Разработка составов композиционного материала на основе алмаза и кубического нитрида бора с введением наноразмерных добавок металлов и иных тугоплавких компонентов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева

Факультет технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов
                Кафедра химической технологии керамики и огнеупоров





Отчет по Научно-исследовательской работе







Заведующий кафедрой,
д. х. н., профессор	_________________ Беляков А. В.
Руководитель работы,
д. х. н., профессор	_________________ Вартанян М. А.

Консультант по технологической части,
к. т. н.	_________________ Анохин А.С.

Дипломник	_________________ Царевская О.О.
 
                                                    








Москва, 2018
Структура работы

Введение	3
1.1 Классификация искусственных сверхтвердых материалов	6
1.2 Структура и свойства сверхтвердых материалов	8
1.3 Сверхтвердые материалы на основе алмаза	9
1.4 Поликристаллические сверхтвердые материалы на основе алмаза	10
1.5 Монокристаллические сверхтвердые материалы на основе алмаза 	11
1.6 Нанокристаллические и гибридные сверхтвердые материалы на основе алмаза	12
Постановка работы (эксперимента) 	39
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 	41



Введение
Современная аэрокосмическая и машиностроительная промышленности предъявляет все более высокие требования к используемым конструкционным и обрабатываемым материалам. В частности, представляет трудности обработка полимерных и металлических композиционных материалов с использованием традиционной быстрорежущей стали и твердого сплава. Подобные проблемы имеют место и в горнорудной и в нефтегазовой промышленности. Эти проблемы могут быть решены применением инструмента со вставками из сверхтвердых композиционных материалов.
Наиболее высокими свойствами, зависящих от матрицы, обладают композиционные материалы на металлической основе. Это, прежде всего, временное сопротивление и модуль упругости при растяжении в направлении, перпендикулярном оси армирующих волокон, прочность при сжатии и изгибе, пластичность, вязкость разрушения. А также данные композиты сохраняют свои прочностные характеристики при высоких температурах, они более влагостойки, негорючи, обладают электрической проводимостью. [1]
Композиты с металлической матрицей разделяют на армированные волокнами (волокнистые композиты) и наполненные тонкодисперсными частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные композиты).[1] Дисперсионно-упрочненными называются материалы, сопротивление пластической деформации которых определяется торможением дислокаций на препятствиях в виде, как правило, наноразмерных частиц. [2]
Волокнистые композиты с металлической матрицей имеют два основных преимущества по сравнению с более распространенными композитами с полимерной матрицей: они могут использоваться при значительно более высоких температурах и более эффективны в относительно малогабаритных сильно нагруженных элементах конструкций. Последний факт определяется возможностью существенно сократить массу стыковочных элементов конструкций благодаря большей прочности металлической матрицы по сравнению, например, с полимерной, и технологичностью обработки композитов с такой матрицей (возможность использования резьбовых соединений и т. д.). [2]
Также к композиционным материалам можно отнести спеченные твердые сплавы. К ним относятся материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединенных металлическим связующим. [1]
Главным недостатком данных материалов является их относительно высокая стоимость, поэтому весьма актуальной задачей является разработка экономичных технологий производства сверхтвердых композиционных материалов с требуемыми характеристиками, а также новых перспективных материалов, позволяющих проводить обработку изделий в аэрокосмической и прочих наукоемких отраслях.
Также к композиционным материалам можно отнести спеченные твердые сплавы. К ним относятся материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединенных металлическим связующим. [1]
Проблема разрушения горного массива с минимальными энергозатратами в совокупности с повышением производительности при добыче полезных ископаемых и других сырьевых материалов была и остается одной из важнейших наукоемких прикладных задач в горнорудной отрасли. Одним из способов решения данной задачи является использование сверхтвердых композиционных материалов взамен классических вставок из твердого сплава для изготовления новых видов горного инструмента.
Сверхтвердые композиционные материалы (СТКМ) делятся на два больших класса - композиты на основе кубического нитрида бора и композиты на основе поликристаллического алмаза PCD. Данные материалы получают в камерах высокого давления различного типа. В лабораторном масштабе для проведения экспериментов при высоких значениях давления и температуры и для получения СТКМ широко применяются камеры типа «Тороид». Для получения же СТКМ в промышленном масштабе используются шестипуансонные кубические прессы всестороннего сжатия, на которых синтезируют крупноразмерные заготовки сверхтвердых композитов.
Одной из основных областей применения сверхтвердых материалов традиционно является обрабатывающая и добывающая промышленность.
Так, композиты на основе кубического нитрида бора широко используются для высокоскоростной механообработки резанием сырых и закаленных чугунов, закаленных сталей и сплавов специального назначения, в то время как PCD (англ. - polycrystalline diamond) применяется для механообработки цветных сплавов на основе алюминия и титана, твердого сплава, металломатричных и волокнистых композитов. В нефтегазовой отрасли для изготовления долот широкое распространение получили сверхтвердые алмазно-твердосплавные вставки PDC с кобальтовой связкой (англ. - polycrystalline diamond compact). Так, композиты кубического нитрида бора и поликристалличсекого алмаза прошли апробацию и доказали свою эффективность по целому ряду применений как в металлообрабатывающей промышленности, так и в нефтегазовой отрасли, где доля использования сверхтвердых композитов возрастает год от года, при этом вытесняя другие материалы, в том числе твердый сплав.[3]
Целью данной работы является разработка составов композиционного материала на основе алмаза и кубического нитрида бора с введением наноразмерных добавок металлов и иных тугоплавких компонентов. Сравнение этих составов при одинаковых условиях спекания с целью выявления лучших образцов по качеству спекания и распределения связки в объеме.
Данная работа состоит из 00 страниц, содержит 0 таблицы и 00 рисунков.
Автор выражает благодарность
Коллективу кафедры ТНВиВМ;
К.т.н. Анохину Александру Сергеевичу (ИМЕТ РАН, лаб. Новых технологий керамики);
Кукуевой Елене Вячеславовне – за СЭМ;
К.т.н. Филоненко Владимиру Павловичу (ИФВД РАН, лаб. Перспективных материалов);
Коллективу компании МИКРОБОР;
К.т.н. Вартанян Марии Александровне;
К.т.н. Поповой Нелли Александровне.


