Опыт промышленного применения сверхтвердых инструментальных наноматериалов

Опубликовано 18.07.2011
  |   просмотров - 5184,   комментариев - 1
Опыт промышленного применения сверхтвердых инструментальных наноматериалов
Серийно выпускаемые  инструменты  из  нанодисперсного  плотного нитрида бора, произведенные по оригинальной технологии без использования активированного спекания и связующих фаз, могут  быть использованы в производстве особо точных изделий из  современных  конструкционных материалов на имеющемся оборудовании для сверхпре-цизионной алмазной обработки.

Лезвийные инструменты из монокристаллов природного алмаза всегда вызывали особый интерес в приложениях для прецизионной и сверхпрецизионной безударной обработки. Благодаря высокой твердости и идеально острой режущей кромке (радиус скругления менее 50нм) эти инструменты активно используются при изготовлении деталей лазерной оптики, ювелирных изделий, контактных линз и др., применяются при обработке  цветных и драгоценных металлов, пластмасс, кристаллов германия и кремния, других особо чистых материалов, не содержащих сплавов железа, никеля и твердых включений.

Специально для таких инструментов разработаны ультрапрецизионные станки, основные узлы которых (шпин¬дели, каретки, поворотные столы) имеют аэро- или гидростатические опоры, системы виброизоляции станины и термостабилизации, систему контро-ля деталей и инструмента. Вполне обыденной стала достижимая точность алмазной обра-ботки деталей по размеру и форме порядка 0,1мкм и шероховатости обработанной по-верхности ниже 0,025мкм.

Не менее широко используются искусственные поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) на основе алмаза и плотных модификаций нитрида бора (кубической модификации типа сфалерит cBN и вюрцитной - wBN).
Точность обработки инструментами из ПСТМ гораздо ниже точности алмазного точения, так как их лезвийность (минимальный радиус скругления режущей кромки) значительно уступает лезвийности инструментов из природного алмаза и определяется зер-нистостью поликристаллов (0,5 – 10мкм и выше). А разработка субмикронных и нанодисперсных ПСТМ на основе алмаза тормозится сложностью технологических проблем и доступностью природных и синтетических алмазных монокристаллов.
Основные виды субмикронных и нанодисперсных ПСТМ на основе плотного нитрида бора были получены в 1970–1990г.г. в ИФВД г. Троицк и ЦНИТИ г. Москва (Композит 09 ПТНБ), а также в ИФТТП г. Минск (Светланiт). В настоящее время про-мышленный выпуск субмикронных и нанодисперсных ПСТМ на основе плотного нитрида бора и инструментов на их основе ведут Предприятие «Микротехника» г.Мценск и ЦНИТИ.
Для синтеза ПСТМ за рубежом используются технологии спекания микропорошков cBN со связующими и активирующими добавками при высоких давлениях на аппаратуре синтеза типа «белт». Эти технологии и аппаратура не позволяют получать ультрадисперсные компакты ПСТМ. Содержание плотного нитрида бора в таких ПСТМ - не более 80-90%, зернистость - от 2 до 4 мкм, твердость по Кнупу – порядка 40 ГПа. Уменьшение зернистости до 0,5-1 мкм сопровождается значительным увеличением пористости рабочего слоя. Поэтому после спекания связующая фаза занимает уже около 40% объема композита, а их твердость снижается до 30-33 ГПа.
Переход к наноразмерному нитриду бора в случае активированного спекания неизбежно приводит к объемному преобладанию в композите связующей фазы и дальнейшему уменьшению твердости, т.е. ресурс композитов активированного спекания со связую-щей фазой исчерпывается на уровне 1 мкм.
К сожалению, этой ошибки не избежали и российские производители. В частности ГК «Роснано» также построило свой проект по инструментам с нанодисперсным нитридом бора на технологии активированного спекания компактов со связующей фазой, пред-полагая отсутствие альтернативных технологий и производств в России.
Например, в базовой технологии синтеза ПТНБ в ЦНИТИ активирующие и связующие добавки не используются. Спекаются субмикропорошки cBN(монокристаллы) и нанопорошки wBN(поликристаллы), а условия термобарического воздействия подобраны таким образом, что в вюрцитных частицах сохраняется наноразмерная субструктура. Поэтому твердость ПТНБ (42-45 ГПа) выше, чем у композитов активированного спекания.

