השימוש היעיל ביותר בכלי יהלום הוא בפעולות גימור וגימור בעת עיבוד חלקים העשויים ממתכות לא ברזליות וסגסוגותיהן, כמו גם חומרים לא מתכתיים וחומרים מרוכבים. ליהלום, כחומר כלי עבודה, יש שני חסרונות משמעותיים - עמידות נמוכה יחסית בחום ופירוק דיפוזיה בברזל בטמפרטורות גבוהות, מה שמונע למעשה את השימוש בכלי יהלום בעת עיבוד פלדות וסגסוגות המסוגלות ליצור קרבידים. יחד עם זאת, הודות למוליכות התרמית הגבוהה מאוד, קצה החיתוך של הלהב עובר קירור אינטנסיבי, מה שהופך כלי יהלום למתאימים לעבודה במהירויות חיתוך גבוהות.

סוגי STM מבוססי יהלומים הקיימים בתרגול העולמי מוצגים באיור. 6.23.

אורז. 6.23 חומרים קשים במיוחד לכלי להבים מבוססי יהלום

כלי להבי יהלום חד-גבישיים משמשים לעיבוד קרמיקה רדיו, חומרים מוליכים למחצה, ועיבוד דיוק גבוה של סגסוגות לא ברזליות. כלי יהלום חד-גבישיים מאופיינים בעמידות שיא בבלאי וברדיוס מינימלי של עיגול של קצה החיתוך, מה שמבטיח איכות גבוהה של המשטח המעובד. יש לקחת בחשבון שהעלות של כלי להב יהלום חד גביש גבוהה פי כמה מעלותו של כלי יהלום רב גבישי. היתרונות של יהלומים פולי-גבישיים אינסטרומנטליים (PCD, בחו"ל PCD), בהשוואה ליהלומים חד-גבישיים, קשורים לכיוון השרירותי של גבישים בשכבת העבודה של תוספות חיתוך, מה שמבטיח אחידות גבוהה בקשיות ועמידות בפני שחיקה בכל הכיוונים. ערכי חוזק גבוהים. מיהלומים רב גבישיים המתקבלים על בסיס מעבר פאזה, דרגות ASPC, המתקבלות מגרפיט במהלך סינתזה בנוכחות ממסי מתכת, הפכו נפוצות עבור כלי להב. דרגות ASPC מיוצרות בצורה של צילינדרים בקוטר של 2, 3 ו-4 מ"מ, ואורך של עד 4 מ"מ.

מבין כל סוגי ה-PCD, הנפוצים ביותר הם כלי יהלום המתקבלים על ידי סינטר אבקות יהלומים (גודל 1...30 מיקרון) בנוכחות זרז קובלט. דוגמה תהיה CMX850 עדין גרגר או המותג האוניברסלי CTM302 מבית ElementSix, תוספות בצורות שונות מבית VNIIALMAZ, OJSC MPO VAI. יתרונות משמעותיים מבחינת חוזק הלוחות ונוחות הידוקם בהלחמה בגוף הכלי ניתנים על ידי לוחות דו-שכבתיים עם שכבת יהלום על גבי מצע קרביד, הנקראים גם ATP - לוחות יהלום-קרביד. לדוגמה, צלחות כאלה בגדלים שונים מיוצרות בחו"ל על ידי Diamond Innovations תחת שם המותג Compax. Element Six מייצרת תוספות סינדיט בעובי שכבת יהלום בין 0.3 ל-2.5 מ"מ ובגדלים שונים של גרגירי יהלום. SVBN דו-שכבתי מתוצרת מקומית מולחם על החלק העליון של לוח קרביד בגודל סטנדרטי. המחלקה המרוכבת כוללת חומרים המכילים יהלומים המבוססים על סגסוגות קשות, כמו גם קומפוזיציות המבוססות על יהלומים רב גבישיים ובור ניטריד משושה. מבין חומרי הסגסוגת הקשים ביהלומים שהוכיחו את עצמם בפעולה, יש לציין את "Slavutich" (מיהלומים טבעיים) ו-"Tvesal" (מיהלומים סינתטיים).

פוליקריסטלים של יהלומים המתקבלים על ידי שקיעת אדים כימית (CVD-Diamond) מייצגים סוג חדש ביסודו של STM מבוסס יהלומים. בהשוואה לסוגים אחרים של יהלומים רב גבישיים, הם מאופיינים בטוהר גבוה, קשיות ומוליכות תרמית, אך חוזק נמוך יותר. הם מייצגים סרטים עבים, ולמעשה - לוחות בעובי של 0.3...2.0 מ"מ (העובי האופייני ביותר הוא 0.5 מ"מ), אשר לאחר הגידול, מקלפים מהמצע, נחתכים בלייזר ומולחמים לקרביד מוסיף. בעת עיבוד חומרים שוחקים וקשים מאוד, יש להם עמידות גבוהה פי כמה מאשר PCDs אחרים. לפי ElementSix, המייצרת PCDs כאלה תחת השם הכללי CVDite, הם מומלצים עבור סיבוב רציף של קרמיקה, סגסוגות קשות והרכבי מטריצות מתכת. לא משמש לעיבוד פלדה. בשנים האחרונות הופיעו פרסומים על הצמיחה התעשייתית של יהלומים חד-גבישים בטכנולוגיית CVD. לפיכך, אנו צריכים לצפות שסוג זה של כלי יהלום קריסטל יחיד יופיע בשוק בעתיד הקרוב.

טכנולוגיית CVD מייצרת לא רק את כלי להבי היהלום שתוארו לעיל, אלא גם ציפוי יהלום על קרביד וכמה חומרי כלי קרמי. מכיוון שטמפרטורת התהליך היא 600...1000 0 C, לא ניתן ליישם ציפויים כאלה על כלי פלדה. עובי הציפויים על כלים, כולל פרופילים מורכבים (מקדחים, חותכי כרסום, SMP), הוא 1...40 מיקרון. תחומי שימוש רציונלי של ציפוי יהלומים דומים לכלי יהלום CVD.

