поликристаллы типа баллас (АСБ) и карбонадо (АСПК) получают пропиткой пористых прессовок, сформированных из алмазных порошков с металлическими покрытиями. По аналогичной технологии получают материалы эльбор-Р из кубического нитрида бора. Для изготовления лезвийного режущего инструмента, например резцов, разработаны композиционные материалы типа ПТНБ из смесей кубического и вюрцитного нитрида бора.

Синтетические алмазы получают из углеграфитовых материалов в специальных камерах высокого давления, изготовленных из высокопрочных материалов. Высокая температура достигается пропусканием электрического тока через нагревательное устройство.

Заштрихованная область 1 соответствует реальным условиям превращения графита в алмаз в присутствии катализаторных добавок. Полоса со штриховкой 2 показывает границу прямого фазового перехода графита в алмаз.

В статических условиях с применением катализаторов возможно получение кубйче- ской решетки алмаза из слоистой кристаллической решетки графита в условиях высоких давлений и температур (р=5000...7000 МПа, Т- не ниже 1400... 1500 К). Катализаторами являются металлы, которые в процессе синтеза находятся в жидком состоянии и способны растворять углерод в виде частиц со слоистой графитовой структурой. Из этих частиц образуются зародыши новой алмазной фазы.

Рис. 16. Фазовая диаграмма

Углерода «давление–температура»

В промышленности выпускаются разнообразные порошки синтетических и природных алмазов, используемых в различных областях техники.

Алмазные порошки классифицируются в зависимости от метода получения и размера зерен на следующие группы:

1. Алмазные шлифпорошки с размером зерен от 40...50 мкм до 630...800 мкм.Шлифпорошки из синтетических алмазов выпускаются следую­щих основных марок: АС2, АС4, АС6, АС 15, АС20, АС32, АС50. Чем выше число, стоящее после индексов АС, тем больше прочность зерен алмазов.

2. Алмазные шлифпорошки с покрытиями поверхности зерен.

Применение покрытий зерен алмазов повышает стойкость инструментови снижает расход алмазов. В качестве стандартных используются следующие виды покрытий зерен:

Покрытие типа К пленкой карбида металла;

Покрытие типа КМ пленками сплавов, содержащих кремний;

Покрытие типа НТ, являющееся карбидо-металлическим;

Покрытие типа А, при котором совокупность агрегатов из нескольких алмазных зерен имеет карбидо-металлическую пленку;

Покрытие типа АН - модификация покрытия А, отличающаяся введением в агрегаты из алмазных зерен дополнительно наполнителя (карбид бора, карбид титана, электрокорунд и др.).

3. Алмазные микропорошки с размером зерен от < 1,0 мкм до 40.. .60 мкм.

Они выпускаются двух разновидностей:

650.. Алмазные микропорошки марок AM из природных алмазов и марок АСМ из синтетических алмазов;

651.. Алмазные микропорошки марок АН из природных алмазов и марок АСН из синтетических алмазов. Они имеют более высокую абразивную способность (на 25...30 %) по сравнению с микропорошками AM и АСМ.

Микропорошки AM и АСМ используют при доводочных работах изде­лий из закаленных сталей, стекла, керамики и др. Для обработки изделий из более твердых материалов (корунда, керамики, природных алмазов и других труднообрабатываемых материалов) рекомендуются микропорошки АН и АСН.

Микропорошки применяются для изготовления абразивных инструментов, а также использования в свободном незакрепленном состоянии в пастах и суспензиях.

Промышленность выпускает микропорошки зернистостью 60/40, 40/28, 28/20, 20/14, 14/10, 10/7 и др. до 1/0 мкм. В обозначении марок числитель показывает максимальный, а знаменатель минимальный размеры основной фракции порошка в микрометрах.

