Режущая керамика

Промышленность страны выпускает несколько групп режущей керамики; оксидную (белая керамика) на основе А₂О₃ (Евростандарт - A1-pure ceramic), оксиднокарбидную (черная керамика) на основе композиции А₂О₃-ТiC(Евростандарт - A2-mixed ceramic), оксиднонитридную (кортинит) на основе А₂О₃ -TiN и нитридную керамику на основе Si₃N₄ (Евростандарт - B-reinforced ceramic).

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 с тонкими срезами и малыми критериями затупления составляет 500-600 м/мин, то для инструмента, оснащенного режущей керамикой, этот уровень увеличивается до 900-1000 м/мин.

Составы основных типов режущей керамики и некоторые физико-механические свойства представлены в табл. 1.

Отсутствие связующей фазы оказывает и отрицательное влияние на эксплуатационные свойства керамического инструмента. В частности, снижаются хрупкая прочность, ударная вязкость, трещиностойкость. Это оказывает сильное влияние на характер изнашивания керамического инструмента.

Например, низкая трещиностойкость сплава является причиной формирования фронта трещин, которые из-за отсутствия пластической связующей фазы не встречают барьеров, способных затормозить или остановить их развитие.

Таблица 1

Состав, свойства и области применения керамики

Указанное является главной причиной микро- или макровыкрашиваний 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, причем фактически не зависит от скорости резания, так как температурный фактор не оказывает заметного влияния на трансформацию механизма изнашивания, и в значительной степени определяет область применения керамического инструмента (см. табл. 1).

В настоящее время керамический инструмент рекомендуют для чистовой обработки серых, ковких, высокопрочных и отбеленных чугунов, низко- и высоколегированных сталей, в том числе улучшенных, термообработанных (НRСэ до 55-60), цветных сплавов, конструкционных полимерных материалов (К01-К05, 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 (t´S), при прерывистом резании резко снижает его эффективность вследствие высокой вероятности внезапного отказа из-за хрупкого разрушения режущей части инструмента. Во многом это объясняет сравнительно низкий объем используемого в промышленности страны керамического инструмента (до 0,5% от общего объема режущего инструмента), для развитых стран Запада этот объем составляет от 2 до 5 %.

В этой связи в РФ и ряде зарубежных стран уделяется большое внимание повышению прочностных показателей керамического инструмента.

C 1960 г. по 2000 г. коэффициент К_1с (характеризующий вязкость разрушения) возрос ~ 2 раза с 400 до 800 МПа×м^1/2, s_и с 350 до 1200 Мпа, допустимая скорость резания при точении чугуна со 150 до 1200 м/мин.

За последнее время появился новый класс инструментальных материалов, которые отнесены к группе режущей керамики, с повышенными показателями по прочности, вязкости, трещиностойкости (нитридокремниевая, армированная керамики), позволяют 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.

Проанализируем основные тенденции совершенствования керамических инструментальных материалов. 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, трещиностой кость, сравнительно большое значение коэффициента термического расширения. Добавление в оксидную керамику оксидов циркония, карбидов титана и армирование ее «нитевидными» кристаллами SiC существенно улучшает ее свойства (табл. 2).

Таблица 2

Изменение свойств оксидной керамики при добавлении в ее состав различных соединений

Данные табл. 2 свидетельствуют о достаточно благоприятном изменении основных свойств при разработке многокомпонентной керамики. Наибольшее распространение в мировой практике получила керамика на основе 70% А1з0з - 30% TiC (черная керамика), которая имеет большую прочность при изгибе, трещиностой кость (коэффициент К_1с), меньшее значение коэффициента термического расширения (см. табл. 2). Наиболее совершенной является оксидная керамика, армированная «нитевидными» кристаллами SiC, которая заметно превосходит по физико-механическим и теплофизическим свойствам белую и черную керамики. Еще одним направлением совершенствования керамики на основе многокомпонентной системы А₂Оз - TiC 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 TiB₂.

Для повышения прочностных свойств однокомпонентных и многокомпонентных керамик на основе оксида алюминия в их состав добавляют 5-10% оксида циркония. Положительный результат достигается за счет перехода при охлаждении оксида циркония и 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. Для полного использования потенциальных возможностей описанного механизма повышения прочности керамики на основе алюминия в ее состав обычно добавляют окислы циркония в количестве 5% по массе.

Наиболее высокие показатели в повышении сопротивляемости керамической матрицы разрушению такого композиционного керамического материала может в 4 раза превышать аналогичный показатель базового оксидного состава.

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 HV 2000 до HV 2400, прочность при изгибе с 350 до (600-800) МПа, увеличивает коэффициент трещиностойкости с 4,5 МПа×м^-1/2 до (6-8) МПа×м^-1/2. 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, формирующихся в процессе эксплуатации керамики.

Необходимо заметить, что степень повышения прочности и твердости 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, например при обработке заготовок из жаропрочных никелевых сплавов.

Параллельно с совершенствованием керамических материалов на основе оксида алюминия созданы новые марки режущей керамики на основе нитрида кремния. Такой керамический материал имеет высокую прочность на изгиб и низкий коэффициент термического расширения (см. табл. 2), что выгодно отличает его от ранее рассмотренных керамических материалов. Это позволяет с успехом использовать нитридокремниевый инструмент при черновом точении, получистовом фрезеровании чугуна, а также чистовом точении сложнолегированных и термообработанных (до НRСэ 60) сталей и сплавов.

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.

Нитридокремниевая керамика, применяемая для изготовления режущих инструментов, во всех случаях является многокомпонентным материалом. По химическому составу такую керамику можно разделить на две группы.

Материалы первой группы основаны на применении нитрида кремния, содержание которого составляет до 90-95%. Для обеспечения теоретической плотности такой керамики на окончательном этапе ее изготовления применяют специальные добавки - активаторы в количестве до 5-10%. В качестве активаторов используют окислы магния (МgО), иттрия (Y₂O₃), алюминия (Аl₂Оз) и т.п., которые значительно влияют на свойства нитридокремниевой керамики. Например, рост содержания оксида магния увеличивает теплопроводность керамики, а при высоких температурах (свыше 1000 °С) активаторы начинают взаимодействовать с нитридом кремния с образованием игольчатых кристаллов, простых и смешанных силикатов, происходит также перераспределение примесей.

Ещё посмотрите лекцию "1.3 Методология науки" по этой теме.

Вторая группа нитридокремниевой керамики, помимо указанных выше компонентов, дополнительно содержит карбид титана в количестве до 30%. Существенные отличия в химическом составе различных марок режущей керамики на основе нитрида кремния необходимо учитывать при использовании такого инструмента. Например, инструмент из керамики первой группы предпочтителен при обработке чугунов, а второй - при чистовом точении сложнолегированных термообработанных сталей.

Результаты обобщенного анализа основных свойств «прочность-твердость» различных марок инструментальной керамики, нашедших промышленное применение, представлены на рис. 1

Рис.1. Сравнительные свойства минералокерамики и твердых сплавов

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 (HRA 95) над марками с высокой прочностью (s_и = 700 МПа).

Совершенствование оксидной керамики происходит одновременно в направлении повышения твердости и прочности.