 Обзор литературы 
1. Классификация искусственных сверхтвердых материалов
К инструментальным сверхтвердым материалам относятся алмазы и материалы на основе кубического нитрида бора. Различают природные (А) и синтетические (АС) алмазы. Алмаз является самым твердым из известных инструментальных материалов. Он обладает рядом свойств: высокой износостойкостью, хорошей теплопроводностью, малыми коэффициентами линейного и объемного расширения, небольшим коэффициентом трения и малой адгезионной способностью к металлам, за исключением железа и стали. Но у алмаза низкая прочность. Твердость и прочность алмаза различная в разных направлениях. Так как у алмаза атомы наиболее удалены друг от друга в направлении, параллельном граням кристалла, то обрабатывать алмаз легче в этом направлении. В обычных условиях алмаз начинает превращаться в графит при температуре около 800 °С. А так же, алмаз обладает высокой абразивной способностью. Недостатком алмаза является его способность растворяться в железе и его сплавах при температуре 750...800 °С.  Но несмотря на этот недостаток алмазные инструменты характеризуются высокой производительностью и стойкостью. Они применяются при обработке твердых сплавов, цветных металлов и их сплавов, титана и его сплавов, а также пластмасс. При этом обеспечиваются высокая точность размеров и качество поверхности.
В природе встречается несколько агрегатных разновидностей алмаза: борт, карбонадо и баллас. Все зернистые и неправильные сростки кристаллов алмазов, часто без признаков граней и ребер относятся к борту.
К карбонадо относятся тонкозернистые, плотные или несколько пористые агрегаты буровато-черного цвета. Синтетических алмазов существует много марок, которые отличаются между собой прочностью, хрупкостью, удельной поверхностью и формой зерен.
Шлифпорошки АС изготавливаются из синтетических алмазов и подразделяются на группы в зависимости от их свойств и основного применения:
* АС-4 – зерна повышенной хрупкости, представленные в виде агрегатов и сростков. Они нужны для инструментов, созданных на органических связках. В последующем применяются для чистки и доводки твердых сплавов. Низкопрочный шлифпорошок.
* АС-6 – зерна крупные, отдельные, имеют вид кристаллов с развитой поверхностью, включающей агрегаты и сростки. С их помощью изготавливают инструменты на связках органического, керамического и металлического происхождения. Необходимы для обработки твердых сплавов, поверхностей из керамики, стекла, других хрупких материалов. Низкопрочный шлифпорошок.
* АС-15 – так же имеют вид зерен, 60% приходится на агрегаты и сростки, есть удлиненные кристаллы. Используются так же, как и АС-6. Класс шлифовальные порошки.
* АС-20 – так же имеют вид зерен, 40% приходится на агрегаты и сростки, есть удлиненные кристаллы. Используются так же, как и АС-6. Класс шлифовальные порошки.
* АС-32 – 15% зерен имеют сростки и агрегаты, остальное представлено кристаллами. Инструменты с этими шлифпорошками делаются на металлических связках и служат для резки мягких горных пород, шлифования каменных поверхностей, обработки хрупких и твердых материалов (стекло, рубины, корунды и пр.). Класс шлифовальные порошки.
* АС-50 – 12% зерен имеют сростки и агрегаты, остальное представлено кристаллами. Используются так же, как и АС-32. Класс шлифовальные порошки.
* АС-65 – 10% зерен имеют сростки и агрегаты, остальное представлено кристаллами. Нужны для инструментов на металлических связках для дальнейшей обработки природного камня и горных пород, материалов для строительства, керамических и стекольных поверхностей. Класс шлифовальные порошки.
* АС-80 – 8% зерен имеют сростки, остальное представлено кристаллами. Используются так же, как и АС-65. Класс шлифовальные порошки.
* АС-100 – 2% зерен имеют сростки, остальное представлено кристаллами. Эти шлифпорошки хорошо применяются для резки и сверления природного камня, стройматериалов, для правки шлифовальных кругов. Класс шлифовальные порошки.
* АС-125 – 4% зерен имеют сростки, остальное представлено кристаллами. Используются так же, как и АС-100. Класс шлифовальные порошки. [1]
