Нова продукція pcbn – свердла з двошарового композита кубічного нітриду бору
It is developed new PCBN – a two-layer composite of cubic boron nitride with a substrate of cemented carbide. Properties of a working layer a composite – high hardness, fracture strength and an electrical conductivity in a combination to necessary geometry sintered in HPA preparations, have provide...
Saved in:
| Published in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Date: | 2007 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134809 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Нова продукція pcbn – свердла з двошарового композита кубічного нітриду бору / М.П. Беженар, О.О. Шульженко, В.М. Боженок, С.А. Божко, П.А. Нагорний, // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 184-188. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859518545780539392 |
|---|---|
| author | Беженар, М.П. Шульженко, О.О. Боженок, В.М. Божко, С.А. Нагорний, П.А. |
| author_facet | Беженар, М.П. Шульженко, О.О. Боженок, В.М. Божко, С.А. Нагорний, П.А. |
| citation_txt | Нова продукція pcbn – свердла з двошарового композита кубічного нітриду бору / М.П. Беженар, О.О. Шульженко, В.М. Боженок, С.А. Божко, П.А. Нагорний, // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 184-188. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | It is developed new PCBN – a two-layer composite of cubic boron nitride with a substrate of
cemented carbide. Properties of a working layer a composite – high hardness, fracture strength and an electrical conductivity in a combination to necessary geometry sintered in HPA preparations, have provided manufacturing of complex contour profile the tool.
|
| first_indexed | 2025-11-25T20:49:26Z |
| format | Article |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
184
УДК621.762.5
М. П. Беженар, докт. техн. наук; О. О. Шульженко, член-кор. НАН України;
В. М. Боженок, інж.; С. А. Божко, П. А. Нагорний, кандидати техн. наук
Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ, Україна
НОВА ПРОДУКЦІЯ PCBN – СВЕРДЛА З ДВОШАРОВОГО КОМПОЗИТА
КУБІЧНОГО НІТРИДУ БОРУ
It is developed new PCBN – a two-layer composite of cubic boron nitride with a substrate of
cemented carbide. Properties of a working layer a composite – high hardness, fracture strength and
an electrical conductivity in a combination to necessary geometry sintered in HPA preparations,
have provided manufacturing of complex contour profile the tool.
Вступ
В номенклатурі інструментальних матеріалів на основі кубічного нітриду бору
(PCBN) відомих світових фірм є одношарові ріжучі пластини і двошарові пластини, які
отримують спільним спіканням шару КНБ із твердосплавною підкладкою. Такі фірми, як
«Element Six», «Megadiamond», «Sumitomo Electric», випускають двохшарові пластини згідно
з стандартами ISO діаметром від 6,35 до 50,8 мм (від ¼ до 2-х дюймів), а загальна товщина
пластини з твердосплавною підкладкою становить 3,18 або 6,35 мм (1/8–1/4 дюйма), товщина
ріжучого шару КНБ не перевищує 1–1,5 мм. Зазвичай складний фасонний ріжучий інстру-
мент – свердла, зенкера, розвертки – виготовляються з застосуванням паяння. На Міжнарод-
ному ярмарку METAV 2006 (20–24 червня 2006 р., Дюссельдорф, ФРН) близько 20 фірм
представили нові складні фасонні інструменти PCD і PCBN. Серед них розвертки діаметром
15–32 мм фірми «Mapal», свердла діаметром <8,5 мм фірми «Kennametal» та інші подібні
інструменти, в конструкції яких закріплені паянням від 1 до 6 робочих елементів з PCBN або
PCD. Про розвертки діаметром 10—25 мм фірми «August Beck & Co» сказано, що вони виго-
товлені не в звичайний спосіб паянням, а безпосередньо зі спеченого PCBN [1–3].
Технологічна база виробництва PCBN в ІНМ НАНУ була закладена розробкою способу
двостадійного реакційного спікання КНБ із попереднім просоченням алюмінієм, що дозволило
за знижених термобаричних параметрів спікання отримати матеріали з високими фізико-
механічними характеристиками (киборит-2 і киборит-3). Знижені термобаричні параметри спі-
кання дозволили використати розроблені в ІНМ НАНУ апарати високого тиску типу «ковадло
з заглибленням» (КЗ-55–КЗ-80) зі збільшеним реакційним об’ємом (40–100 см3) і матрицями із
загартованої інструментальної сталі замість твердосплавних. Завдяки таким науково-
технологічним рішенням вперше в світовій практиці з полікристалічного КНБ в ІНМ було ви-
готовлено елементи конструкцій кубічного і тетраедричного АВТ із робочими об’ємами від 1,2
до 80 мм3, які пройшли успішне випробування в наукових закладах США і ФРН [4].
