Алмазная обработка - справочник

КУБИЧЕСКИЙ НИТРИД БОРА И ЕГО СВОЙСТВА

Физико-механические свойства кубичес­кого нитрида бора. Кубический нитрид бора — новый синтетический сверхтвердый материал, который по твердости приближается к алмазу, но имеет более высокую теплостойкость. Кубический нитрид бора представляет собой хими­ческое соединение двух элементов—бора (43,6%) и азота (56,4%). Он имеет кри­сталлическую решетку почти с такими же строением и параметрами, как и алмаз.

Кубический нитрид бора получен из нитрида бора (BN), по свойствам во мно­гом похожего на графит. Как и графит, нитрид бора кристаллизуется в гексаго­нальную решетку. Расстояние между ато­мами, расположенными в вершинах пра­вильных шестиугольников, у нитрида бо­ра равно 1.45А, у графита— 1,42А, а рас стояние между плоскостями составляет

соответственно З.ЗЗА и 3,35А. При этом в каждом шестиграннике атомы бора и азота чередуются между собой, каждый атом азота соединен с тремя атомами бора и нао­борот. В отличие от структуры графита, у которого шестигранные слои сдвинуты один относительно другого так, что вершина шестигранника находится над центром соседнего, у нитрида бора эти слои расположены точно друг под другом, а атомы бора и азота чередуются по вертикали (рис. 4). Плотности нитрида бора и графита близки и составляют 2,20—2,25 г/см³ и 2,20—2,35 г/см³ соответственно.

Между графитом и нитридом бора имеются и существенные различия. Гра­фит — черного цвета, нитрид бора — белый. Графит — хороший проводник

электричества, нитрид бора — плохой, он является прекрасным изолятором при высоких температурах. Эти различия обусловлены ярко выраженными полуметал- лическими свойствами, присущими графиту и отсутствующими у нитр-ида бора.

Наличие общих свойств у графита и нитрида бора и особенно то, что оба вещества имеют гексагональные решетки с близкими параметрами, позволило предположить, что решетка нитрида бора может быть кубической, подобной ре­шетке алмаза. Но это экспериментально подтвердили только после создания тех­ники высоких давлений, позволившей осуществить синтез алмаза и других сверхтвердых материалов.

В результате обработки нитрида бора в специальной камере при высоких давлениях и температурах была получена кубическая модификация нитрида бора, подобная алмазу, с той только разницей, что параметры кубической ре­шетки нитрида бора немного больше, чем алмаза, они равны соответственно

О                        о                                                                                                о                     о

3,616А и 3.567А, а межатомные расстояния — 1,56А и 1,54А. Структурная ре­шетка алмаза состоит из атомов одного элемента — углерода, а кубического нит­рида бора — из атомов двух элементов — бора и азота. Каждый атом бора соеди­нен с четырьмя атомами азота.

В литературных источниках приводятся различные данные о твердости кубического нитрида бора. Микротвердость его по этим данным находится в пределах от 7500 до 9500 кГ/мм². Большой разброс значений микротвердости кубонита связан с тем, что ее измеряют на приборе Виккерса или ПМТ-3 при помощи алмазной пирамиды, твердость которой близка к твердости кубического нитрида бора. Микротвердость алмаза равна J 0000 кГ/мм², кубонита—9250 кГ/мм². Эти значения определены с точностью +5%. Фактическая плотность кубонита несколько меньше, чем алмаза, и составляет 3,45 г/см⁹. Прочность кубонита соответствует прочности алмазов марки АСО и АСР.

Зерна кубического нитрида бора имеют темно-коричневую, желтую, серую или молочно-белую окраску. Они разнообразны по форме — преимущественно октаэдрической и тетраэдрической.

Как показала практика, кубический нитрид бора не может конкурировать с алмазом при обработке твердых и хрупких материалов (металлокерамических твердых сплавов, стекла, керамики, гранита и других неметаллических мате­риалов), в то же время благодаря высокой теплостойкости он является перспек­тивным материалом для обработки инструментальных сталей, особенно быстро­режущих нормальной и повышенной производительности, а также других ме­таллов и сплавов. Преимуществом кубического нитрида бора при обработке указанных материалов является высокая износостойкость и производительность при малых затратах мощности и низких температурах шлифования, что обеспе­чивает высокое качество поверхностного слоя.

