Режущий инструмент на основе сверхтвёрдых материалов
Покупка
Новинка
Тематика:
Технология машиностроения
Издательство:
Химиздат
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 104
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-93808-427-8
Артикул: 829432.01.99
Доступ онлайн
В корзину
В учебном пособии представлено описание способов получения и характеристика основных марок монокристаллических порошков или монокристаллов сверхтвердых материалов. Описаны свойства моно- и поликристаллов, алмазов и кубического нитрида бора и процессы изготовления на их основе режущего инструмента различной конфигурации. Определены области их применения для обработки различных материалов (черные и цветные металлы, сплавы, композиционные материалы и др.). Даны рекомендации для наиболее эффективного использования режущих инструментов с примерением сверхтвердых материалов в машиностроении. Пособие соответствует актуальным требованиям ФГОС ВО.
Рекомендовано для студентов высших учеьных заведений, обучающихся по инженерно-техническим напрвлениям, по направлению "машиностроение и материалообработка", а также для студентов машиностроительных, политехнических и химико-технологических вузов, аспирантов и преподавателей.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.03.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МА111И1IOCTPOE11ИЕ И МАТЕРИАЁООБРАБОТКА Гаршин А. П. Связкина Т. М. РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ НА ОСНОВЕ СВЕРХТВЁРДЫХ МАТЕРИАЛОВ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ БАКАЛАВРИАТА И МАГИСТРАТУРЫ Санкт-Петербург ХИМИЗДАТ 2024
УДК 621.9.025.7 Г 217 Рецензенты: 1. Профессор кафедры «Технологии конструкционных материалов и производства ракетно-космической техники» Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» В. И. Кулик 2. Доктор химических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), действительный член Академии инженерных наук им. А. М. Прохорова, заслуженный работник высшей школы Ю. П. Удалов Гаршин А. П., Связкина Т. М. Г ²¹⁷ Режущий инструмент на основе сверхтвёрдых материалов. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2024, изд. 2-е, стереот. -104 с.: ил. ISBN 978-5-93808-427-8 В учебном пособии представлено описание способов получения и характеристика основных марок монокри-сталллических порошков и поликристаллов сверхтвёрдых материалов. Описаны свойства моно- и поликристаллов алмазов и кубического нитрида бора и процессы изготовления на их основе режущего инструмента различной конструкции. Определены области их применения для обработки различных материалов (чёрные и цветные металлы, сплавы, композиционные материалы и др.). Даны рекомендации для наиболее эффективного использования режущих инструментов с применением сверхтвёрдых материалов в машиностроении. Пособие соответствует актуальным требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования. Рекомендовано для студентов высших учебных заведений, обучающихся по инженерно-техническим направлениям, по направлению «машиностроение и материало-обработка», а также для студентов машиностроительных, политехнических и химико-технологических вузов, аспирантов и преподавателей. 2705030000—003 050(01)—24 Без объявл. ISBN 978-5-93808-427-8 © Гаршин А. П., Связкина Т. М., 2019 © ХИМИЗДАТ, 2019, 2024
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие 4 Часть 1 ПРИРОДНЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ АЛМАЗЫ 1.1. Сверхтвёрдые материалы и их краткая характеристика 7 1.2. Синтетические алмазы, получение, свойства и виды 13 монокристаллических порошков и поликристаллов 1.3. Получение, свойства и применение синтетических 21 алмазов в России и за рубежом 1.4. Виды и конструкции режущего инструмента с примене- 31 нием поликристаллического алмаза 1.5. Специальные виды алмазного инструмента 37 Часть 2 КУБИЧЕСКИЙ НИТРИД БОРА 2.1. Марки монокристаллических порошков кубического 52 нитрида бора, их свойства и области применения 2.2. Способы получения поликристаллов кубического нитри- 60 да бора и области их применения 2.3. Виды и конструкции режущего инструмента на основе 67 поликристаллов кубического нитрида бора 2.4. Некоторые особенности технологии производства, 83 свойства и применение режущего инструмента на основе кубического нитрида бора в России и за рубежом 2.5. Расширение областей применения режущего инстру- 91 мента с использованием кубического нитрида бора и развитие работ по его совершенствованию Приложение 94 Литература 99 3