יש להבחין בין ציפויי יהלום לבין ציפוי דמוי יהלום. ציפוי אמורפי של Diamond-LikeCoating (DLC) מורכב מאטומי פחמן עם קשרים דמויי יהלום וגם גרפיט. ציפויים דמויי יהלום המיושמים על ידי שקיעת אדים פיזית (PVD) ותצהיר כימי מופעל בפלזמה (PACVD) הם בעלי עובי של 1...30 מיקרון (בדרך כלל כ-5 מיקרון) והם מאופיינים בקשיות גבוהה ובמקדם חיכוך נמוך שיא. . מאז תהליך יישום ציפויים כאלה מתבצע בטמפרטורות לא גבוהות מ 300 0 C, הם משמשים גם כדי להגביר את העמידות של כלים במהירות גבוהה. ההשפעה הגדולה ביותר מציפויים דמויי יהלום מושגת בעת עיבוד נחושת, אלומיניום, סגסוגות טיטניום, חומרים לא מתכתיים וחומרים שוחקים מאוד.

חומרים מרוכבים סופר קשים על בסיס בורון ניטריד. STM המבוסס על בור ניטריד פולי-גבישי (PCBN ברוסיה ו-PCBN בחו"ל), נחות מעט מיהלום בקשיותו, מאופיינים בעמידות גבוהה בחום, עמידות בפני חשיפה מחזורית לטמפרטורות גבוהות ובעיקר, אינטראקציה כימית חלשה יותר עם ברזל, ולכן היעילות הגבוהה ביותר של השימוש כלים מבוססי BN מתרחשים בעת עיבוד ברזל יצוק ופלדות, כולל אלה קשים.

בחו"ל, לפי ISO 513, חלוקת דרגות ה-PCBN מתבצעת לפי תכולת הבורון ניטריד מעוקב בחומר: עם תכולת BN גבוהה (70...95%) (מדד "H") וקטן יחסית כמות קלסר, ועם תכולת BN נמוכה (40...70%) (מדד "L"). עבור ציוני PCBN עם תוכן נמוך, נעשה שימוש בקשר קרמי TiCN. ציונים בעלי תכולת BN גבוהה מומלצים לעיבוד מהיר של כל סוגי הברזל היצוק, כולל מוקשה ומלבין, כמו גם חריטה של ​​סגסוגות ניקל עמידות בחום. ל-PCBN עם תכולת BN נמוכה יש חוזק גדול יותר והם משמשים בעיקר לעיבוד פלדות מוקשות, כולל עיבוד שבבי מופרע. Sumitomo Electric מייצרת גם תוספות PCBN בציפוי קרמי (סוג BNC), בעלי עמידות מוגברת בפני עיבוד מהיר של פלדות ומספקות גימור משטח באיכות גבוהה.

בנוסף להומוגנית במבנה, PCBN מיוצרים בצורה של לוחות דו-שכבתיים עם בסיס קרביד (בדומה ל-PKA). PCBN מרוכב מיוצר על ידי סינטר תערובת של אבקות יהלומים סינתטיים וקוביות או וורציט בורון ניטריד. במדינות זרות, חומרים המבוססים על וורציט בורון ניטריד אינם בשימוש נרחב.

מטרת STM המבוססת על בורון ניטריד מעוקב:

Composite 01 (Elbor R), Composite 02 (Belbor R) - חריטה עדינה ועדינה ללא פגיעה וכרסום פנים של פלדות מוקשות וברזל יצוק בכל קשיות, סגסוגות קשות עם תכולת קלסר של יותר מ-15%.

קומפוזיט 03 (איסמית) - גימור ועיבוד חצי עדין של פלדות מוקשות וברזל יצוק בכל קשיות.

קומפוזיט 05, קומפוזיט 05IT, קומפוזיט KP3 - חריטה מקדימה וסופית ללא פגיעה של פלדות מוקשות עד 55HRC וברזל יצוק אפור בקשיות 160...600HB, עומק חיתוך עד 0.2...2 מ"מ, כרסום פנים של ברזל יצוק.

קומפוזיט 06 - סיבוב עדין של פלדות מוקשות עד 63HRC.

Composite 10 (Hexanit R), Composite KP3 - חריטה מקדימה וסופית עם וללא השפעה, כרסום פנים של פלדות וברזל יצוק בכל קשיות, סגסוגות קשות עם תכולת קלסר של יותר מ-15%, חריטה לסירוגין, עיבוד חלקים שהופקדו. עומק חיתוך 0.05...0.7 מ"מ.

טומל 10, קומפוזיט 10D - גס, חצי גס וגימור חריטה וכרסום של ברזל יצוק בכל קשיות, חריטה וקימום של פלדות וסגסוגות על בסיס נחושת, חיתוך על קרום יציקה.

קומפוזיט 11 (קיבורית) - חריטה מקדימה וסופית, לרבות חרטת אימפקט, של פלדות מוקשות וברזל יצוק בכל קשיות, משטח פלזמה עמיד בפני שחיקה, כרסום פנים של פלדות מוקשות וברזל יצוק.

בחו"ל, כלי להבים המבוססים על PCBN מיוצרים על ידי ElementSix, Diamond Innovations, Sumitomo Electric Industries, Toshiba Tungalloy, Kyocera, NTK Cutting Tools, Ceram Tec, Kennametal, Seco Tools, Mitsubishi Carbide, Sandvik Coromant, ISM (אוקראינה), Widia, Ssangyong תאגיד חומרים וכו'.

התחום העיקרי של שימוש יעיל בכלי חיתוך להבים העשויים מ-STM הוא ייצור אוטומטי המבוסס על מכונות CNC, מכונות רב תכליתיות, קווים אוטומטיים ומכונות מיוחדות מהירות. בשל הרגישות המוגברת של כלי STM לרעידות ולעומסי זעזועים, מוטלות דרישות מוגברות למכונות מבחינת דיוק, עמידות בפני רעידות וקשיחות המערכת הטכנולוגית. סוגים שונים של CBN (קומפוזיט בורון ניטריד מעוקב) משמשים לעיבוד פלדות מוקשות וברזל יצוק, בעלות קשיות וחוזק גבוהים. חומרים מרוכבים מציגים ביצועים מצוינים במהלך העיבוד ומספקים איכות פני שטח טובה בשל ההרכב הכימי שלהם וטכנולוגיית סינטר מודרנית (איור 6.24).

