При производительном алмазном шлифовании СТМ отделение объемов материала, составляющего припуск под обработку, от собственно детали происходит путем преимущественно хрупкого микроразрушения как СТМ, так и алмазных зерен [36, 67, 77, 78, 141, 173, 176]. Поэтому поверхности первичного разделения формируются при довлеющем механизме хрупкого разрушения в процессе зарождения, развития и вскрытия трещин. Особенностям движения последних в ковалентных кристаллах, в том числе в алмазе, посвящен ряд работ [127, 138, 169, 204, 220]. При ударном нагружении появление трещины в алмазе вызывается прямой или отраженной продольной упругой волной. Начальная скорость зависит от силы удара и температуры испытания. При повышенных температурах она меньше. Среднее значение равно 2800 м/с, рассчитанное значение скорости по константам упругости поперечных упругих волн 12040 м/с, т. е. отношение скорости раскола к скорости поперечных упругих волн составляет 0.6 [87]. По мнению
В. М. Финкеля [205], в первые моменты разрушения вскрытие трещины в моно — и поликристаллах незначительное. Силы связи между стенками микротрещин, предшествующих макротрещине, возрастают вследствие монотонного убывания расстояния между ними до межатомного. Это вытекает из положения П. А. Ребиндера [157, 158] о клиновидной трещине с устьем, сходящим до межатомного расстояния. Отсюда же следует принципиальная возможность исчезновения трещины при определенных условиях, ее захлопывания и восстановления сплошности материала. В наших опытах по реза
нию единичным зерном СТМ на основе алмаза неоднократно наблюдалась полная релаксация следа алмазного зерна (царапины).
При развитии микротрещин возможно их ветвление. Последнее обусловлено встречей фронта трещины и отраженных от границ тела упругих импульсов, внутренними напряжениями и нестабильностью трещин, наступающей при достижении критических скоростей. Нестабильность магистральной трещины вызывает ее искривление, возникает элементарный акт ветвления. Оно бывает при статическом и динамическом нагружении, однако, в последнем случае могут появиться две магистральные трещины. Усложнению образующегося рельефа способствуют поверхностные волны, распространяющиеся по полостям трещины [87]. Обладая малой кинетической энергией, они распространяются лишь по одной плоскости спайности. С увеличением запаса кинетической энергии (ростом скорости) возрастает интенсивность излучения поверхностных волн на фронте трещины, которая получает способность перескакивать с одной плоскости спайности на другую. Для алмаза, по-видимому, картина упрощается, поскольку сопутствующая пластическая деформация чрезвычайно мала, к тому же структура поликристаллов имеет значительные искажения. Развиваясь от кристаллита к кристаллиту, трещины меняют направление в силу анизотропии их упругих свойств.
Изложенные представления объясняют тот факт, что по морфологии поверхность первичного раздела объемов поликристаллов СТМ сложна и в общем случае близка к поверхности, образованной при хрупком изломе поликристалла в условиях шлифования, предотвращающих приспосабливае — мость кругов, но в общем случае поверхность раздела подвергается дальнейшему воздействию перемещающихся алмазных зерен круга, его связки, осколков алмазных кристаллитов, изнашиваемых зерен. При этом тонкие приповерхностные объемы поликристалла разогреваются, возможны графи — тизация и окислительное влияние среды. Естественно, что на этапе проявления структурно-топографической приспосабливаемости взаимодействующих поверхностей микрообъемы хрупко удаляемого материала уменьшаются, преобладает влияние процессов трения. Высокая интенсивность протекания последних обусловлена равной твердостью контактирующих тел, а также высокими модулями упругости. В этот момент усиливается и пластическая деформация в тончайших приповерхностных слоях. Подтверждением этому служат результаты определения плотности дислокации в приповерхностных слоях в результате разрушения изломом и после шлифования (разрезки) [66, 182].
