1.4. Режущая керамика

Промышленность страны выпускает несколько групп режущей керамики: оксидную (белая керамика) на основе А!₂О₃ (Евростандарт - A1-pure ceramic), оксиднокарбидную (черная керамика) на основе композиции AI₂O₃-TiC (Ев­ростандарт - A₂-mixed ceramic), оксиднонитридную (кортинит) на основе А!₂О₃ -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. 1.15.

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 1.15 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. 1.15.).

В настоящее время керамический инструмент рекомендуют для чистовой обработки серых, ковких, высокопрочных и отбеленных чугунов, низко- и вы­соколегированных сталей, в том числе улучшенных, термообработанных (HRC₃ 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 x 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.

Данные, приведенные на рис. 1.6, свидетельствуют об убедительном прог­рессе в решении проблемы совершенствования свойств режущей керамики.

Рис. 1.6. Связь основных физико-механических и эксплуатационных свойств режущей керамики в зависимости от года выпуска: 1 - коэффициент К_1c, характеризующий вязкость разрушения керамики; 2 -предел прочности при изгибе; 3 - допустимая (предельно) скорость резания при точении чугуна НВ (1500-2000 МПа)

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 (нит-ридокремниевая, 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. В связи с этим далее проанализированы 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, трещиностойкость, сравнительно большое значение коэффициента термического расширения (см. табл. 1.15). Добавле­ние в оксидную керамику оксидов циркония, карбидов титана и армирование ее «нитевидными» кристаллами SiC существенно улучшает ее свойства (табл. 1.16).

Таблица 1.16

Изменение свойств оксидной керамики при добавлении в ее состав различных соединений

Данные табл. 1.16 свидетельствуют о достаточно благоприятном измене­нии основных свойств при разработке многокомпонентной керамики. Наи­большее распространение в мировой практике получила керамика на основе 70% А!₂О₃ - 30% "ПС (черная керамика), которая имеет большую прочность при изгибе, трещиностойкость (коэффициент К_1с), меньшее значение коэф­фициента термического расширения (см. табл. 1.16). 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 Аl₂О₃ - "ПС является введение в ее состав карбидов вольфрама *л 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 • м¹/² до (6…8) МПа • м¹/². 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.

На рис. 1.7 представлены результаты испытаний керамических пластин Si₃N₄, армированных нитевидными кристаллами SiC, формы SNGN 120412 (кривая 2) и твердосплавных пластин CNMX формы 120408 (кривая 1), полу­ченные при точении никелевого сплава «Inconel 718». Как видно из представ­ленных данных, скорости резания для керамического инструмента в несколько раз превышают скорости резания при одной и той же стойкости, обычно используемые для твердосплавного инструмента. Таким образом, применение керамического инструмента повышенной прочности при резании труднооб­рабатываемых материалов позволяет заметно повысить производительность обработки.

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. 1.16), 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 HRC₃ 60) сталей и сплавов.

Рис. 1.7. Зависимость стойкости при ширине фаски износа /7_Э=0,3 мм от скорости резания при точении заготовок из никеле­вого сплава с S =0,25 мм/об; t - 3 мм. Резание с использовани­ем жидкой СОТС:1 - точение твердосплавными пластинами М20; 2 - точение керамиче­скими пластинами

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 (МдО), иттрия (Y₂O₃), алюминия (Аl₂О₃) 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.

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. 1.8.

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 (о_и = 700 МПа).

Рис. 1.8. Классификация основных отечественных и зарубежных марок режущей керамики по их основным свойствам (HRA, <Т_и) в сравнении с марками твердых сплавов групп ВК и ТК, ТТК

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

Необходимо отметить, что уже в настоящее время имеются промышленные марки режущей керамики, прочность которых превышает уровень _ти = 1000 МПа, что примерно соответствует аналогичным показателям твердых сплавов ТЗОК4 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. 1.17, 1.18).

Таблица 1.17

Гамма марок режущей керамики, выпускаемых фирмой «Krupp Widia» (ФРГ)

Таблица 1.18

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

Анализ состава (табл. 1.17) и свойств (табл. 1.18) 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 отработанной 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.