Прочность данных шлифпорошков возрастает, хрупкость и удельная поверхность шлифовальных порошков из синтетических алмазов снижается в следующем порядке: АС2 (АСО), АС4 (АСР), АС6 (АСВ), АС15 (АСЮ> АС32 (АСС)). Зерна АС2 хорошо удерживаются в связке и из них изготавливаются инструменты на органической связке. Зерна АС4 предназначены для изготовления различного инструмента на металлической и керамической связках, АС6 — применяются при изготовлении инструмента на металлических связках, который работает при повышенных удельных давлениях; с помощью АС 12 обрабатывают камень и другие твердые материалы; АС32 — для правки абразивных кругов, обработки корунда, рубина и других особо твердых материалов.
Микропорошки марок АМ и АН изготавливают из природных, а из синтетических алмазов делают микропоршки ACM и АСН. Микропорошки AM и ACM нормальной абразивной способности предназначены для изготовления абразивного инструмента, с помощью этого инструмента обрабатывают твердые сплавы и другие твердые и хрупкие материалы, а также детали из стали, чугуна, цветных металлов при необходимости получения высокой чистоты поверхности. [1]
Микропорошки АН и АС имеют повышенную абразивную способность. Их рекомендуется применять для обработки сверхтвердых, хрупких, труднообрабатываемых материалов. Дробью обозначается зернистость порошков, в которой числитель равен наибольшему, а знаменатель — наименьшему размеру зерен основной фракции. Для того, чтобы повысить эффективность работы алмазного абразивного инструмента алмазные зерна покрывают тонкой металлической пленкой. В качестве металлического покрытия используют металлы с хорошими адгезионными и капиллярными свойствами по отношению к алмазу — никель, титан, медь, серебро и их сплавы. Данное покрытие обеспечивает хорошее сцепление зерен со связкой, способствует отводу тепла из зоны резания, обеспечивает возможность ориентации зерен в магнитном поле при изготовлении инструмента. Если порошок с покрытием, то к его марке прибавляется буква М. В промышленности используются также поликристаллические синтетические алмазы типа баллас (АСБ) и карбонадо (АСПК) больших размеров, что позволяет использовать их для изготовления лезвийных инструментов — резцов, торцевых фрез и др. Сверхтвердые материалы далее развивались в виде двухслойных пластин, которые  состояли из твердосплавного основания и нанесенного на него слоя поликристаллов сверхтвердых материалов.
Широко распространились в промышленности синтетические сверхтвердые материалы на основе кубического нитрида бора. Этот материал создал человек. В природе он не найден. Кубический нитрид бора имеет кристаллическую решетку, схожую с решеткой алмаза. Кубический нитрид бора сочетает высокую твердость с химической инертностью к железу. Благодаря этому, эффективность при обработке стальных деталей весьма высока. Теплостойкость кубического нитрида бора намного выше теплостойкости алмаза. Его режущие свойства остаются неизменными и при нагреве до 1300..,1500 °С. Микропорошки кубического нитрида бора применяются для изготовления кругов, предназначенных для обработки конструкционных и быстрорежущих сталей. [1]
 В отечественной промышленности известны многие поликристаллические сверхтвердые синтетические материалы на основе нитрида бора, они объединены общим названием «композиты». Широкое применение нашли композит эльбор-Р, композит гексанит-Р. В меньших объемах выпускаются композит белбор, исмит и ПТНБ. Испытания показали, что резцы из композитов эльбор-Р, белбор, по эксплуатационным свойствам практически не отличаются друг от друга. Они больше всего применяются при непрерывной тонкой и чистовой обработке закаленных сталей, высокопрочных чугунов и некоторых труднообрабатываемых сплавов. Но в них есть недостаток. Они обладают повышенной хрупкостью, из-за этого их не применяют в условиях ударных нагрузок. Инструменты из композита гексанит-Р более устойчивы к удару, поэтому он более эффективен при обработке с тяжелыми режимами и ударными нагрузками закаленных сталей и чугунов. [3]