В реальном процессе шлифования рельеф поверхности первичного раздела претерпевает указанные изменения не по всей площади. Значит, обработанная поверхность СТМ содержит участки, сформированные при первичном разделе, и те, которые подвергались вторичным изменениям. Все это и является причиной крайне неоднородного характера окончательного рельефа [229, 234, 240, 253, 254]. Такая поверхность имеет четко выраженные: границу зон с отличающимся субмикрорельефом, где отражены различные механизмы микроразрушения материала при шлифовании, зоны хрупкого разрушения и с признаками пластической деформации, микрополости и т. д. Исследование поверхности синтетических поликристаллов алмаза и нитридов бора после шлифования позволило установить общие особенности формирования и состояния поверхности, характерные для всех изучаемых типов СТМ, и частные, обусловленные индивидуальностью структуры и физикомеханических свойств поликристаллов каждой группы [233, 236, 245, 249]. При оптических исследованиях наблюдалось общее внешнее сходство обработанных поверхностей СТМ и твердых сплавов, минералокерамики: организованные следы, т. е. риски микрокромок алмазных зерен кругов и многочисленные бесформенные (при малых увеличениях) вырывы, сколы и поры в виде темных пятен. Это сходство больше выражено у поликристаллов второй группы, в меньшей степени — первой группы.
Следы воздействия алмазных зерен круга представляют собой отдельные борозды с неровными краями и неодинаковые по частоте повторяемости на поверхности, глубине, ширине и протяженности, интенсивности изменения. В основе изменения следов лежит интенсивное разрушение алмазных зерен круга при обработке АСБ, АСПК, диамета.
Особенность обработанной поверхности алмазов — наличие большого количества крупных (десятая микрометров) дефектов. Последние могут быть бесформенными и в виде ярко выраженных треугольников (углубления, образовавшиеся в результате выбивания отдельных микрочастиц, микроблоков). Треугольники — это след выбивания блоков, имевших форму октаэдра. Большое количество дефектов такой формы свидетельствует, что в микрообъеме разрушение поверхности АСБ и АСПК происходит по кристаллографическим плоскостным сеткам октаэдра [49, 68, 180, 184, 223]. Следует лишь добавить, что дефекты обработанной поверхности являются в большой мере наследственными и определяются особенностями структуры СТМ.
Электронно-микроскопическое исследование шлифованной поверхности АСБ и АСПК подтверждает, что формирование поверхности раздела происходит преимущественно в результате хрупкого разрушения. При этом разрушение кристаллита синтетического алмаза аналогично разрушению природного, т. е. оно происходит или начинает происходить преимущественно по кристаллографическим плоскостям [202]. Об этом свидетельствуют характерные для этой плоскости направления следов сколов.
Однако при недостаточной развитости рельефа рабочей поверхности значительная часть обработанной поверхности АСБ и АСПК формируется в результате вторичного воздействия уплощенных зерен круга, т. е. в условиях преобладающего трения после образования поверхности первичного раздела. На этих участках структура поликристалла не просматривается. Электронные микрофотографии позволяют сделать вывод о формировании вторичной структуры в результате пластической деформации в тончайшем слое, что свидетельствует о наличии в зоне контакта высоких локальных температур, приводящих к снижению микротвердости тончайшего слоя обрабатываемого алмаза. Пластическая деформация носит локальный характер, чередуясь со сколами [173]. Анализ большого количества образцов поликристаллических алмазов с обработанной поверхностью подтвердил наличие отдельных участков, где следы обработки выражены слабо либо вообще не выражены. Они составляют значительную часть обработанной площади. Учитывая поликристаллическое строение АСБ и АСПК, отмеченные участки можно трактовать как зерна поликристалла или их скопления, ориентированные таким образом, что их наиболее трудно обрабатываемая плоскость параллельна поверхности шлифования либо близка к этому. Первое подтверждается практически отсутствием вырывов, имеющих форму треугольника, второе тем, что треугольники, если они встречаются, не равносторонние, а равнобедренные.
