Режущая керамика

В странах СНГ и за рубежом интенсивно ведут работы по расширению применения металлообрабатывающего инструмента, оснащенного режущими сменными многогранными пластинами из керамики различных марок.

Промышленность выпускает четыре группы режущей керамики: оксидную (белая керамика) на основе чистой окиси алюминия Al₂O₃ в α - модификации, известной под названием корунд; оксидно - карбидную на основе композиции Al₂O₃-TiC (черная керамика); оксидно - нитридную на основе Al₂O₃-TiN (кортинит); нитридную керамику на основе Si₃N₄.

Основной особенностью режущей керамики является отсутствие связующей фазы, что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве в процессе изнашивания, повышает пластическую прочность, что и предопределяет возможность применения высоких скоростей резания, намного превосходящих скорости резания инструментом из твердого сплава. Если предельный уровень скоростей резания для твердосплавного инструмента при точении сталей и чугунов с тонкими срезами и малыми критериями затупления не превышает 500 м/мин, то для инструмента, оснащенного режущей керамикой, этот уровень увеличивается до 800-1000 м/мин.

Составы основных типов режущей керамики и некоторые физико-механические свойства представлены в табл. 4.1.

Основными преимуществами применения керамики являются не только повышение производительности и качества обработки, а также практически неограниченные сырьевые ресурсы исходного материала - глинозема - и отсутствие химического сродства с большинством обрабатываемых материалов. В состав оксидной керамики не входят дефицитные материалы, поэтому пластинки из керамического материала во много раз дешевле пластинок из твердого сплава. Основной недостаток этих пластин - относительно небольшая прочность, но твердость и теплостойкость их достаточно высоки.

Таблица 4.1 - Состав, свойства и области применения керамики

Марки керамики (способ получения)	Состав (цвет пластин)	sи, Гпа	r, г/см^3	HRA (не менее)	Область применения
I – Оксидная
ЦМ 332 (холодное прессование)	Al2O3 – 99% MgO – 1% (белый)	0,3-0,35	3,85-3,90		К01-К05
ВО-13 (холодное прессование)	Al2O3 – 99% (белый)	0,45-0,5	3,92-3,95		Р01-Р10, К01-К05
ВШ-75 (горячее прессование)	Al2O3 (черно-серый)	0,25-0,3	3,98	91-92	К01-К05
II - Оксидно – карбидная
В-3 (горячее прессование)	Al2O3 – 60% TiC – 40% (черный)	0,6	4,2		Р01-Р10
ВОК-60 и ВОК-63 (горячее прессование)	Al2O3 – 60% TiC до 40% (черный)	0,65-0,7	4,2-4,6		Р01-Р05 К01-К05
ВОК-71 (горячее прессование)	Al2O3 – 70% TiC до 30% (черный)	0,7-0,75	4,5-4,6		Р01-Р05 К01-К05
III - Оксидно – нитридная
ОНТ-20 (кортинит) (горячее прессование)	Al2O3 > 70% TiN до 30% (Темно-коричневый)	0,64	4,3	90-92	К01-К05

Продолжение таблицы 4.2

IV – Нитридная
Силинит-Р (горячее прессование)	Si3N4, Y2O3 (Коричневый)	0,5-0,7	3,2-3,4		К10-К20
РК-30 (горячее прессование)	Si3N4 – 70%, Y2O3, TiC до 30% (Коричневый)	0,7-0,8	3,2-3,4	92 - 94	К10-К20

Твердость минералокерамики по Раквеллу равна
91 – 94 HRА.

Примечание. Твердость быстрорежущей стали по этой шкале равна 79 – 82 HRА

Впервые в производственных условиях керамические инструменты были использованы в 1932 г. на Ленинградском заводе им. Ломоносова.

4.1 Оксидная и оксидно-карбидная режущая керамика

Наиболее широко известна оксидная (чистая, или «белая») керамика ЦМ 332 («микролит»), состоящая в основном из оксида алюминия А1₂О₃ и легирующей добавки МgО (табл. 4.1). Микролит является триста тридцать вторым вариантом материала, полученного в Московском химико-технологическом институте им. Менделеева (МХТИ). Чистую оксидную керамику получают методом холодного прессования при комнатной температуре, т. е. А1₂О₃ прессуют при 20°С в пластины различных форм и затем подвергают спеканию. Эта технология очень экономична, она положена в основу производства 90% всех режущих пластин из оксидной керамики. Оксидная керамика ВО-13 также представляет собой материал на основе оксида алюминия с незначительными добавками оксида магния и относится к I группе керамических материалов (см. табл. 1.4). Ее изготовляют методами порошковой металлургии: холодным прессованием с последующим спеканием. Средний размер зерна ВО-13 до
4 мкм. Резцы с пластинами из керамики ВО-13 широко применяют при точении нетермообработанных «сырых» сталей, серых чугунов. Эффективность применения этой керамики определяется ее относительно меньшей стоимостью по сравнению со стоимостью оксидно-карбидной керамики.

