Режущий инструмент на основе сверхтвёрдых материалов

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАТЕРИАЛООБРАБОТКА
Гаршин А. П. 
Связкина Т. М. 
.
РЕЖУЩИЙ 
ИНСТРУМЕНТ 
НА ОСНОВЕ 
СВЕРХТВЁРДЫХ 
МАТЕРИАЛОВ 
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ БАКАЛАВРИАТА И МАГИСТРАТУРЫ 
Санкт-Петербург 
ХИМИЗДАТ 
2024 
1 

мСд 621.9.025.7 
    Й 217 
к В ˆ В М Б В М Ъ ˚ :  
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 монокристалллических 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 материалообработка», а также для студентов машиностроительных, 
политехнических и химико-технологических вузов, аспирантов и преподавателей. 
Й 
2705030000–003 
050(01)–24 
ЕВБ У·˙fl‚О. 
© Гаршин А. П., Связкина Т. М., 2019 
© паеабСДн, 2019, 2024 
ISBN 
 978-5-93808-427-8
2 

 
 
 
 
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  
монокристаллических порошков и поликристаллов 
13
1.3. Получение, свойства и применение синтетических  
алмазов в России и за рубежом 
21
1.4. Виды и конструкции режущего инструмента с применением поликристаллического алмаза 
31
1.5. Специальные виды алмазного инструмента 
37
.
Часть 2 
КУБИЧЕСКИЙ НИТРИД БОРА 
2.1. Марки монокристаллических порошков кубического 
нитрида бора, их свойства и области применения 
52
2.2. Способы получения поликристаллов кубического нитрида бора и области их применения 
60
2.3. Виды и конструкции режущего инструмента на основе  
поликристаллов кубического нитрида бора 
67
83
2.4. Некоторые особенности технологии производства,  
свойства и применение режущего инструмента на основе кубического нитрида бора в России и за рубежом 
91
2.5. Расширение областей применения режущего инструмента 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 куби4 

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 поликристаллических 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. 
 
 
 
 
 
6 

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 
Материал 
Твёрдость, 
ГПа 
Плотность, 
г/см3 
Абразивная 
способность 
по алмазу,  
доли ед. 
Температура 
начала  
изменения 
основных 
свойств, °С 
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 
40–48 
2,5 
600 
0,5–0,6 
Карбид  
бора (B4C) 
32 
3,2 
1600–1650 
0,3–0,4 
Карбид 
кремния 
(SiC) 
Корунд 
(Al2O3) 
22 
3,9 
1700–1900 
0,15–0,16 
7 

В литературе встречается также обозначение твёрдо.
сти 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, 
Al2O3, TiO2 и др. Иногда в образцах природного алмаза 
8 

ТАБЛИЦА 1.2 
Шкала твёрдости Мооса 
Другие  
минералы  
Эталонный минерал 
Обрабатываемость 
с аналогичной 
Абсолютная 
твёрдость 
твёрдостью 
Твёрдость 
по  
Моосу 
1 
Тальк 
(Mg3Si4O10(OH)2 
1 
Царапается 
ногтем 
Графит 
2 
Гипс (CaSO4·2H2O) 
3 
Царапается 
ногтем 
Галит, хлорит, слюда 
3 
Кальцит (CaCO3) 
9 
Царапается 
медью 
Биотит, золото, серебро 
Доломит,  
сфалерит 
4 
Флюорит (CaF2) 
21 
Легко царапается ножом, 
оконным 
стеклом 
Гематит, лазурит 
5 
Апатит 
(Сф5(ЗЩ4)3(ЩРбСд-бА-)) 
48 
С усилием царапается ножом, оконным 
стеклом 
Опал, рутил 
.
6 
Ортоклаз (KAlSi3O8) 
72 
Царапает 
стекло.  
Обрабатывается 
напильником 
Гранат, турмалин 
7 
Кварц (SiO2) 
100 
Поддаётся обработке алмазом, царапает 
стекло 
8 
Топаз 
(Al2SiO4(OH-,F-)2) 
200 
Поддаётся обработке алмазом, царапает 
стекло 
Берилл(гелиодор, аквамарин, изумруд), шпинель, 
9 
Корунд (Al2O3) 
400 
Поддаётся обработке алмазом, царапает 
стекло 
Разновидности корунда 
(сапфир, рубин), карбид 
вольфрама 
10 
Алмаз (C) 
1600 
Режет стекло 
Эльбор, боразон 
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 Нµ = 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