ПРЕДИСЛОВИЕ Изучение материаловедения и технологии конструкционных материалов является важным аспектом в формировании инженерной базы у студентов различных машиностроительных специальностей. Постоянное развитие техники и технологий вызывает необходимость разработки всё новых и совершенствование уже известных конструкционных материалов. Конструкционные сверхтвёрдые материалы, к которым относятся алмаз и кубический нитрид бора, стали успешно внедряться в различные отрасли машиностроения, заменяя, где это возможно, традиционные конструкционные стали и твёрдые сплавы. Сверхтвёрдые материалы находят также широкое применение в инструментальной промышленности, производстве ювелирных изделий и др. Сведения, полученные из анализа широкого спектра литературы по данной тематике и собственного опыта, авторы обобщили в виде настоящего учебного пособия, состоящего из двух частей. В первой части приводятся краткие сведения об алмазе как наиболее известном представителе из ряда сверхтвёрдых материалов. Описываются виды и свойства монокристаллических порошков природного и синтетического алмаза, а также технология производства его поликристаллов спеканием монокристаллов в аппаратах высокого давления. Даётся описание видов, конструкции и технологии производства режущего алмазного инструмента (резцы, фрезы, свёрла и др.) и приводятся сравнительные данные по зарубежным аналогам, производимым в США, Германии, Великобритании, Японии и др. Во второй части пособия приводятся сведения о кубическом нитриде бора. Даются характеристики монокристаллических порошков куби-4
ческого нитрида бора, описываются способы получения из них поликристаллов (композитных материалов), их свойства и технологии производства режущего инструмента (резцы, фрезы и свёрла) с использованием поликристаллов кубического нитрида бора; приводятся также для сравнения отдельные сведения по этим материалам, производимым как в России, так и за рубежом. Предлагаемое учебное пособие полезно студентам, обучающимся по программам как бакалавриата, так и магистратуры по направлению «Материаловедение и технологии материалов», а также аспирантам, научным работникам и преподавателям, интересующимся проблемами производства режущих материалов на основе сверхтвёрдых материалов. В результате освоения дисциплины «Режущий инструмент на основе сверхтвёрдых материалов» студент должен: знать • основные направления развития технологии производства сверхтвёрдых материалов в России и за рубежом; • основные положения технологий производства монокристаллических и поликристаллических сверхтвёрдых материалов, их физико-механические характеристики и области наиболее эффективного применения; • методы и средства контроля качества сверхтвёрдых материалов и композитов на их основе; • технологии производства различных видов режущего (лезвийного) инструмента на основе сверхтвёрдых материалов; уметь • формулировать и успешно решать задачи по определению режимов подготовки сырья и вспомогательных материалов для производства сверхтвёрдых материалов; • использовать в своей работе основные понятия, законы, физико-химические модели процессов получения 5
сверхтвёрдых материалов (алмазов и кубического нитрида бора); • корректировать техпроцессы синтеза искусственных алмазов и кубического нитрида бора; • обосновывать выбор технологического оборудования и средств контроля качества получаемых сверхтвёрдых материалов; • пользоваться нормативными документами, регламентирующими методы контроля свойств сверхтвёрдых материалов и изделий на их основе; владеть • навыками расчёта режимов синтеза поликристалли-ческих сверхтвёрдых материалов (синтетического алмаза и кубического нитрида бора) из порошков их монокристаллов; • навыками определения физических, физико-механических и технологических свойств сверхтвёрдых материалов; • навыками мониторинга качества сверхтвёрдых материалов и режущих инструментов на их основе; • основами технологии производства кубического нитрида бора и синтетического алмаза, включая их производство в куске (в виде «штабиков») и в виде порошковых материалов (в зерне), а также схемами аппаратурного оформления и управлением технологическим процессом и режимами синтеза; • знанием классификации алмазов в России и за рубежом и технологий получения монокристаллов синтетических алмазов, получаемых при высоких давлениях и температурах (по методу НРНТ) и методом CVD; знанием марок материалов на основе ПКНБ, производимые в России и за рубежом.
