Минералокерамика (режущая керамика)

Промышленность страны выпускает несколько групп минералокерамики: оксидную (белая керамика) на основе Al₂O₃ (Евростандарт – А1 – pure ceramic), оксиднокарбидную (черная керамика) на основе композиции Al₂O₃-TiC (Евростандарт – А₂ – mixed ceramic), оксидонитридную (кортинит) на основе Al₂O₃-TiN и нитридокремниевую керамику на основе Si₃N₄ (Евростандарт – В – 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 некоторых физико-механические свойства представлены в табл. 16.

Таблица 16. Состав, свойства и области применения минералокерамики

Марки керамики	Состав	, ГПа	, г/см3	HRA, не менее	Область применения
ЦМ332     ВО-13     ВШ-75   В-3     ВОК-63     ВОК-71     ОНТ-20 (кортинит)   РК-30	Al2O3-99%, MgO-1%   Al2O3-99%     Al2O3   Al2O3-60%, TiC-40%   Al2O3-60%, TiC-40%   Al2O3-60%, TiC-40%   Al2O3>70% TiN-30%   Si3N4, Y2O3, TiC	0,3-0,35     0,45-0,5     0,25-0,3   0,6     0,65-0,7     0,7-0,75     0,64     0,7-0,8	3,85-3,90     3,92-3,95     3,98   4,2     4,2-4,6     4,5-4,6     4,3     3,2-3,4	91-92               90-92	К01-К05     Р01-Р10, К01-К05   К01-К05   Р01-Р10     Р01-Р05, К01-К05   Р01-Р05, К01-К05   К01-К05     К10-К20

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 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. 16). В настоящее время керамический инструмент рекомендуют для чистовой обработки серых, ковких, высокопрочных и отбеленных чугунов, низко- и высоколегированных сталей, в том числе улучшенных, термообработанных (HRC_э 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.

Применения 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.

В частности, тот факт, что за последнее время появился новый класс инструментальных материалов, которые отнесены к группе режущей керамики, с повышенными показателями по прочности, вязкости, трещиностойкости (нидридокремниевая, армированная керамики), позволяют уверенно говорить о заметном расширении области применения керамики. Анализ перспектив использования керамического инструмента позволяет отметить, что использование новых типов режущей керамики повышенной прочности обеспечит получение технико-экономического эффекта, сопоставимого с эффектом от применения твердосплавного инструмента.

Основные тенденции совершенствования режущей керамики. 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. Добавление в оксидную керамику оксидов циркония, карбидов титана и армирование ее «нитевидными» кристаллами SiC существенно улучшает ее свойства (табл. 17).

Таблица 17. Изменение свойств оксидной керамики при добавлении в ее

состав различных соединений

Свойства	Al2O3	Al2O3-ZrO2	Al2O3-TiC	Al2O3, нитевидный SiC
HV30
E, ГПа
, МПа				от 600 до 800
К1С, МПа/м-1/2	4,5	5,8	5,4	от 6 до 8
, 1/К	7,5	7,4	7,0	-
, Вт/( )

Данные табл.17 свидетельствуют о достаточно благоприятном изменении основных свойств при разработке многокомпонентной керамики. Наибольшее распространение в мировой практике получила керамика на основе 70% Al₂O₃-30% TiC (черная керамика), которая имеет большую прочность при изгибе, трещиностойкость (коэффициент К_1С), меньшее значение коэффициента термического расширения (см. табл. 17). 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 Al₂O₃-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 диборит 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 из тетрагональной модификации в моноклинную. Этот процесс сопровождает 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 до (6-8) и, таким образом, снижает хрупкость керамики и расширяет области ее эффективного 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. 17), что выгодно отличает его от ранее рассмотренных керамическим материалов. Это позволяет с успехом использовать нитридокремниевый инструмент при черновом точении, получистовом фрезеровании чугуна, а также чистовом точении сложнолегированных и термообработанных (до HRC_э 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 (MgO), иттрия (Y₂O₃), алюминия (Al₂O₃) и т.п., которые сильно влияют на свойства нитридокремниевой керамики. Например, рост содержания оксида магния увеличивает теплопроводность керамики, а при высоких температурах (свыше 1000^оС) активаторы начинают взаимодействовать с нитридом кремния с образованием игольчатых кристаллов, простых и смешанных силикатов, происходит также перераспределение примесей.

