Сверх твердые материалы

Содержание
Введение…………..………………….…………....………………….… 3
1. Синтетические сверхтвердые материалы.………..………………... 4
2. Сверхтвердые материалы……….……………………..……….…… 6
Заключение...………………….………................................................. 11
Список литературы………...…….………………………………..….. 12

Введение
Сверхтвёрдые материалы — группа веществ, обладающих высочайшей твердостью, к которой относят материалы, твёрдость и износустойчивость которых превышает твёрдость и износоустойчивость твёрдых сплавов на основе карбидов вольфрама и титана с кобальтовой связкой карбидотитановых сплавов на никель-молибденовой связке. Широко применяемые сверхтвердые материалы: электрокорунд, оксид циркония, карбид кремния, карбид бора, боразон, диборид рения, алмаз. Сверхтвёрдые материалы часто применяются в качестве материалов для абразивной обработки.
В последние годы пристальное внимание современной промышленности направлено к изысканию новых типов сверхтвёрдых материалов и ассимиляции таких материалов, как нитрид углерода, сплав бор-углерод-кремний, нитрид кремния, сплав карбид титана-карбид скандия, сплавы боридов и карбидов подгруппы титана с карбидами и боридами лантаноидов.
1. Синтетические сверхтвердые материалы
Одно из перспективных направлений совершенствования буровых коронок — использование в качестве режущих элементов синтетических сверхтвердых материалов.
Синтетические поликристаллические алмазы АСПК, синтез которых осуществлен в ИФВД АН СССР, представляют собой плотные поликристаллические образования с однородной мелкозернистой структурой. Их получают из графита при синтезе в присутствии металлорастворителей. Выпускаются алмазы в виде цилиндров диаметром 2, 3 и 4 мм, длиной до 4 мм. Подобно всем поликри-сталлическим материалам прочность АСПК с увеличением размеров снижается меньше, чем прочность природных монокристаллических алмазов.
По динамической прочности, определенной на установке избирательного дробления УДА-2, синтетические алмазы АСПК в ряде случаев превосходят природные монокристаллические.
Преимущество синтетических алмазов по сопротивлению ударным нагрузкам растет с увеличением размеров сравниваемых материалов.
Исследования термостойкости синтетических алмазов показали, что основным фактором, определяющим и ограничивающим их термостойкость в условиях свободного прокаливания при атмосферном давлении, является образование при температурах 600—700°С многочисленных трещин под влиянием термических напряжений. При прокаливании в условиях всестороннего высокого давления растрескивание прекращается и их термостойкость, равно как и термостойкость природных алмазов, ограничивается лишь процессом графитизации. Графитизация, а вместе с ней и резкое падение прочности в условиях контакта с порошковой смесью BK15+Ni при атмосферном давлении и 5-минутной выдержке заметно проявляется у АСПК при 950—1000°С. В отличии от графитизации монокристаллических алмазов, развивающейся с поверхности, графитизация поликристаллических алмазов носит объемный характер, что объясняет высокую ее интенсивность. При этом примеси способствуют обратному переходу алмаза в графит и определяют значительное снижение температуры их графитизации по сравнению с природными алмазами. С повышением давления при прокаливании АСПК возрастает их термостойкость.
Синтетические алмазы поликристаллического строения СВСП представляют собой цилиндрические зерна размером 4x4 мм, массой 0,6—6.8 кар. имеют светло-серый цвет; могут поставляться в дробленом виде (АРСЗ, АРС4). Благодаря повышенной термостойкости СВСП может использоваться для оснащения буровых коронок, изготавливаемых по обычной технологии методом спекания матрицы. Износостойкость СВСП не уступает этому показателю у природных алмазов.
Синтетические монокристаллические алмазы выпускаются следующих марок: АСО, АСР. АСВ. АСК и АС. В буровом импрегнированном инструменте используют алмазы, обладающие прочностью, близкой к прочности природных алмазов, и имеющие размеры зерен 1 мм; микротвердость АС составляет 80— 100 тыс. МПа. Для оснащения буровых коронок используют алмазы марки ACT-125, АСТ-160, синтезируемые в ИСМ НАН Украины. В инструментах западных фирм используют алмазы марки SDA-100S, SDA-100' («Де Бирс») и MSD, MBS («Дженерал электрик»), В табл. 2.21 приведены данные об изменении показателя прочности порошков синтетического и природного алмазов после термообработки при температуре 1473 К.