1.2 Контрольные вопросы:

1. Какое строение макромолекул имеют полимеры?
2. Как изменяется строение олигомеров (смол) в процессе отверждения?
3. Какие межмолекулярные взаимодействия имеют место между макромолекулами?
4. Какую надмолекулярную структуру имеют каучуки в высокоэластичном физическом состоянии?
5. Что понимается под цис-конфигурацией макромолекул каучуков?
6. Какое строение имеют графитовые материалы?
7. Какое строение имеют силикатные стекла?
8. Какие окиси промышленных стекол являются стеклообразующими?
9. Какие физические состояния имеет неорганическое стекло при разных температурах?
10. В каком физическом состоянии проводится формование изделий из силикатных стекол?
11. Какое строение имеют стеклокристаллические материалы?
12. Какие катализаторы применяются при получении стеклокристаллических материалов?
13. С какой целью применяется двухступенчатая тепловая обработка стекла при изготовлении стеклокристаллических материалов?
14. Какие химические соединения применяются в качестве абразивных материалов?
15. Какие требования предъявляются к абразивным материалам?
16. Из каких двух составляющих состоят абразивные инструменты?
17. Что понимается под структурой абразивного инструмента?
18. Какие материалы относятся к классу сверхтвердых материалов?
19. На какие разновидности подразделяются сверхтвердые материалы?
20. Какие свойства имеют алмазы и кубический нитрид бора?
21. Что представляют собой композиционные материалы?

2 Практическое занятие № 2 «Определение параметров шлифования неметаллических материалов» (МЕ-3 Обработка шлифованием неметаллических материалов)

Задания к практическому занятию

На практическом занятии студент представляет презентацию (сообщение), подготовленную в рамках самостоятельной и исследовательской работы. Презентация должна содержать: технологические возможности данного вида обработки, ограничения, оборудование, приспособление и режущий инструмент, критерии выбора СОТС, возможные пути автоматизации.

Краткие сведения из теории

Общее понятие о шлифовании

В примитивных случаях применяют твёрдый зернистый песок или более твёрдый наждак, насыпают его на твёрдую поверхность и трут об неё обрабатываемый предмет. Угловатые зерна, катаясь между обеими поверхностями, производят большое число ударов, от которых разрушаются понемногу выдающиеся места этих поверхностей, и округляются и распадаются на части сами шлифующие зерна. Если же одна из поверхностей мягкая, зерна в неё вдавливаются, остаются неподвижными, и производят на второй поверхности ряд параллельных царапин; в первом случае получается матовая поверхность, покрытая равномерными ямками, а во втором - так называемый «штрих», сообщающий поверхности блеск, переходящий в полировку, когда штрих так мелок, что становится незаметным для глаза. Так, при шлифовке двух медных пластинок одной об другую с наждаком, обе получаются матовыми, а тот же наждак, будучи наклеен на поверхность бумаги, сообщит при трении об латунную поверхность блеск.

Хрупкое, твёрдое стекло стирается больше мягкой и упругой металлической пластинки, а порошок алмаза может стирать поверхность самого алмаза и куски кварца можно обрабатывать на точиле из песчаника. Ямки, производимые зёрнами наждака, тем мельче, чем мельче сами эти зерна; поэтому шлифованием можно получать наиболее точно обработанные поверхности, как это делают при шлифовании оптических стекол.

Виды шлифования

Плоское шлифование - обработка плоскостей и сопряжённых плоских поверхностей;

Ленточное шлифование - обработка плоскостей и сопряжённых плоских поверхностей «бесконечными» (сомкнутыми в кольцо) лентами;

Круглое шлифование - обработка цилиндрических и конических поверхностей валов и отверстий.

Круглое шлифование подразделяется на внутреннее (расточка) и наружное. Внутреннее же в свою очередь делится на обычное и планетарное (обычное - отношение диаметра отверстия детали к диаметру образива D=0,9d, планетарное - D=(0,1…0,3)d);

Бесцентровое шлифование - обработка в крупносерийном производстве наружных поверхностей (валы, обоймы подшипников и др);

Резьбошлифование;

Зубошлифование, шлицешлифование.

Материалы высокой твердости используются главным образом в механизмах, подверженных абразивному изнашиванию.

Из простых веществ большой твердостью обладают лишь алмазы и бор.

Подавляющее большинство веществ высокой твердости — тугоплавкие химические соединения (карбиды, нитриды, бориды, силициды).

Из-за высокой хрупкости твердых соединений и трудности их обработки изготовление деталей из них в большинстве случаев нецелесообразно или экономически невыгодно. Основная область их применения — твердые составляющие композиционных материалов и покрытия, наносимые разными способами.

Сверхтвердые материалы

К ним относятся кубические модификации углерода (алмаз) и нитрида бора.

Синтетические алмазы в виде порошков используют для приготовления абразивного инструмента и абразивных наст, в виде плотных поликристаллических образований (Баллас, Карбонадо) для производства абразивного инструмента, резцов, волок.