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.

Необходимо отметить, что уже в настоящее время имеются промышленные марки режущей керамики, прочность которых превышает уровень =1000 МПа, что примерно соответствует аналогичным показателям твердых сплавов Т30К4 и ТН20. При этом твердость такой керамики составляет HRA 92-94, что заметно превосходит соответствующие показатели указанных марок твердых сплавов.

Рассмотренные тенденции совершенствования режущей керамики продемонстрируем на примере гаммы марок керамики, разработанной фирмой «Krupp Widia» (ФРГ) (табл. 18, 19).

Таблица 18. Гамма марок режущей керамики, выпускаемых фирмой

«Krupp Widia» (ФРГ)

*Активаторы Y₂O₃, Me₂O₃ и др.

**Марки с покрытием соответственно обозначаются NC1000, CN2000

Таблица 19. Основные свойства режущей керамики, выпускаемой фирмой «Krupp Widia» (ФРГ)

Свойства	Widalox G	Widalox U	Widalox R	Widalox H	Widianit N1000	Widianit N2000	Whiskerit
, г/см3	4,02	4,16	4,12	4,25	3,16	3,26	5,91
HV30
, МПа
, МПа
Е, ГПа	38,0	41,0	39,0	40,0	30,0	28,0	40,0
К1С, МПа/м	4,5	5,1	4,2	4,5	7,5
,ВТ/( )
ак ,1/К						3,5

Анализ состава (табл. 18) и свойств (табл. 19) режущей керамики «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 в объеме пластины.

В частности, анализ образцов нитридной керамики, полученной с применением технологии ГИП, позволяет отметить практически полное отсутствие пор и наличие протяженных областей монокристаллической структуры, в которых встречаются единичные, хорошо сформированные кристаллы Si₃N₄. Пластины, имеющие такую структуру, должны разрушаться хрупким сколом с межкристаллитным характером распространения трещины. Последнее достаточно убедительно объясняет лучшую сопротивляемость разрушению и более высокие значения прочности и трещиностойкости подобной керамики.

Высокоэффективная эксплуатация инструмента, оснащенного режущей керамикой, возможна только при тщательно обработанной технологии его заточки и доводки, так как внесение опасных поверхностных дефектов в процессе заточки может служить причиной резкого снижения прочности пластин из керамики. Вместе с тем следует отметить, что даже использование самых совершенных методов заточки и доводки керамического инструмента не исключает возможность появления на обработанной поверхности опасных дефектов (термических трещин, протяженных полей со сформированными полями растягивающих напряжений, микроскол и т.д.). В этом случае следует использовать методы дополнительной обработки керамического инструмента с целью ликвидации или «залечивания» поверхностных дефектов.

Одним из таких методов является нанесение на рабочие поверхности керамического инструмента износостойких покрытий. Для повышения надежности инструмента из режущей керамики используют также следующие методы: увеличение толщины пластин, формирование упрочняющей фаски на режущей кромке и изготовление слоистых режущих пластин (керамика – твердый сплав, керамика – твердый сплав – керамика и т.д.).

Анализ тенденций развития керамического режущего инструмента свидетельствует о больших перспективах этого инструмента в ближайшем будущем, причем увеличение общего объема выпуска керамического инструмента взаимосвязано с совершенствованием технологии производства, оптимизацией состава традиционных марок керамики, широким применением армированной керамики и расширением области применения инструмента на основе нитрида кремния.