Из SiC, оксикарбида алюминия А12ОС и A1N, имеющих гек­ сагональную вюрцитную структуру, получен твердый раствор, названный SiCALON по аналогии с сиалоном. В этой системе получена двухфазная керамика SiCALON-SiC с плотностью око­ ло 3 г/см3 и относительной плотностью > 97 %. Керамика, полу­ ченная в среде азота без применения горячего прессования при температурах, не превышающих 2100 °С, обладает прочностью при изгибе 300 МПа. При горячем прессовании (1800...2000 °С, 35 МПа) прочность при изгибе составила 600 МПа, твердость 25 ГПа, Kic 4 МПа-м1/2 Керамика с небольшими добавками алю­ миния, бора и углерода сохраняет высокие прочностные свойства до 1600 °С. Керамика на основе SiCALON перспективна для ис­ пользования в машиностроении.

4.5. Другие виды керамик конструкционного назначения

4.5.1. Керамика на основе нитрида алюминия

Плотная керамика из A1N имеет твердость по Кнупу (500 г) 12

ГПа, модуль упругости 300...310 ГПа, прочность при изгибе

300.. .450 МПа; в интервале 25...1000 °С ТКЛР (4,8...5,6) • КГ6К"1; удельное электросопротивление 1012...1013 Ом-см. Выше 1900.. .2000 °С A1N разлагается. Он имеет высокую химическую стойкость к расплавам многих цветных металлов и их сплавов. На воздухе плотную керамику на основе A1N можно применять до 1450 °С.

Керамика на основе A1N имеет высокую теплопроводность - до 250 Вт/(м*К). Это позволяет использовать A1N вместо высоко­ токсичного ВеО в электронных устройствах, где требуется сочета­ ние диэлектрических свойств с высокой теплопроводностью (под­ ложки интегральных схем, теплоотводящие электроизолирующие прокладки и т.д.).

Керамику изготавливают методами реакционного спекания, горячего прессования, их комбинацией. Применение добавок оксидов, фторидов или боратов щелочно-земельных или редко­ земельных металлов позволяет получать высокоплотную кера­

мику и без использования горячего прессования. Особенно час­ то применяют оксиды и фториды иттрия и кальция и бораты кальция. Оксидная добавка способствует уплотнению в основ­ ном за счет механизма растворения - кристаллизации. На за­ ключительной стадии спекания добавка концентрируется в мес­ тах контакта нескольких граней кристаллов, в то время как ос­ тальные области граней практически не содержат добавки и имеют достаточно совершенное строение. Это обеспечивает высокую теплопроводность керамике из A1N, несмотря на при­ сутствие оксидных добавок, имеющих значительно меньшую теплопроводность.

Высокая теплопроводность снижает термомеханические на­ пряжения, возникающие при эксплуатации изделий из A1N, что в сочетании с достаточной химической стойкостью позволяет использовать керамику в качестве конструкционной. Высокие твердость и теплопроводность позволяют применять A1N в ка­ честве добавки в режущих инструментах.

4.5.2. Керамика па основе нитрида бора

Аналогичная графиту низкая микротвердость и низкий коэф­ фициент трения позволяют использовать a-BN в качестве высоко­ температурной смазки, например, в керамических подшипниках. При этом слой a-BN можно создавать в процессе изготовления керамических деталей, имеющих трущиеся поверхности.

Плотная керамика из a-BN имеет модуль упругости 30 ГПа; твердость по Кнупу (500 г) 0,07 ГПа; прочность при изгибе 50 МПа; высокую термостойкость. Керамика из a-BN - хороший диэлектрик: удельное электросопротивление 10п...1012 Ом-см, имеет высокую теплопроводность, 15...50 Вт/(мК). Сочетание высоких диэлектрических свойств с высокой теплопроводностью позволяет использовать керамику в электронных устройствах, работающих в космосе.

Керамика из a-BN химически устойчива в восстановитель­ ных средах, Вакууме. Как и графит, a-BN не смачивается мно­ гими расплавами металлов, стекол и солей. Керамика неустой­

чива в окислительных средах, в воде и водных растворах кислот и оснований. На воздухе ее можно использовать до 1000 °С.

