В Киеве 40 лет назад впервые в мировой практике появился специализированный научный центр – Институт сверхтвердых материалов, основной целью которого является создание таких инструментальных материалов (СТМ), которым было бы по силам обработать любой, даже самый твердый металл. За эти 40 лет создана гамма инструментов из СТМ (синтетических алмазов и кубического нитрида бора), которые успешно обрабатывают современные инструментальные и композиционные материалы.

АЛМАЗЫ

АЛМАЗЫ "ГИБНУТ ЗА МЕТАЛЛ" И
ПОБЕЖДАЮТ

Анатолий ШЕПЕЛЕВ, зам.
директора, зав. лабораторией, кандидат наук,

Валерий ЛАВРИНЕНКО, ведущий
научный сотрудник, доктор наук, Институт
сверхтвердых материалов НАН Украины

В Киеве 40 лет назад впервые в
мировой практике появился специализированный
научный центр – Институт сверхтвердых
материалов, основной целью которого является
создание таких инструментальных материалов
(СТМ), которым было бы по силам обработать любой,
даже самый твердый металл. За эти 40 лет создана
гамма инструментов из СТМ (синтетических алмазов
и кубического нитрида бора), которые успешно
обрабатывают современные инструментальные и
композиционные материалы.

Любой металл рано или поздно
требует определенной функциональной
переработки в конкретные изделия. Одни металлы
этому почти не противятся, а вот другие, например
инструментальные, к этому крайне не расположены.
Для решения этой проблемы в мире выпускается в
год более 200 млн. карат технических алмазов и
значительная часть их уходит на обработку таких
твердых металлов и материалов. Между тем, мировое
производство требует все новых партий алмазов и
алмазного инструмента взамен отработавшего, где,
образно говоря, алмазы "погибли за металл". В
Киеве 40 лет назад впервые в мировой практике
появился специализированный научный центр –
Институт сверхтвердых материалов, основной
целью которого является создание таких
инструментальных материалов (СТМ), которым было
бы по силам обработать любой, даже самый твердый
металл. За эти 40 лет создана гамма инструментов
из СТМ (синтетических алмазов и кубического
нитрида бора), которые успешно обрабатывают
современные инструментальные и композиционные
материалы.

Изготовление деталей различной
конфигурации из металлов и сплавов
осуществляется преимущественно с
использованием режущих инструментов. История
обработки металлов резанием полна драматизма.
Это захватывающий поединок между обрабатываемым
и обрабатывающим материалом, где счет идет не на
жизнь, а на смерть. При этом смерть
инструментального материала крайне не
желательна, ибо это означает и смерть самой
детали. Тем не менее, детали должны быть все более
прочными и износостойкими, а значит,
инструментальные материалы должны быть
надежнее. В свою очередь, эффективность работы
обрабатывающих материалов определяется не
только их структурой и химическим составом, но и
качеством изготовления самого режущего
инструмента.

Инструментальные материалы в
основной своей массе делятся на две равные
группы: инструментальные стали, в том числе
быстрорежущие, и твердые сплавы, охватывающие
почти 95% производства инструмента (табл. 1).

По современной классификации
инструментальных сталей наиболее
труднообрабатываемые быстрорежущие стали
относятся к группе теплостойких сталей, которые
получают высокую твердость, прочность,
износостойкость вследствие двойного упрочнения:
мартенситного при закаливании и дисперсионного
твердения при относительно высоком отпуске с
выделением упрочняющих фаз. В зависимости от
степени легирования стали делятся на 3 группы:
умеренной теплостойкости – вольфрамовые (Р18) и
вольфрамо-молибденовые (Р6М5); повышенной
теплостойкости – ванадиевые (Р6М5Ф3), кобальтовые
(Р6М 5К5), высокоуглеродистые (А11 Р3М3Ф2);
безвольфрамовые (ЭК41, ЭК42).

Сегодня структура
использования быстрорежущих сталей в
современном производстве составляет: Р6М5 – 65-75%,
Р6М5Ф3 – 10%, Р6М5К5 – 7-10%, а остаток 10-15% – сложно- и
экономнолегированные стали. Широкое
использование этих сталей сдерживается их
худшей, по сравнению с наиболее распространенной
маркой стали Р18, шлифуемостью, которая является
важным технологическим свойством
инструментальных сталей, определяющим качество
готового инструмента.

Хотелось бы отметить, что
неудовлетворительная шлифуемость абразивными
кругами из электрокорунда наблюдается у сталей с
повышенным содержанием карбида ванадия,
например: Р6М5Ф3 (коэффициент шлифуемости
относительно стали Р18 – 0,4) или А11Р3М3Ф2 – 0,3. Это
вызвано тем, что карбиды ванадия VC и V4C3 имеют
твердость (HV " 28 ГПа), которая превышает
микротвердость зерен электрокорунда белого (20-22
ГПа). Вследствие этого снижается
производительность шлифования, наблюдается
быстрый износ кругов и возникает необходимость
их частой правки.