Оксидно-карбидная (смешанная, «металлическая», «черная») керамика (керметы), относящаяся ко II группе керамических материалов, состоит из оксида алюминия А1₂О₃ (до 70 %), TiС (до 40 %) и других карбидов тугоплавких металлов с некоторыми легирующими добавками. Пластины из оксидно-карбидной керамики получают горячим прессованием в графитовых прессформах. Процесс более трудоемок, чем процесс получения оксидной керамики. Керметы по своим эксплуатационным свойствам занимают промежуточное положение между твердыми сплавами и оксидной керамикой. Добавки металлических соединений повышают вязкость и теплопроводность минералокерамических материалов, снижают трещинообразование и хрупкость, однако при этом снижается износостойкость. Пластины из керметов применяют для обработки ковких, отбеленных чугунов, термоулучшенных, цементированных и закаленных (НRС 30 - 65) сталей.

Наиболее известными марками керамики этой группы являются ВОК-60 и ВОК-63.

Исходным материалом для производства оксидной и оксидно-карбидной керамики является технический глинозем, полученный из гидрата глинозема прокаливанием при температуре 1100 - 1200°С и представляющий собой смесь двух модификаций γ - А1₂0₃ с плотностью 3,65 г/см³ и α - А1₂О₃ с плотностью 3,96 г/см³. Полный переход в α – модификацию достигается при Θ = 1400 - 1600°С. Производство оксидной керамики включает несколько этапов.

1 Прокаленный до 1500 - 1550 °С глинозем подвергают тонкому виброизмельчению в течение 1 - 2 ч до получения частиц размером 1 мкм (до 80 % в основной массе) при максимальном размере частиц 2 мкм. Полученный продукт обогащают и сушат.

2 В сухой порошок оксида алюминия вводят модифицирующую добавку оксида магния (0,5—1,0 %), затем производят пластификацию и холодное прессование полученной смеси.

3 Спекают отпрессованные пластины при температуре около 1750 °С и кратковременном режиме отжига с выдержкой в течение 5 - 10 мин в области температурного максимума.

4 Выполняют механическую обработку заготовок пластин. Установлено, что оптимальная дисперсия исходного порошка для спекания оксидной керамики составляет 0,5 - 0,75 мкм. Рост зерна α -глинозема (содержание фракции 0,5 мкм в пределах 40—70 %) идет весьма медленно до Т = 1600 - 1650°С. При
Т= 1650°С размер зерен спеченной керамики составляет 2÷3 мкм. При Т = 1680÷1740°С начинается стремительный рост кристаллов, их размеры могут достигать 30 - 50 мкм, а конфигурация изменяется: кристаллы вытягиваются, принимают удлиненную форму. Такое протекание рекристаллизации характерно, например, для тонкомолотого глинозема ГО.

Надежность пластин при резании достигается благодаря не только высоким требованиям к технологии их изготовления, но и к исходному сырью: глинозему и легирующим добавкам - карбиду титана, оксиду циркония, нитриду кремния и др. Вопросам качества сырья изготовители отводят значительную роль.

Керамическое сырье подвергают испытаниям по установленной методике и прежде всего определяют: химическую чистоту (загрязнение глинозема соединениями Na₂О, SiO₂ и СаО недопустимо); влажность; площадь поверхности зерен, которая характеризует активность материала при спекании и позволяет оценивать предполагаемую зернистость; прессуемость (определяется условиями переработки глинозема).

Введение в глинозем легирующих добавок резко меняет протекание рекристаллизации. Легирующие добавки можно разделить на три группы: замедлители, ускорители и промежуточные. Замедлители рекристаллизации - оксиды магния, кремния, железа, кальция, натрия, циркония. Оксид магния MgO является очень эффективным замедлителем кристаллизации. Введение даже сотых долей процента оксида магния резко приостанавливает рост кристаллов. Механизм торможения роста кристаллов при введении оксида магния можно представить следующим образом. Оксид магния, распределенный в порошке α -глинозема, адсорбируется на гранях кристаллических агрегатов. Адсорбция оксида магния идет интенсивнее на гранях кристаллов, обладающих большой энергией роста. При нагревании порошка оксид магния реагирует с оксидом алюминия, образуя на поверхности зерен шпинелевую оболочку, более плотную на одних гранях и менее плотную на других. Эта шпинелевая оболочка в дальнейшем замедляет рост кристаллов, обуславливая мелкую и изометрическую форму зерен.

