Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane 8. Supertwarde materia y narz dziowe 8.1. Ogólna charakterystyka supertwardych materia ów narz dziowych KLASYFIKACJA SUPERTWARDYCH MATERIA ÓW NARZ DZIOWYCH Podstawowe supertwarde materia y s fazami wyst puj cymi w uk adzie B-C-N-Si (rys. 8.1). W dziesi ciostopniowej skali Mohsa najwi kszy wska nik 10 uzyska diament a korund ma wska nik 9. Materia y twardsze od korundu, tzn. cechuj ce si twardo ci wi ksz od 20 GPa, uznawane s za materia y supertwarde. Mo na zestawi tzw. piramidy twardo ci obejmuj ce zarówno materia y twarde, jak i supertwarde niemetaliczne (rys. 8.2) oraz wykazuj ce wi zania metaliczne (rys. 8.3). Rysunek 8.1. Tetraedr sk adów chemicznych C-B-N-Si obrazuj cy podstawowe znane materia y supertwarde (wed ug T.J. Clarka i R.C. DeVriesa) 8. Supertwarde materia y narz dziowe 101
Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Rysunek 8.2. Piramida twardo ci materia ów niemetalicznych (wed ug B. Ciszewskiego i W. Przetakiewicza) Rysunek 8.3. Piramida twardo ci materia ów wykazuj cych wi zania metaliczne (w glików, azotków i borków) (wed ug B. Ciszewskiego i W. Przetakiewicza) 102 L.A. Dobrza ski, G. Matula
Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Materia y supertwarde o znaczeniu komercyjnym obejmuj azotek krzemu (Si 3 N 4 ), w glik krzemu (SiC), w glik boru (B 4 C), diament i regularny azotek boru (BN). Azotek krzemu stanowi podstaw dla wa nej kategorii materia ów ceramicznych sialonów, które s u ywane jako materia y konstrukcyjne, a tak e jako materia y narz dziowe do skrawania z bardzo du szybko ci. W gliki metaloidów B i Si (B 4 C i SiC) maj tak e du e znaczenie przemys owe i znajduj zastosowania tak ró ne, jak supertwarde narz dzia oraz rezystory elektryczne elementów grzejnych. Te materia y mog by wytwarzane zarówno bez, jak i z metalow faz wi c. W przypadku gdy nie ma tej fazy, wytworzony materia jest zaliczany do grupy ceramicznych materia ów in ynierskich, natomiast gdy jest zastosowana metalowa faza wi ca materia jest cermetalem in ynierskim. PROCESY TECHNOLOGICZNE MATERIA ÓW SUPERTWARDYCH Podstaw syntezy diamentu i regularnego azotku boru BN jest przemiana alotropowa mi kkiej fazy heksagonalnej w tward odmian o strukturze sieciowej regularnej. W przypadku w gla grafit o strukturze heksagonalnej ulega przemianie w diament o strukturze regularnej (rys. 8.4). Analogicznym przemianom ulega azotek boru (rys. 8.5). Obydwa te materia y mog by wytwarzane jako lite o strukturze ziarnistej lub jako produkty spiekane polikrystaliczne. Synteza regularnego azotku boru BN lub diamentu nast puje w wyniku procesu statycznego wysokoci nieniowego i wysokotemperaturowego HPHT (j. ang.: High-Pressure High-Temperature) lub technik wybuchow dynamiczn. Metoda HPHT pomimo wysokich kosztów oprzyrz dowania technologicznego jest podstawow technik produkcji diamentów oraz regularnego azotku boru. W procesie jednoosiowego prasowania w prasach o bardzo du ym nacisku mo na wytworzy te materia y w formie litej. Dla u atwienia przemiany grafitu w diament, która przy bardzo du ym ci nieniu mo e zaj bezpo rednio, wprowadza si rozpuszczalniki/katalizatory, takie jak Ni, Fe, Co, Mn lub stopy tych metali, w wyniku czego mo liwe jest znacz ce obni enie wymaganego ci nienia, nawet o ok. 5 GPa, oraz temperatury o ok. 1500ºC. Podobnie post puje si w przypadku regularnego azotku boru, lecz jako reagenty stosuje si alkaliny metali ziem rzadkich, a tak e takie same metale, jak w przypadku syntezy diamentu. Ci nienie wymagane do syntezy regularnego azotku boru jest ni sze ni w przypadku diamentu, wobec czego cz sto stosuje si proces syntezy bezpo redniej. 8. Supertwarde materia y narz dziowe 103
Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Rysunek 8.4. Zakresy stabilno ci diamentu i grafitu oraz wp yw rozpuszczalnika i katalizatora na obni enie warunków syntezy (wed ug T.J. Clarka, G.E. Superabrasivesa i R.C. DeVriesa) Rysunek 8.5. Zakresy stabilno ci regularnej i heksagonalnej odmiany alotropowej azotku boru (wed ug T.J. Clarka, G.E. Superabrasivesa i R.C. DeVriesa) 104 L.A. Dobrza ski, G. Matula
Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Metodami niskotemperaturowymi, ok. 900 C, przy niskim ci nieniu, ok. 0,1 MPa, mo liwe jest uzyskiwanie cienkich pow ok lub p ytek zarówno diamentu jak i regularnego azotku boru, które mo na wykorzysta jako narz dzia szlifierskie lub do obróbki mechanicznej, a tak e na elementy diafragm g o ników, okienka aparatów rentgenowskich i na powierzchnie odporne na cieranie. Mo liwa jest równie produkcja polikrystalicznego diamentu (PCD) lub polikrystalicznego regularnego azotku boru (PCBN) przez spiekanie z udzia em lub bez udzia u fazy wi cej wielu indywidualnych kryszta ów diamentu lub regularnego azotku boru BN w jednolit polikrystaliczn mas. ZASTOSOWANIE SUPERTWARDYCH MATERIA ÓW NARZ DZIOWYCH W tablicy 8.1 przedstawiono typowe zastosowania supertwardych materia ów narz dziowych w procesach obróbki skrawaniem i szlifowania stopów metali. 8.2. Polikrystaliczny syntetyczny diament W ASNO CI I ZASTOSOWANIE POLIKRYSTALICZNEGO SYNTETYCZNEGO DIAMENTU Polikrystaliczny syntetyczny diament jest stosowany na narz dzia. Wykazuje on najwi ksz twardo ze wszystkich materia ów narz dziowych przy bardzo ma ej wytrzyma o ci na zginanie (rys. 8.6). Podstawow postaci narz dzi z polikrystalicznego diamentu s p ytki o niewielkich wymiarach, zwykle o grubo ci nie wi kszej od 0,5 mm, niekiedy od 1 mm i pozosta ych wymiarach nie wi kszych od kilku mm. P ytki te s czone z cz ci no n, wykonan z materia u o mniejszej krucho ci, najcz ciej z p ytk z w glików spiekanych o znormalizowanych wymiarach p ytek wieloostrzowych (rys. 8.7). Narz dzia z polikrystalicznego syntetycznego diamentu s stosowane do toczenia i frezowania aluminium, magnezu, miedzi, cynku i ich stopów, a tak e innych stopów metali nie elaznych, g ównie z Si, w glików spiekanych, porcelany i materia ów ceramicznych, gumy, tworzyw sztucznych, drewna, materia ów kompozytowych z tworzyw sztucznych i w ókien szklanych, stopów srebra, z ota i platyny oraz w gla z du pr dko ci skrawania. 8. Supertwarde materia y narz dziowe 105
Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Tablica 8.1. Typowe zastosowania supertwardych materia ów narz dziowych w procesach obróbki skrawaniem i szlifowania stopów metali (opracowano wed ug T.J. Clarka i R.C. DeVriesa) Zastosowanie supertwardych materia ów Stop metali poddany obróbce skrawaniem lub szlifowaniu Podstawowe sk adniki obrabianego stopu Twardo obrabianego stopu Stale utwardzone Narz dziowe do pracy na Co, Cr, Mo, V, W >50 HRC gor co, szybkotn ce Stopowe Cr, Mo, Ni, V >50 HRC Niestopowe Mn, Si >50 HRC Odporne na korozj o strukturze austenitycznej Cr, Ni, Mn >50 HRC o strukturze martenzytycznej Cr >50 HRC eliwa Szare C, Si >180 HBW Bia e C, Ni, Si, Cr >450 HBW Ci gliwe C, Si >200 HBW Nadstopy Na osnowie Ni Cr, Co, Mo, W, Ti >35 HRC Na osnowie Co Cr, W >35 HRC Na osnowie Fe Cr, Ni, Mo >35 HRC Materia y umocnione powierzchniowo Na bazie w glików/tlenków Na bazie metali (stellity, hastelloye) Stopy aluminium Al 2 O 3, Cr 2 O 3, WC >35 HRC Mo, Ni, Cr, Co, Fe>35 HRC Odlewnicze Si, Cu, Mg, Zn 40-145 HBW Obrabiane plastycznie Cu, Zn, Mg 40-150 HBW W gliki spiekane Narz dzia i matryce WC, TaC, TiC, Co84-95 HRA Narz dzia i matryce wst pnie WC, TaC, TiC, Co spiekane Spiekane matryce WC, >6% Co < 90 HRA narz dziowych w procesach obróbki szlifowania skrawaniem diament BN PCD PCBN Oznaczenia: stosowane, niestosowane, stosowane w przypadku u ycia specjalnego oprzyrz dowania. 106 L.A. Dobrza ski, G. Matula
Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Rysunek 8.6. Porównanie twardo ci i wytrzyma o ci na zginanie ró nych materia ów narz dziowych (wed ug katalogów firmy Sandvik-Coromant, Sandviken, Szwecja) Rysunek 8.7. Schemat p ytek narz dziowych z polikrystalicznym syntetycznym diamentem Narz dzia z polikrystalicznego syntetycznego diamentu umo liwiaj uzyskanie bardzo g adkich powierzchni obrabianych elementów o R a = 0,4-1,7 m przy kilkudziesi cio- do kilkusetkrotnym wzro cie liczby przedmiotów obrobionych jednym narz dziem w porównaniu z narz dziami z w glików spiekanych, ze wzgl du na znacznie mniejsze zu ycie ostrza. Natomiast polikrystaliczny syntetyczny diament nie nadaje si do skrawania stali. Ze wzgl du na reaktywno chemiczn w wysokiej temperaturze wytwarzaj cej si w czasie skrawania, nast puje dyfuzja w gla i jego grafityzacja w stali. Oznaczenie grupy zastosowania supertwardych materia ów skrawaj cych z diamentu polikrystalicznego rozpoczyna si od liter DP, np. DP K01. 8. Supertwarde materia y narz dziowe 107
Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Polikrystaliczny syntetyczny diament jest równie stosowany na ci gad a do ci gnienia drutu ze stali nierdzewnych i kwasoodpornych, galwanizowanych stali w glowych, aluminium i miedzi oraz ich stopów, niklu, wolframu, molibdenu, a tak e innych materia ów. Zastosowanie tych ci gade powoduje znaczne zwi kszenie wydajno ci pracy ci gnienia i polepszenia jako ci powierzchni drutów. 8.3. Spiekany azotek boru W ASNO CI I ZASTOSOWANIE SPIEKANEGO AZOTKU BORU Materia em narz dziowym, który zyska powszechne zastosowanie w ostatnim dziesi cioleciu jest spiekany azotek boru BN o sieci regularnej. Narz dzia z regularnego azotku boru s wykonywane podobnie, jak w przypadku polikrystalicznego syntetycznego diamentu, w postaci p ytek o grubo ci 0,5-1 mm po czonych dyfuzyjnie z p ytk no n z w glików spiekanych (rys. 8.8). Twardo regularnego azotku boru jest mniejsza ni diamentu. W odró nieniu od polikrystalicznego diamentu wykazuje on znaczn arowytrzyma o, w zakresie temperatury do 1000 C nie reaguj c z metalami oraz stal i jest odporny na utlenianie. Narz dzia ze spiekanego azotku boru s wykorzystywane do obróbki stali ulepszonych cieplnie, utwardzonego eliwa oraz stopów na osnowie niklu i kobaltu. Narz dzia z regularnego azotku boru wykazuj przy tym znacznie wi ksz trwa o od narz dzi z w glików spiekanych, cermetali zawieraj cych azotek tytanu oraz materia ów ceramiczno-w glikowych (rys. 8.9 i 8.10). Umo liwia to stosowanie du ej pr dko ci skrawania. Rysunek 8.8. Schemat p ytki narz dziowej z p ytk z regularnego azotku boru 108 L.A. Dobrza ski, G. Matula
Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Rysunek 8.9. Porównanie w asno ci skrawnych w glików spiekanych i regularnego azotku boru; materia obrabiany: stal o twardo ci 65 HRC, p = 0,1 mm/obrót, a = 0,2 mm, VB = 0,15 mm (wed ug materia ów firmy Sumitomo Electric Industries Ltd., Itami, Hyogo, Japan) Rysunek 8.10. Porównanie w asno ci skrawnych materia ów ceramiczno-w glikowych i regularnego azotku boru; materia obrabiany: eliwo szare o twardo ci 54 HRC, p = 5 mm, VB = 0,3 mm (wed ug H.K. Toenshoffa) 8. Supertwarde materia y narz dziowe 109
Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Oznaczenie grupy zastosowania materia ów skrawaj cych z polikrystalicznego azotku boru sk ada si z liter BN i symbolu grupy wed ug tablicy 5.2, np. BN M10. Ostatnie doniesienia wskazuj, e w USA zsyntetyzowano podtlenek boru, który okaza si twardszy od BN i równocze nie bardziej ci gliwy od niego. Materia ten jest ta szy w produkcji od BN i nie wykluczone, e w najbli szej przysz o ci zyska techniczne znaczenie jako materia supertwardy. 110 L.A. Dobrza ski, G. Matula