Следовательно, качественная и
производительная обработка быстрорежущих
сталей должна ориентироваться на использование
абразивов высокой твердости (HV"100 ГПа) –
алмазов и кубического нитрида бора.
Использование алмазов позволило достичь более
высокой производительности и качества
обработки, тем не менее, расход алмазов остается
достаточно высоким. Установлено, что имеет место
взаимодействие железа с алмазом, графитизация
поверхностных слоев алмазов и последующая
диффузия углерода из графита в железо. Кроме
того, реальные карбиды в структуре быстрорежущей
стали имеют дефицит 15% по углероду. Недостаток
атомов углерода приводит к интенсивному
карбидообразованию в структуре поверхностного
слоя быстрорежущих сталей при алмазном
шлифовании и, как следствие, к интенсивному
износу алмазных кругов.

Таблица 1. Характеристики
инструментальных материалов

Таким образом, ключом к выбору
инструмента для обработки быстрорежущих сталей
является функция карбидообразования. Исходя из
выше изложенного, выдвинута гипотеза об
углеродной недостаточности карбидов
быстрорежущих сталей как показателе их
обрабатываемости. Железо также образует карбиды,
но слабее, чем легирующие элементы.

В процессе алмазного шлифования
сталей зерна алмазов изнашиваются в результате
механического истирания и химического
взаимодействия, причем последнее при
относительно высоком содержании углерода в
стали достаточно мало. Например, стали Р2М5 и
А11Р3М3Ф2 относительно богаты углеродом, поэтому
они не оказывают сильного химического
воздействия на алмазные зерна. Такие стали можно
обрабатывать алмазными кругами. Стали,
находящиеся в области углеродной
недостаточности, такими кругами обрабатывать
нельзя.

Поэтому Институтом был
разработан новый сверхтвердый материал, не
имеющий природного аналога, – кубический нитрид
бора (КНБ), известный под торговой маркой –
кубонит. Использование кругов из КНБ позволяет
значительно повысить качество обрабатываемого
инструмента из быстрорежущих сталей, а также
снизить износ кругов. Такой инструмент получил
достаточно широкое распространение в
промышленности Украины, например в ОАО
"Запорожинструмент", ОАО "Винницкий
инструментальный завод", на сахарных заводах
Украины.

После инструментальных сталей
твердые сплавы являются наиболее
распространенным инструментальным материалом, а
в промышленности США и Западной Европы даже
более предпочтительны, и их доля составляет 45-57%
общего выпуска. Твердые сплавы, выпускаемые в
странах СНГ (в т.ч. в Украине) и за их пределами,
делятся на 4 группы: вольфрамовые (ВК),
титановольфрамовые (ТК),
титанотанталовольфрамовые (ТТК) и
безвольфрамовые (БВТС). Наибольшие проблемы при
шлифовании возникают как раз у последних.

Существующие марки твердых
сплавов на основе карбида вольфрама не всегда
удовлетворяют современным требованиям, особенно
при обработке труднообрабатываемых материалов,
преимущественно из-за низких показателей
окалиностойкости и химического взаимодействия с
этими материалами, поэтому в мировой практике
характерным является использование преимуществ
БВТС. Это касается как Европы, так и стран СНГ и
Азии, например Китая или Японии. По прочности эти
сплавы уступают стандартным, однако имеют
меньшие коэффициент трения по стали и склонность
к адгезии. При этом БВТС шлифуются значительно
хуже, чем стандартные твердые сплавы. Силы
резания при этом в несколько раз превышают силы
резания, возникающие при шлифовании твердых
сплавов групп ВК и ТК, и объясняется это тем, что
карбид титана имеет в 1,5, а карбонитрид титана в 2
раза большую твердость. Среди современных
твердых сложнолегированных сплавов есть такие,
обработка которых также значительно усложнена. К
ним относятся сплавы легированные карбидами
тантала и ванадия: группа ТТК (ТТ20К9, ТТ8К6, ТТ10К8Б и
др.) и типа ОМ (ВК6 ОМ, ВК10 ОМ, ВК10 ХОМ). В
значительной степени это связано с тем, что
дополнительное легирование карбидами ванадия и
титана способствует формированию
тонкозернистых твердых сплавов, в которых размер
зерен не превышает 1 мкм. При этом повышается
сопротивление пластическому деформированию
сплава, но ухудшается их шлифуемость.

Существуют значительные
разногласия в рекомендациях по поиску путей
достижения высокоточной и эффективной
технологии шлифования современных
сложнолегированных сплавов.

Практика показывает важность
инструментов из синтетических алмазов и
кубического нитрида бора для современного
машиностроения, металлообработки и других
отраслей промышленности. Шлифование и доводка
твердосплавных и быстрорежущих инструментов
позволяет достичь высокого качества, повысить их
долговечность в 1,5-2 раза, а также увеличить
производительность обработки.