Досягнуті результати по створенню виробів конструкційного призначення з композитів
КНБ дозволили поставити завдання розробки нового інструментального матеріалу–композита
з шаром КНБ, нероздільно з’єднаним із твердосплавною підкладкою спільним спіканням їх в
АВТ, з отриманням заготовок загальною висотою 10–15 мм з висотою шару КНБ до 3 мм; в
перспективі використання таких заготовок для виготовлення свердел без операції паяння.
Виготовлення профілю свердла співвісно висоті робочого шару PCBN є предметом
пошуку для виробника інструменту, тому і потребує непередбаченої стандартами ISO геоме-
трії заготовок, але, крім того, ставить вимоги до дисперсності структури, твердості і тріщи-
ностійкості робочого шару. Можливість використання економічних операцій електроіскро-
вого різання заготовок після спікання диктувала вимоги до певного рівня електропровідності
ВЫПУСК 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
185
шару КНБ. Тому критерієм оптимізації фазового і гранулометричного складу шихти робочо-
го шару, параметрів спікання, структури композита було обрано характеристики – твердість,
тріщиностійкість, електропровідність.
Перші наші результати [5] показали принципову можливість отримання спіканням в АВТ
композитів КНБ на твердосплавній підкладці з геометрією виробів, яка дозволить проектувати
інструмент, що обертається. Було отримано заготовки двошарового композита діаметром до 25
мм, загальною висотою до 15 мм, з робочим шаром до 3 мм. Такі результати визначили напрям-
ки подальших досліджень. Міцне з’єднання шару КНБ із твердосплавною підкладкою забезпе-
чувалося вибором гранулометричного складу шихти робочого шару композита або перехідного
шару. Цьому передувало дослідження умов масопереносу W і Со із твердосплавної підкладки,
умов формування перехідної зони між нею і робочим шаром [6]. Було вивчено фактори, що
впливають на характер зміни твердості та електропровідності в перетині через робочий шар і
підкладку, фактори, що визначають можливість реалізації процесу електроіскрового різання,
впливають на його параметри і продуктивність [7]. Оптимізацію хімічного і гранулометричного
складу шихти робочого шару для отримання необхідних фізико-механічних властивостей і елек-
тропровідності композита КНБ було виконано в багатофакторному експерименті [8].
В даній роботі коротко представлено новий композиційний матеріал – основні принци-
пи його створення, загальні характеристики структури, фізико-механічні властивості, електро-
провідність, а також геометрію інструменту, особливості його виготовлення та випробування.
Новий композит кубічного нітриду бору інструментального призначення
Розробка складу шихти для отримання електропровідного і тріщиностійкого матеріа-
лу на основі КНБ – робочого шару двошарових пластин грунтувалася на світовому досвіді
використання в шихті з КНБ до 50-55 % тугоплавких сполук (ТіС, TiN). Експериментально
було доведено, що така шихта не забезпечує потрібного рівня тріщиностійкості робочого
шару за його товщини 2–3 мм, руйнування йде міжкристалітно. Умови реакційного спікання
з Al сприяли модифікації поверхні зерен cBN i TiC та активації дислокаційних механізмів
пластичної деформації з деформаційним зміцненням структури кожної із фаз – cBN i TiC, що
призвело до підвищення тріщиностійкості і опору абразивному зносу матеріалу.
Електропровідний композит системи cBN–TiC–Al містить надтверду неелектропрові-
дну фазу cBN і 26 % за об’ємом електропровідних фаз (TiC, AlB2, TiB2), що утворюють мат-
ричну структуру (рис. 1).
Рис. 1. Електронно-мікроскопічне зображення структури композита системи cBN–
TiC–Al ( автор – інженер С. В. Ткач)
Композит отримують реакційним спіканням за високих р,Т-параметрів. Під час спі-
кання реалізуються термодинамічні та кінетичні умови для зсуву напрямку реакційної взає-
модії вбік утворення електропровідних диборидів алюмінію і титану замість неелектропрові-
дних боридних фаз AlB12, AlB10 (1–4).
