Труды КНЦ вып.9 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 1/2018(9) Часть 2)

Abstract Cutting tools based on superhard materials are widely used in the construction industry, for example, in the construction of various buildings, industrial facilities, subways, as well as in the dismantling of structures. The implementation of new highly efficient technologies that ensure the rapid development of the technosphere of the 21th century, in particular, implies a significant increase in the load on an instrument. Accordingly, the tool material must have high wear resistance, combine high strength and hardness, and have thermal stability over a wide range of temperatures. Keywords: superhard composite, cubic boron nitride, metal bond for abrasive materials, diamond composite. Особенности получения сверхтвердых композитов на основе алмаза и кубического нитрида бора. Сверхтвердые материалы имеют микротвердость по Виккерсу более 20 ГПа, что выше микротвердости природного корунда. Из природных материалов к сверхтвердым относится только алмаз. В 2000 г. в ИСМ АН Украины прямым превращением графитоподобного твердого раствора BN-C при давлении 25 ГПа и температуре 2100 К была получена новая сверхтвердая фаза — кубический карбонитрид бора (BC 2 N), получивший обозначение «КАНБ». Твердость и модуль упругости КАНБ является промежуточным между алмазом и кубическим нитридом бора, что делает его вторым по твердости материалом после алмаза, и открывает новые перспективы [1, 2]. Инструментальная промышленность выпускает синтетические сверхтвердые материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ). Природный алмаз — это самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента. Принципиальное отличие монокристаллического природного алмаза от всех других инструментальных материалов, имеющих поликристаллическое строение, с точки зрения инструментальщика состоит в возможности получения практически идеально острой и прямолинейной режущей кромки. Поэтому в конце XX в. с развитием электроники, прецизионного машиностроения и приборостроения применение резцов из природных алмазов для микроточения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т. п. возрастает. Однако из-за дороговизны и хрупкости природные алмазы не применяются в общем машиностроении, где требования к качеству обработки деталей не столь высоки. Потребность в сверхтвердых материалах привела к тому, что в 1953-1957 гг. в Швеции (фирма “ASEA”) и США («Дженерал электрик») и в 1959 г. в СССР (Институт физики высоких давлений) методом каталитического синтеза при высоких статических давлениях из гексагональных фаз графита (С) и нитрида бора (BN) были получены мелкие частицы кубических фаз синтетического алмаза и нитрида бора [3]. Теория синтеза алмаза впервые была предложена О. И. Лейпунским (1939 г.), который на основе экспериментальных данных об обратном переходе алмаза в графит, сформулировал условие перехода графита в алмаз и рассчитал кривую равновесия графит — алмаз при высоких давлениях. Синтез алмаза из графита при высоких давлениях (более 4 ГПа) и температурах (свыше 1400 К) осуществляется в присутствии металлических растворителей углерода (Ni, Fe, Co и др.). Кубический нитрид бора (КНБ) — сверхтвердый материал, не имеющий природных аналогов. Впервые был синтезирован в 1956 г. (фирмой «Дженерал Электрик») при давлении свыше 4,0 ГПа и температуре 1473 К из гексагонального нитрида бора в присутствии щелочных и щелочноземельных металлов (свинец, сурьма, олово и др.). Кубический нитрид бора, выпускаемый фирмой «Дженерал Электрик» был назван боразоном. Синтетические монокристаллы алмаза и КНБ, полученные искусственным путем, имеют очень малые размеры, поэтому для использования в качестве инструментального материала их соединяют (сращивают) в поликристаллы. Поликристаллические композиционные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора появились на рубеже 1960-1970 гг. Характерной особенностью таких материалов является наличие жесткого каркаса из сросшихся зерен алмаза или КНБ. Спекание порошков алмаза и КНБ, как правило, осуществляют в области термодинамической стабильности алмаза и КНБ при давлении 5 ... 9 ГПа и температурах 1500 ... 2000 К. Обычно спекание поликристаллических композиционных материалов осуществляют в присутствии активирующих процесс спекания добавок: для алмазных порошков применяют кобальт или кремний, а для порошков КНБ — алюминий (рис. 1). Составляющие каркас зерна — это, в сущности, монокристаллы алмаза, обладающие рядом уникальных физико-механических и теплофизических свойств. Насколько эти свойства реализуются в поликристалле, зависит от степени их взаимной связности. Разработана технология производства двухслойных пластин, где верхний рабочий слой — сверхтвердый материал — скреплен с твердосплавной пластиной. Спеканием или напаиванием алмазного рабочего слоя на такой пластине получают алмазно-твердосплавные пластины АТП, а рабочего слоя из КНБ — КТП. Управление процессом формирования структуры поликристалла открывает возможности создавать в зависимости от областей применения материалы с требуемым сочетанием твердости, теплопроводности, прочности, электросопротивления. Поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) по своим физико­ механическим свойствам могут быть близкими к монокристаллам, а по некоторым и превосходят их. Так, большинство алмазных поликристаллов обладает изотропией (однородностью по различным направлениям) свойств, отличаются высокой износостойкостью и превосходят монокристаллы по трещиностойкости. 780