איור 6.24 - תמונות אופייניות של מבנה המיקרו של קומפוזיט מבוסס CBN

השימוש בכלי STM מאפשר להגדיל את פרודוקטיביות העיבוד פי כמה בהשוואה לכלי קרביד, תוך שיפור איכות המשטחים המעובדים וביטול הצורך בעיבוד שוחק לאחר מכן. הבחירה של מהירות חיתוך אופטימלית נקבעת על פי כמות הקצבה שהוסרה, יכולות הציוד, הזנה, נוכחות של עומסי הלם במהלך תהליך החיתוך וגורמים רבים אחרים (איור 6.25, 6.26).

איור 6.26 - תחומי יישום של כמה דרגות של חומרים מרוכבים

איור 6.26 - דוגמה לעיבוד פלדות מוקשות עם כלי STM

7 עקרונות בנייה של תהליכים טכנולוגיים בעת עיבוד חומרים על ידי חיתוך.

אילו חומרים נחשבים סופר קשים? מה טווח היישום שלהם? האם יש חומרים קשים יותר מיהלום? פרופסור, דוקטורט בקריסטלוגרפיה ארטם אוגנוב מדבר על זה.

חומרים סופר קשים הם חומרים בעלי קשיות מעל 40 ג'יגה פסקל. קשיות היא תכונה שנמדדת באופן מסורתי על ידי שריטה. אם חומר אחד שורט אחר, הוא נחשב כבעל קשיות גבוהה יותר. זוהי קשיות יחסית; אין לה מאפיינים כמותיים קפדניים. מאפיינים כמותיים קפדניים של קשיות נקבעים באמצעות בדיקת לחץ. כאשר אתה לוקח פירמידה, בדרך כלל עשויה מיהלום, הפעל קצת כוח ולחץ את הפירמידה על פני חומר הבדיקה שלך, מודד את הלחץ, מדיד את שטח השקע, הפעל מקדם תיקון, והערך הזה יהיה קשיות החומר שלך. יש לו מימד של לחץ מכיוון שהוא כוח מחולק לפי שטח, אז ג'יגפסקל (GPa).

40 GPa היא הקשיות של בור ניטריד פוליקריסטלי מעוקב. זהו חומר סופר-קשה קלאסי שנמצא בשימוש נרחב. החומר הקשה ביותר שידע האנושות עד כה הוא יהלום. במשך זמן רב היו ניסיונות, שנמשכים עד היום, לגלות חומר קשה יותר מיהלום. עד כה, הניסיונות הללו לא הובילו להצלחה.

למה צריך חומרים סופר קשים? מספר החומרים העל-קשים הוא קטן, כעשרה, אולי חמישה עשר חומרים המוכרים כיום. ראשית, ניתן להשתמש בחומרים סופר קשים לחיתוך, ליטוש, שחיקה וקידוח. עבור משימות הקשורות לבניית כלי מכונות, ייצור תכשיטים, עיבוד אבנים, כרייה, קידוח וכדומה, כל זה דורש חומרים קשים במיוחד.

יהלום הוא החומר הקשה ביותר, אך אינו החומר האופטימלי ביותר. העובדה היא שיהלום, ראשית, הוא שביר, ושנית, יהלום נשרף באווירת חמצן. דמיינו מקדחה שמתחממת לטמפרטורה גבוהה באווירת חמצן. יהלום, בהיותו פחמן יסודי, יישרף. וחוץ מזה, יהלום לא יכול לחתוך פלדה. למה? מכיוון שפחמן מגיב עם ברזל ויוצר קרביד ברזל, כלומר היהלום שלך פשוט יתמוסס בפלדה בטמפרטורה גבוהה מספיק, ולכן אתה צריך לחפש חומרים אחרים. בנוסף, יהלום הוא, כמובן, יקר למדי, אפילו יהלום סינטטי אינו חומר זול מספיק.

יתר על כן, חומרים סופר-קשים עדיין עשויים להיות שימושיים בשריון גוף ובאמצעי הגנה צבאיים אחרים. בפרט, נעשה שימוש נרחב בחומר כמו בורון קרביד, שהוא גם סופר קשה וקל למדי. זהו טווח היישום של חומרים סופר קשים.

ידוע כי חומרים סופר קשים נוצרים בחומרים בעלי קשרים קוולנטיים חזקים. קשר יוני מפחית קשיות. הקשר המתכתי גם מפחית את הקשיות. הקשרים חייבים להיות חזקים, מכוונים, כלומר קוולנטיים, וקצרים ככל האפשר. גם צפיפות החומר צריכה להיות כמה שיותר גבוהה, צפיפות במובן של מספר האטומים ליחידת נפח. ואם אפשר, גם הסימטריה של החומר צריכה להיות גבוהה מאוד, כך שהחומר יהיה חזק באותה מידה בכיוון הזה, ובזה ובזה. אחרת, הסיפור יהיה כמו בגרפיט, שם הקשרים חזקים מאוד, אבל רק בשני כיוונים, ובכיוון השלישי הקשרים בין השכבות חלשים ביותר, כתוצאה מכך החומר גם רך.

מכונים רבים, מעבדות רבות ברחבי העולם עוסקות בסינתזה ופיתוח של חומרים סופר קשים. בפרט, מדובר במכון לפיזיקה בלחץ גבוה באזור מוסקבה, במכון לחומרי סופר-הארד וחומרי פחמן חדשים באזור מוסקבה, במכון לחומרי סופר-הארד בקייב ומספר מעבדות במערב. התפתחויות אקטיביות בתחום זה החלו, לדעתי, בשנות ה-50, כאשר יהלומים מלאכותיים הופקו לראשונה בשוודיה ובאמריקה. בתחילה היו פיתוחים אלו סודיים, אך עד מהרה התבססה גם בברית המועצות הסינתזה של יהלומים מלאכותיים, דווקא הודות לעבודתם של חוקרים מהמכון לפיזיקה בלחץ גבוה ומהמכון לחומרים סופר-קשים.