На качество режущих пластин из керамики влияет не только средний размер зерна, но и гранулометрический состав: чем мельче зернистость, тем выше износостойкость. Наиболее часто встречающийся размер зерен примерно 2,0 мкм, а зерен, размером более 6 мкм, практически нет. Прочность керамики зависит от среднего размера зерна. Например, для оксидной керамики прочность снижается от 3,80 - 4,20 до 2,55÷3,00 ГПа при увеличении размеров зерен соответственно от 2 - 3 до 5,8 - 6,5 мкм.

У оксидно-карбидной керамики гранулометрический состав еще более тонкозернистый, и средний размер зерен А1₂О₃ в основном меньше 2 мкм, а размер зерен карбида титана составляет 1÷3 мкм. При высокой температуре, которая действует в условиях резания, твердость пластин из оксидной и оксидно-карбидной керамики в 2÷2,5 раза выше, чем у наиболее износостойких марок твердых сплавов, таких,как Т30К4, ВК3, ВК3М и ВК6-ОМ.

Режим спекания оказывает большое влияние на конечные свойства керамики. Оптимальная температура спекания керамики зависит от дисперсности исходного порошка, наличия в нем примесей и продолжительности нагревания. При размере зерен порошка 0,5 - 1,0 мкм (40 - 70 % по массе) и наличии легирующей присадки (до 0,5÷1,0% по массе) спекание пластин оксидной керамики возможно при Θ = 1710 °С с выдержкой в течение 5 - 10 мин. При увеличении температуры до 1780 - 1820 °С выдержка может быть сокращена до 1 - 2 мин.

В процессе спекания крупные зерна растут за счет мелких. Если шихта содержит слишком много мелких зерен, то происходит интенсивный рост небольшого числа крупных зерен, и средние размеры зерен керамики получаются очень большими. Если же шихта содержит много крупных зерен, то материала, необходимого для роста зерен, недостаточно, и во время спекания требуемая заданная плотность керамики не достигается. Сырье перерабатывают в промежуточный продукт - «массу». Вначале дозируют небольшие количества легирующих добавок, облегчающих спекание и тормозящих рост зерен. При смешивании эти добавки равномерно распределяются по всему объему массы; получается водная суспензия, которую после введения связующих веществ подвергают распылительной сушке. После этого процесс прерывается и у полученной массы контролируют: химическую чистоту, обрабатываемость, средний размер зерен и плотность. Плотность и зависящая от нее остаточная пористость спеченных пластин определяется давлением при прессовании. В процессе спекания происходит усадка прессованных пластин с одновременным ростом отдельных поликристаллов в более крупные зерна. Достижение высокой плотности и тонкозернистой структуры очень сложно потому, что уплотнение во время нагрева возможно только благодаря росту зерен. Следовательно, необходимо одновременно тормозить рост зерен и в то же время добиваться высокой плотности пластин.

От величины поверхностных зерен зависит стойкость минералокерамических инструментов. Структура поверхности минералокерамических сплавов оценивается баллами (рис. 4.1): I балл - наименьшие величины зерен (0,75 - 1,5 мкм); II балл - основная масса - мелкие зерна (1,5 - 3 мкм) и небольшое количество средних; III балл — основная масса - зерна средней величины (3 - 7 мкм) и небольшое количество крупных; IV балл - поверхность с крупными зернами (более 7 мкм). Если стойкость пластин I балла принять за 1, то стойкость пластин II балла будет 0,8, III балла - 0,2 и IV балла - 0,05. Таким образом, с увеличением размеров зерен стойкость минералокерамических пластин резко падает.

4.2 Оксидно-нитридная и нитридная режущая керамика

а) б) в) г) Рисунок 4.1 - Шкала величины поверхностного зерна минералокерамики (х600): а – балл I; б – балл II; в – балл III; г – балл IV

В третью группу минералокерамики (оксидно-нитридную) входит кортинит (ОНТ 20), состоящий из Al₂O₃ > 70% и TiN до 30%. Исходным материалом для получения оксидно-нитридной керамики является глинозем ГЛМК по ТУ 48-5-200 - 79 и нитрид титана по ТУ 88-021 - 82.