1.2 Структура и свойства сверхтвердых материалов

Сверхтвёрдые материалы изготовляют методом порошковой металлургии. Порошки карбидов или углеродного наполнителя смешивают с порошком кобальта. Порошок кобальта в данном случае играет роль связки. Далее прессуют и спекают при 1400-1550°С. При спекании кобальт растворяет часть наполнителя и плавится. В результате получается плотный материал, структура которого на 80-95 % состоит из карбидных частиц, соединенных связкой. Не всегда нужно увеличивать количество связки. В данном случае  это вызывает снижение твердости, но повышает прочность и вязкость. Твердые сплавы производят в виде пластин, которыми оснащают резцы, сверла, фрезы и другие режущие инструменты. Такие инструменты характеризуются высокой твердостью, износостойкостью и высокой термостойкостью (800-1000°С). По своим эксплуатационным свойствам они превосходят инструменты из быстрорежущих сталей и применяются для резки с высокими скоростями. [1]
В композиционных материалах как наполнитель служит алмазный порошок. В качестве наполнения для композиционных материалов применяются алмазные порошки. Эти порошки могут быть изготовлены следующими способами: детонационный, HPHT (ВДВТ - высокое давление, высокая температура), CVD способ. При применении детонационного метода получается смесь материалов, содержащая широкий ряд модификаций углерода; при использовании метода HPHT, как правило, получаются монокристаллические алмазы; при использовании CVD - наноалмазные пленки, иногда возможно получение и монокристаллических алмазов. Получение крупных структур с использованием метода CVD занимает более длительное время, чем с использованием метода HPHT. [4-7]


1.3 Сверхтвердые материалы на основе алмаза

Сверхтвердые материалы широко применяют для изготовления металлорежущих лезвийных инструментов (резцы, сверла, торцовые фрезы), которые используются для обработки различных деталей из цветных металлов при высоких скоростях резания (100-200 м/мин и более).
Алмаз находится на первом месте по твердости среди сверхтвердых материалов. Его твердость выше твердости карбида вольфрама и быстрорежущей стали.[1]

Материал
Твёрдость по Роквеллу
Алмаз
100 [2]
Карбид вольфрама
92-94 [21]
Быстрорежущая сталь
59-63 [22]
Таблица 1. Твердость по Роквеллу различных материалов

