1.4. Композиційні надтверді матеріали на основі щільних модифікацій нітриду бору

Тенденції розвитку досліджень в області створення полікристалічних і композиційних надтвердих матеріалів на основі КНБ (PCBN), а також виробництво таких матеріалів у більшості ведучих фірм світу близько стикаються. Аналіз патентної і науково-технічної інформації дозволяє зробити висновок про те, що провідні фірми світу розробили і випускають композиційні матеріали на основі кубічного нітриду бору (PCBN), основним широким призначенням яких є використання в лезовому інструменті. Правовий захист таких матеріалів базується найбільш часто на захисті поелементного і фазового складу PCBN (або/і шихти), розміру зерен кубічного нітриду бору в PCBN (або/і в шихті), складу композитів після спікання, деяких додаткових ознак PCBN, а також р,Т-параметрів спікання.

Прикладом правового захисту фазового складу матеріалу і способу його одержання можуть бути патенти фірми Де-Бірс [66, 67], суть яких - одержаний спіканням абразивний компакт містить масу часток кубічного нітриду бора і другої фази, доля кубічного нітриду бора в компакті складає не менше 80% по масі; друга фаза складається з нітриду алюмінію і дибориду алюмінію. Параметри спікання такого компакту – тиск 5 – 6,5 ГПа, температура 1673- 1873 К, шихта для спікання складається з порошку КНБ і алюмінію, розмір зерен порошку КНБ – 8-20 мкм. В [67] ще відзначено, що в компакті немає металічного алюмінію, що визначається рентгеноструктурним аналізом. Під дію цих патентів підпадає відомий матеріал фірми Де-Бірс Амборит (Amborite AMB90).

Варто відмітити також патенти [68-74], в яких захищається шихта для спікання, параметри спікання, часто розмір зерен компонентів шихти. Так, в [68] склад шихти – порошок КНБ, а також карбонітрид титану TiCN і один з металів з група Al, W, Co, Zr, або їх суміш. Температура спікання більше 1273 К, тиск від 2,4 до 4 ГПа.

В [69-71] основа шихти для спікання – суміш кубічного і графітоподібного нітридів бору. Доля КНБ в шихті 45-65% [69], 30-60% [70], доля ГНБ 30-45% [69], до 50% [70], 40-80% [71]. Розмір зерен КНБ – 5 мкм, ГНБ – 15 мкм [69]. Інші добавки в шихті – Al, AlN, AlB², Co²Al⁹, а також карбіди, нітриди, карбонітриди перехідних металів IVa – VIa груп, окремо виділяється карбонітрид титану [69, 70], в [71] тугоплавкі TiN, TiC, AlB¹² з розміром зерен 1,5 мкм, дисперсність ГНБ – 5 мкм. Параметри спікання в [69-71] забезпечують фазовий перехід BN^гBN^сф (тиск 6 – 7,5 ГПа, температура 1673 – 2073 К, тривалість 4-20 хв.). Твердість одержаних полікристалів H^V 30 – 32 ГПа.

В [72] описано спосіб одержання композиту, в якому доля КНБ складає 20-48%, зв’язка – сполуки з ряду Ti, TiC, TiCN, AlN, AlC, AlCN, TiB², Al²O³, Ti²AlC, Ti²AlN, Ti²AlCN. Розмір зерен всіх компонентів шихти менше 1 мкм. Полікристал спікається на підкладці з твердого сплаву ВК. Параметри спікання: тиск 6 – 7,5 ГПа, температура більша за 1773 К.

Варто відмітити ще патенти [73, 74], де описано одержання композиту КНБ на підкладці ВК, в складі шихти для одержання композиту – TiC, TiCN, Co, [73], TiCN, TiAlCN, Co, CoAl² [74].

Можливості розширення областей використання композитів кубічного нітриду бору пов'язані з отриманням матеріалів більш широкого фазового і хімічного складу і більш широкого діапазону розміру зерен вихідного порошку. Роботи в такому напрямку пов'язані з розробкою і правовим захистом нових об'єктів і їх складових частин.

На прикладі продукції ряду закордонних фірм можна проілюструвати досягнення в області виробництва ПКНМ на основі КНБ. В табл. 1.1 матеріали PCBN, що випускаються різними фірмами, розділені на три групи по їхньому призначенню [75], а в табл. 1.2 і 1.3 приведені основні характеристики матеріалів фірм Де Бірс і Мегадаймонд.[75-78].

В основі класифікації - використання інструментальних матеріалів PCBN в лезовому інструменті на операціях чорнової, напівчистової і чистової обробки широкого класу матеріалів. При цьому матеріали в кожній групі мають близькі характеристики складу, структури, фізичних і фізико-механічних властивостей, а також деякі інші ознаки.

Матеріали першої групи (AMB90 і MN-100), призначені для найбільше жорстких умов роботи, містять 90 і більше мас. % КНБ, для їх одержання використовують мікропорошки КНБ з розміром зерен 8 - 10 мкм. Одержують такі матеріали спіканням при високому тиску і високих температурах у виді одношарових пластин (без підкладки). Ряд таких матеріалів містить тугоплавкі сполуки алюмінію, що свідчить про спікання шихти з алюмінієм або його сплавами. Матеріали мають високу твердість, тріщиностійкість і теплопровідність. Вони неелектропровідні і їхня порізка здійснюється лазером.

Матеріали другої групи містять меншу кількість КНБ (80 - 90 мас. %), але, як і матеріали першої групи, відносяться ще до матеріалів з високим вмістом КНБ (>60 мас. %). Розмір зерен КНБ у них менший, ніж у першій групі, трохи нижча теплопровідність, твердість і тріщиностійкість. В основному вони успішно працюють на операціях напівчистової лезової обробки, але MN-90 рекомендується також для важких умов чорнового точіння. Матеріали другої групи випускають тільки на твердосплавній підкладці. При спіканні використовують металеву зв’язку. В матеріалі DBA-80 ця зв’язка містить Ti і Al, а після спікання утворює неелектропровідну кераміку з тугоплавких сполук, тому можлива тільки лазерна порізка. Зв’язка MN-90 містить Co і, можливо, його електропровідні сполуки, тому порізку MN-90 можна здійснювати електроіскровою обробкою.

Матеріали третьої групи відносяться до композитів з низьким вмістом КНБ (45 - 50 мас. %) і призначені виключно для операцій чистового точіння. Вони відрізняються дисперсною структурою, розмір зерен вихідного КНБ становить 2 мкм і менше. У складі шихти немає металів, а тільки тугоплавкі сполуки (TiC, TiN). В структурі матеріалів третьої групи кожна з фаз, очевидно, створює неперервний каркас, тому вони електропровідні і можлива порізка пластин електроіскровою обробкою. Всі матеріали третьої групи, як і другої, випускають тільки на твердосплавній підкладці. Матеріали третьої групи мають більш низькі значення твердості, тріщиностійкості й особливо теплопровідності, чим у перших двох. Слід зазначити більш високу міцність при стискуванні матеріалів третьої групи. Але, певне, основною їхньою перевагою перед матеріалами двох перших груп залишається тонкодисперсна структура, що дозволяє здійснювати чистове точіння, і економічний фактор (витрати порошків КНБ).

Таблиця 1.1