Для спекания керамики из a-BN используют горячее прес­ сование и реакционное спекание. Применение добавок MgO, СаО, Ьа20з позволяет спекать керамику и без горячего прессо­

вания. С помощью горячего изостатического прессования

(30...50 МПа, 1800 °С, 1 ч) получают керамику с прочностью при изгибе 200 МПа. При спекании положительную роль играет В20 3, образующийся при окислении BN. Последующее нагрева­ ние керамики под вакуумом или в среде NH3 уменьшает содер­ жание В20 3.

Модификации высокого давления y-BN и P-BN обычно по­

лучают из a-BN. При давлении 5... 10 ГПа и температуре 1600...2000 °С образуется кубический P-BN со структурой цин­ ковой обманки (ZnS), аналогичной структуре алмаза. Для облег­ чения синтеза и спекания P-BN используют добавки металлов:

Li, Mg, Са, А1 и др., их боридов, нитридов и борнитридов.

проводности 80...88 Вт/(м-К). Уже при 500 °С P-BN начинает окисляться, однако образующийся В20з замедляет скорость процесса. Скорость окисления сохраняется низкой вплоть до 1300 °С, когда она резко возрастает из-за испарения В2Оэ. В не­ окислительной атмосфере при нормальных условиях кубическая форма p-BN сохраняется до 1600 °С.

Материал обладает высокой теплопроводностью, прибли­ жающейся к алмазу, и является хорошим диэлектриком. Кера­ мику на основе p-BN используют для изготовления резцов, фильер, теплоотводящих электроизолирующих элементов и т.д., применяют в качестве абразива под названием эльбор и боразон.

Из гексагонального a-BN взрывным Прессованием получа­ ют y-BN. Его используют для изготовления абразивного инст­ румента и резцов.

4.5.3. Керамика на основе карбида бора

Керамику на основе карбида бора с относительной плотно­ стью 93...98 % получают при 1700...2200 °С без приложения давления и методом горячего прессования при использовании в качестве добавок соединений алюминия и кремния. Керамика имеет прочность при изгибе 330...680 МПа, твердость по Вик­ керсу 22 ГПа. Благодаря высокой твердости, прочности и легко­ сти В4С используют для изготовления легкой керамической брони, компонентов композиционных инструментов и других керамических композиционных материалов.

4.6. Перспективы и области применения конструкционной керамики

Доминирующим признаком конструкционной керамики, оп­ ределяющим области ее применения, является высокий уровень механических свойств. К группе конструкционной керамики от­ носят не только материалы, предназначенные для использования

вконструкциях, несущих статические и динамические нагрузки

втечение длительных периодов времени, но также и инструмен­ тальные материалы, носители катализаторов, ударопрочные (бро­ незащитные) материалы, износо- и эрозионностойкие материалы (для подшипников качения и скольжения, торцевых уплотнений и других изделий триботехнического назначения, нитеводигелей, сопел распылительных форсунок и т.д.).

Производство конструкционной керамики не достигло, одна­ ко, того масштаба, как производство функциональной керамики для электроники (подложки микросхем, керамические конденсато­ ры, сегнегоэлектрики и т.д.). Тем не менее с учетом уникальности свойств и широкой распространенности исходных элементов в природе конструкционная керамика является материалом будуще­ го и относится к числу материалов, имеющих наибольшие темпы роста капиталовложений. Так, если по металлам и сплавам средние ежегодные темпы роста мировых объемов вложений составляют 2... 4 %, то по конструкционной керамике они достигают ~ 14 %.

Новый класс материалов, сочетающих лучшие черты метал­ лов и керамики, создают в настоящее время на основе карбосилицидов, карбонитросилицидов и аналогичных соединений спо­ собных образовывать нитриды или карбиды металлов, главной особенностью которых является чередование на наноуровне ке­ рамических и металлических слоев с периодом примерно в 1нм.

Композиционные материалы со слоистой структурой являются наиболее реальной альтернативой высокотемпературным метал­ лическим сплавам.

Прогресс в повышении параметров и эффективности газо­ турбинных и поршневых двигателей, силовых турбин связан с разработкой и применением жаропрочных керамических мате­ риалов. Это обусловлено тем, что только керамика позволит по­ высить рабочие температуры двигателей и турбин в 1,5-2 раза и, соответственно, увеличить их КПД, экономичность, снизить загрязнение окружающей среды.

Расширяется область применения керамических материалов из Si3N4, SiC, А120 з, Zr02 в химическом производстве, что под­ тверждается достаточно большим количеством работ по иссле­ дованию устойчивости керамики в контакте с кислотами, щело­ чами и расплавами солей.