Славутич — сверхтвердый материал, разработанный ИСМ НАН Украины, уступает природным алмазам по износостойкости, но превосходит их по прочности. Изготавливается в виде штабиков или пластин любой формы. Этот материал широко применяется для армирования долот, предназначенных для глубокого бурения скважин на нефть и газ, труб бурильных, а также для правящего инструмента.
2. Сверхтвердые материалы
Баллас — сверхтвердый поликристаллический материал, полученный из порошков синтетических алмазов и предназначенный для изготовления инструмента разного назначения. Поликристаллы балласа темного цвета и значительной массы (0,15...2,5 кар), что позволяет делать из них режущие пластины для резцов и волоки (фильеры). Стойкость резцов из балласа в 50 — 60 раз выше, чем из твердого сплава, что позволило достичь высочайшей скорости резания алюминия — 1 500 м/мин, превысив в 3 раза скорость резания алмазным резцом. Кроме того, из этих поликристаллов производят инструмент для доводки поверхности ответственных деталей, снижая при этом на два —четыре класса шероховатость и значительно повышая твердость, в том числе и закаленных изделий. Выглаживанием обрабатываемой поверхности СТМ достигается пластическая деформация микронеровностей предварительной обработки с одновременным ее упрочнением в холодном состоянии, т.е. создается так называемый наклеп.
Особо следует остановиться на использовании балласа для изготовления волок (фильер), необходимых для изготовления путем волочения проволоки диаметром от 12 мкм до 3 мм. До создания балласа волоки изготовляли из ювелирных алмазов высокого качества, а с внедрением лазера в процесс обработки волочильных отверстий в СТМ процесс изготовления тонких нитей значительно упростился и подешевел. Рабочее отверстие волоки имеет сложную конструкцию и состоит из входной части (входной распуш-ки), смазочного и рабочего конусов, калибрующей зоны, обработочного конуса и выходной части (выходной распушки).
Изготавливают волоки разных назначений: для холодного волочения очень мягких метаплов (алюминия, цинка, сплавов на их основе), мягких (меди, серебра, золота, платины), полутвердых (латуни, бронзы, никеля, Константина, манганина) и твердых (стали, нихрома, вольфрама, молибдена) материалов. В зависимости от диаметра и свойств протягиваемого материала для изготовления волок используют отборный СТМ массой 0,8...2,2 кар. Стойкость волок из балласа в 250 раз выше, чем стойкость твердосплавных волок, и позволяет протянуть через них провод длиной свыше 17 тыс. км.
Тонкий провод нужен для производства электрических ламп, электродных выводов в полупроводниковых приборах и микросхемах, для изготовления миниатюрных трансформаторов, электромагнитных реле, входящих в состав многочисленных приборов и аппаратов космической техники, и для других целей. Кроме того, микропровод диаметром 20 мкм широко используют в сеткогра-фии для изготовления сеткотрафаретов, а также сит. Но сквозь волоку протягивают не только металлы и сплавы. Шелковую нить, используемую для изготовления шелковой ткани, а затем и пошива парашютов, также пропускают через алмазные волоки, достигая равномерности ее калибра по диаметру, обеспечивая получение гладкой, плотной и скользкой нити. Для этих же целей волоки ставят в машинах для прядения искусственного волокна.
Карбонадо — поли кристаллический синтетический алмаз черного или темно-серого цвета имеет радиально-лучевое строение с взаимно внедрившимися один в другой кристаллами. Такой алмаз тверд и прочен и оказался хорошим материалом для изготовления резцов, предназначенных для обработки ряда твердых материалов, среди которых ситаллы, рубины, фарфор, германии, керамика и др. Керамику можно обрабатывать с помощью карбонадо со скоростью резания 200... 300 м/мин, твердые сплавы - 15... 30 м/мин.