Такой керамический материал имеет высокую прочность на изгиб и низкий коэффициент термического расширения (см. табл. 4.1), что выгодно отличает его от ранее рассмотренных керамических материалов. Это позволяет с успехом использовать нитридокремниевый инструмент при черновом точении, получистовом фрезеровании чугуна, чистовом точении сложнолегированных и термообработанных (до НRС 60) сталей и сплавов.

Параллельно с совершенствованием керамических материалов на основе оксида созданы новые марки режущей керамики на основе нитрида кремния Si₃N₄ (IV группа). По химическому составу такую керамику, в свою очередь, можно разделить на две подгруппы.

Материалы первой подгруппы основаны на применении нитрида кремния, содержание которого составляет до 90 – 95%.

Для обеспечения высокой плотности на окончательном этапе ее изготовления применяют специальные легирующие добавки (оксиды иттрия, циркония, алюминия и др.) в количестве 5 – 10%. Активаторы взаимодействуют с нитридом кремния с образованием игольчатых кристаллов и простых и смешанных силикатов, происходит также перераспределение примесей, что сопровождается увеличением теплопроводности и прочности. Такой керамический материал имеет высокую прочность на изгиб (до s_и=700 МПа) и низкий коэффициент термического расширения. К этой группе относится Силинит-Р, созданный ИПМ НАН Украины.

Вторая подгруппа нитридокремниевой керамики, помимо указанных выше компонентов, дополнительно содержит карбид титана в количестве до 30% (РК-30). Такой керамический материал имеет несколько большую прочность на изгиб но вместе с тем и несколько меньшую твердость.

Отличия в химическом составе различных марок режущей керамики на основе нитрида кремния (см. табл. 4.1) необходимо учитывать при использовании такого инструмента. Например, инструмент керамики первой подгруппы (Силинит-Р) предпочтителен для обработки чугунов не только при чистовом и получистовом точении, но и при черновом точении и получистовом фрезеровании, а второй (РК-30) – при чистовом точении сложнолегированных и термообработанных сталей и сплавов.

Керамику на основе нитрида кремния получают методами горячего прессования. Изготовление керамики на основе нитрида кремния не требует применения дефицитных материалов, а также уникального или нестандартного технологического оборудования. В качестве основного исходного сырья используют порошок нитрида кремния β-модификации со средним размером частиц 0,6—1,2 мкм, производимый серийно в промышленных условиях. Горячее прессование выполняют в многоместных графитовых матрицах.

Особенности Силинита-Р определяются специфическими свойствами кристаллической структуры нитрида кремния (Si₃N₄) и ковалентным типом связи между атомами. Именно наличие жестких направленных связей между атомами азота и кремния в решетке обуславливает высокую твердость, малый коэффициент линейного расширения, стабильность физико-механических свойств в широком диапазоне изменения температуры. По этой же причине в Cилините-Р заторможена диффузия, что обуславливает его высокую стойкость в условиях адгезионного и диффузионного изнашивания. Силинит-Р имеет повышенную энергию разрушения или связанную с этой энергией трещиностойкость, или вязкость разрушения (коэффициент К_lc ≈ 6 - 8 МПа∙м^1/2) по сравнению с другими разновидностями оксидной керамики (для I группы
К_lc ≈ 4,5 МПа∙м^1/2; для II – К_lc ≈ 5,4 МПа∙м^1/2). По данным широких производственных испытаний вероятность внезапного выхода из строя режущего инструмента из нитридокремниевой керамики при получистовой обработке соответствует аналогичному показателю, характерному для твердосплавного инструмента.

Вместе с тем минералокерамические материалы особенно ценны для скоростной обработки металлов, так как высокие температуры, возникающие в процессе резания, не оказывают заметного влияния на износ. Благодаря малому сродству с металлами при резании керамическими материалами возникают меньшие силы трения, металл не прилипает к инструменту, качество обработанной поверхности улучшается. Как уже отмечалось, недостатком минералокерамических материалов является повышенная хрупкость. Предел прочности при изгибе у минералокерамики в 3 - 4 раза меньше, чем у металлокерамических твердых сплавов, и примерно в 10 раз меньше, чем у инструментальных сталей. Это существенно ограничивает область их применения. Чаще всего они используются для чистовой и получистовой обработки стали и чугуна.

4.3 Краткие рекомендации по выбору режущей керамики

Рекомендации по областям применения и выбору различных марок отечественной керамики даны в табл. 4.1 и 4.3. Исходя из конкретных условий обработки (состояние оборудования, припуски на обработку, требования к качеству и т. д.), в каждом случае следует корректировать применение той или другой марки керамики вплоть до проведения сравнительных экспресс - испытаний. Керамика ЦМ-332 в настоящее время заменяется керамикой ВО-13.