Для ряда керамических материалов конструкционного назна­ чения из спеченного и горячепрессованного нитрида кремния достигнута прочность 1000 МПа, К1С = 8... 10 МПа-мш и модуль Вейбулла ~ 10. По прогнозам зарубежных специалистов основ­ ные направления в разработке материалов и технологии керамики сохранятся и будет достигнут уровень свойств материалов: оизг= 1800...2000 МПа, К,с = 15...20 МПа-м1/2, Граб = 1800 °Сдля длительной работы и Граб = 2300...2500 °С для кратковременной работы. Остаются перспективными материалы на основе нитрида и карбида кремния. Однако для рабочих температур 1800 °С и выше представляется необходимым создание более тугоплав­ ких материалов в системах типа карбидов и боридов циркония, гафния, тантала, где продемонстрированы прочность до 2000 МПа и рабочие температуры до 2200 °С при отг = 600 МПа.

Перспективным направлением является создание самоармированной удлиненными зернами основного материала структу­ ры, например, |}-Si3N4в материалах на основе Si3N4как наиболее термодинамически устойчивых и обеспечивающих длительную работу при повышенных температурах.

Две важнейшие задачи предстоит решить для обеспечения

в США, Японии, ФРГ керамических роторов турбонагнетателей и клапанов в двигателях внутреннего сгорания, а также на ус­ пешных испытаниях газотурбинных двигателей, в том числе в России, с применением керамики с Kic = 5...7 МПа м1/2

4.6.1. Узлы трения

Одним из наиболее перспективных видов керамической продукции, которая может найти широкое применение, являют­ ся керамические подшипники. Высокая твердость и возмож­ ность выдерживать температуры до 1000 °С позволяют увели­ чить срок службы керамических подшипников по сравнению со стальными в 100 раз и работать при этом без смазки. Химиче­ ская инертность, радиационная устойчивость, высокие диэлек­ трические свойства и отсутствие магнетизма у керамических материалов позволяют использовать подшипники из них в аппа­ ратах химических производств, атомных, силовых установках, а также в установках, где требуется наиболее надежная электри­ ческая изоляция. Наибольший эффект использования керамиче­ ских подшипников дает их применение в точных и навигацион­ ных приборах, в оборонной промышленности, например, в ги­ роскопах, а также в высокооборотных машинах - турбинах, компрессорах, обрабатывающих центрах.

В узлах трения используют керамику из SiC, Si3N4, А120 3, частично стабилизированного Zr02. Из-за пониженной массы керамические подшипники особенно перспективны для приме­ нения в авиационной технике.

Роликовые подшипники из горячепрессованного Si3N4 мо­ гут эксплуатироваться при температурах до 800 °С, обеспечивая при этом повышенные скорости вращения. Коэффициент трения качения нитрида кремния по стали без смазки составляет 0,03 (устали 0,09), со смазкой (масляный туман) - 0,008 (у стали 0,02). Хотя цена их остается в 2-5 раз дороже самых дорогих стальных, их исключительные характеристики позволили с на­ чала 1990-х гг. расширить производство до 20 млн шариков в год, причем, по некоторым оптимистичным оценкам, скорость роста потребности определяется на уровне 40 % в год. Из-за по­ вышенной контактной нагрузки время службы таких подшипни­ ков увеличено по сравнению с металлическими аналогами в 10 раз, трение уменьшено на 80 %, скорость вращения увели­ чена на 80 %. Кроме того, шарикоподшипники из нитрида крем­ ния отличает стабильная работа при повышенной температуре и в условиях недостатка смазки.

В настоящее время изготовляют три типа подшипников. В цельнокерамических подшипниках и кольца и тела качения сделаны из нитрида кремния. В гибридных подшипниках кольца сделаны из стали, а тела качения - из керамики. Такое сочетание обеспечивает прочную, износостойкую конструкцию, обладаю­ щую электроизоляционными свойствами. По сравнению с тра­ диционными цельностальными подшипниками срок службы гибридных подшипников может быть увеличен в 10 раз. Третий тип - это цельностальные износостойкие подшипники с одним керамическим шариком, который не допускает попадания на дорожку качения посторонних веществ. Он защищает дорожку качения и продлевает срок службы подшипника при крайне не­ благоприятных условиях окружающей среды: пыль, загрязнен­ ный воздух.