Спеканием смеси микропорошков синтетических и природных алмазов получают плотные поликристаллические образования алмаза — СВ и Дисмит.

Алмазы марки СВ применяют для буровых коронок и долот, а также для резки неметаллических материалов.

Дисмит применяют для изготовления горнобурового инструмента, режущего инструмента (резцы, сверла и другие), используемого для обработки цветных металлов и сплавов, пластмасс, стеклопластиков.

Кубический нитрид бора

Получают только синтетическим путем из гексагональной модификации. Применяется главным образом для изготовления абразивного инструмента. По твердости он уступает алмазу, но существенно превосходит его по теплостойкости.

В США кубический нитрид бора выпускается под названием Боразон, в СНГ — Эльбор и Кубонит. Марки их соответственно ЛО и КО обычной прочности и ЛР и КР — повышенной.

Разновидности поликристаллического материала на основе Эльбора и Кубонита — Эльбор -Р, Гексанит — Р, ИСМИТ, ПНТБ, КОМПОЗИТ и других… выпускаются в виде пластин различной формы. Изготавливают из них металлорежущий инструмент, применяемых при обработке труднообрабатываемых закаленных сталей, чугунов и сплавов с твердостью HRC>40. Стойкость такого инструмента в 10…20 раз больше стойкости твердосплавного, производительность повышается в 2…4 раза.

Процессы обработки металлов лезвийными инструментами подчиняются классическим законам теории резания металлов.

На всём протяжении развития обработки металлов ре­занием появление качественно новых инструментальных материалов, обладающих повышенной твёрдостью, тепло­стойкостью и износостойкостью, сопровождалось ростом интенсивности процесса обработки.

Созданные в нашей стране и за рубежом в конце пятидесятых, начале шестидесятых годов прошлого века и широко применяемые инструменты, оснащённые искусственными сверхтвёрдыми материалами на основе кубического нитрида бора (КНБ), характеризуются большим разнообразием.

По сведениям отечественных и зарубежных фирм - производителей инструментов в настоящее время существенно увеличивается применение материалов на основе КНБ.

В промышленно развитых странах потребление лезвийного инструмента из искусственных сверхтвёрдых материалов на основе КНБ продолжает расти в среднем до 15 % в год.

Согласно классификации, предложенной ВНИИинструмент, всем сверхтвёрдым материалам на основе плотных модификаций нитрида бора присвоено наименование композиты.

В теории и практике материаловедения композитом на­зывают материал, не встречающийся в природе, состоящий из двух и более различных по химическому составу компо­нентов. Для композита характерно наличие отчётливых
границ, отделяющих его компоненты. Композит состоит из наполнителя и матрицы. Наибольшее влияние на его свойства оказывает наполнитель, в зависимости от которого композиты подразделяются на две группы: 1) с дисперсными частицами; 2) армированные непрерывными волокнами и армированные волокнами в нескольких направлениях.

Термодинамические особенности полиморфизма нитрида бора обусловили появление большого количества материалов на основе его плотных модификаций и различных технологий его получения.

В зависимости от вида основного процесса, протекаю­щего при синтезе и определяющего свойства сверхтвёрдых материалов, в современных технологиях получения инст­рументальных материалов из нитрида бора можно выде­лить три основных метода:

• фазовое превращение гексагонального нитрида бора в кубический. Поликристаллические сверхтвёрдые ма­териалы, полученные таким образом, отличаются друг от друга наличием или отсутствием катализатора, его видом, структурой, параметрами синтеза и т.д. К ма­териалам этой группы относятся: композит 01 (эльбор-Р) и композит 02 (белбор). За рубежом материа­лы этой группы не выпускаются;
• частичное или полное превращение вюрцитного нит­рида бора в кубический. Отдельные материалы этой группы различаются составом исходной шихты. У нас в стране из материалов этой группы производят одно- и двухслойный композит 10 (гексанит-Р) и различ­ные модификации композита 09 (ПТНБ и др.). За ру­бежом материалы этой группы выпускаются в Япо­нии фирмой «Ниппон Ойл Фате» под торговой мар­кой вюрцип;
• спекание частиц кубического нитрида бора с добавками. Эта группа материалов является самой многочислен­ной, так как возможны различные варианты связки и технологии спекания. По этой технологии в отечествен­ной промышленности производятся композит 05, киборит и ниборит. Наиболее известными зарубежными ма­териалами являются бора зон, амборит и сумиборон.