Режущий инструмент, оснащенный этим композитом, более тридцати лет успешно применяется на многих промышленных предприятиях России в точной обработке фрезе-рованием и точением (в т.ч. с ударными нагрузками) труднообрабатываемых материалов - закаленных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов. Высокая термоусталостная прочность материала позволяет использовать при обработке СОЖ. Развитие технологии синтеза ПТНБ позволило дополнительно получить прирост прочностных характеристик на 15-20%, уменьшить его зернистость, обеспечив лезвийность 0,1мкм (патент РФ 2412111, 2011г.).
В отличие от аппаратов «белт» (давление 4.0-6.0 ГПа) некоторые модификации камер высокого давления, производимые в России, работают при 8,0 ГПа, что позволяет реализовать условия для прямого синтеза плотного нитрида бора. В 1988 году в ИФТТП были выпущены экспериментальные партии особо чистого сверхтвердого нанокомпозита «Светланiт» из объемных заготовок пиролитического нитрида бора, а Предприятием «Микротехника» в 1992-1995 г.г. разработана технология производства его промышленного аналога DBN (Dense Boron Nitride) и инструментов на его основе.
Неоспоримыми преимуществами исходного пиролитического нитрида бора является отсутствие примесей и возможность управления микроструктурой композита на этапе его получения.
Согласно результатам сканирующей электронной микроскопии (Рис.3) и петрографического анализа максимальные размеры зерен DBN не превышают 200 нм при практическом отсутствии пористости. Упругие модули, определенные на основании измерений скорости прохождения ультразвуковых волн через образцы, оказались близкими к алмазу и составили 800-850 ГПа, а теплопроводность 350 Вт/м К – самая высокая среди известных ПСТМ из нитрида бора. Материал является диэлектриком с удельным сопротивлени-ем 10-12Ом см, диэлектрической проницаемостью – 6,  пьезомодулем - 3х10-13Кл/Н.
Проведенный в Технологическом институте сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ) анализ показал, что твердость DBN, измеренная методом склерометрии (Рис.4), приближается к 90ГПа, а твердость по Кнупу превышает 55 ГПа.
Таким образом, DBN не имеет мировых аналогов по твердости и размеру зерна, яв-ляясь 100% наноматериалом.
К сожалению, использование инструментов, оснащенных нанодисперсными ПСТМ, долгое время сдерживалось недостаточной жесткостью ультрапрецизионных станков, которые были ориентированы на точение цветных металлов и пластиков моно-кристаллами алмаза, имеющими известные ограничения по обрабатываемым материалам. Сейчас эта техническая проблема решена и впервые инструменты могут использовать-ся в технологиях производства высокоточных изделий из любых труднообрабаты-ваемых материалов, в том числе:
•    жаропрочных, нержавеющих, износоустойчивых, кислотостойких сплавов никеля, кобальта, хрома, вольфрама, а также чистого никеля и молибдена;
•    закаленных, азотированных, нержавеющих, жаропрочных, быстрорежущих сталей;
•    твердых сплавов на основе карбидов вольфрама, титана, кобальта и хрома (в т.ч. стеллит, релит), кремния, силицированных материалов, керамики;
•    композитов, стекло- и углепластиков, стеклокерамики, износостойких пластмасс.
Очевидно, что использование таких материалов российскими производителями не только резко повысит надежность и конкурентоспособность выпускаемой ими промышленной продукции, но и расширит области ее применения.

Для расширения областей применения сверхтвердых инструментальных наномате-риалов из нитрида бора без связующей фазы продолжаются работы, направленные на улучшение комплекса их эксплуатационных характеристик.

Малышев С.Н., Предприятие «Микротехника» г.Мценск,
Орловской обл., ОАО «ЦНИТИ» г.Москва
т/ф (499)4611302, т (495)9738239, (495)4870104
http://www.microtechnika.ru, http://www.tsniti.info
Филоненко В.П., Институт физики высоких давлений
(ИФВД) РАН, г. Троицк Московской обл.
Захаревич Е.М., «Ресурс точности» , г.Москва
Перфилов С.А.,Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов, г. Троицк Московской обл.

Комментарии:

Цитировать Имя
Валерий Бокарев, 28.10.2011 15:48:47
Хороший сверхтвёрдый материал, но это не наноматериал, т.к. размер кристаллитов 200 нм.