Выбор керамических подшипников зависит от области при­ менения. Цельнокерамические подшипники используются для тяжелого режима работы, а также в пищевой промышленности, в машинах для металлообработки и гидравлическом оборудова­ нии. Цельнокерамические подшипники химически неактивны, а для смазки может быть использован практически любой со­ став, от жидкого топлива до кислоты. Гибридные подшипники используются на шпинделях станков. Они легко устанавливают­ ся на профессиональные ручные инструменты и электродвига­ тели и используются в тех случаях, где требуются высокая ско­ рость работы и электроизоляционные свойства.

Подшипники с одним керамическим шариком наилучшим образом подходят для промышленных и автомобильных коро­ бок передач, а также для горнодобывающего оборудования в условиях сильного загрязнения.

Низкий коэффициент трения и высокое сопротивление кон­ тактной усталости характерны и для материалов из частично ста­ билизированного Zr02, в том числе и в парах трения с SiC и Si3N4.

Для снижения коэффициента трения и износа в керамиче­ ских парах трения используют специальные высокотемператур­ ные смазки, содержащие карбид бора и графит. Для этой же це­ ли антифрикционные материалы могут быть изготовлены по­ ристыми, а поровое пространство заполняют компонентом, снижающим коэффициент трения, например нитридом бора.

4.6.2. Детали двигателей

По объему возможного производства и сбыта, экономиче­ ским и экологическим показателям применение керамики в дви­ гателях внутреннего сгорания и газотурбинных двигателях представляет собой наиболее перспективное направление со­ временного и будущего машиностроения.

Перспективность изготовления отдельных узлов, а в даль­ нейшем и полностью двигателей из керамических материалов определяется комплексом таких их свойств, как высокие значе­ ния температур плавления и размягчения под нагрузкой, стой­

кость к воздействию абразивных и агрессивных сред при низких

ивысоких температурах, а также величины теплопроводности

иплотности по сравнению с лучшими металлическими сплава­ ми. Так, по данным фирмы General Motors (США) применение керамики в газотурбинном двигателе мощностью 300...400 л.с. дает экономию 68 кг высоколегированных сплавов, а в двигате­ ле широкофюзеляжного самолета - от 1 до 2 т кобальта, хрома, вольфрама и других дефицитных металлов. При этом снижают­ ся или отпадают расходы на систему охлаждения, а тепловой КПД возрастает за счет значительного (до 2000 К) повышения рабочей температуры. Это вызвано тем, что керамика за счет своей хорошей огнеупорности позволяет повысить температуру газа на входе в турбину до 1600... 1800 °С без применения охла­ ждения, в то время как суперсплавы выдерживают температуру не выше 1000... 1050 °С.

Стратегические преимущества гражданской и военной тех­

ники с широким применением керамики признаны правительст­ вами развитых и развивающихся государств. Финансирование исследований в этой области осуществляется правительствами

с целью обеспечения экономической и военной безопасности

страны, конкурентоспособности своей техники. Масштабы ассиг­ нований и достигнутые результаты свидетельствуют о подготовке технологического прорыва в мировом двигателестроении.

В США, например, с 1971 г. правительство финансирует ис­ следования и разработка! керамических материалов и деталей для автомобильных поршневых и газотурбинных двигателей. После завершения программы по разработке и испытаниям газотурбин­ ного демонстрационного двигателя AGT (1979-1987) общей стоимостью 120 млн долл., в 1987 г. в США принята националь­ ная программа «Технология керамики». В 1995 г. принята про­ грамма «Рентабельная керамика для тепловых двигателей», а также программа «Конструкционные материалы для транспорт­ ных средств». Ежегодный бюджет НИОКР по новейшим мате­ риалам и технологиям составляет порядка 1 млрд долл.

Успехи в разработке и испытаниях транспортных газотур­ бинных двигателей с широким применением керамики позволи­ ли США с 1992 г. приступить к выполнению программы «Разра­ ботка стационарной газовой турбины». Программой предусмот­ рено поэтапное повышение температуры газа на входе в турби­ ну с 1010 до 1204 °С, что позволит увеличить тепловой КПД на 20 %, выходную мощность почти на 40 % по сравнению с дей­ ствующей турбиной.

По оценке американских специалистов, если США сумеют захватить существенную часть рынка только автомобильных двигателей, то в течение ближайших 20 лет общая чистая вы­ ручка от продажи составит 280 млрд долл.