Дадим краткое описание наиболее известных сверхтвердых инструментальных материалов.

Композит 01 (эльбор-Р) - создан в начале 70-х годов.

Этот материал состоит из беспорядочно ориентирован­ных кристаллов кубического нитрида бора, полученных каталитическим синтезом. В результате высокотемператур­ного прессования под действием высокого давления перво­начальные кристаллы BN K дробятся до размеров 5…20 мкм. Физико-механические свойства композита 01 зависят от состава исходной шихты и термодинамических параметров синтеза (давления, температуры, времени). Примерное мас­совое содержание составляющих композита 01 следующее: до 92 % BN K , до 3 % BN r , остальное - примеси добавок- катализаторов.

Модификация композита 01 (эльбор-РМ) в отличие от эльбора-Р получается прямым синтезом BN r -> BN к, осуще­ствляемым при высоких давлениях (4,0…7,5 ГПа) и темпе­ратурах (1300…2000°С). Отсутствие в шихте катализатора позволяет получить стабильные эксплуатационные свойства.

Композит 02 (белбор) - создан в Институте физики твердого тела и полупроводников АН БССР.

Получается прямым переходом из BN r в аппаратах высокого давления при статическом приложении нагрузки (давление до 9 ГПа, температура до 2900 °С). Процесс осуще­ствляется без катализатора, что обеспечивает высокие фи­зико-механические свойства композита 02. При упрощенной технологии изготовления за счёт введения определенных легирующих добавок имеется возможность варьировать физико-механические свойства поликристаллов.

Белбор по твёрдости сравним с алмазом и значительно превосходит его по термостойкости. В отличие от алмаза он химически инертен к железу, а это позволяет эффектив­но использовать его для обработки чугуна и сталей - ос­новных машиностроительных материалов.

Композит 03 (исмит) - впервые синтезирован в ИСМ АН УССР.

Выпускаются три марки материала: исмит-1, исмит-2, исмит-3, различающиеся физико-механическими и эксплу­атационными свойствами, что является следствием разли­чия исходного сырья и параметров синтеза.

Ниборит - получен ИФВД АН СССР.

Высокая твёрдость, теплостойкость и значительные раз­меры этих поликристаллов предопределяют их высокие эк­сплуатационные свойства.

Киборит - синтезирован впервые в ИСМ АН УССР.

Поликристаллы получают горячим прессованием ших­ты (спеканием) при высоких статических давлениях. В со­став шихты входят порошок кубического нитрида бора и специальные активирующие добавки. Состав и количество добавок, а также условия спекания обеспечивают получение структуры, в которой сросшиеся кристаллы BN К образуют непрерывный каркас (матрицу). В межзёрных промежутках каркаса образуется тугоплавкая твёрдая керамика.

Композит 05 - структура и технология получения разработаны в НПО ВНИИАШ.

Материал в своей основе содержит кристаллы кубического нитрида бора (85…95 %), спекаемые при высоких давлениях с добавками оксида алюминия, алмазов и др. элементов. По сво­им физико-механическим свойствам композит 05 уступает мно­гим поликристаллическим сверхтвёрдым материалам.

Модификацией композита 05 является композит 05ИТ. Он отличается высокими теплопроводностью и теплостой­костью, которые получены путём введения в шихту специ­альных добавок.

Композит 09 (ПТНБ) разработан в Институте химической физики АН СССР.

Выпускается несколько марок (ПТНБ-5МК, ПТНБ-ИК-1 и др.), которые различаются составом исходной шихты (смесью порошков BN B и BN К). Отличие композита 09 от других композиционных материалов заключается в том, что его ос­нову составляют частицы кубического нитрида бора разме­рами 3…5 мкм, а в качестве наполнителя выступает вюрцитный нитрид бора.

За рубежом выпуск материалов данного класса с исполь­зованием превращения вюрцитного нитрида бора осуществ­ляется в Японии фирмой «Ниппон Ойл Фате» совместно с Токийским государственным университетом.

Композит 10 (гексанит-Р) создан в 1972 г. Институтом про­блем материаловедения АН УССР совместно с Полтавским за­водом искусственных алмазов и алмазного инструмента.

Это поликристаллический сверхтвёрдый материал, ос­нову которого составляет вюрцитная модификация нитри­да бора. Технологический процесс получения гексанита-Р, как и предыдущих композитов, состоит из двух операций:

1. синтеза BN B методом прямого перехода BN r -> BN В при ударном воздействии на исходный материал и
2. спекания порошка BN В при высоких давлениях и температурах.