Алмаз термостоек до 800°С, при дальнейшем нагреве он графитизируется. Алмаз обладает высокой теплопроводностью, данное свойство снижает разогрев режущей кромки инструментов при высоких скоростях резания.
Применение алмазных инструментов весьма ограничено из-за высокой адгезии к железу, из-за этого алмаз обладает низкой износостойкостью при точении сталей и чугунов. Алмазным инструментом обрабатывают цветные металлы и их сплавы, а также пластмассы и керамику, обеспечивая при этом низкую шероховатость поверхности. [1]

1.4 Поликристаллические сверхтвердые материалы на основе алмаза
Поликристаллические алмазы обладают меньшей хрупкостью и стоимостью, чем монокристаллические. Поэтому большее применение имеют синтетические композиты (борт, баллас, карбонадо) на основе поликристаллического алмаза. [1] 
ПКА (Поликристаллические алмазы) применяются в составе материалов для металлорежущего и бурового инструмента. [8]
При изготовлении ПКА, чаще всего, подложку в форме диска из карбида вольфрама с кобальтом помещают в контейнер или картридж вместе со слоем алмазных кристаллов или частиц (алмазный порошок), помещенных в картридж (ячейка, камера высокого давления) рядом с одной поверхностью подложки. Далее несколько таких картриджей устанавливается в пресс сверхвысокого давления. Затем в прессе сверхвысокого давления подложки (твердосплавные) и прилегающие к ним слои алмазных кристаллов (порошок) подвергаются воздействию сверхвысоких температуры и давления.
Воздействие сверхвысоких температуры и давления приводит к тому, что связующий металл расплавляется в корпусе подложки и проникает (инфильтрация) из подложки, прилегающей к алмазному слою, сквозь алмазные частицы, таким образом, металл выполняет функцию жидкой фазы, способствующей спеканию алмазных частиц для формирования поликристаллической алмазной структуры. В результате этого алмазные частицы оказываются скрепленными друг с другом с формированием алмазной пластинки на торцевой поверхности подложки, при этом алмазная пластинка также скреплена с поверхностью подложки. Со связующим металлом поступают следующими способами: он может оставаться в алмазном слое внутри пор, имеющихся между алмазными частицами, либо может быть удален или, в варианте выполнения, замещен другим материалом для формирования так называемого термостойкого алмаза (TSD - от англ. thermally stable diamond). Удаляется связующий материал при помощи выщелачиваня, либо алмазная пластинка формируется с использованием кремния или карбида кремния, материалов, имеющих сходный с алмазом коэффициент теплового расширения. [9]






1.5 Монокристаллические сверхтвердые материалы на основе алмаза 

 АПКС (Алмазные поликристаллические композиционные материалы) используются для изготовления, так называемых, однокристальных алмазных инструментов: резцов, выглаживателей, опор, фильер. Существует несколько методов синтеза получения АПКМ: синтез поликристаллов «баллас» и «карбонадо» из углеродных материалов в термодинамической области стабильности алмаза, спекание алмазных порошков с различными добавками в условиях высоких давлений и температур, а также инфильтрацией алмазной прессовки металлокерамическим расплавом. Последние два метода могут быть осуществлены в области термодинамической стабильности алмаза или графита, поэтому размеры изготавливаемых АПКМ могут быть значительно увеличены - до 10 мм и более. Давление при синтезе должно быть не более 4,0-5,0 ГПа, оно контролируется существующими твердофазными и стальными камерами высокого давления (КВД). В качестве компонентов связки используются сплавы на основе кобальта, никеля и кремния. Связки на основе кремния используются чаще, так как температура их плавления снижается с увеличением давления. Для того, чтобы  инфильтрация алмазной прессовки происходила в области термодинамической стабильности графита применяют сплавы с температурой плавления не выше 1700 К, чтобы предотвратить превращение алмаза в графит. Так же при получении АПКМ методом инфильтрации использовались медно-титановые сплавы. Однако у готового АПКМ низкая прочность, поэтому этот способ не нашел широкого применения.
Были изучены условия получения и свойства АПКМ при использовании связки на основе сплавов системы Ni-Si. Для этого использовали камеру высокого давления типа «чечевица», она обеспечивает давление в реакционной ячейки до 6 ГПа. Было установлено, что реальные давления, измеренные по зависимостям температур плавления чистых металлов от давления, при проведении экспериментов при высоких температурах, не превышали 3,5 ГПа.
Прочностные свойства АПКМ зависят от природы алмазных зерен и от механических свойств межкристаллитной связки и ее химической активности по отношению к алмазной поверхности. [10]
Металломатричные композиты (ММК) с высокотвердыми армирующими порошками получаются трудно из-за плохой смачиваемости между расплавом матричного металла и упрочнителями при литейных способах получения композитов или недостаточной прочности вследствие слабой адгезии на границе раздела компонентов при порошковых методах. Для получения ММК чаще всего применяются методы механического легирования и динамического компактирования. [11]

