Сверхтвердые материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора для лезвийного инструмента

Строение и свойства алмаза и кубического нитрида бора. Алмаз – самое твердое вещество, второе место у кубического нитрида бора. Алмаз является природным веществом, его получают также и синтезом. Кубический нитрид бора (КНБ) в природе не обнаружен, его получают только синтезом из исходного природного нитрида бора, имеющего графитоподобное строение.

Алмаз и кубический нитрид бора имеют аналогичные кристаллические кубические решетки, содержащие по 18 атомов, в том числе 8 атомов в вершинах куба, 6 в центрах граней, 4 – в центрах четырех из восьми кубов, образованных делением элементарной кубической ячейки

Таблица 9.8

Состав и свойства режущей керамики

Группа	Марка	Состав	Способ производства	Величина зерна, мкм	Твердость, HRA	σизг, МПа
Оксидная	ЦМ-332	Al2O3+MgO	хп+с	3,9	91	300...350
	ВО-13	То же	хп+с	3,95	92	400...450
	ВШ-75	То же	гп	3,9	93	400...600
Оксиднокарбидная	ВЗ	Al,O3 + TiC		4,6	93	650
	ВОК-60	Al2O3 + TiC + + ZrO2 + HfO2	гп	4,25	93	650
Оксиднонитридная	ОНТ-20 (Кортинит)	Al2O3 + TiN	гп	2,0	93	640
Нитридная	Силинит-Р	Сиалон+TiN	гп	2,0	95	500...700

гремя взаимно перпендикулярными плоскостями, проходящими через центры граней.

В решетке алмаза все атомы – это атомы углерода. В решетке кубического нитрида бора атомы бора располагаются в узлах куба и центрах его граней, а атомы азота в центрах четырех из восьми кубов, образованных взаимно перпендикулярными плоскостями (рис. 9.4).

Элементарной ячейке (на примере кубического нитрида бора) принадлежат 8 атомов: 4 атома азота (каждый из них принадлежит только одной ячейке), 4 атома бора (каждый из восьми атомов бора, расположенный в узлах куба, принадлежит восьми элементарным ячейкам, т.е. на одну ячейку приходится один атом – 8•1/8 = 1, плюс каждый из шести атомов в центрах граней, принадлежащий двум ячейкам, 6•1/2 = 3).

Такая кубическая решетка характерна также для сфалерита (минерал, одна из модификаций цинковой обманки ZnS), поэтому кубический нитрид бора часто обозначают "вмСФ".

Параметры решетки и минимальное расстояние между атомами алмаза несколько меньше, чем у кубического нитрида бора (периоды решетки – 0,3615 и 0,3657 нм, минимальные межатомные расстояния – 0,154 и 0,156 им для алмаза и нитрида бора соответственно). Именно это определяет большую плотность алмаза, несмотря на то, что плотность углерода несколько ниже, чем средняя плотность бора и азота (атомный вес углерода – 12,01, бора – 10,82, азота – 14,008).

Рис. 9.4. Кристаллические решетки алмаза (а) и кубического нитрида бора (б)

Атомы в решетке связаны чрезвычайно прочными ковалентными связями, что обусловливает свойства алмаза и кубического нитрида бора – очень высокие значения твердости и температуры плавления.

Как уже упоминалось, алмаз – самый твердый из всех известных в природе минералов (микротвердость 10 000 кгс/мм2), модуль упругости алмаза также выше, чем у всех известных твердых веществ (900 000 МПа). По этим свойствам кубический нитрид бора уступает только алмазу (микротвердость – 9250 кгс/мм2, Е = 720 000 МПа). Высокая твердость определяет значительную хрупкость. Так, значения коэффициента К1c для алмаза и нитрида бора составляют 4,5...5,0 и 2...5 МПа-м|/2 соответственно (в 3...8 раз ниже, чем у твердого сплава). При относительно высоком сопротивлении сжатию (σсж не ниже, чем у металлокерамики) алмаз плохо сопротивляется изгибающим нагрузкам. Прочностные характеристики нитрида бора ниже, чем у алмаза.

К преимуществам алмаза перед нитридом бора как инструментального материала относится то, что его теплопроводность выше, а коэффициент термического расширения ниже (табл. 9.9), но и алмаз, и кубический нитрид бора по этим параметрам обладают преимуществом перед другими инструментальными материалами.

Таблица 9.9

Физико-механические свойства алмаза и кубического нитрида бора

Свойства	Алмаз	КНБ
Плотность, г/см3	3,48...3,56	3,44...3,49
Твердость, HV	10 000	9250
Е, МПа	900 000	720 000
σ, МПа • при сжатии • при изгибе	2000 210...500	500
Удельная теплопроводность, Вт/м-К	66,9	50,2
Коэффициент линейного расширения, 1/°С • 106	0,12	0,16

По химическим свойствам алмаз и нитрид бора весьма устойчивы. Они не растворяются в концентрированных и разбавленных кислотах. Наблюдается растворимость алмаза в расплавах щелочей, натриевой и калиевой селитрах и соде (вернее, алмаз окисляется и сгорает). Нитрид бора разлагается в расплавах щелочей и солей щелочных металлов при нагреве свыше 400°. Использование алмаза на воздухе возможно до температур не выше 800...1000 °С. При нагреве до этих температур алмаз сгорает с выделением углекислого газа. Без доступа кислорода алмаз устойчив до 2000 °С – температуры полиморфного превращения алмаза в графит. Заметное окисление нитрида бора начинается при более высокой температуре (1200 °С) после часовой выдержки. Его высокая устойчивость объясняется тем, что при температуре порядка 1000 °С на поверхности образуется тонкая пленка оксида бора В2O3, препятствующая окислению. Полиморфное превращение кубического нитрида бора в графитоподобный происходит при температуре свыше 1500 °С.

При высокой температуре наблюдается активное диффузионное взаимодействие алмаза со сплавами на основе железа. При температурах ниже α → γ превращения, т.е. в феррите, растворимость углерода незначительна (не более 0,02%, см. 4.1 и рис. 4.3), но выше температуры этого превращения (в аустените) она резко возрастает, это подтверждено прямым экспериментом. Часовая выдержка при 1000 °С вдавленного алмазного конуса в образец из железа Армко (ОГЛАВЛЕНИЕ углерода равно 0) приводит к образованию слоя толщиной около 40 мкм, ОГЛАВЛЕНИЕ углерода в котором превышает 0,2%. Нитрид бора по отношению к железу инертен.