Вместе с тем появление площадок на кристаллитах алмазов можно рассматривать как свидетельство процессов окисления и графитизации, вызванных высокой локальной температурой при трении алмаза по алмазу. Об этом же свидетельствует и наличие пустот между металлом-катализатором и алмазной матрицей [176].
Общим для всех алмазных поликристаллов при активированном состоянии рабочего рельефа круга является преобладание участков поверхности, сформированных в результате хрупкого микроразрушения СТМ, о чем свидетельствуют количественная оценка удельных значений длины микрополостей и площади участков хрупкого разрушения в различные периоды работы круга, которая для ДАП, например, в 3 раза больше, чем при шлифовании ДПНБ. Продолжительность шлифования и связанное с ней изменение режущего рельефа алмазного круга существенно влияет на характер субмикрорельефа поверхности СТП, вызывают изменения численных значений его параметров.
Удельная площадь участков поверхности первичного раздела как проявление механизма хрупкого разрушения максимальна в начальный период шлифования, когда режущий рельеф круга и субмикрорельеф его алмазных зерен хорошо развиты. По мере усиления приспосабливаемости и сглаживания режущего рельефа доля этих участков падает, а через 10-15 мин уменьшается в два-три раза. Возрастание участков поверхности с признаками пластической деформации, а также их преобладание в завершающий период шлифования количественно подтверждают исключительно большую роль процессов трения при алмазном шлифовании СТМ [4, 33, 237].
Таким образом, количественная оценка параметров субмикрорельефа обработанной поверхности подтверждает влияние интенсификации шлифования на реализацию механизмов хрупкого разрушения СТМ под влиянием режущих зерен алмазного круга. Эта закономерность проявляет себя неизменно при варьировании такими условиями обработки, как нормальное давление, скорость круга, зернистость и т. д. Количественный анализ субмикрорельефа по удельной площади участков хрупкого разрушения и суммарной длине микрополостей на единице обработанной поверхности доказал прямую их связь с режимом шлифования и характеристиками кругов, степенью активации рабочей поверхности кругов, т. е. условиями разрушающего воздействия на поликристалл в процессе обработки.
Поверхность СТМ на основе нитрида бора имеет более четкие следы обработки [173]. Их характер, поперечный и продольный микропрофиль позволяют утверждать, что формирование поверхности этих материалов также происходит в результате хрупкого разрушения путем растрескивания и скалывания микроблоков. Однако, размеры скалываемых частиц значительно меньше, чем у алмазов. Наблюдаемые на шлифованной поверхности дефекты бесформенные, а их количество и размеры меньше, чем на обработанной поверхности поликристаллических алмазов [25, 76, 79, 230].
Различия между эльбором-Р, ПТНБ и гексанитом-Р более существенны, чем между СКМ, АСБ, АСПК. Поликристаллы на основе нитрида бора имеют более низкую теплопроводность и меньшую исходную твердость, чем алмазы. Поэтому при их алмазном шлифовании реализуется превышение твердости инструмента над твердостью обрабатываемого материала и процесс приближается к процессу шлифования керамики [21, 71, 222, 246, 247, 252].
Высокая, по сравнению с алмазами, интенсивность шлифования поликристаллов на основе нитрида бора обусловлена большей глубиной внедрения зерен круга в обрабатываемый материал. Это, в свою очередь, вызывает рост сил резания из-за увеличения площади единичного среза и большой абсолютный износ круга в результате истирания связки об обрабатываемую поверхность. В отличие от алмазов на обработанной поверхности нитрида бора наблюдаются сплошные гладкие полосы, ширина и протяженность которых соизмеримы с аналогичными параметрами борозд от единичных зерен. Однако это не противоречит утверждению о преимущественно хрупком первичном разрушении данных материалов. Более высокая чистота обработки поликристаллов нитрида бора обусловлена меньшими размерами скалываемых блоков, что, в свою очередь, объясняется более высокой степенью диспергирования. Высокая твердость алмаза исключает возможность ощутимого внедрения зерен круга, съем припуска осуществляется путем скалывания более крупных частиц и, как следствие этого, обработанная поверхность должна иметь большую шероховатость.
