Алмазное точение: точность 0,1 мкм и радиус кромки 50 нм
Благодаря высокой твердости и идеально острой режущей кромке (радиус скругления менее 50 нм) эти инструменты активно используются при изготовлении деталей лазерной оптики, ювелирных изделий, контактных линз. Применяются при обработке цветных и драгоценных металлов, пластмасс, кристаллов германия и кремния, других особо чистых материалов, не содержащих сплавов железа, никеля и твердых включений.
Рис. 1. Алмазное точение деталей из цветных сплавов с высочайшей точностью
Специально для таких инструментов разработаны ультрапрецизионные станки. Основные узлы (шпиндели, каретки, поворотные столы) имеют аэро- или гидростатические опоры, системы виброизоляции станины и термостабилизации, систему контроля деталей и инструмента.
Рис. 2. Станки для алмазного точения с аэростатическими опорами и системами виброизоляции
Вполне обыденной стала достижимая точность алмазной обработки деталей по размеру и форме порядка 0,1 мкм и шероховатости обработанной поверхности ниже 0,025 мкм. Впечатляет, правда?
Поликристаллические материалы: ограничения традиционных технологий
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).
Но здесь есть нюанс. Точность обработки инструментами из ПСТМ гораздо ниже точности алмазного точения. Почему? Их лезвийность (минимальный радиус скругления режущей кромки) значительно уступает лезвийности инструментов из природного алмаза и определяется зернистостью поликристаллов (0,5–10 мкм и выше).
Разработка субмикронных и нанодисперсных ПСТМ на основе алмаза тормозится сложностью технологических проблем и доступностью природных и синтетических алмазных монокристаллов.
Зарубежные технологии: зернистость 2-4 мкм и твердость 40 ГПа
Для синтеза ПСТМ за рубежом используются технологии спекания микропорошков cBN со связующими и активирующими добавками при высоких давлениях на аппаратуре синтеза типа «белт».
Проблема в том, что 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.
А что происходит при уменьшении зернистости? При уменьшении до 0,5-1 мкм сопровождается значительным увеличением пористости рабочего слоя. 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. То есть ресурс композитов активированного спекания со связующей 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, предполагая отсутствие альтернативных технологий и производств в России.
А зря. 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.
DBN: 100% наноматериал без связующей фазы
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 это дает? Возможность 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 годах разработана технология производства его промышленного аналога DBN (Dense Boron Nitride) и инструментов на его основе.
Неоспоримые преимущества исходного пиролитического нитрида бора:
- ✓ отсутствие примесей
- ✓ возможность управления микроструктурой композита на этапе его получения
Уникальные свойства: твердость 90 ГПа и теплопроводность 350 Вт/м·К
Согласно результатам сканирующей электронной микроскопии и петрографического анализа максимальные размеры зерен DBN не превышают 200 нм при практическом отсутствии пористости.
Рис. 3. Микроструктура скола DBN: размеры зерен не превышают 200 нм
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 сопротивлением 10¹² Ом·см
- → диэлектрической проницаемостью 6
- → пьезомодулем 3×10⁻¹³ Кл/Н
Проведенный в Технологическом институте сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ) анализ показал, что твердость DBN, измеренная методом склерометрии, приближается к 90 ГПа, а твердость по Кнупу превышает 55 ГПа.
Рис. 4. Склерометрия образца DBN: твердость приближается к 90 ГПа
Таким образом, DBN не имеет мировых аналогов по твердости и размеру зерна, являясь 100% наноматериалом. Это серьезно.
Области применения: обработка жаропрочных сплавов и закаленных сталей
К сожалению, использование инструментов, оснащенных нанодисперсными ПСТМ, долгое время сдерживалось недостаточной жесткостью ультрапрецизионных станков. Которые были ориентированы на точение цветных металлов и пластиков монокристаллами алмаза, имеющими известные ограничения по обрабатываемым материалам.
Сейчас эта техническая проблема решена и впервые инструменты могут использоваться в технологиях производства высокоточных изделий из любых труднообрабатываемых материалов.
| Категория материалов | Конкретные материалы |
|---|---|
| Жаропрочные сплавы | Никель, кобальт, хром, вольфрам, чистый никель и молибден |
| Стали | Закаленные, азотированные, нержавеющие, жаропрочные, быстрорежущие |
| Твердые сплавы | Карбиды вольфрама, титана, кобальта, хрома (стеллит, релит), кремний, силицированные материалы, керамика |
| Композиты | Стекло- и углепластики, стеклокерамика, износостойкие пластмассы |
Очевидно, что использование таких материалов российскими производителями не только резко повысит надежность и конкурентоспособность выпускаемой ими промышленной продукции, но и расширит области ее применения.
Реальные примеры: матрицы линз Френеля и пресс-форм из стали HRC 64
Приведем два примера высокопроизводительного точения на станке МК6510 Ф4 с ЧПУ Siemens 840Д нанодисперсными ПСТМ (DBN, ПТНБ).
Пример 1. Матрица из чистого никеля для изготовления линз Френеля.
Точность параболических профилей и размера — 1 мкм, шероховатость — 0,04 мкм.
Рис. 5. Точение и контроль матрицы линзы Френеля из чистого никеля: точность 1 мкм
Пример 2. Матрица из закаленной азотированной стали 38ХМЮА HRC 62-64 для изготовления резиновых уплотнительных колец подвижных соединений.
Погрешность выполнения радиуса пресс-формы не превышала 3 мкм. Шероховатость — 0,063 мкм.
Рис. 6. Изготовление матрицы пресс-формы из закаленной стали HRC 64: погрешность 3 мкм
Впечатляющие результаты, не правда ли? Обработка закаленной стали с твердостью HRC 64 и получение шероховатости 0,063 мкм — это уровень, который раньше был недостижим.
Конкурентные преимущества: расширение возможностей российского инструмента
Для расширения областей применения сверхтвердых инструментальных наноматериалов из нитрида бора без связующей фазы продолжаются работы, направленные на улучшение комплекса их эксплуатационных характеристик.
Режущий инструмент, оснащенный композитом DBN, более тридцати лет успешно применяется на многих промышленных предприятиях России в точной обработке фрезерованием и точением (в том числе 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 0,1 мкм (патент РФ 241211, 2011 г.).
Что имеем в итоге?
| Параметр | DBN | Зарубежные аналоги | Преимущество |
|---|---|---|---|
| Твердость (склерометрия) | ~90 ГПа | 30-40 ГПа | В 2-3 раза выше |
| Твердость по Кнупу | >55 ГПа | 30-40 ГПа | На 40% выше |
| Размер зерна | ≤200 нм | 2-4 мкм | В 10-20 раз меньше |
| Содержание BN | ~100% | 80-90% | Без связующей фазы |
| Теплопроводность | 350 Вт/м·К | Ниже | Лучший отвод тепла |
| Лезвийность | 0,1 мкм | 0,5-10 мкм | Высшая точность |
Практика показывает: российские разработки в области нанодисперсных сверхтвердых материалов не просто не уступают зарубежным аналогам, а превосходят их по ключевым параметрам.
DBN — это реальный прорыв в области сверхтвердых материалов. 100% наноматериал без связующей фазы с твердостью, приближающейся к 90 ГПа. Это не просто цифры — это новые возможности для российской промышленности.
Обработка жаропрочных сплавов, закаленных сталей, твердых сплавов — все это теперь доступно с точностью, которая раньше была возможна только при обработке цветных металлов алмазом.
Время покажет, насколько широко эти технологии будут внедрены в производство. Но потенциал очевиден.
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.