1.6  Нанокристаллические и гибридные сверхтвердые материалы на основе алмаза
Алмаз-алмазные композиты и новые СТКМ
Образуется локальная углеродная фаза в виде разупорядочного графита при помощи обжатия фуллеренсодержащих композиций давлением 9,5 ГПа при температуре 930°C. Если увеличить давление до 13 ГПа при температуре 930°C, то в локальной углеродной фазе происходит синтез алмаза. В процессе спекания композиций железо-графит при температурах 650°C и 880°C происходит синтез фуллеренсодержащих фаз FexC60 с периодом решетки 12,3 ? (металлофуллерит 1) и 14,4 ? (металлофуллерит 2). Показано, что в процессе спекания композиций железо - фуллерит С60 и железо - нанотрубки при температурах 650°C и 880°C происходит синтез фуллеренсодержащей фазы FexC60.
Известно, что молекулы C60 при комнатной температуре конденсируются в структуру с плотной упаковкой и образуют ГЦК-решетку.
Предполагается, что кластеры в решетке фуллерита связаны ван-дер-ваальсовым взаимодействием, а атомы углерода в кластерах - ковалентной связью. Одновременное сочетание сильной связи атомов углерода в фуллеренах и слабой связи кластеров в кристаллической решетке приводит к необычным механическим свойствам фуллеритов.
Поэтому от них можно ожидать высокой пластичности и очень высокой твердости при повышенных давлениях. Литературные данные свидетельствуют о правильности этих предположений. Показано, что фуллерит после специальной обработки может приобретать твердость выше твердости алмаза. Анализ дифрактограмм, с учетом полученных в работах [5-7] результатов, показал, что в процессе спекания формируются две металлофуллеритовые фазы FexC60 (фаза 1 и фаза 2), имеющие гранецентрированные кубические решетки с периодами идентичности 12,3 и 14,4 A. [12]  

1.7 Области применения сверхтвердых материалов на основе алмаза
Композиционные сверхтвердые материалы применяются во многих отраслях промышленности. Больше всего в авиации, ракетной и космической технике, где особенно большое значение имеет снижение массы конструкций и одновременно повышение прочности и жесткости. Благодаря высокой удельной прочности и жесткости их используют при изготовлении горизонтальных стабилизаторов и закрылков самолетов, лопастей винтов и контейнеров вертолетов, корпусов и камер сгорания реактивных двигателей и др. При помощи сверхтвердых композиционных материалов конструкция летательных аппаратов уменьшилась по массе на 30-40%, увеличилась полезная нагрузка без снижения скорости и дальности полета.
 В настоящее время сверхтвердые композиционные материалы используются для энергетического турбостроения (например рабочие и сопловые лопатки турбины), автомобилестроения (кузова автомобилей и рефрижераторов, детали двигателей), машиностроении (корпуса и детали машин), химической промышленности (автоклавы, цистерны, емкости), судостроения (корпуса лодок, катеров, гребные винты) и др. [1]
Медьматричный композит, армированный наноалмазом, перспективен для изготовления нагруженного электроконтактора, который работает при высоких динамических нагрузках, а также узлов, требующих высокой износостойкости. [11]
Применение алмазных композиционных материалов с металлической связующей фазой увеличивает долговечность режущих элементов для бурильного инструмента в одинаковых условиях бурения. [9] 





 2 Нанотехнологии в металлообработке
Нанотехнологии в наше время являются перспективными и динамично развивающемся направлением технической мысли. На сегодняшний день существует ряд сфер человеческой жизнедеятельности, в которых находит активное применение нанотехнологическая продукция. К таким отраслям относится и металлообработка. Здесь инновационные технологические приёмы используются для изготовления режущего инструмент. Такой режущий инструмент более прочный и износостойкий. 
Приоритетом в металлообработке является повышение производительности техпроцессов. Важнейшим требованием остаётся обеспечение качества продукции. В современных условиях эксплуатации твердосплавные вольфрамовые резцы и титан-кобальтовые фрезы перестали удовлетворять запросы промышленности. О традиционной инструментальной стали при современных требованиях к качеству и производительности металлообработки говорить вообще не приходится, эта технология давно уже устарела.


