Технологический процесс производства пластин ПКБН представляет собой сложное сочетание очистки материалов, спекания при высоких температурах и давлениях, прецизионной механической обработки и оптимизации характеристик. Основные этапы подробно описаны ниже:
I. Подготовка и очистка сырья
Основными материалами для пластин ПКБН являются микропорошок кубического нитрида бора (КНБ), связующие (металлические или керамические) и твердосплавная подложка.
Выбор материалов: Микропорошок КНБ должен соответствовать требованиям высокой чистоты (≥99,9%) и однородного размера частиц (обычно 0,5–30 мкм; более мелкие зерна для чистовой обработки, более крупные для условий с высоким износом). Связующие подразделяются на металлические (например, Co, Ni, Ti) и керамические (например, TiN, TiC, Al₂O₃). Металлические связующие повышают вязкость, а керамические улучшают стабильность при высоких температурах.
Очистка: Примеси в микропорошке КНБ, такие как пирофиллит, графит, металлические примеси и адсорбированный кислород/влага, должны быть удалены с помощью многоступенчатой химической обработки:
Обработка NaOH при температуре около 300°C для удаления пирофиллита и гексагонального нитрида бора (ГНБ).
Кипячение в хлорной кислоте для удаления графита.
Кипячение в HCl для удаления металлических примесей с последующей промывкой дистиллированной водой до нейтральной реакции. Связующие (например, Co, Ni, Al) подвергаются водородному восстановлению для удаления поверхностных оксидов.
II. Процесс спекания при высоких температурах и давлениях
Это ключевой этап формования пластин ПКБН, подразделяемый на композитное спекание (соединение слоя КНБ с твердосплавной подложкой) и твердотельное спекание (чистый КНБ без подложки). Основным процессом является метод вторичного уплотнения:
Загрузка пресс-формы: Очищенный микропорошок КНБ и связующее смешиваются в пропорции (содержание связующего обычно 10–15%) и загружаются в графитовую пресс-форму. Для композитных заготовок под слоем КНБ необходимо разместить твердосплавную подложку (например, кобальтсодержащий сплав карбида вольфрама).
Условия спекания: С использованием специального пресса (шести- или двухпуансонного) создается давление 5–8 ГПа и нагрев до 1200–1800°C с выдержкой от нескольких минут до нескольких часов. В этом процессе зерна КНБ образуют ковалентные связи или достигают уплотнения за счет жидкофазной диффузии связующего.
При добавлении металлических связующих (например, Co) температура спекания может быть умеренно снижена, а Co из твердосплавной подложки может проникать в границы зерен КНБ, укрепляя межслойную связь.
Для спекания чистого КНБ (без связующего) уплотнение зависит от рекристаллизации и роста зерен КНБ, что приводит к чрезвычайно высокой твердости, но меньшей вязкости.
III. Прецизионная обработка и заточка кромки
Спеченная заготовка требует нескольких этапов обработки для превращения в готовую пластину:
Резка и пайка: Композитные заготовки сначала нарезаются на предварительные формы пластин, затем припаиваются к державкам инструмента; твердотельные спеченные блоки переходят непосредственно к заточке кромки.
Процесс заточки кромки:
Черновая шлифовка: Используются алмазные шлифовальные круги с зернистостью 180–240 на смоляной связке со скоростью подачи 0,01 мм/двойной ход для предварительного формования.
Чистовая шлифовка: Используются круги с зернистостью W10–W14 со скоростью подачи 0,005 мм/двойной ход для повышения точности поверхности.
Притирка: Используются алмазные шлифовальные круги W5–W3 или притирочная паста для достижения шероховатости режущей кромки Ra 0,1–0,4 мкм, что соответствует требованиям точности для «точения вместо шлифования».
IV. Технология нанесения покрытий (опционально)
Для дальнейшего улучшения характеристик некоторые пластины ПКБН подвергаются нанесению покрытия:
Материалы покрытия: Обычно используются TiN, Al₂O₃, AlTiN, CVD алмаз и др., толщиной 2–30 мкм.
Процесс нанесения покрытия:
Предварительная обработка: Очистка поверхности пластины от масла и загрязнений.
Нанесение: Использование технологий физического (PVD) или химического (CVD) осаждения из паровой фазы для формирования равномерного покрытия на поверхности пластины.
Последующая обработка: Термическая обработка обеспечивает прочное сцепление покрытия с подложкой, предотвращая почернение поверхности (требует контроля температуры и атмосферы). Покрытия значительно улучшают износостойкость, антифрикционные свойства и срок службы инструмента.
V. Испытания и контроль качества
Испытания характеристик: Включают физические свойства, такие как твердость (HV 2600–3600), прочность на изгиб, теплопроводность и испытания на стойкость при резании в смоделированных рабочих условиях.
Микроскопический контроль: Использование электронных микроскопов (СЭМ, ПЭМ) для наблюдения за состоянием связи зерен КНБ, проверки на наличие микротрещин или примесей; режущая кромка должна быть свободна от микроскопических дефектов, невидимых невооруженным глазом, в противном случае может произойти выкрашивание.
Размерная точность: Проверка геометрических допусков, шероховатости поверхности, М-значения (ключевой размер пластины) и т.д. для обеспечения соответствия требованиям обработки.
Благодаря точному контролю вышеуказанных процессов пластины ПКБН достигают сочетания высокой твердости, сильной износостойкости и отличной термической стабильности, что делает их основными инструментами для обработки закаленных материалов выше HRC 45 (таких как закаленные стали, отбеленные чугуны). Различия в характеристиках моделей essentially являются результатом индивидуального проектирования соотношений сырья, процессов спекания и технологий нанесения покрытий.