ЧАСТЬ 1 ПРИРОДНЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ АЛМАЗЫ 1.1. СВЕРХТВЁРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА К сверхтвёрдым материалам относят природные и синтетические алмазы, а также кубический нитрид бора. Алмаз и кубический нитрид бора (название в России -эльбор, в США - боразон) обладают самой высокой твердостью среди всех видов известных и употребляемых в производстве абразивных и инструментальных материалов. Сравнительные данные по свойствам сверхтвёрдых материалов (СТМ) и некоторых традиционных абразивных материалов приведены в табл. 1.1. ТАБЛИЦА 1.1 Основные свойства алмаза и кубического нитрида бора в сравнении с традиционными абразивами Температура Абразивная Твёрдость, Плотность, начала способность Материал ГПа г/см3 изменения по алмазу, основных доли ед. свойств, °C Алмаз 100 3,5 650-700 1,0 Эльбор 80-90 3,45 1100-1200 0,75-0,85 Боразон 100 3,48 1200-1300 1,0 Карбид 40-48 2,5 600 0,5-0,6 бора (B4C) Карбид 32 3,2 1600-1650 0,3-0,4 кремния (SiC) Корунд 22 3,9 1700-1900 0,15-0,16 (AI2O3) 7
В литературе встречается также обозначение твёрдости алмаза в ряду различных минералов с использованием шкалы твёрдости Мооса, которая предназначена для грубой сравнительной диагностики твёрдости материалов по системе мягче-твёрже. Испытываемый материал либо царапает эталон и его твёрдость по шкале Мооса выше, либо царапается эталоном и его твёрдость ниже эталона. Таким образом, шкала Мооса информирует только об относительной твёрдости минералов. В приведённой ниже табл. 1.2 показано соотношение твёрдости алмаза и других минералов по шкале Мооса с абсолютной твёрдостью, измеренной склерометром. Из табл. 1.2 видно, что алмаз среди всех природных минералов является самым твёрдым. Высокая твёрдость алмаза и кубического нитрида бора (КНБ) предопределила их применение в качестве эффективных абразивных материалов и режущих инструментов на их основе. В качестве абразивных материалов и режущих инструментов в абразивной отрасли до создания искусственных алмазов применяли только природные. Природные алмазы кристаллизуются в перидотитных и кимберлитовых породах в земной коре на больших глубинах при высоких давлениях и температурах. Основными районами добычи природных алмазов являются: Россия (Якутия, Урал), Южная и Юго-Западная Африка (Заир, ЮАР, Ботсвана, Намибия), Бразилия, Индия [13]. Основными разновидностями природных алмазов являются: 1) борт - сростки неправильных форм и шаровидные агрегаты; 2) карбонадо - агрегаты тонкозернистого строения, пористые и окрашенные в буровато-чёрный цвет. Бесцветные образцы состоят из чистого углерода, а окрашенные и непрозрачные дают в несгораемом остатке такие соединения, как SiO₂, MgO, CaO, FeO, Fe₂O₃, AI2O3, ТЮ2 и др. Иногда в образцах природного алмаза 8
ТАБЛИЦА 1.2 Шкала твёрдости Мооса Твёр- Абсо- Другие дость Эталонный минерал лютная Обрабатывае- минералы по твёр- мость с аналогичной Моосу дость твёрдостью 1 Тальк 1 Царапается Графит (Mg3Si4Oio(OH)2 ногтем 2 Гипс (CaSO4-2H2O) 3 Царапается Галит, хло- ногтем рит, слюда 3 Кальцит (CaCO3) 9 Царапается Биотит, золо- медью то, серебро 21 Легко царапа- Доломит, 4 Флюорит (CaF2) ется ножом, сфалерит оконным стеклом 5 Апатит 48 С усилием ца- Гематит, ла- (Сф5(ЗЩ4)з(ЩР- рапается но- зурит бСд-бА-)) жом, оконным стеклом 6 Ортоклаз (KAlSi3O8) 72 Царапает Опал, рутил стекло. Обрабаты- вается напильником 7 Кварц (SiO2) 100 Поддаётся об- Гранат, тур- работке алма- малин зом, царапает стекло 8 Топаз 200 Поддаётся об- Бе- (Al2SiO4(OH-,F-)2) работке алма- рилл(гелио- зом, царапает дор, аквама- стекло рин, изу- мруд), шпи- нель, 9 Корунд (AI2O3) 400 Поддаётся об- Разновидно- работке алма- сти корунда зом, царапает (сапфир, ру- стекло бин), карбид вольфрама 10 Алмаз (C) 1600 Режет стекло Эльбор, бо- разон 9