Преимущества инструментов с нанопокрытиями
При производстве наноструктурированных покрытий режущих кромок лежат физические процессы, отличающиеся от тех, что используются при изготовлении твердосплавных резцов и фрез. В результате такого синтеза на уровне кристаллической решётки материалы приобретают преимущества, которые обеспечивают высокую производительность металлообработки и надлежащее качество конечной продукции. Преимущества, приобретенные в результате синтеза:
- высокая сопротивляемость механическому износу;
- стабильность геометрии при любой температуре;
- устойчивость к коррозии;
- простота производства инструмента.
Важное преимущество инструментов с нанопокрытиями это невысокая стоимость. Это обусловлено тем, что для изготовления инновационных резцов и фрез не требуются столь дорогие цветные металлы, дефицит которых с течением времени  ощущается всё острее. В самое ближайшее время, как только нанотехнологии выйдут на промышленные темпы, цена инновационных инструментов снизится и он станут доступны всем желающим.
Кубический нитрид бора
Самым перспективным наноматериалом для изготовления режущего металлообрабатывающего инструмента является кубический нитрид бора (КНБ). Это покрытие характеризуется особой равномерностью структуры, чем определяется чистота точения и фрезерования. Шероховатость поверхностей, обработанных нитрид-боровыми резцами, фрезами и свёрлами, составляют сотые доли микрона.

В течение долгих десятилетий корунд занимал вторую позицию по шкале твердости Мооса после алмаза. Кубический нитрид бора сместил на третью позицию корунд, став при этом вторым по твердости после алмаза. По износостойкости кубический нитрид бора не дотягивает до алмаза, но он гораздо более выгоден с экономической точки зрения. Для его производства требуются не такие большие энергоресурсы, как для синтеза алмазных покрытий.
Несколько лет назад госкорпорация Роснано приступила к реализации проекта по производству этого материала в промышленных масштабах на базе двух заводов в Москве и Владимирской области. В настоящее время предприятия уже вышли на проектную мощность и выпускают КНБ в объёмах, достаточных для удовлетворения потребностей станкостроительных заводов по всей России. [13] 


3 Кубический нитрид бора (боразона) BN

3.1 Общая характеристика кубического нитрида бора (боразона) BN .
Нитрид бора BN - электронный аналог углерода. Он известен уже свыше 100 лет. Различные способы позволяют получать нитрид бора в гексагональной структуре, имеющей очень большое сходство со структурой графита. Это позволяет предполагать, что возможна кристаллизация нитрида бора и в другой структуре, сходной со структурой второй модификации углерода - алмаза.
Первые сведения о получении кубической модификации BN были опубликованы в 1957г. Разберем причину позднего получения КНБ, проведя аналогию между углеродом и нитридом бора на физико-химические свойства этих материалов. Алмаз термодинамически устойчив лишь при сверхвысоких давлениях. При отсутствии сверхвысоких давлений стабильной формой существования углерода является гексагональная модификация этого вещества - графит. Можно было предположить, что стабильной фазой у кубического нитрида бора при относительно невысоких давлениях будет гексагональная форма BN , а получение кубической модификации нитрида бора осуществится с помощью техники сверхвысоких давлений. Именно из-за этого получение кубического нитрида бора стало возможно лишь во второй половине 50-х годов, когда уровень развития техники сверхвысоких давлений развилась настолько широко, что позволила получать давления в сотни тысяч атмосфер при температурах в несколько тысяч градусов. При относительно низких температурах аллотропический переход гексагонального нитрида бора в кубический, как и  графит – алмаз, «заморожен», то есть протекает с малой скоростью, поэтому практически невозможен. Это и послужило необходимостью создания высоких температур для осуществления данных переходов. Приведённые выше теоретические соображения были подтверждены главным образом в работах Венторфа. Автору удалось, используя технику сверхвысоких давлений, получить нитрид бора BN в структуре цинковой обманки. Этот кубический нитрид бора получил название «боразон». [14]