В Японии разработка керамических материалов, деталей

иузлов для автомобильных двигателей и энергетических уста­ новок ведется с начала 1970-х гг. в рамках национальных про­ грамм «Лунный свет», «Солнечный свет». Японские фирмы Mit­ subishi Motors, Kyocera и другие в результате реализации своих программ в конце XX в. создали несколько типов газотурбин­ ных двигателей с керамическими деталями, на которых достиг­ нуты мощность от 100 до 300 кВт, температура газа на входе в турбину 1350 °С и КПД 35,6.. .42 %.

Применение керамических материалов в поршневых двига­ телях приводит к увеличению их экономичности за счет умень­ шения теплоотдачи в окружающую среду и использования горя­ чих выпускных газов в системе турбонаддува и силовой турби­ не. Основные усилия конструкторов и материаловедов направ­ лены на внедрение керамики в два вида двигателей - дизельный

игазотурбинный.

Поршневой адиабатный двигатель (АД). С середины 1970-х гг. ряд ведущих зарубежных фирм развернул работы по созданию адиабатического турбокомпаундного дизеля, не нуж­ дающегося в системе охлаждения (радиаторе, вентиляторе, во­ дяной рубашке) для отвода тепла, выделяемого при сгорании топлива. На ныне существующих дизелях является обязатель­ ным охлаждение из-за проблем окисления, недостаточной проч­

■нанесение термобарьерных покрытий из керамических материалов на металлические детали;

■создание отдельных деталей двигателя из керамических материалов;

■создание минимально охлаждаемого двигателя;

■создание полностью керамического двигателя, не тре­ бующего охлаждения и смазки жидкими смазочными маслами.

Компания Cummin Engine (США) разработала вариант тепло­ изолированного двигателя с плазменно-дуговыми покрытиями из диоксида циркония, нанесенными на огневую поверхность днища поршня, внутреннюю поверхность цилиндра, огневую поверх­ ность головки цилиндра, впускные и выпускные каналы. Двига­ тель был установлен на 5-тонный военный грузовик. В результате удалось исключить из конструкции двигателя 361 деталь общей массой 153 кг, сэкономить 0,6 м2 площади. Экспериментальный грузовик на 100 км пути расходует 27 л топлива, в то время как серийный 5-тонный грузовик - 40 л топлива.

Керамические теплоизоляционные и износоустойчивые по­ крытия толщиной 0,75 мм получали путем плазменного напыления подслоя NiCr^Aly, на который наносили шликер частично стабили­ зированного диоксида циркония с последующим спеканием.

Фирма Enceratec (США) установила, что использование ке­ рамических инжекторов в дизельных двигателях позволяет в 3- 5 раз уменьшить их износ. Фирмой NGK (США) разработана технология керамических толкателей клапанов, полученных спеканием SI3N4 с добавками MgO, Се02, прочность которых достигает 760 МПа при изгибе. Для повышения термостойкости спеченные толкатели пропитываются под давлением силуми­ ном. Такие толкатели отличались 30-кратным увеличением стойкости к износу и 3-кратным уменьшением массы по сравне­ нию с традиционными толкателями.

Фирма Toyota производит турбокомпрессоры с керамическим ротором, которые устанавливаются на моделях спортивных авто­ мобилей. Роторы изготавливают из спеченного Si3N4 методом

литья под давлением. Оптимальное количество спекающих доба­ вок в материале - 3 мае. % Y20 3 и MgAl204. Предел прочности при изгибе материала 700 МПа, модуль Вейбулла 20.

Газотурбинные керамические двигатели (ГТД). Газовая турбина - двигатель, в котором высокоскоростной поток обес­ печивает вращение крыльчатки турбины. Основным способом повышения теплового КПД газовых турбин являются повыше­ ние температуры на входе турбины и увеличение степени по­ вышения давления. Для ГТД это температуры до 1370 °С, и для эксплуатации при таких температурах пригодны только керами­ ческие материалы в условиях воздействия продуктов сгорания. В отличие от адиабатного двигателя, для конструкционной ке­ рамики ГТД не требуется низкая теплопроводность, но более высокие температуры эксплуатации деталей обусловливают бо­ лее жесткие требования к термомеханическим свойствам.

Работы по созданию ГТД с использованием материалов на основе SiC и Si3N4 проводятся в ряде стран начиная с конца 1960-х гг. Предпринимаются успешные попытки изготовления статоров, конусов, экранов, лопаток из реакционноспеченного Si3N4 для ГТД. Горячепрессованный нитрид кремния может быть использован для изготовления ступицы газовой турбины.