Al + 3
2 BN + n TiC = 3
2 AlN + n TiC + 3
1 AlB2; (1)
Я
в проду
тверді р
П
ційної в
дість і т
А
зробити
порошк
впливу
у компо
компози
Н
електро
бориту-
сполук
рдістю
Рис. 2
тверд
кибор
позит
5 – DC
Н
джених
відних
досплав
значень
таких зр
П
15 мм і
досплав
РАЗДЕ
Як показую
уктах хімічн
розчини і ск
Поєднання
взаємодії (A
тріщиностій
Аналіз усіх
и висновок,
ків cBN, з я
на електро
озиті і дисп
итів cBN не
На рис. 2 п
опровідних
-1 і кибори
Al. DBC50
нового роз
2. Кореляці
дістю в
рит-1; 2 –
т КНБ (ІНМ
CN-450 («E
На рис. 3 п
х нами ком
компонент
вній підкла
ь (Hk=25,0±
разків елек
Продукт сп
із шаром то
вною підкл
ЕЛ 2. СИНТЕ
Al
Al +
Al + 5
3 B
ють результ
ної взаємод
кладніші по
я фаз висок
AlN, AlB2,
йкість комп
х факторів
, що найбіл
якою пов’яз
опровідність
персності н
е є незалеж
показано об
х композит
иту-2. Елек
0 (cBN–TiC
зробленого
ія між трі
композит
киборит-2
М НАН Укр
Element Six»
показано о
мпозитів си
тів, їх дисп
адці, де бу
±0,2 ГПа; H
ктроопір ст
пікання в А
овщиною ≥
ладкою є пр
ЕЗ, СПЕКАНИ
+ BN + 2
1
+ BN + 6
1 T
BN + 10
3 T
тати рентге
дії спостері
отрійні спо
кої твердос
TiB2), розт
позита на р
впливу на
льш значим
заний резер
ь показав з
не тільки по
жною характ
бернену лін
тів системи
ктропровід
C) i DCN45
о нами комп
іщиностійк
тах КНБ
2; 3 – нови
раїни); 4 – D
»)
область, в я
истем cBN–
персності і
уло досягну
HV=27,0±0
тановив (6,5
АВТ у вигл
≥3 мм елек
родукція P
ИЕ И СВОЙС
186
2 TiC = AlN
TiC = AlN
TiC = 5
3 Al
енофазового
ігаються не
олуки (TiхA
сті (cBN, T
ташованим
рівні неелек
а твердість
мими є фазо
рв деформац
начимий вп
орошків cB
теристикою
нійну залеж
и cBN–Al, н
дні компози
50 (cBN–TiN
позита, маю
кістю і
Б: 1 –
ий ком-
DBC50;
Р
д
с
м
якій змінюв
–TiC–Al i c
т.і. В ріжуч
уто максим
0,8 ГПа) трі
5±0,8) мОм
ляді виробу
ктропровідн
CBN, яка н
СТВА СВЕРХ
N + 2
1 TiB2
+ 6
1 TiB2
lN + 10
3 T
о аналізу, р
е чисті спол
Al1-хB2; Al3B
TiC) із дріб
ми на міжф
ктропровідн
електропр
овий склад
ційного змі
плив кількі
N, а й туго
ю, вона коре
жність між
на ній вид
ити фірми
N) при зна
ють значно
Рис. 3. Тве
дослідних зр
кладу: 1 –
ма cBN–TiC
валися твер
cBN–TiN–A
чомі шарі к
мальної тве
іщиностійк
м⋅см (позна
у діаметром
ного тріщи
не має анал
ХТВЕРДЫХ М
2 + 2
1 C;
+ 6
1 B4C;
iB2 + 10
1 A
реакції (1–4
луки AlN; A
BC; AlхCyN
бнодисперс
азних гран
них композ
ровідних ко
композита
іцнення стр
існого вміст
оплавкої сп
елює з тверд
ж твердістю
ділено позн
«Element
аченнях тве
о нижчу в’я
ердість і
зразках ком
система c
C–Al; 3 – но
рдість і ел
Al при різн
кращих дос
ердості за м
кість стано
ачка 3 на ри
м >25 мм,
иностійкого
логів.
МАТЕРИАЛОВ
Al4C3
4) проходят
AlB2; TiB2;
(nAlN·Al4C
сними прод
ницях, забез
зитів систем
омпозитів c
і дисперсн
руктури. Ан
ту електроп
олуки. Тріщ
дістю.