3.2 Основные методы получения боразона
(кубического нитрида бора).
Описанные в литературе методы получения кубического нитрида бора можно разделить на три группы. Первая группа это металлы, в которых также используют сверхвысокое давление и аллотропический переход в присутствии катализаторов.
BN (гексаг.) ? BN (куб.)
Ко второй группе относятся металлы, в которых также используют сверхвысокое давление, однако в основе их лежит не аллотропическое превращение нитрида бора, а определённая химическая реакция.
Третья группа – получение кубического нитрида бора при явлениях, близких к нормальному.
 Высокое давление создается при помощи аппаратуры, которую применяют для получения искусственных алмазов. Образец, состоящий из исходного продукта и добавленного к нему катализатора, нагревают с помощью тока, проходящего по нагревательной трубке из графита, тантала и др., расположенной в реакционной камере.
Реакционный сосуд, помещаемый в камеру высокого давления, приведён на риc. 1. Сосуд имеет высоту 11,5 мм и диаметр ~ 9 мм.
С помощью такой техники возможны процессы при давлениях в 100.000 атм. И температуре до 25000 С
 
Рис. 1. Реакционный сосуд, помещаемый в камеру высокого давления.
1- диск из тантала или титана;
2- нагревательная трубка;
3- куски «катализатора»;
4- гексагональный нитрид бора;
5- изолирующий пирофиллит.
Процесс аллотропического превращения В N(гексаг.) ? BN (куб.) заключается в следующем: гексагональный нитрид бора с катализатором выдерживают при высоких температурах и давлениях. Постепенно температуру уменьшают до «замораживания», после чего давление понижается до атмосферного.
Получение исходного продукта – гексагонального нитрида бора – не представляет особых трудностей.
В первых опытах по получению боразона Венторф в качестве «катализирующих добавок» использовал переходные металлы (железо, никель, марганец), т.е. те «катализаторы», которые оказались эффективными в случае превращения графит ? алмаз, тем самым облегчая аллотропическое превращение BN (гекс.) ? BN (куб.).
Но даже при давлении в 100 000 атм. и температурах более 2000 ?С кубическая форма BN не была обнаружена.
Единственным результатом являлось некоторое укрупнение кристаллов исходного нитрида бора (от 5 до 20 мик.).
После неудачной попытки использования переходных металлов в качестве «катализаторов» заставила Венторфа заняться поисками подходящих ’’катализаторов’’.
И Венторф подобрал «катализаторы». Ими оказались щелочные и щелочноземельные металлы, а также сурьма, олово и свинец. Использование других элементов не дало положительных результатов.
Найденные «катализаторы» имели различную эффективность, благодаря чему в зависимости от применения того или иного катализатора из них удавалось осуществлять переход BN (гекс.) ? BN (куб.) при различных давлениях(50000-90000 атм.) и температурах (1500-2000 ?С). При аллотропическом превращении с увеличением атомного веса используемого катализатора, давления и температуры пропорционально возрастают. Так, для того чтобы осуществить превращение BN (гекс.) ? BN (куб.) с катализатором  калий или барий необходимо было минимальное давление 70 000 атм.
При небольшом понижении давления боразон не образовался, хотя при этом катализатор в виде калия или бария реагировал с гексагональным нитридом бора и диффундировал в него. Если же использовать в качестве «катализаторов» более легкие металлы – магний, кальций или литий – уже при давлении в 45000 атм. наблюдается образование кубического нитрида бора, причем процесс характеризуется высоким выхлопом кубического нитрида бора.
Отмечено также, что эффективность применения катализатора сильно падала в присутствии некоторого количества воды, борного антифриза и других примесей.
Проведенные исследования позволяют утверждать, что нитрид бора, так же как и углерод, может устойчиво существовать в гексагональной и кубической формах.
Область устойчивого существования боразона лежит при высоких давления и отделена от области гексагонального нитрида бора погранично.......................