היו ניסיונות שונים ליצור חומרים קשים יותר מיהלום. הניסיון הראשון התבסס על פולרנים. - אלו הן מולקולות הדומות לכדור כדורגל, מולקולות חלולות, עגולות או מוארכות במקצת. הקשרים בין מולקולות אלו חלשים מאוד. כלומר, זהו גביש מולקולרי המורכב ממולקולות בריאות. אבל הקשרים בין המולקולות חלשים, ואן דר ואלס. אם סוג זה של גביש נסחט, אז יתחילו להיווצר קשרים בין המולקולות, בין הכדורים הללו, והמבנה יהפוך למבנה קוולנטי מחובר תלת מימדי קשה מאוד. חומר זה קיבל את השם tisnumite לכבוד המכון הטכנולוגי לחומרי פחמן על-הארד וחומרי פחמן חדשים. ההנחה הייתה שחומר זה קשה יותר מיהלום, אך מחקר נוסף הראה שסביר להניח שזה לא המקרה.

היו הצעות ודיון די פעיל על כך שפחמן ניטרידים יכולים להיות קשים יותר מיהלום, אבל למרות דיון פעיל ומחקר פעיל, חומר כזה עדיין לא הוצג לעולם.

הייתה עבודה די מצחיקה של חוקרים סינים, שבה הציעו, בהתבסס על חישובים תיאורטיים, ששינוי אחר של פחמן דומה ליהלום במובנים רבים, אבל שונה ממנו במקצת, ונקרא lonsdaleite. על פי עבודה זו, lonsdaleite קשה יותר מיהלום. Lonsdaleite הוא חומר מעניין; למלות דקות מחומר זה נמצאו ביהלום דחוס בהלם. המינרל הזה נקרא על שם האישה המפורסמת קתלין לונסדייל, קריסטלוגרפית בריטית גדולה שחיה בשנות ה-50-70 של המאה ה-20. הייתה לה ביוגרפיה מעניינת ביותר; היא אפילו ישבה בכלא כשסירבה לכבות שריפות במהלך מלחמת העולם השנייה. היא הייתה קוויקר לפי דת, ועל קוויקרים נאסר מכל פעילות הקשורה למלחמה, אפילו כיבוי שריפות. ובשביל זה הכניסו אותה לעגלת פאדי. אבל בכל זאת, הכל היה בסדר איתה, היא הייתה נשיאת האיגוד הבינלאומי לקריסטלוגרפיה, והמינרל הזה נקרא לכבודה.

Lonsdaleite, אם לשפוט לפי כל הנתונים הניסויים והתיאורטיים הזמינים, עדיין רך יותר מיהלום. אם מסתכלים על עבודתם של החוקרים הסינים האלה, אפשר לראות שגם לפי החישובים שלהם, לונסדלייט רך יותר מיהלום. אבל איכשהו המסקנה הוסרה בניגוד לתוצאות שלהם.

כך, מסתבר שאין מועמד אמיתי לעקור את היהלום כחומר הקשה ביותר. אבל בכל זאת, הנושא שווה בדיקה. ובכל זאת, מעבדות רבות עדיין מנסות ליצור חומר כזה. באמצעות השיטה שלנו לחיזוי מבני גביש, החלטנו לשאול שאלה זו. וניתן לנסח את הבעיה כך: לא מחפשים חומר בעל יציבות מקסימלית, אלא חומר בעל קשיות מירבית. אתה נותן מגוון של קומפוזיציות כימיות, למשל מפחמן טהור ועד חנקן טהור, וכל מה שביניהם, כל ניטרידי הפחמן האפשריים, נכללים בחישוב שלך, ומנסים מבחינה אבולוציונית למצוא קומפוזיציות ומבנים קשים יותר ויותר.

החומר הקשה ביותר במערכת זו הוא אותו יהלום, והוספת חנקן לפחמן אינה משפרת דבר במערכת זו.

לפיכך, ניתן לקבור את ההשערה של ניטרידים פחמן כחומרים קשים יותר מיהלום.

ניסינו כל דבר אחר שהוצע בספרות, צורות שונות של פחמן וכן הלאה - בכל המקרים, היהלום תמיד ניצח. אז נראה שלא ניתן להסיר את היהלום מהכן הזה. אבל אפשר להמציא חומרים חדשים שעדיפים על יהלום במספר היבטים אחרים, למשל במובן של עמידות לסדקים או מבחינת עמידות כימית.

לדוגמה, בורון יסודי. גילינו את המבנה, שינוי חדש של בורון. פרסמנו את המאמר הזה ב-2009, והוא גרם לתגובה אדירה. המבנה מתקבל על ידי הפעלת לחץ קל על בורון רגיל וחימום לטמפרטורות גבוהות. קראנו לצורה הזו גמא-בורון, והתברר שהיא מכילה קשר כימי יוני חלקי. למעשה, מדובר במשהו שיפחית מעט את הקשיות, אך בשל הצפיפות הגבוהה שלו, שינוי זה עדיין מתברר כשינוי הקשה ביותר הידוע של בורון, הקשיות שלו היא כ-50 GPa. הלחצים לסינתזה קטנים, ולכן, באופן עקרוני, אפשר אפילו לחשוב על הסינתזה שלו בנפחים גדולים למדי.

חזינו מספר שלבים סופר-קשים אחרים, כמו פאזות במערכת טונגסטן-בורון, כרום-בורון וכו'. כל השלבים האלה הם קשים במיוחד, אבל הקשיות שלהם עדיין בקצה התחתון של טווח זה. הם קרובים יותר ל-40 GPa מאשר ל-90-100 GPa, התואם את הקשיות של היהלום.

אבל החיפוש נמשך, אנחנו לא מתייאשים, ויתכן מאוד שאנחנו או עמיתינו האחרים שעובדים על הנושא הזה ברחבי העולם נוכל להמציא חומר שניתן לסנתז בלחצים נמוכים ושיהיה קרוב ליהלום ב קַשִׁיוּת. אנחנו ועמיתים אחרים כבר עשינו משהו בתחום הזה. אבל איך ליישם זאת מבחינה טכנולוגית עדיין לא לגמרי ברור.