Режущую керамику преимущественно рекомендуют для чистовой и получистовой обработки серых, ковких, высокопрочных и отбеленных чугунов, низко- и высоколегированных сталей, в том числе улучшенных, термообработанных (HRC до 55-60), цветных сплавов, конструкционных полимерных материалов (области применения К01-К05 и Р01-Р05). В указанных условиях инструмент, оснащенный пластинами из режущей керамики, заметно превосходит по работоспособности твердосплавный инструмент.

Применение керамического инструмента при обработке с повышенными значениями сечений среза (txS) и при прерывистом резании, особенно при использовании оксидной режущей керамики, резко снижает его эффективность вследствие высокой вероятности внезапного отказа из-за хрупкого разрушения режущей части инструмента. Именно это обстоятельство во многом объясняет сравнительно низкий объем используемого в промышленности Украины керамического инструмента (до 0,5% от общего объема режущего инструмента). Вместе с тем для развитых стран Запада этот объем составляет от 2 до 5%.

Исследование и опыт внедрения инструментов с пластинами из режущей керамики различных марок позволяют рекомендовать следующие области ее применения:

- оксидная чистая (белая) керамика ВО-13, ЦМ-332, ВШ-75 – для чистовой и получистовой обработки нетермообработанных сталей, серых чугунов с высокими скоростями резания (до 800 - 1000 м/мин);

Таблица 4.3 - Рекомендации по выбору марки керамики

Обрабатываемый материал	Твердость	Керамика для обработки
тонкой	чистовой	получистовой
Чугун серый	НВ 143 - 289	ВО-13, ВШ, ЦМ-332	ВО-13, ВШ, Силинит-Р, ЦМ-332	ВО-13, ВШ, Силинит-Р, ЦМ-332
Чугун ковкий	НВ 163 - 269	ВШ, ВО-13	ВШ, ВО-13, В-3	ВШ, ВО-13, В-3
НВ 170 - 369	ВШ, В-3, ВО-13	В-3, Силинит-Р, ВШ, ВО-13	В-3, Силинит Р ВШ, ВОК-60
Чугун отбеленный	НВ 400 - 650	ВОК-60, кортинит, В-3	ВОК-60, В-3, кортинит, Силинит-Р	ВОК-60, В-3, кортинит, Силинит-Р
Сталь качественная конструкционная	НВ 160 - 229	ВО-13, ВШ, ЦМ-332	ВО-13, ВШ, ЦМ-332	ВО-13, ВШ, ЦМ-332
Сталь конструкционная легированная	НВ 179 - 229	ВО-13, ВШ, Ц.М-332	ВО-13, ВШ, Ц.М-332	ВО-13, ВШ, ЦМ-332
Сталь улучшенная	НВ 229 - 380	ВШ, ВО-13, ВОК-60, Силинит-Р	ВШ, ВО-13, ВОК-60, Силинит-Р	ВШ, ВО-13, ВОК-60, В-3
Сталь цементуемая закаленная	НRС 36 - 48	ВОК-60, В-3, кортинит	ВОК-60, В-3, РК – 30, кортинит	ВОК-60, В-3, РК – 30, кортинит
НRС 48 - 57	ВОК-60, кортинит	ВОК-60, В-3, РК – 30, кортинит	ВОК-60, РК – 30, кортинит
НRС 57 - 64	ВОК-60, В-3, ВОК-71, кортинит	ВОК-60, В-3, ВОК-71, РК – 30, кортинит	ВОК-60, В-3, ВОК-71, РК – 30, кортинит
Цветные металлы на основе меди	НВ 60 - 120	В-3, кортинит	В-3, кортинит	В-3, кортинит
Сплавы на основе никеля	-	Силинит-Р, кортинит	Снлинит-Р, кортинит	Силинит-Р, кортинит

- оксидно-карбидная (смешанная, черная) керамика ВОК-60, ВОК-63, В-3 и оксидно-нитридная (кортинит ОНТ-20) - для чистовой, получистовой и прерывистой обработки ковких, высокопрочных, отбеленных, модифицированных чугунов, сталей, закаленных до НRС 30 - 55 и НRС 56 - 65; кроме того, керамика В-3 и ОНТ-20 рекомендуется для обработки цветных металлов на основе меди;

- нитридная керамика - для обработки чугунов при чистовом, получистовом и черновом точении и получистовом фрезеровании (Силинит-Р), а также для обработки сложнолегированных и термообработанных сталей и сплавов при чистовом точении (РК-30).