Для композита 10 характерна мелкозернистая структу­ра, но размеры кристаллов могут колебаться в значитель­ных пределах. Особенности структуры определяют и осо­бые механические свойства композита 10 - он не только обладает высокими режущими свойствами, но и может ус­пешно работать при ударных нагрузках, что менее выра­жено у других марок композитов.

На основе гексанита-Р в Институте проблем материалове­дения АН УССР получена улучшенная марка композита 10 - гексанит-РЛ, армированный нитевидными кристаллами - во­локнами «сапфирных усов».

Композит 12 получается спеканием при высоких давлениях смеси порошка вюрцитного нитрида бора и поликристаллических частиц на основе Si 3 N 4 (нитрида кремния). Раз­мер зёрен основной фазы композита не превышает 0,5 мкм.

Перспектива дальнейшего развития, создания и произ­водства композитов связана с использованием в качестве наполнителя нитевидных или игольчатых кристаллов (усов), которые могут быть получены из таких материалов, как В 4 С, SiC, Si 2 N 4 . ВеО и др.

Самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента, – природный алмаз. Алмаз – минерал, разновидность самородного углерода. Как инструментальный материал используется непрозрачный алмаз. Твердость алмаза (HV » 60–100 ГПа) при комнатной температуре гораздо выше твердости карбидов или окислов, и в условиях абразивного износа он незаменим. Плотность
3500–3600 кг/м 3 . Теплопроводность поликристаллов алмаза превышает теплоп­роводность меди.

Природный алмаз является монокристаллом и позволяет получать практически идеальные острые и прямолинейные режущие кромки. С развитием электроники, прецизионного машино- и приборостроения возрастает применение резцов из природных алмазов для точения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т. п.

Алмаз может быть эффективно применен для обработки медных коллекторов – съема небольшого слоя меди при тонкой подаче и очень высокой скорости резания. При этом обеспечивается низкая шероховатость и высокая точность обработанной поверхности. Алмазным инструментом эффективно производится чистовая обработка поршней из алюминиевых сплавов с большим содержанием кремния, в то время как при обработке таких поршней твердосплавными резцами большие кристаллы кремния вызывают быстрый износ инструмента. Алмазом хорошо обрабатывается керамика и частично спеченные карбиды. Алмаз может быть применен для правки шлифовальных кругов и т. п.

Алмаз изнашивается при взаимодействии с железом при высокой температуре, и поэтому не рекомендуется применять алмазные инструменты для обработки сталей. Теплостойкость алмаза относительно небольшая – 700–750 °С. Алмазы имеют недостаточную ударную вязкость, острые кромки алмазного инструмента легко выкрашиваются и разрушаются. Высокая стоимость и дефицитность природных алмазов ограничивает их применение в качестве инструментального материала.

Потребность в менее дорогих и дефицитных сверхтвердых материалах привела к тому, что в 1953–1957 годах в США и в 1959 году в СССР методом каталитического синтеза при высоких статических давлениях и температурах из гексагональных фаз графита (С) были получены мелкие частицы кубических фаз синтетического алмаза. Цвет от черного до белого, в зависимости от технологии изготовления синтетический алмаз может быть полупрозрачным или непрозрачным.

Размеры кристаллов обычно от нескольких десятых долей до 1–2 мм. Более крупные плотные шаровидные поликристаллические образования синтетических алмазов, предназначенные для лез­вийных инструментов, были получены в промышленных условиях в начале 1970-х годов. Синтетические поликристаллические алмазы имеют высокий модуль упругости Е = 700–800 ГПа, высокий предел прочности на сжатие s –В » 7–8 ГПа, но низкий предел прочности на изгиб s И » 0,8–1,1 ГПа.

По аналогичной технологии из бора и азота получена модификация нитрида бора BN, по структуре и свойствам напоминающая синтетический алмаз. Кристаллическая решетка – кубическая, твердость несколько ниже, чем у алмаза, но все же очень велика: 40–45 ГПа, т. е. более чем вдвое выше, чем у твердых сплавов, и почти вдвое выше твердости режущей керамики. Поликристаллический кубический нитрид бора (ПКНБ) иногда называют «боразон», «кубанит», «эльбор». Модуль упругости у нитрид бора
Е = 700–800 ГПа, предел прочности на сжатие примерно такой же, как у твердых сплавов: s –В » 2,5 –5 ГПа, а более низкий, чем у твердых сплавов и у поликристаллических алмазов, предел прочности на изгиб: s И » 0,6–0,8 ГПа.