אני אספר לכם על צורה חדשה של פחמן, שלמעשה הופקה בניסוי בשנת 1963 על ידי חוקרים אמריקאים. הניסוי היה די פשוט מבחינה רעיונית: הם לקחו פחמן בצורה של גרפיט ודחסו אותו בטמפרטורת החדר. העובדה היא שאתה לא יכול להשיג יהלום בדרך זו; יהלום דורש חימום חזק. במקום יהלום נוצר בניסויים שלהם שלב סופר קשיח לא מתכתי שקוף, אך בכל זאת זה לא היה יהלום. וזה בשום אופן לא היה תואם את המאפיינים של כל אחת מהצורות הידועות של פחמן. מה הקטע, איזה מבנה זה?

ממש במקרה, תוך כדי לימוד מבני פחמן שונים, נתקלנו במבנה אחד שהיה נחות רק במעט מהיהלום ביציבות. רק שלוש שנים אחרי שראינו את המבנה הזה, הסתכלנו עליו, אפילו פרסמנו אותו איפשהו בין השורות, התחוור לנו שיהיה נחמד להשוות את המאפיינים של המבנה הזה למה שפורסם על ידי כל אותם חוקרים מאז 1963 ונכון. עד לשנים האחרונות מאוד. והתברר שיש צירוף מקרים מוחלט. שמחנו, מהר מאוד פרסמנו כתבה באחד המגזינים היוקרתיים, מכתבי הביקורת הפיזית, ושנה לאחר מכן פורסם מאמר באותו כתב עת על ידי חוקרים אמריקאים ויפנים שגילו שגם מבנה שונה לחלוטין של פחמן תיאר את אותם נתונים ניסויים. הבעיה היא שהנתונים הניסויים היו ברזולוציה גרועה למדי. אז מי צודק?

עד מהרה הציעו חוקרים שוויצרים וסינים מספר שינויים. ולקראת הסוף, חוקר סיני אחד פרסם כארבעים מבני פחמן, שרובם גם מתארים את אותם נתונים ניסיוניים. הוא הבטיח לי שאם הוא לא יתעצל, הוא יציע עוד כמאה מבנים. אז מהו המבנה הנכון?

לשם כך, היינו צריכים ללמוד את הקינטיקה של הפיכת הגרפיט למבני פחמן שונים, והתברר שהיה לנו מזל גדול. התברר שהמבנה שלנו הוא העדיף ביותר מנקודת המבט של קינטיקה של טרנספורמציה.

חודש לאחר פרסום המאמר שלנו התפרסמה עבודה ניסיונית שבה הנסיינים עשו את הניסוי המדויק ביותר עם נתונים ברזולוציה הרבה יותר טובה מבעבר, ובאמת התברר שמתוך כל אותם עשרות מבנים שפורסמו, רק מבנה אחד מסביר את הנתונים הניסויים - זה עדיין המבנה שלנו. קראנו לחומר החדש הזה M-carbon כי הסימטריה שלו היא מונוקלינית, מהאות הראשונה M.

חומר זה נחות רק במעט בקשיותו מיהלום, אך עדיין לא ברור האם יש תכונה כלשהי שבה הוא עדיף על יהלום.

עד עכשיו זה, אפשר לומר, "דבר בפני עצמו". אנו ממשיכים בחיפושים ומקווים שנוכל להמציא חומר שאמנם לא נחות בהרבה מיהלום בקשיותו, אך יעלה עליו משמעותית בכל שאר המאפיינים.

אחת הדרכים לשפר את המאפיינים המכניים של חומרים היא מבנה ננו. בפרט, ניתן להגביר את הקשיות של אותו יהלום על ידי יצירת ננו-מרוכבים של יהלומים או ננו-פולי-גבישים של יהלומים. במקרים כאלה, ניתן להגדיל את הקשיות אפילו פי 2. וזה נעשה על ידי חוקרים יפנים, ועכשיו אתה יכול לראות את המוצרים שהם מייצרים, די גדולים, בסדר גודל של סנטימטר מעוקב, ננו-פולי-גבישים יהלומים. הבעיה העיקרית עם הננו-פוליגבישים האלה היא שהם כל כך קשים עד שכמעט בלתי אפשרי אפילו ללטש אותם, וצריך מעבדה שלמה ללטש אותם במשך שבועות.

כך ניתן גם לשנות את הכימיה, לשנות את המבנה של חומר בחיפוש אחר שיפור קשיותו ומאפיינים נוספים וגם לשנות את הממד.

עד אינסטרומנטלי חומרים סופר קשיםכוללים יהלומים וחומרים על בסיס בורון ניטריד מעוקב. לְהַבחִין טִבעִי(א) ו מְלָאכוּתִי(כפי ש) יהלומים.יהלום הוא החומר הקשה ביותר. יש לו עמידות בפני שחיקה גבוהה, מוליכות תרמית טובה, מקדמים נמוכים של התפשטות ליניארית ונפחית, מקדם חיכוך נמוך והיצמדות נמוכה למתכות, למעט ברזל ופלדה. עם זאת, חוזק היהלום נמוך. הקשיות והחוזק של היהלום משתנים בכיוונים שונים. קל יותר לעבד יהלום בכיוון מקביל לפניות הגביש, שכן בכיוון זה האטומים נמצאים הכי רחוק זה מזה. עמידות החום של יהלום מאופיינת בעובדה שבטמפרטורה של כ-800 מעלות צלזיוס בתנאים רגילים הוא מתחיל להפוך לגרפיט. יחד עם זאת, ליהלום יש את יכולת השחיקה הגבוהה ביותר בהשוואה לחומרים שוחקים אחרים. החסרונות של היהלום כוללים את יכולתו להתמוסס במהירות בברזל ובסגסוגות שלו בטמפרטורות של 750...800 מעלות צלזיוס. כלי יהלום מאופיינים בביצועים גבוהים ועמידות. הוא משמש בצורה היעילה ביותר כאשר

עבודה של סגסוגות קשות, מתכות לא ברזליות וסגסוגותיהן, טיטניום וסגסוגותיו, וכן פלסטיק. זה מבטיח דיוק ממדים גבוה ואיכות פני השטח.