В Украине, кроме Института
сверхтвердых материалов, выпуском алмазного
инструмента занимаются также Полтавский и
Львовский алмазные заводы. Основным отличием
разработок Института от разработок указанных
заводов является то, что они выпускают
стандартный инструмент, тогда как Институт
наравне со стандартным выпускает и специальный
шлифовальный инструмент. Кроме того, выпуск
кубонита и инструмента из него – это
исключительно приоритет ИСМ НAH Украины. Ценовая
политика украинских предприятий остается
благоприятной как для украинского рынка, так и
для экспортных операций. Так, мировая цена
алмазов в шлифовальных кругах колеблется от 1 до 2
USD за 1 карат, а кубического нитрида бора от 2 до 4 USD
за 1 карат. Украинский алмазно-абразивный
инструмент продается на рынке по цене от 0,3 до 1 USD
за карат. При этом в специальных кругах стоимость
алмазов может возрастать и до 3 USD за карат, что
связано с дополнительными затратами на
подготовку производства такого инструмента,
когда идет речь о небольших партиях. Это
общемировая практика, и правильность такой
политики подчеркивают экспортные возможности
ИСМ НАН Украины. Стандартный и специальный
инструмент изготавливается Институтом по
контрактам и поставляется в Японию, Югославию,
Чехию, Венгрию, Беларусь, Латвию, Россию и др.
страны. Для примера, в России в 2000 году
заказчиками алмазно-абразивного инструмента
изготовления Института являлись Салдинский
металлургический комбинат, ОАО “БМЗ” (Брянск),
ОАО "Дятьковский хрусталь" и др.

Сегодня этот рынок требует
экономичного инструмента из синтетических
алмазов и кубонита, обладающего высокой
производительностью, но и при этом малым износом
самого инструмента. То есть, если уж алмазы,
образно говоря, "гибнут за металл", то крайне
желательно, чтобы они "гибли" поменьше, а вот
металла обрабатывали побольше. Анализ
разработок в данном направлении указывает на то,
что к 2000 году наблюдается тенденция, при которой
износостойкость кругов и производительность
обработки в целом достигли своего предела (рис. 1).
Дальнейший прорыв в этом направлении может быть
только за счет разработки и внедрения новых
технологий шлифования или реализации уникальных
свойств сверхтвердых материалов за счет новых
конструкций кругов. Заметим, что и первые и
вторые решения уже есть в арсенале сотрудников
института, например применение нового процесса
вибрационного шлифования (рис. 1).

Необходимо отметить одну
тенденцию, характерную как в целом для
промышленности, так и для процессов обработки
металлов, а именно: снижение энергоемкости
процессов обработки. Если для 70-х годов
характерным было использование более
энергоемких процессов для повышения
производительности обработки (рис. 2), то вопросы
энергосбережения при сохранении той же
производительности приобретают все большую
актуальность и нашли свое отображение в создании
новых технологий. От лозунга: "Побольше
энергии в процессе" произошел переход к
лозунгу: "Используй энергию самого
инструмента". В результате разработан процесс
вибрационного шлифования, который не требует
ввода дополнительной энергии со стороны, а она
создается самим инструментом в процессе
шлифования. Экологичность такого процесса
исключительно высокая, так как он не требует
никаких дополнительных установок.

Рис. 1. Изменение показателей
производительности шлифования и расхода алмазов

Рис. 2. Изменение уровня
энергоемкости процессов шлифования металлов

В ИСМ НАН Украины разработаны
новые принципы активации режущей поверхности
кругов и создания их новых конструкций. Опыт
работы с такими инструментами показал, что в
зависимости от их функциональных свойств круги
по конструкциям могут быть разделены на основные
группы, которые позволяют:

- осуществлять групповую
обработку инструментов;

- достичь стабилизации
определенных параметров обработки: температуры,
производительности, износа и т.д.;

- в одном инструменте достичь
комбинирования функциональных свойств
нескольких кругов.

Разработаны эффективные
технологии высокопроизводительной обработки
режущих инструментов из вольфрамовых и
безвольфрамовых твердых сплавов,
инструментальных сталей и других
инструментальных материалов для глубинного,
вибрационного и электрохимического шлифования.

Разработанные технологии
позволяют:

- вести обработку независимо от
структурного и фазового состояния
инструментальных материалов, т.е. "твердые"
и "мягкие" материалы одинаково эффективно
поддаются обработке;

- исключить термическое
воздействие на структуру инструментальных
материалов, за счет применения не
теплонапряженных процессов с температурой менее
6000 С;

- увеличить производительность
обработки в 2-3 раза;

- увеличить стойкость
инструмента не менее чем в 2 раза.

Для реализации этих технологий
используются как стандартные, так и специальные
круги из алмазо- или кубонитосодержащих
композиций. Впервые разработаны новые
шлифовальные инструменты из СТМ:

- крупногабаритные формы 1А1 и 6А2
диаметром от 400 до 900 мм;

- мелкоразмерные формы 1А1, 1V1, 12R4
диаметром от 30 до 100 мм;

- с прерывистым и чередующимся
рабочим слоем.

Институт сверхтвердых
материалов НАН Украины остается активным
участником в создании и поддержании высокого
уровня отечественного рынка абразивных
инструментов из сверхтвердых материалов, что
подтвердила Международная выставка "Intertool –
2000", проходившая в декабре 2000 года в Киеве.