В нашей стране кубический нитрид бора, по сообщению Института физики высоких давлений АН СССР, впервые был получен параллельно с синтетическим алмазом в 1960 г. в лабораторных условиях в институте физики высоких давлений АН СССР под руководством акад. Л. Ф. Верещагина. Оригинальная технология промышленного производства КНБ, специальная камера высокого давления и полуавтоматические установки для синтеза его были разработаны в Институте сверхтвердых материалов. С 1964 г. на Опытном заводе этого института было на­чато сначала опытно-промышленное, а затем промышленное производство КНБ и абразивного инструмента из него. В 1966 г. было начато производство КНБ и инструмента из него на Ленинградском абразивном заводе «Ильич».[1]

Проведенные за последние годы исследования открыли возможность варьи­рования физико-мехаиических и эксплуатационных свойств КНБ как инструмен­тального абразивного материала в довольно широких пределах в зависимости от основных исходных материалов, параметров синтеза (давления, температуры, времени выдержки), растворителя (катализатора) и добавки. Поэтому КНБ, синтезируемый различными производителями, имеет существенные отличия и выпускается под различными торговыми марками: боразон (фирма «Дженерал Электрик»), кубонит (Опытный завод ИСМ), эльбор (Ленинградский абразивный завод «Ильич»).

В Советском Союзе кубический нитрид бора (кубонит и эльбор) уже 6 лет производится в промышленных масштабах и применяется для инструмента, паст и порошков в различных отраслях промышленности более чем на (500 пред­приятиях страны.

Из кубони изготовляют шлифпорошки двух марок: КО с размером зерен от 160/125 до 50/40 и КР с размером зерен от 250/200 до 50/40 — и .микропорошки КМ с размером от 60/40 до 1/0. Все они обладают различными, физико-механичгс- кими и эксплуатационными свойствами и предназначены для разнообразных видов обработки. Опытным заводом ИСМ изготовляется также кубонит марки КН, обладающий повышенной абразивной способностью и состоящий в основном из монокристаллов. Шлифпорошки эльбора выпускаются марок ЛО, ЛИ и микро­порошки — ЛМ.

Эксплуатационные свойства шлифпорошков из кубонита зависят от формы зерен, характера их поверхности и механической прочности. Более развитую по­верхность имеют зерна кубонита марки КО; зерна марки КР имеют более округ­лую форму. Механическая прочность выше у кубонита марки КР, меньшая — у КО.

Зернистость порошков из кубонита. Кубонит так же, как и синтетические алмазы, подвергается дроблению с последующей классифи­кацией по размерам на отдельные фракции. Порошки состоят из совокупности зерен различных размеров и конфигурации, представляющие собой монокристал­лы, осколки кристаллов и агрегаты зерен (поликристаллы). Основными харак­теристиками порошков из кубонита является зернистость, прочность и абразив­ная способность, которые определяются так же, как и для алмазных порошков.

Группы, обозначение зернистости и размеры зерен основной фракции порош­ков из кубонита такие же, как и алмазных порошков.

Нормы зернистого состава для шлиф- и микропорошков по количеству зерен в процентах такие же, как и для алмазных порошков соответствующей зернис­тости (см. табл. 7, 9). В составе порошков зернистостью от 256/200 до 60/40 не допускается более 2% пластинчатых и игольчатых зерен, размеры которых пре­вышают размеры зерен основной фракции данного порошка более чем в 2 раза. Содержание растворимых примесей в порошках не должно превышать 5%, ком­ков и влаги —• 0,2%.

Прочность порошков зернистостью от 250/200 до 60/40 марок КО и КР примерно такая же, как и порошков из синтетических алмазов соответ­ственно марок АСО и АСР (см. табл. 13).

Абразивная способность порошков из кубонита, определяе­мая отношением веса сошлифованиого корунда к весу израсходованного порошка, должна быть не менее 2.

Другие технические требования, предъявляемые к порошкам из кубонита, и методы испытаний этих порошков предусмотрены ТУ 258—66.

[1] Сб. «Абразивы и алмазы». ІЯ66. № 4.