ю і тріщино
начками вл
Six» не ма
ердості, бли
язкість руй
електропр
мпозитів К
cBN–TiN–A
овий композ
лектропрові
ному вмісті
слідних зра
мінімально
вила 8–9 М
ис. 2 і 3).
загальною
о композит
В
ть одночасн
; B4C; Al4C
C3)).
дуктами ре
зпечило тв
ми cBN–Al
cBN дозвол
ність вихідн
наліз факто
провідних ф
щиностійкі
остійкістю н
ластивості к
ають у скл
изьких із т
нування.
ровідність
КНБ різно
l; 2 – сист
зит КНБ.
ідність дос
і електропр
азків на тв
ої дисперсі
МПа м1/2. Д
висотою 1
та КНБ і тв
(2
(3
(4
но і
3, а
еак-
ер-
l.
лив
них
орів
фаз
сть
не-
ки-
ладі
тве-
в
го
те-
слі-
ро-
ер-
ії її
Для
10–
ер-
2)
3)
4)
ВЫПУСК 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
187
Механічна обробка поверхні заготовок після спікання (округлення, плоске шліфуван-
ня) виконувалася алмазним інструментом, для порізки заготовок свердел було залучено ме-
тоди електроіскрової обробки. Продуктивність електроіскрового різання залежно від товщи-
ни шару КНБ складала 1,5–2 мм2/хв.
Свердла з двошарового композита КНБ.
Для виготовлення свердел використовувалися заготовки двошарового композита КНБ
діаметром 4,5 мм, загальною висотою 10 мм і висотою шару КНБ 4 мм. Для заточки викори-
стовувалися алмазні круги. На рис. 4 показано фотографії свердел.
Рис. 4. Свердла з нового композита з робочим шаром КНБ, геометрія в різних
ракурсах.
Технологічна послідовність під час виготовлення свердел була такою: заготовка з
двошарового композита КНБ висотою 10 мм і діаметром 5 мм припаювалась до твердоспла-
вної державки (ВК6) діаметром 5 і висотою 35 мм з використанням срібного припою. Одер-
жану заготовку округлювали з використанням алмазних кругів до діаметра 4,5 мм і виконали
заточку ріжучої частини інструменту; кути заточки і гвинтові канавки для сходу стружки
відповідали таким, як для цільних свердел із твердосплавного інструменту (тип Coromant
Delta-C, каталог фірми «Sandvic Coromant»).
Випробування інструменту виконувалося на фрезерному верстаті моделі 676 вироб-
ництва «Иркутского завода фрезерных станков» в процесі свердління заготовки – листа за-
втовшки 2 мм із стеклотекстоліту конструкційного (ГОСТ 10292–84). Режим свердління:
швидкість – 2000 об/хв (0,4 м/с), максимальна для даного верстата, подача 0,05 мм/об. За
таких режимів було виконано 1000 отворів у заготовці стеклотекстоліту, при цьому на ріжу-
чій кромці свердла зносу не виявлено.
Варто зазначити, що вказані режими свердління не були оптимальними для даного ін-
струмента. В модельних експериментах під час точіння загартованої сталі ХВГ такими було
названо швидкість 0,5–3 м/с (виконав канд. техн. наук М. Є. Стахнів). В табл. 1 показано реко-
РАЗДЕЛ 2. СИНТЕЗ, СПЕКАНИЕ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
188
мендовані режими свердління твердосплавними свердлами фірми «Sandvic Coromant», згідно з
якими швидкості різання загартованих сталей мають складати 1,5–3 м/с, чавунів – 2–5 м/с,
тобто бути вищими за ті, на яких проводились випробування в умовах наявного обладнання.
Таблиця 1. Рекомендовані режими різання для свердел класу U зі змінними непереточу-
ючими пластинами з твердого сплаву типу R416.2 (діаметром 12,7 – 17,0 мм)
і гвинтовими канавками (Каталог фірми «Sandvic Coromant»)
Матеріал, що обробляється Твердість,
НВ
Режими різання
Подача,
мм/об
Швидкість,
м/хв
Високолегована загартована сталь 220–450 0,04–0,10 80–130
Жароміцні сплави на основі нікелю 140–425 0,03–0,08 20–80
Сірий чавун високої міцності на розтяг 200–330 0,04–0,10 125–210
Чавун з шароподібним графітом 125–300 0,04–0,10 110–195
Література
1. Jennings M. Tooling innovations on display at METAV// Industrial Diamond Review. – №
3, 2006. – P. 21–23.