Силинит-Р и кортинит ОНТ-20 рекомендуются также для обработки сплавов на основе никеля, относящихся к труднообрабатываемым материалам.

Промышленность выпускает минералокерамику в виде шлифованных сменных многогранных пластин геометрические параметры, форма и размеры которых регламентируются ГОСТ 25003-81 и ТУ 19-4203-125 - 81. Пластины изготавливают с отрицательными фасками по периметру с двух сторон. Размер фаски f = 0,2- 0,8мм, угол ее наклона γ _f отрицательный - от 10 до 30°. Фаска необходима для упрочнения режущей кромки.

Допустимый износ керамических пластин намного меньше износа твердосплавных пластин. Максимальный износ по задней поверхности не должен превышать 0,3-0,5мм, а при чистовых операциях 0,25-0,30мм.

При назначении режимов резания для керамики имеются следующие рекомендации.

1 Предпочтительна квадратная форма пластины с максимально возможным углом заострения b и наибольшим радиусом при вершине пластины r_в.

2 Ширину фаски f выбирают в зависимости от твердости обрабатываемого материала: чем тверже обрабатываемый материал, тем ширина фаски больше.

3 Скорость резания нужно назначать максимально допустимой, исходя из жесткости системы СПИД и характеристик оборудования.

4 Заготовки, обрабатываемые пластинами из режущей керамики, должны иметь на входе и выходе резца фаски, ширина которых превышает припуски на обработку, а также канавки в местах перехода от цилиндрической поверхности к торцевой.

4.4 Основные тенденции совершенствования минералокерамики

За последнее время появился новый класс инструментальных материалов, которые отнесены к группе режущей керамики с повышенными показателями по прочности, вязкости, трещиностойкости, что позволяет уверенно говорить о заметном расширении области применения керамики. По оценке специалистов в области разработки и эксплуатации керамического инструмента, использование новых типов режущей керамики повышенной прочности позволит получить технико-экономический эффект, сопоставимый с эффектом, полученным от применения твердосплавного инструмента.

В настоящее время для производства режущей керамики в основном используют оксиды алюминия и нитрид кремния, которые являются основой одно- или многокомпонентных систем. Представителем однокомпонентного материала является оксидная белая керамика. Белая керамика имеет высокую твердость, теплостойкость и износостойкость, однако ее отличают низкие прочность, теплопроводность, трещиностойкость, сравнительно большое значение коэффициента термического расширения α (табл. 4.4).

Существенным недостатком керамики на основе Al₂O₃ является ее хрупкость - чувствительность к механическим и тепловым ударным нагрузкам. Для устранения этого недостатка разработаны различные составы оксидной и оксидно-карбидной керамик.

Таблица 4.4 - Изменение свойств оксидной керамики при добавлении в ее состав различных соединений

Свойства	Al2O3	Al2O3+ZrO2	Al2O3+TiC	Al2O3, нитевидный SiC
НV30
Е, ГПа
sи, Мпа				от 600 до 800
Klc, МПа∙м^1/2	4,5	5,8	5.4	от 6 до 8
α∙10^−6, 1/К	7,5	7.4	7,0	-
λ, Вт/ (м∙К)

Добавление в оксидную керамику оксидов циркония, карбидов титана и армирование ее «нитевидными» кристаллами SiC существенно улучшает ее свойства (табл. 4.4). В частности, включение в керамику на основе оксида алюминия моноклинной двуокиси циркония ZгО₂ (до 5 - 10 %) вызывает улучшение структуры и тем самым заметно повышает ее прочность. Положительный результат достигается за счет перехода при охлаждении оксида циркония из тетрагональной модификации в моноклинную. Этот процесс сопровождается увеличением объема зерен циркония на 3 – 5% и появлением вокруг них полей сжимающих напряжений. Это приводит к тому, что формируемые в объеме материала микротрещины при попадании в эту зону тормозятся или вообще прекращают свое развитие, т.е. существенно улучшается такой очень важный для керамических материалов показатель, как трещиностойкость (коэффициент K_lc).