לפי סדר הגדלת החוזק, הפחתת השבריריות ושטח הפנים הספציפי, אבקות השחזה של יהלומים סינתטיים מסודרות באופן הבא: AC2 (ASO), AC4 (ASR), AC6 (ASV), AC15 (ASK), AC32 (ACC). גרגרי AC2 מוחזקים היטב בקלסר ומומלצים להכנת כלים באמצעות קלסר אורגני. גרגירי AC4 מיועדים בעיקר לייצור כלים שונים על קשרי מתכת וקרמיקה, AC6 - כלים על קשרי מתכת הפועלים בלחצים ספציפיים גבוהים, AC 12 - לעיבוד אבן וחומרים קשים אחרים, AC32 - להלבשת גלגלים שוחקים, עיבוד קורונדום, אודם וחומרים קשים במיוחד.

מיקרו-אבקות של המותגים AM ו-AN משמשים מיהלומים טבעיים, ו-ACM ו-ASN מיהלומים סינתטיים. אבקות מיקרו AM ו-ACM בעלות יכולת שחיקה רגילה מיועדות לייצור כלים שוחקים המשמשים לעיבוד סגסוגות קשות וחומרים קשים ושבירים אחרים, וכן חלקים העשויים מפלדה, ברזל יצוק ומתכות לא ברזליות כאשר יש צורך להשיג ניקיון משטח גבוה.

אבקות מיקרו AN ו-ASN, בעלות יכולת שחיקה מוגברת, מומלצות לעיבוד חומרים סופר קשים, שבירים וקשים לעיבוד. גודל הגרגירים של אבקות מסומן בשבר, שהמונה שלו מתאים לגדול ביותר, והמכנה לגודל הגרגיר הקטן ביותר של השבר הראשי.

על מנת להגביר את היעילות של כלי שיוף יהלומים, נעשה שימוש בגרגרי יהלום המצופים בסרט מתכת דק. מתכות בעלות תכונות הדבקה וקפילריות טובות ביחס ליהלום משמשות כציפויים - נחושת, ניקל, כסף, טיטניום וסגסוגותיהם. הציפוי מגביר את היצמדות הגרגרים לחומר המקשר, מקדם סילוק חום מאזור החיתוך, ומספק יכולת לכוון גרגרים בשדה מגנטי במהלך ייצור הכלים.

מעוקב בורון ניטריד (אלבור, קובוניט) משמשים לעיבוד חלקי עבודה עשויים פלדה וברזל יצוק. זה יעיל במיוחד

יישום לטחינה סופית ופרופיל של חלקי עבודה שעברו טיפול בחום העשויים מסגסוגת גבוהה, עמידות חום ועמידות בפני קורוזיה, בעלות קשיות גבוהה והשחזה של כלי חיתוך פלדה. במקביל, צריכת כלים שוחקים מופחתת פי 50-100 בהשוואה לצריכת אלקטרוקורונדום.

בהתאם לאינדיקטור של חוזק מכני, אלבור מחולק לדרגות: LO - חוזק רגיל, LP - חוזק מכני מוגבר, L KV - חוזק גבוה. CBN בעל חוזק מכני רגיל משמש לייצור כלים בעלי קשר אורגני ונייר שחיקה, CBN בעל חוזק מכני מוגבר משמש לייצור כלים עם קשרי קרמיקה ומתכת, לשחזה גסה, השחזה לעומק ועיבוד של חלקי עבודה שנעשו של פלדות מבניות קשות לחיתוך. מותג אלבור L KV משמש לייצור כלים מלוכדים מתכת המיועדים לעבודה בתנאים קשים.

Cubonite מיוצר בשתי דרגות: KO - חוזק רגיל, KR - חוזק מוגבר. בנוסף, שתי דרגות של מיקרו-אבקות מיוצרות מקובוניט: יכולת שחיקה רגילה (KM) ומוגברת (KN). לכלי Cubonite יש את אותם תכונות ביצועים כמו לכלי CBN. הוא משמש לאותן מטרות.

חומרים בעלי קשיות גבוהה משמשים בעיקר במנגנונים הכפופים לבלאי שוחק.

מבין החומרים הפשוטים, רק ליהלומים ולבורון יש קשיות רבה.

הרוב המכריע של החומרים בעלי קשיות גבוהה הם תרכובות כימיות עקשן (קרבידים, ניטרידים, בורידים, סיליקידים).

בשל השבריריות הגבוהה של תרכובות מוצקות והקושי לעבד אותן, ייצור חלקים מהן הוא ברוב המקרים לא מעשי או לא חסכוני. תחום היישום העיקרי שלהם הוא רכיבים מוצקים של חומרים מרוכבים וציפויים המיושמים בדרכים שונות.

חומרים סופר קשים

אלה כוללים שינויים מעוקבים של פחמן (יהלום) ובור ניטריד.

יהלומים סינתטיים בצורת אבקות משמשים להכנת כלים שוחקים וקרום שוחקים, בצורה של תצורות פוליבריסטליות צפופות (Ballas, Carbonado) לייצור כלים שוחקים, חותכים, מתות.

על ידי סינטר תערובת של מיקרו-אבקות של יהלומים סינתטיים וטבעיים, מתקבלות תצורות יהלומים פוליקריסטליים צפופים - SV ו-Dimit.

יהלומים בדרגת SV משמשים עבור מקדחים וסיביות, כמו גם לחיתוך חומרים לא מתכתיים.

Dismite משמש לייצור כלי קידוח כרייה, כלי חיתוך (חותכים, מקדחים ואחרים) המשמשים לעיבוד מתכות וסגסוגות לא ברזליות, פלסטיק, פיברגלס.

מעוקב בורון ניטריד

הושג רק באופן סינטטי מהשינוי המשושה. הוא משמש בעיקר לייצור כלים שוחקים. הוא נחות בקשיותו מיהלום, אך עדיף עליו משמעותית בעמידות החום.

בארה"ב, בורון ניטריד מעוקב מיוצר תחת השם בורזון, במדינות חבר העמים - אלבור וקובוניט. הציונים שלהם הם LO ו-KO, בהתאמה, עם כוח רגיל ו-LR ו-KR עם כוח מוגבר.