Теплостойкость кубического нитрида бора значительно выше, чем у синтетических и природных алмазов: около 1000–1100 °С. По этой причине, а также в связи с меньшим химическим родством с углеродом, кубический нитрид бора более эффективен, чем алмаз и твердые сплавы при чистовой обработке сталей резанием, особенно при резании закаленных сталей высокой твердости с небольшими сечениями срезаемого слоя.

В основе технологии изготовления поликристаллов лежат два различных процесса: фазовый переход вещества из одного состояния в другое (собственно синтез) или спекание мелких частиц заранее синтезированного порошка ПСТМ. В нашей стране первым способом получают поликристаллический кубический нитрид бора (ПКНБ) марок: композит 01 (эльбор РМ) и композит 02 (бельбор), а также поликристаллический алмаз (ПКА) марок АСПК (карбонадо) и АСЕ (баллас).

Поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) систематизируются по таким определяющим признакам, как состав основы поликристаллов, способы получения, характеристика исходного материала. Вся гамма поликристаллов разделяется на пять основных групп: ПСТМ на основе алмаза (СПА), ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора (СПНБ), композиционные сверхтвердые материалы (КСТМ), двухслойные сверхтвердые композиционные материалы (ДСКМ).

Поликристаллы на основе синтетического алмаза можно разделить на четыре разновидности:

1) Поликристаллы, получаемые спеканием мелких алмазных порошков в чистом виде или после специальной предварительной обработки для активации процесса спекания. Изготовленные по такой схеме поликристаллы представляют собой, как правило, однофазный продукт. Примером могут служить мегадаймонд, карбонит.

2) Поликристаллы алмаза типа СВ. Они представляют собой гетерогенный композит, состоящий из частиц алмаза, скрепленных связкой – второй фазой, которая располагается в виде тонких прослоек между кристаллами алмаза.

3) Синтетические карбонады типа АСПК, получаемые путем воздействия на углеродосодержащее вещество со значительным количеством катализатора одновременно высокого давления и высокой температуры. АСПК обладают меньшей твердостью и прочностью, чем поликристаллы первых двух разновидностей.

4) Поликристаллы алмаза, получаемые пропиткой алмазного порошка металлическим связующим при высоких давлениях и температурах. В качестве связки используются никель, кобальт, железо, хром.

Существует несколько разновидностей ПСТМ на основе нитрида бора:

1) поликристаллы, синтезируемые из гексагонального нитрида бора (ГНБ) в присутствии растворителя ВМ г ВМ сф (типичным представителем является композит 01);

2) поликристаллы, получаемые в результате прямого перехода гексагональной модификации в кубическую BNrBN (композит 02);

3) поликристаллы, получаемые в результате превращения вюрцитоподобной модификации в кубическую BN g ® ВМ дф. Поскольку полнота перехода регулируется параметрами спекания, то к этой группе относятся материалы с заметно отличающимися свойствами (композит 10, композит 09);

4) поликристаллы, получаемые спеканием порошков кубического нитрида бора (КНБ) с активирующими добавками (композит 05-ИТ, киборит
и др.).

ПСТМ на основе нитрида бора, незначительно уступая алмазу по твердости, отличаются высокой термостойкостью, стойкостью к циклическому воздействию высоких температур и, что особенно важно, более слабым химическим взаимодействием с железом, являющимся основным компонентом большинства материалов, подвергаемых в настоящее время обработке резанием.

Однородные по объемукомпозиционные сверхтвердые материалы получают спеканием смеси порошков синтетического алмаза и кубического нитрида бора. Сюда относят материалы типа ПКНБ – АС, СВ, СВАБ. К классу композиционных относят также алмазосодержащие материалы на основе твердых сплавов. Из материалов этой группы, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации, следует отметить «Славутич» (из природных алмазов) и «Твесал» (из синте­тических алмазов).

Принципиальной особенностью двухслойных композиционных поликристаллических материалов является то, что спекание порошков сверхтвердых материалов производится при высоких температурах и давлениях на подложке из твердых сплавов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, в результате чего образуется слой ПСТМ толщиной 0,5–1 мм, прочно связанный с материалом подложки. Алмазоносный слой может содержать компоненты подложки.