Следует отметить, что низкая трещиностойкость керамического сплава является причиной формирования фронта трещин, которые из-за отсутствия пластической связующей не встречают барьеров, способных затормозить или остановить их развитие. Именно это обстоятельство и обуславливает один из недостатков оксидной керамики - ее относительно высокую чувствительность к резким температурным колебаниям (тепловым ударам). Указанное является главной причиной микро- или макровыкрашиваний режущей керамики и контактных площадок инструмента уже на стадиях приработочного или начального этапа установившегося изнашивания, приводящего к отказам из-за хрупкого разрушения инструмента. Отмеченный механизм изнашивания керамического режущего инструмента является превалирующим. Также именно поэтому не рекомендуется, как правило, при резании керамикой применять охлаждение.

Наибольшее распространение в мировой практике получила керамика на основе 70% А1₂О₃ с добавлением до 30% TiС (черная керамика), которая имеет большую прочность при изгибе, достаточно высокую трещиностойкость, меньшее значение коэффициента термического расширения α (см. табл. 4.4). Одним из перспективных направлений совершенствования керамики на основе А1₂О₃ – TiС является введение в ее состав карбидов вольфрама и тантала, которые сдерживают рост зерен карбида титана и повышают прочность материала. Другим дополнительным компонентом, заметно улучшающим свойства черной керамики, является диборид титана TiВ₂.

Наиболее совершенной в настоящее время является оксидная керамика, армированная «нитевидными» кристаллами SiC, которая заметно превосходит по физико-механическим и теплофизическим свойствам белую и черную керамики (см. табл. 4.6). В качестве армирующего элемента для режущей керамики чаще всего используют нитевидные кристаллы карбида кремния SiC, имеющие прочность до 4000 МПа. Например, введение нитевидных кристаллов SiC в оксидную керамику повышает твердость с НV 2000 до НV 2400, прочность при изгибе с 350 до (600-800) МПа, увеличивает коэффициент трещиностойкости с К_lс = 4,5 до К_lс = (6 - 8). Последнее чрезвычайно важно с точки зрения снижения хрупкости керамики и расширения области ее применения. Установлено, что вокруг нитевидных кристаллов SiC формируются обширные сжимающие напряжения, которые являются эффективным барьером развивающихся микротрещин, которые формируются в процессе эксплуатации керамики.

Необходимо заметить, что степень повышения прочности и твердости армированного керамического материала (композиционного типа) определяется большим числом факторов. Наибольшее влияние оказывают объемная доля, размеры (отношение длины к диаметру) и свойства нитевидных кристаллов. Поэтому получение определенных свойств на границе раздела «матрица - волокно» в условиях недостаточно высокой стабильности свойств нитевидных кристаллов при температурах спекания и их химического взаимодействия с матрицей определяют сложность используемых технологий. Режущий инструмент из армированной керамики является дорогостоящим, и его применение экономически эффективно только в определенных областях, в частности, при обработке заготовок из жаропрочных никелевых сплавов. Например, скорости резания для керамического инструмента при обработке таких сплавов в 4 – 5 раза превышают скорости резания (при той же стойкости), обычно используемые для твердосплавного инструмента (150 – 200 м/мин вместо 40 – 50 м/мин).

Необходимо отметить, что в настоящее время уже имеются промышленные марки режущей керамики, например, выпускаемые фирмой «Krupp Widia» (табл. 4.5), прочность которых достигает уровня s_и= 1000 МПа (табл. 4.6), что примерно соответствует аналогичным показателям твердых сплавов Т30К4 и ТН20.

При этом твердость такой керамики составляет НRА 92-94, что превосходит соответствующие показатели указанных марок твердых сплавов. Анализ состава (табл. 4.5) и свойств (табл. 4.6)

Таблица 4.5 - Гамма марок режущей керамики, выпускаемых фирмой «Krupp Widia» (Германия)

Тип керамики	Состав	Обозначение марки
Оксидная (белая)	96,5% А12О3 +3.5%ZrO	Widalox-G
86% А12О3+ 14% ZrO	Widalox-U
Оксидно-карбидная (черная)	85% А12О3+5%ТiС+10% ZrO2	Widalox-R
70% А12О3+30% Тi(С,N)	Widalox-H
Нитридная	96% Si3N4+4% активаторы	Widiant N1000
91% Si3N4+9% активаторы	Widiant N2000
Армированная керамика	75% А12О3+8% ZrO2+17% SiC	Whiskerit

Таблица 4.6 - Основные свойства режущей керамики, выпускаемой фирмой «Krupp Widia» (Германия)

Свойства	Widalox	Widiant	Whiskerit
G	U	R	H	N1000	N2000
ρ, г/см3	4,02	4,16	4,12	4,25	3.16	3,26	5,91
НVзо
σи, МПа
σ−b, МПа
Е, ГПа	38,0	41,0	39,0	40,0	30,0	28,0	40,0
Кlс, МПа/м	4,5	5.1	4,2	4,5	7,5	7,0	7,0
λ, Вт/(м∙К)
α∙10^−6, 1/К	8,0	8,0	8,0	8,0	3,0	3,5	8,0

режущей керамики, выпускаемой фирмой «Krupp Widia», свидетельствует о достаточно широких возможностях варьирования свойств и областей применения керамики в зависимости от условий обработки.