זנים של חומר רב גבישי המבוסס על אלבור וקובוניט - Elbor-R, Hexanit-R, ISMIT, PNTB, COMPOSITE ואחרים... מיוצרים בצורה של לוחות בצורות שונות. הם משמשים לייצור כלי חיתוך מתכת המשמשים לעיבוד פלדות מוקשות קשות לחיתוך, ברזל יצוק וסגסוגות עם קשיות HRC>40. העמידות של כלי כזה גדולה פי 10...20 מזו של כלי קרביד, והפרודוקטיביות עולה פי 2...4.

סגסוגות קרביד וקרמיקה חיתוך מיוצרים בשיטות מטלורגיית אבקה. מטלורגיית אבקות היא תחום טכנולוגיה המכסה מערך שיטות לייצור אבקות מתכת מתרכובות דמויות מתכת, מוצרים חצי מוגמרים ומוצרים העשויים מהן, וכן מתערובות שלהם עם אבקות לא מתכתיות ללא המסת המרכיב העיקרי. חומרי המוצא לסגסוגות קשות ומתכת-קרמיקה - אבקות - מתקבלים בשיטות כימיות או מכניות. עיצוב החסר (מוצרים) מתבצע במצב קר או בחימום. היווצרות קרה מתרחשת על ידי לחיצה צירית על מכבשים מכניים והידראוליים או על ידי לחץ נוזלי על מעטפת אלסטית שלתוכה מכניסים אבקות (שיטה הידרוסטטית). על ידי כבישה חמה במשטחים מתחת לפטיש (כבישה דינמית) או בשיטה גז-סטטית במיכלים מיוחדים עקב לחץ (15-400 אלף א"א) של גזים חמים, מיוצרים מוצרים מחומרים מסונטרים בצורה גרועה - תרכובות עקשן, אשר משמש לייצור סגסוגות קשות ומתכת קרמיקה. ההרכב של תרכובות עקשן (פסאודו-סגסוגות) מסוג זה כולל רכיבים לא מתכתיים - גרפיט, אלומינה, קרבידים, המעניקים להם תכונות מיוחדות.

סגסוגות סינטרות קשות וחיתוך צרמטים (מתכות + רכיבים לא מתכתיים) הפכו נפוצים בייצור כלי עבודה. לפי תוכן המרכיבים העיקרייםאבקות בתערובת, סגסוגות סינטרות קשות מחולקות לשלוש קבוצות: טונגסטן, טיטניום-טונגסטן וטיטניום-טנטלום-טונגסטן, לפי תחום יישום- לסגסוגות לעיבוד חומרים על ידי חיתוך, ציוד לכלי כרייה, לציפוי מהיר של חלקי מכונות, מכשירים ואביזרי שחיקה.

תכונות פיזיקליות ומכניות של סגסוגות קשות:חוזק מתיחה בכיפוף – 1176–2156 MPa (120–220 KGS/mm2), צפיפות – 9.5-15.3 גרם/cm3, קשיות – 79–92 HRA.

סגסוגות קשות לעיבוד מתכות ללא שבבים, השטחה של חלקים נשחקים במהירות של מכונות, מכשירים ומתקנים: VK3, VK3-M, VK4, VK10-KS, VK20-KS, VK20K. בייעוד של ציונים של סגסוגות קשות, האות "K" פירושה קובלט, "B" פירושה טונגסטן קרביד, "T" פירושה טיטניום וטנטלום קרבידים; המספרים תואמים לאחוז רכיבי האבקה הכלולים בסגסוגת. לדוגמה, סגסוגת VK3 מכילה 3% קובלט, השאר הוא טונגסטן קרביד.

המחסור בטונגסטן הצריך פיתוח סגסוגות קשות נטולות טונגסטן שאינן נחותות בתכונות הבסיסיות מסגסוגות סינטרות המבוססות על טונגסטן קרבידים.

סגסוגות סרמט קשות ללא טונגסטן וכרום קרבידמשמש בהנדסה מכנית לייצור מתכות, שרטוט מטריצות, להתזת חומרים שונים, כולל חומרים שוחקים, חלקי חיכוך הפועלים בטמפרטורות של עד 900 מעלות צלזיוס, כלי חיתוך לעיבוד מתכות לא ברזליות.

2. חומרים קשים במיוחד

לייצור כלי חיתוך שונים, משתמשים כיום בשלושה סוגים של חומרים סופר קשים (SHM) בתעשיות שונות, לרבות הנדסת מכונות: יהלומים טבעיים, יהלומים סינתטיים רב גבישיים וחומרים מרוכבים על בסיס בורון ניטריט (CBN).

ליהלומים טבעיים וסינתטיים יש תכונות ייחודיות כמו הקשיות הגבוהה ביותר (HV 10,000 kgf/mm 2), יש להם נמוך מאוד: מקדם התפשטות ליניארי ומקדם חיכוך; גבוה: מוליכות תרמית, התנגדות הדבקה ועמידות בפני שחיקה. החסרונות של יהלומים הם חוזק כיפוף נמוך, שבירות ומסיסות בברזל בטמפרטורות נמוכות יחסית (+750 מעלות צלזיוס), מה שמונע את השימוש בהם לעיבוד פלדות וסגסוגות ברזל-פחמן במהירויות חיתוך גבוהות, כמו גם במהלך חיתוך ורטט לסירוגין. . יהלומים טבעייםמשמשים בצורה של גבישים המקובעים בגוף המתכת של החותך. יהלומים סינתטיים של המותגים ASB (balas) ו-ASPC (קרבונדו) דומים במבנה ליהלומים טבעיים. הם בעלי מבנה רב גבישי ובעלי מאפייני חוזק גבוהים יותר.

יהלומים טבעיים וסינתטייםהם נמצאים בשימוש נרחב בעיבוד של סגסוגות נחושת, אלומיניום ומגנזיום, מתכות אצילות (זהב, כסף), טיטניום וסגסוגותיו, חומרים לא מתכתיים (פלסטיק, טקסטוליט, פיברגלס), כמו גם סגסוגות קשות וקרמיקה.