2. Steidle H. PCBN tooling systems break new ground in hard turning, milling and reaming//
Industrial Diamond Review. –№ 3, 2006. – Р. 66–67.
3. Kuhli E. Over 30 % time saving with PCBN cutters in mould manufacture // Industrial Di-
amond Review. – №1, 2005. – Р. 37–38.
4. Новиков Н. В., Шульженко А. А., Беженар Н. П. и др. Поликристаллические материа-
лы на основе кубического нитрида бора // Синтез, спекание и свойства сверхтвердых
материалов: Сб. научн. тр. — К.: ИСМ НАН Украины, 2005. – С. 122–128.
5. Шульженко А. А., Беженар Н. П., Божко С. А. и др. Новый композит КНБ для исполь-
зования в сложнопрофильном лезвийном инструменте //Породоразрушающий и ме-
таллообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и при-
менения: Сб. научн. тр. – Вып. 7. – К.: ИСМ им. В. Н. Бакуля, 2004. – С. 173–176.
6. Шульженко А. А., Беженар Н. П., Ткач С. В. и др. Формирование структуры и твердо-
сти композитов кубического нитрида бора при реакционном спекании на твердоспла-
вной подложке // Сверхтв. материалы, 2005. – № 3. – С. 3–13.
7. Ткач С. В., Шульженко А. А., Беженар Н. П. и др. Электропроводность композитов
кубического нитрида бора на твердосплавной подложке и возможности их электроис-
крового резания СТМ // Сверхтв. материалы, 2006. – № 1. – С. 6–24.
8. Беженар Н. П., Божко С. А., Романко Л. А., Белявина Н. Н. Твердость и электрическое
сопротивление композитов системы сBN–Al–TiC (TiN), полученных реакционным
спеканием при высоком давлении // Сверхтв. материалы, 2006. – № 3. – С. 34–43.
Поступила 26.06.07.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-134809 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2223-3938 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-11-25T20:49:26Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Беженар, М.П. Шульженко, О.О. Боженок, В.М. Божко, С.А. Нагорний, П.А. 2018-06-14T09:07:43Z 2018-06-14T09:07:43Z 2007 Нова продукція pcbn – свердла з двошарового композита кубічного нітриду бору / М.П. Беженар, О.О. Шульженко, В.М. Боженок, С.А. Божко, П.А. Нагорний, // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 184-188. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134809 621.762.5 It is developed new PCBN – a two-layer composite of cubic boron nitride with a substrate of cemented carbide. Properties of a working layer a composite – high hardness, fracture strength and an electrical conductivity in a combination to necessary geometry sintered in HPA preparations, have provided manufacturing of complex contour profile the tool. uk Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов Нова продукція pcbn – свердла з двошарового композита кубічного нітриду бору Article published earlier |
| spellingShingle | Нова продукція pcbn – свердла з двошарового композита кубічного нітриду бору Беженар, М.П. Шульженко, О.О. Боженок, В.М. Божко, С.А. Нагорний, П.А. Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов |
| title | Нова продукція pcbn – свердла з двошарового композита кубічного нітриду бору |
| title_full | Нова продукція pcbn – свердла з двошарового композита кубічного нітриду бору |
| title_fullStr | Нова продукція pcbn – свердла з двошарового композита кубічного нітриду бору |
| title_full_unstemmed | Нова продукція pcbn – свердла з двошарового композита кубічного нітриду бору |
| title_short | Нова продукція pcbn – свердла з двошарового композита кубічного нітриду бору |
| title_sort | нова продукція pcbn – свердла з двошарового композита кубічного нітриду бору |
| topic | Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов |
| topic_facet | Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134809 |
| work_keys_str_mv | AT beženarmp novaprodukcíâpcbnsverdlazdvošarovogokompozitakubíčnogonítriduboru AT šulʹženkooo novaprodukcíâpcbnsverdlazdvošarovogokompozitakubíčnogonítriduboru AT boženokvm novaprodukcíâpcbnsverdlazdvošarovogokompozitakubíčnogonítriduboru AT božkosa novaprodukcíâpcbnsverdlazdvošarovogokompozitakubíčnogonítriduboru AT nagorniipa novaprodukcíâpcbnsverdlazdvošarovogokompozitakubíčnogonítriduboru |