Сювутцч — синтетический сверхтвердый материал, полученный спеканием под высоким давлением смеси порошков твердого сплава (ВК6) и крупных зерен (400... 500 мкм) синтетического алмаза. Основное назначение славутича — армирование бурового инструмента, в котором он способен работать при температуре 800 “С и давлении более 20 МПа (200 бар). Однако данный материал пригоден и для изготовления измерительных инструментов. Так, измерительная скоба, изготовленная из славутича, выдержала 800 тыс. измерений, а из закаленной стали — только 1,5 тыс. измерений.
Материал СВ — поли кристаллический алмазный сверхтвердый, синтезированный спеканием при сверхвысоком давлении из смеси порошков природного и синтетического алмазов и предназначенный для изготовления режущих пластинок, волок, буровых инструментов. Этот материал весьма тверд, более прочен, нежели природные алмазы, так как его структура представляет собой густо переплетенную систему кристаллов,) глубоко вросших один в другой (аналогична структуре карбонадо).Эпитаксиальный СТМ— пленочный поликристаллический материал, выращенный из газовой фазы (метана) методом эпитаксии — упорядоченного наращивания на подложке. Процесс проводят в специальной установке, где подложкой (затравкой) служит алмаз, структуру которого и повторяет наращиваемая в импульсном режиме из метана сверхтвердая пленка. За прокачкой перенасыщенного метана следуют вспышки света, которые с помощью системы зеркал фокусируются на затравке, в результате происходит образование пленки алмаза на подложке. Такое наращивание алмазной пленки не требует сверхбольших давлений, высоких температур, катализаторов. Быстрорежущее сверло, покрытое алмазной пленкой, работает в 3 раза дольше обычного.
На основе нитрида бора, который может быть в двух модификациях — гексагональной (ГНБ) и кубической (КНБ), отличающихся высокой химической устойчивостью и термостойкостью, а также повышенной твердостью и жаропрочностью, получен ряд СТМ. Гексагональный нитрид бора — это белый порошок, из него, как и из графита, делают высокоогнеупорные тигли, сухие смазки и др. Новый сверхтвердый алмазоподобный синтетический материал КНБ обладает свойствами, не уступающими алмазу, а в ряде случаев даже превосходящими его. Это вещество — боразон — состоит из бора (45,6%) и азота (54,4%). Оно совершенно пассивно в отношении железа. Кроме того, на боразон не действуют кислоты, их смеси и едкие щелочи. Данный синтетический алмазоподобный материал превосходит алмаз по теплостойкости (2 000°С и для сравнения 800 °С у алмаза) и уступает ему по микротвердости (89...94 у боразона и 100,6 ГПа у алмаза). Боразон получают из КНБ и азота при больших давлениях и высоких температурах в присутствии катализатора. Боразон имеет сходную с алмазом кристаллическую решетку, что предопределяет сходство их свойств. Кристаллы боразона в отличие от большинства кристаллов алмаза обладают проводимостью, а его зерна разнообразны по форме и окраске. Как и алмаз, боразон имеет уникальные абразивные свойства, превосходящие свойства всех известных шлифующих материалов. Боразон, изготавливаемый разными заводами, известен под торговыми марками «кубонит» и «эльбор».
Эльбор — сверхтвердый синтетический материал, состоящий из кубического нитрида бора (КНБ) (85...90%), оксидов магния и кальция (5...2 %) и тугоплавких соединений (10... 1 %). Этот материал в виде порошка с размерами зерен до 250 мкм применяют при изготовлении шлифовального инструмента. Развитием работ по производству СТМ стал эльбор-Р — «эльбор резцовый», представляющий собой плотно сцементированные, глубоко проросшие один в другой кристаллы КНБ размером в несколько микрометров. Эльбор-Р изготовляют в виде цилиндриков диаметром 3,5...7,0 мм и высотой 4...6 мм. Достоинствами такого материала являются высокая твердость (80...90 ГПа), термическая и химическая стойкость, полная инертность к железу, а также надежная пайка металлизованных режущих пластинок к державкам резцов и фрез.