יהלומים סינתטייםבהשוואה לאלו הטבעיים, יש להם מספר יתרונות בשל החוזק הגבוה יותר והמאפיינים הדינמיים שלהם. הם יכולים לשמש לא רק עבור סיבוב, אלא גם עבור כרסום.

מרוכביםהוא חומר סופר קשה המבוסס על ניטריד בורון מעוקב, המשמש לייצור כלי חיתוך להבים. מבחינת קשיות, הקומפוזיט מתקרב ליהלום, עולה עליו משמעותית בעמידות החום, ואינרטי יותר למתכות ברזליות. זה קובע את תחום היישום העיקרי שלו - עיבוד פלדות מוקשות וברזל יצוק. התעשייה מייצרת את המותגים העיקריים הבאים של STM: קומפוזיט 01 (elbor - R), קומפוזיט 02 (belbor), קומפוזיט 05 ו-05I וקומפוזיט 09 (PTNB - NK).

לחומרים מרוכבים 01 ו-02 קשיות גבוהה (HV 750 kgf/mm2), אך חוזק כיפוף נמוך (40-50 kg/mm2). תחום היישום העיקרי שלהם הוא חריטה עדינה ועדינה ללא פגיעה של חלקים העשויים מפלדות מוקשות עם קשיות HRC 55–70, ברזלים יצוקים בכל קשיות וסגסוגות קשות בדרגות VK 15, VK 20 ו-VK 25 (HP ^ 88–90), עם הזנה של עד 0.15 מ"מ/סל"ד ועומק חיתוך 0.05-0.5 מ"מ. מרוכבים 01 ו-02 יכולים לשמש גם לטחינת פלדות מוקשות וברזל יצוק, למרות נוכחותם של עומסי הלם, אשר מוסבר על ידי דינמיקה נוחה יותר של כרסום. קומפוזיט 05 תופס עמדת ביניים בקשיות בין קומפוזיט 01 לקומפוזיט 10, וחוזקו זהה בקירוב לזה של קומפוזיט 01. לחוזק כיפוף 09 ו-10 יש בערך אותו חוזק כיפוף (70-100 kgf/mm 2).

3. חומרים של כלים שוחקים

חומרים שוחקיםמחולקים לטבעיות ומלאכותיות. הראשונים כוללים קוורץ, אמרי, קורונדום ויהלום, והאחרונים כוללים אלקטרוקורונדום, סיליקון קרביד, בורון קרביד, בורון ניטריד מעוקב ויהלומים סינתטיים.

קְוָרץ(P) הוא חומר המורכב בעיקר מסיליקה גבישית (98.5...99.5% SiO2). הוא משמש לייצור כריות שיוף על בסיס נייר ובד בצורה של גרגירי שיוף במצב חופשי.

שָׁמִיר(H) – תחמוצת אלומיניום גבישית דקיקה (25...60% A l2 O 3) בצבעי אפור כהה ושחור עם תערובת של תחמוצת ברזל וסיליקטים. מיועד לייצור בד אמרי ואבני שחזה.

קורונדום(E ו-ESB) הוא מינרל המורכב בעיקר מתחמוצת אלומיניום גבישית (80.95% Al2O3) וכמות קטנה של מינרלים אחרים, כולל אלו הקשורים כימית ל-Al2O3. גרגרי קורונדום קשים וכאשר הם נהרסים, יוצרים שבר קונקואידי עם קצוות חדים. לקורונדום טבעי שימוש מוגבל והוא משמש בעיקר בצורת אבקות ומשחות לפעולות גימור (ליטוש).

יהלום(א) הוא מינרל שהוא פחמן טהור. יש לו הקשיות הגבוהה ביותר מכל החומרים הידועים בטבע. כלי חיתוך חד קצה ועפרונות מתכת יהלומים להלבשת גלגלי שחיקה עשויים מגבישים ושבריהם.

ישנם ארבעה סוגים של אלקטרוקורונדום:

1) אלקטרוקורונדום רגיל 1A, מותך מבוקסיט, הזנים שלו - 12A, 13A, 14A, 15A, 16A;

2) לבן, מותך מאלומינה, זנייו - 22A, 23A, 24A, 25A;

3) אלקטרוקורונדום סגסוגת, מותך מאלומינה עם תוספים שונים: כרום 3A עם זנים 32A, 33A, 34A וטיטניום 3A עם זן 37A;

4) מונוקורונדום A4, מותך מבוקסיט עם ברזל גופרתי וחומר מפחית, ואחריו הפרדה של גבישים בודדים של קורונדום.

אלקטרוקורונדום מורכב מתחמוצת אלומיניום Al 2 O 3 וכמות מסוימת של זיהומים.

סיליקון קרביד– תרכובת כימית של סיליקון עם פחמן (SiC). יש לו קשיות ופריכות גדולים יותר. מאשר אלקטרוקורונדום. בהתאם לאחוז הסיליקון קרביד, חומר זה מגיע בצבעים ירוק (6C) ושחור (5C). הראשון מכיל לפחות 97% סיליקון. הסוג השני (שחור) מיוצר בזנים הבאים: 52C, 53C, 54C ו-55C. כלים שוחקים שונים (למשל גלגלי שחיקה) לעיבוד סגסוגות קשות וחומרים לא מתכתיים עשויים מגרגירי סיליקון קרביד ירוק, וכלים (גלגלי שחיקה) לעיבוד מוצרים העשויים מברזל יצוק, מתכות לא ברזליות ולחיתוך חיתוך כלים (חותכים) עשויים מגרגרי סיליקון קרביד שחור, מקדחות וכו').

מעוקב בורון ניטריד(CBN) היא תרכובת של בורון, סיליקון ופחמן. ל-CBN קשיחות ויכולת שחיקה קרובה ליהלום.

ליהלום סינטטי (AS) יש מבנה זהה ליהלום טבעי. התכונות הפיזיקליות והמכניות של יהלומים סינתטיים בדרגה טובה דומות לאלו של יהלומים טבעיים. יהלומים סינתטיים מיוצרים בחמש דרגות: ASO, ASR, ASC, ASV, ACC.