Режущая керамика

Среди исследовавшихся материалов, которые были бы пригодны для изготовления режущих инструментов, была окись алюминия Al₂О₃ – корунд. Корунд по своей природе – неметаллический материал, скорее с ионной, чем с металлической связью. Фактически – это керамика с низкой теплопроводностью и электропроводностью. Чистый корунд является белым полупрозрачным материалом, напоминающим фарфор. Он имеет низкую ударную вязкость и предел прочности на изгиб (s_И » 0,39 ГПа), что втрое меньше, чем у твердого сплава.

На основе мелкозернистого корунда (менее 5 мкм) путем прессования и спекания за счет процесса, аналогичного изготовлению пластинок из твердого сплава, была получена белая режущая керамика (ЦМ332). Для увеличения плотности и предотвращения роста кристаллов корунда применяются присадки (1 % MgO).

Корунд, как исходное сырье, является дешевым и имеющимся в изобилии материалом, однако технологический процесс изготовления пластинок режущей керамики оказался дорогостоящим и поэтому такие пластинки не дешевле твердосплавных. Область применения – чистовая обработка твердого серого чугуна, закаленных сталей, высокохромистых алюминиевых сплавов, керамики. Однако из-за низкой прочности оксидная (белая) керамика практически в настоящее время не применяется в связи с появлением более совершенных разновидностей режущей керамики, в частности – оксидно-нитридной керамики (кортинита), имеющей более высокий предел прочности на изгиб.

Промышленность страны выпускает несколько групп режущей керамики: оксидную (белая керамика) на основе Al₂О₃, оксидно-карбидную (черная керамика) на основе композиции Al₂О₃–TiC , оксидно-нитридную (кортинит) на основе Al₂О₃ – TiN и 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 и предопределяет возможность применения высоких скоростей резания, намного превосходящих скорости резания инструментом из твердого сплава.

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.

Указанное является главной причиной микро- или макровыкрашиваний контактных площадок инструмента уже на стадиях приработки или начального этапа установившегося изнашивания, приводящего к отказам из-за хрупкого разрушения инструмента. Этим объясняется сравнительно низкий объем используемого в промышленности страны керамического инструмента – до 0,5 % от общего объема режущего инструмента.

Керамические инструменты рекомендуют для чистовой обработки серых, ковких, высокопрочных и отбеленных чугунов, низко- и высоколегированных сталей, в том числе улучшенных, термообработанных
(55–60 HRC или HV = 5,8–6,5 ГПа), цветных сплавов, конструкционных полимерных материалов. В указанных условиях инструмент, оснащенный пластинами из режущей керамики, заметно превосходит по работоспособности твердосплавный инструмент.

Оксидно-карбидная (черная) керамика В3, ВОК60, ВОК71 содержит 60 % корунда Al₂О₃ и 40 % карбидов TiC. Предел прочности на изгиб оксидно-карбидной керамики находится в пределах 0,65–0,75 ГПа, а твердость не менее 94 HRА.

Введение нитевидных кристаллов SiC в оксидную керамику повышает ее твердость с HV 20 до HV 24 ГПа, прочность при изгибе с 0,35 до
0,8 ГПа, увеличивает коэффициент трещиностойкости с 4,5 до 8 МПа×м^1/2 и, таким образом, снижает хрупкость керамики и расширяет области ее эффективного применения. Установлено, что вокруг нитевидных кристаллов SiС формируются обширные сжимающие напряжения, которые являются эффективным барьером развивающихся микротрещин, формирующихся в процессе эксплуатации керамики.

Еще одним направлением совершенствования керамики на основе Al₂О₃ – 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 керамик на основе оксида алюминия в их состав добавляют 5–10 % оксида циркония. Охлаждение оксида циркония сопровождается увеличением объема зерен Zr 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.

Оксидно-карбидная керамика оказалась весьма эффективной при чистовой обработке чугунов, сталей повышенной твердости и, в частности, закаленных сталей.

Оксидно-нитридная режущая керамика (кортинит) содержит около
70 % корунда Al₂О₃ и около 30 % нитрида титана TiN (ОНТ20).

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 изгиби низкий коэффициент термического расширения, 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 60 HRC) сталей
и сплавов.

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 (Y₂О₃), алюминия (Al₂О₃) и т. п., которые сильно влияют на свойства нитридокремниевой керамики. Например, рост содержа­ния оксида магния увеличивает теплопроводность керамики.

Вторая группа нитридокремниевой керамики, помимо указанных выше компонентов, дополнительно содержит карбид титана в количестве
до 30 % (например, РК30). 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.

Одним из методов улучшения свойств режущей керамики является нанесение на рабочие поверхности керамического инструмента износостойких покрытий.

Анализ тенденций развития режущей керамики свидетельствует о хороших перспективах этого материала в ближайшем будущем.