При точении эльбором-Р изделий из быстрорежущей закаленной стали и скорости резания 100 м/мин его стойкость в десятки раз выше стойкости инструмента из твердых сплавов и минералокерамики, а износ при этом в 1,5 раза меньше. Такими резцами можно обрабатывать твердый сплав при изготовлении из него деталей штампов. Эффективными оказались резцы из эльбора-Р при использовании их на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и станках-автоматах. При нагревании примерно до 1 000 °С режущая кромка резца из эльбора-Р окисляется. Однако шероховатость обрабатываемой поверхности изделия при этом уменьшается. При исследовании оказалось, что резец работает как выглаживатель, пластично деформируя микронеровности. Стойкость сверл из эльбора-Р в десятки раз превышает стойкость из традиционных материалов.
Гексанит-Р — сверхтвердый синтетический материал, полученный из модифицированного (подвергнутого кратковременной обработке ударной взрывной волной) гексагонального нитрида бора (ГНБ), синтезированный при давлении 20 ГПа (200 кбар) и температуре 1 500 °С. Полученные таким образом поликристаллы представляют собой цилиндрики диаметром 8,0, высотой 2,5...3,0 мм и массой 0,3... 1,5 кар, обладающие тонкозернистой структурой, высокой вязкостью, большой твердостью, полной инертностью к железу, предназначены для изготовления вставок металлорежущего инструмента, хорошо работающего при точении закаленных сталей и чугунов, выдерживающего ударные нагрузки при обработке прерывистых поверхностей изделий.
В результате исследования установлено, что при скорости резания 140 м/мин закаленного чугуна резец из гексанита-Р работал в течение 3 ч, что в 10 раз превысило стойкость твердосплавного резца.
Белбор (белорусский нитрид бора) — сверхтвердый материал, синтезированный без применения катализаторов (в результате чего получены порошки и крупные поликристаллы), обладающий высокими твердостью и теплостойкостью, хорошо зарекомендовавший себя при обработке закаленных сталей и твердых сплавов.
Исмит — сверхтвердый синтетический поликристаллический материал, полученный из КНБ в смеси с другими веществами. Используется для изготовления режущих вставок к резцам и фрезам. При точении легированной закаленной стали и скорости резания 140 м/мин резец работал 4 ч.
Дисмит — сверхтвердый поликристаллический материал, полученный спеканием мельчайших порошков синтетического алмаза (20...25 %) и КНБ (75...80%) при высоком давлении в присутствии металлического катализатора, имеет кристаллическую решетку типа карбонадо или балласа.
Заключение
В данном реферате мы рассмотрели сверхтвердые материалы.
Проанализировали, что набольшей твердость обладают такие материалы как: баллас, дисмит, исмит, белбор, гексанит-р, эльбор.
Дали им определения и проанализировали их.
Список литературы
1 Галанов Б.А., Григорьев О.Н. Деформация и разрушение сверхтвердых материалов при концентрированном нагружении / Проблемы прочности. – 1986 – №10. – С. 36-42.
2 Лоун Б. Р., Уилшоу Р. инденционный излом: принципы и приложения / журнал материаловедения. – 1975-Выпуск 10-P. 1049-1081.
3 Головин Ю.И. Наноиндентирование и механические свойства твердых тел в субмикрообъемах, тонких приповерхностных слоях и плёнках / Физика твердого тела. – 2008 – Т.50, Вып.12. – С. 2113-2142.
4 Маршалл Д. Б., Лоун Б. Р. влияние остаточных напряжений при остром контактном растрескивании. Часть 1 трещина вдавливания механика / журн.материаловедения. - 1979-Выпуск 14-P. 2001-2012.
5 Лоун Б. Р., Кук Р. Ф. зондирование свойств материалов острыми инденторами: ретроспектива / Journal of материальная наука. - 2012-Vol.47, Выпуск 1-Стр. 1-22.
6 Головин Ю.И. Исследование механических свойств материалов методами наноиндентирования (обзор) / Заводская лаборатория. – 2009 – №2(75). - C. 37-52.
7 Механические свойства синтетического алмаза типа ІІb при температуре 900 °С / Ю.В. Мильман, Е.М. Пидгорнюк, А.Н. Катруша и др. / Сверхтвердые материалы. – 2012 – №5. – С. 37-43.
8 Новиков Н.В., Дуб С.Н., Булычев С.И. Методы микроиспытаний на трещиностойкость / Заводская лаборатория. – 1987 – №7. – С. 60-67.