наблюдаются включения графита. Характеризуя основные физико-химические свойства природного алмаза, следует подчеркнуть, что его кристаллы имеют обычно октаэдрическую форму, реже - додекаэдрическую, кубическую и тетраэдрическую формы. Наиболее крупные кристаллы природных алмазов весят от сотен до тысяч карат, например, масса кристалла «Каллиман» составляет 3025 карат (1 карат = 0,2 г). Кристаллы встречаются бесцветные, а также голубого, синего и чёрного цветов. Плотность природных алмазов 3470—3562 кг/м³, микротвёрдость Нц =100 ГПа, показатель преломления равен 2,427. Основными разновидностями природного алмаза являются баллас, карбонадо, борт. Объём мировой добычи природных алмазов составляет около 34 млн. карат, в том числе около 9 млн. карат - это ювелирные алмазы, остальные 25 млн. карат - это «технический» алмаз, основными областями применения которого являются: метало- и камнеобработка, абразивное производство, бурение горных пород, карандаши для правки абразивных кругов, обработка часовых камней, сверление и шлифование стёкол. Обобщенная классификация алмазов с кратким описанием групп и подгрупп, принятая в СССР и действующая в РФ, приведена в табл. 1.3. В основу данной классификации положены качество алмазов, их масса, размерность и сфера использования. По качеству выделяется девять категорий природного алмазного сырья: к категории 1 и 2 отнесены ювелирные алмазы, к остальным категориям - различные виды технических алмазов. Категории в свою очередь подразделяются на группы с учётом массы и размеров кристаллов, а группы - на подгруппы с указанием технического применения алмазов. Зарубежные фирмы в настоящее время аттестуют алмазы по кристаллической форме, цвету и качеству. Детальная аттестация алмазного сырья производится обычно предприятиям - изготовителями драгоценных камней. Классификация алмазов, принятая за рубежом, приведена в табл. 1. 4. 10
ТАБЛИЦА 1.3 Обобщенная классификация природных алмазов, принятая в СССР Категория Группа Характеристика Использование 1 I Алмазы высокого качества Ювелирные вы- II-III Алмазы белые с незначительным сокого качества нацветом*, с нацветом, жёлтые, с коричневым нацветом, коричне- вые. 2 IV Бесцветные кристаллы и с нацве- Ювелирные том, с небольшими и большими пониженного дефектами в различных зонах качества кристалла 3 V-XIV Отдельные кристаллы правильной Технические формы, с незначительным иска- для инструмен- жением, ступенчатостью, а также с тов большими дефектами, пиленные, колотые и шлифованные, рекупе- рированные кристаллы. Бесцвет- ные, с незначительным нацветом, коричневые 4 XV-XVI Целые кристаллы с незначитель- Технические ными искажениями (различной для бурового формы, кроме кубов), прозрач- инструмента и ные, полупрозрачные, различные. алмазных ка- Алмазы рекуперированные той же рандашей характеристики. С небольшим нацветом, прозрачные, полупро- зрачные, различные. 5 XVII-XX Целые кристаллы разной формы Технические пониженного качества, их облом- пониженного ки, шпинелевые двойники, иголь- качества и для чатые, пластинчатые. Различные. предваритель- Прозрачные и полупрозрачные. ной обработки Алмазы рекуперированные. 11
Доступ онлайн
В корзину