Шероховатость обрабатываемой поверхности непосредственно зависит от того, какие механизмы разрушения СТМ реализуются в тех или иных условиях шлифования. Следовательно, состояние рабочей поверхности круга является определяющим для получаемой шероховатости обработанной поверхности. Если не предотвращать структурно-топографическую приспосаб — ливаемость режущей поверхности, то шероховатость обработанной поверхности по критерию Ra в первый период меняется в пределах 0.5—0.3 мкм, а после 30 мин шлифования в пределах 0.3-0.15 мкм соответственно. Наибольшему значению нормального давления соответствовала наименьшая шероховатость. Когда усилие прижима детали к кругу большое, он быстрее прирабатывается, но одновременно снижается вероятность отрыва шлифуемого образца от его режущей поверхности, что ослабляет ударные нагрузки на поликристалл. Эти две причины и определяют существо влияния нормального давления на формирование шероховатости обработанной поверхности и значение ее параметров. Поверхность сверхтвердых материалов на основе нитрида бора имеет меньшую шероховатость, чем у алмазов. Общая причина столь небольшого изменения шероховатости — постоянство механизмов разрушения, преобладающих для данного диапазона условий. Площадь участков первичной хрупкой повреждаемости практически изменяется мало. Условия обработки влияют на интенсивность, характер действия этих явлений и, следовательно, на показатели процесса (производительность Q,
усилия Pz, температура Т), а не на механизм разрушения объемов СТМ, составляющих припуск под обработку [1, 15, 159, 216].
Управляя рабочей поверхностью круга с различной интенсивностью, можно изменять шероховатость всех обрабатываемых СТМ в пределах, определяемых структурой и свойствами поликристаллов. Снижению шероховатости способствует увеличение зернистости, скорости круга, концентрации алмазов. Рост нормального давления и тока цепи управления ухудшают шероховатость [173]. Эти тенденции справедливы для всех марок обрабатываемых материалов, однако абсолютные значения шероховатости безусловно связаны со структурой СТМ — для однородных мелкозернистых они ниже. Оптимизация процесса шлифования по критерию шероховатости будет изложена ниже. Здесь же рассмотрим изменения структуры материала поверхностного слоя СТМ, которые вместе с шероховатостью и тонким рельефом является важными составляющими обеспечения качества обработки сверхтвердых поликристаллов.
С учетом важности такой характеристики поверхностного слоя, как макро и микронапряжения, были выполнены соответствующие исследования. Данные расчета температурных полей [140], в частности, в плоскости XOZ использованы для оценки уровня термонапряжений в шлифуемых СТМ. Для этого применен метод конечных элементов.
Распределение термонапряжений, соответствующих максимальным градиентам температуры, свидетельствуют о том, что в алмазной фазе вблизи шлифуемой поверхности СТМ термонапряжения достигают предела прочности на сжатие алмазных монокристаллов. При выходе поликристалла из контакта с кругом и его охлаждении знак термонапряжений изменяется на противоположный [64, 113, 186]. Следовательно, локальное циклическое изменение термического режима порождает цикличность термонапряжений, что с учетом изменения их знака может стать причиной растрескивания поликристаллов. Эта вероятность усиливается тем, что СТМ — многофазные структуры с выраженной анизотропией кристаллитов. Учитывая многофаз — ность алмазных поликристаллов, различие коэффициентов теплового расширения металлических включений и алмазной матрицы, следует ожидать проявления межфазных микронапряжений. Новиков Н. В [127] расчетным путем показал, что пороговая температура, при которой возможно объемное разрушение (растрескивание) композиционных СТМ, не превышает 676°К.