Свойства керамики достаточно сильно зависят также от технологии изготовления. В частности, наиболее удовлетворительные свойства по прочности имеют керамические пластины, полученные методом предварительного холодного прессования и последующего горячего изостатического прессования (ГИП), обеспечивающего равномерное приложение давления и температуры по всему объему прессуемой пластины, причем равномерное давление передается через среду инертного газа.

Применение технологии ГИП позволяет обеспечить высокую плотность изделия (до уровня теоретической) и исключает анизотропию свойств во всем объеме режущей пластины.

Результаты обобщенного анализа основных свойств «прочность-твердость» различных марок инструментальной керамики, уже нашедших промышленное применение, представлены на рис. 4.2.

Анализ представленных результатов позволяет отметить следующее. Область, в которой укладываются свойства различных марок оксидной керамики, приближенно описывается окружностью с центром в точке, левее и выше, чем для безвольфрамовых и вольфрамокобальтовых твердых сплавов. При этом отмечается тенденция к превалированию марок с повышенной твердостью (НRА 95 и выше) над марками с высокой прочностью (s_и = 700 МПа). Совершенствование оксидной керамики происходит одновременно в направлении повышения твердости и прочности.

Рисунок 4.2 - Классификация различных марок режущей керамики по их основным свойствам (НRА, s_и) в сравнении с марками твердых сплавов ВК, ТК, ТТК

Анализ тенденций развития керамического режущего инструмента свидетельствует о больших перспективах инструментов из режущей керамики в ближайшем будущем. Увеличение общего объема выпуска керамического инструмента взаимосвязано с совершенствованием технологии производства, оптимизацией состава традиционных марок керамики и расширением областей применения инструмента, особенно при обработке труднообрабатываемых материалов (жаропрочных, коррозионностойких, высокопрочных и т.п.) как на основе нитрида кремния, так и на основе оксида алюминия (армированная керамика). Особенно эффективно применение минералокерамики при замене твердых сплавов (табл. 4.7), что позволяет не только повысить скорость резания в 6-8 раз и производительность в 1,5 – 2,5 раза, но и значительно улучшить качество обработанной поверхности.

Таблица 4.7 - Сравнительные результаты применения резцов с пластинами из керамики и твердых сплавов

Обрабатываемый материал	v, м/мин	t, мм	S, мм/об	Материал режущей части	Т, мин
Чугун отбеленный, HRC 62	5,0	0,2 1,6	6,2 0,32	ВК6 0М ВОК - 60
Чугун высоколегированный, HRC 40 - 62	5,0 6,3	2,0 3,0 5,0 2,0	3,0 0,3 2,0 0,60	ВК6 М ВОК – 60 ВК3 ВОК – 60	61,5
Чугун высокопрочный		5,0 5,0	1,5 0,5	ВК8 ВОК – 60
Сталь 18ХГТ, HRC 55 – 60 (цементированная)		0,2 0,2	0,05 0,05	Т15К4 ВОК – 60	12,5
Сталь 34ХНМА, HRC 40 – 45		0,5 0,5	0,26 0,20	Т30К6 ВОК – 60
Сталь 12Х2Н4А, HRC 40 – 45		0,8 0,8	0,2 0,2	Т15К6 ВОК – 60
Примечание. Т – стойкость инструмента

4.5 Вопросы для самопроверки

1. Охарактеризуйте особенности строения и назовите преимущества и недостатки режущей керамики.

2. Приведите состав, свойства и область применения оксидной режущей керамики.

3. Приведите состав, свойства и область применения оксидно-карбидной режущей керамики (керметов).

4. Приведите состав, свойства и область применения оксидно-нитридной режущей керамики (кортинит).

5. Приведите состав, свойства и область применения нитридной режущей керамики Силинит-Р.

6. Охарактеризуйте области рационального применения режущей керамики.

7. Охарактеризуйте основные тенденции совершенствования режущей керамики.

8. Приведите классификацию основных отечественных и зарубежных марок режущей керамики по их основным свойствам. Дайте графическую иллюстрацию этой классификации.

Дата добавления: 2015-11-30