Синтетический алмаз (АС) и кубический нитрид бора (CBN) (торговые марки- эльбор, кубонит, боразон) относятся к сверхтвёрдым материалам (СТМ), твердость которых превышает твердость традиционных абразивных материалов.

Алмаз – самый твёрдый из известных науке материалов, состоящий практически только из чистого углерода (С), атомы которого расположены в виде узкой, высокопрочной трёхмерной матрицы. Алмазы представлены моно- и макрокристаллическими структурами с совершенной спаянностью.
В 1954 году учёными американской компанией «General Electrics» удалось синтезировать из графита алмазы в лабораторных условиях. В 1960 году синтез алмазов был освоен в СССР. В настоящее время объём производства синтетических алмазов в несколько раз превышает объём добычи природных алмазов.Большинство синтетических алмазов имеют монокристаллическую структуру. Возможные формы (морфология) кристаллов синтетических алмазов простирается от кубической формы до формы восьмигранника.Анизотропия твёрдости алмазных граней определяет наименее износоустойчивые направления: в плоской сетке октаэдра – направления, соответствующие высотам треугольных граней; в плоской сетке куба – направления, параллельные сторонам кубических граней. Наибольшей твёрдостью обладают кубические грани. В свою очередь, твёрдость октаэдрических граней больше твёрдости ромбододекаэдрических. Синтетические монокристаллические алмазы по сравнению с природными имеют более острые грани и меньшие радиуса скруглений вершин режущих кромок, чем объясняются их лучшие режущие свойства. Алмаз также имеет наибольший из всех известных материалов модуль упругости (модуль Юнга Е = 900000 МПа). При наибольшей из всех известных материалов прочности на разрыв, предел прочности алмазов при сжатии и изгибе небольшой. Обладая совершенной спаянностью, кристаллы алмаза скалываются, образуя в зависимости от дефектов строения, ровные, ступенчатые или раковистые изломы. Алмазы не смачиваются водой, но прилипают к жировым смесям. Этим свойством руководствуются при выборе типа смазочно-охлаждающей жидкости при шлифовании алмазным инструментом (масляные СОЖ оказывают смазывающее действие на алмазные зёрна, снижая работу трения). Алмаз характеризуется высокой теплопроводностью: она в два-пять раз выше, чем у металлов. Высокая теплопроводность алмаза позволяет быстрее отводить тепло с поверхности обрабатываемых изделий. Отдельные металлы, например, железо, при температуре более 800 0С частично растворяют алмаз, ограничивая его применение.

Кроме монокристаллических алмазов синтезируются поликристаллические алмазы «карбонадо» и «баллас» идентичные по структуре соответствующим природным алмазам. Путём спекания синтетических алмазов в гранулы цилиндрической или сегментной форм тёмного цвета производятся также поликристаллические алмазы типа «спеки».

Кубический нитрид бора – это искуственный абразивный материал, в основном, состава BN с плотной кубической упаковкой атомов бора и азота в тетраэдрической координации.
Кубический нитрид бора не встречается в природе. Впервые его синтез был произведён в 1957 году американской компанией «General Electrics» в результате экспериментальных поисков новых абразивных материалов. Синтез кубического нитрида бора осуществляется таким же образом, как и производство синтетических алмазов.

Кубический нитрид (КНБ) бора получают из гексагонального нитрида бора a-BN (плотность 2,34 г/см3) при высоких давлении и температуре. Переход гексагонального нитрида бора в кубический сопровождается уплотнением кристаллической решётки в 11,5 раза. На долю основной составляющей кубического нитрида бора (b-BN) приходится более 92 %. Цвет кристаллов изменяется от белого и жёлтого до аметистового и чёрного.
Вследствие более комплексной атомной структуры кубический нитрид бора имеет большее количество форм кристаллов. С одной стороны, возможные формы кристаллов кубического нитрида бора простираются от кубической формы до формы восьмигранника, как у алмазов, с другой стороны, возможные формы кристаллов кубического нитрида бора простираются от формы восьмигранника до формы четырёхгранника.
Шлифовальные материалы из КНБ имеют два вида: с зёрнами с моно- и макрокристаллическими (поликристаллическими) структурами и микрокристаллического гранулометрического состава, полученными спеканием микропорошков. гексагонального или вюрцитоподобного нитрида бора (ВНБ).