Фирмами США был изготовлен газотурбинный двигатель AGT 101, который представляет собой одновальную газовую турбину с регенеративным теплообменником, мощность на валу которой составляет 100 л.с., максимальная температура газа на входе в турбину 1374 °С. Двигатель имеет идеальную конфигу­ рацию керамических деталей.

Статор турбины изготавливался из Si3N4 методом литья под давлением, ротор —методом шликерного литья. Остальные ке­ рамические детали изготавливались из композиционного мате­ риала системы SiC-TiB2 с пределом прочности при изгибе 480 МПа, сохраняющимся до 1200 °С. Испытания керамических деталей в двигателе проводились в течение 250 ч при 1204 °С.

Однако широкое применение керамических материалов в двигателестроении пока еще остается проблематичным. Этому препятствует отсутствие керамических материалов, которые

низкая ударная вязкость и отсутствие пластичности, что обу­ словливает трудности формирования и получения изделий без внутренних дефектов, хрупкость, которая приводит к трещинообразованию и отказам в рабочих условиях, а также высокая стоимость деталей, изготовленных из керамических материалов, вследствие сложности применяемого оборудования и процессов их изготовления и последующей механической обработки. Не­ обходимо также решать вопросы крепления и соединения кера­ мических деталей.

В последние годы большое внимание во всем мире стали уделять экологическим проблемам, в связи с чем интенсивное развитие получили работы по созданию каталитических нейтра­ лизаторов и фильтров из керамических материалов для очистки выхлопных газов автомобилей.

Фирма Corning (США) разработала тонкостенные подложки для каталитических нейтрализаторов из высокопрочной кордиеритовой керамики сотовой конструкции с 54...68 отв/см2и тол­ щиной стенки 0,14 мм.

Для ограничения выброса твердых частиц с выхлопными га­ зами дизельных двигателей тяжелых автомобилей разрабатыва­ ются разнообразные конструкции керамических сажевых фильтров с регенерацией. Испытания показывают, что керами­ ческие фильтры могут выдерживать 12 тыс. циклов регенерации при прохождении расстояния до 464 тыс. км.

4.6.3. Керамика для режущего инструмента

Одной из разновидностей машиностроительной керамики, в которой наиболее полно реализуются принципиально новые свойства керамических материалов, является режущая керамика (рис. 4.11).

Для эффективной механической обработки резанием метал­ лов необходим инструмент, обладающий повышенными проч­ ностью, твердостью и износостойкостью. Повышение произво­

инструмент 530...800 МПа. Устойчивость к абразивному износу определяющая работоспособность инструмента, зависит от ряда фактов. Для хрупких керамических материалов установлено, что сопротивление износу пропорционально величине К1С3/4Н|/2.

Таким образом, керамика для режущего инструмента долж­ на обладать: высокой твердостью (в том числе при повышенных температурах), большим пределом прочности, износоустойчи­ востью, достаточной вязкостью, химической инертностью по отношению к большинству металлов при высоких локальных температурах, термостойкостью. Наличие именно этих свойств привело к использованию керамики в качестве инструменталь­ ного материала еще в начале XX в. В сравнении с традицион­ ными режущими материалами - быстрорежущей сталью и твер­ дым сплавом - инструментальная керамика (например, на осно­ ве оксида алюминия) превосходит их по ряду важнейших свойств (табл. 4.5).

Т а б л и ц а 4.5

Сравнительные значения некоторых свойств инструментальных материалов

Важным качеством керамических материалов является их спо­ собность сохранять высокую твердость при достаточно высоких температурах, соизмеримых с температурами в зоне резания. Хи­ мическая стабильность керамических материалов, особенно окси­ дов, обусловливает их незначительное адгезионное взаимодейст­ вие с широким классом обрабатываемых материалов.

Этот комплекс свойств керамики (как инструментального материала) позволил существенно повысить скорости обработки при точении чугуна и стали. Так, скорость резания стали твер­ достью 150...250 НВ при обработке керамикой составляет 250...300 м/мин, а твердым сплавом - 100...200 м/мин.

Классификация режущих керамических материалов,

В настоящее время к режущим материалам, которые (в отличие от твердых сплавов) не содержат связующую фазу, относят ке­ рамику на основе оксидов и бескислородных тугоплавких со­ единений; керамику на основе тугоплавких боридов, карбидов и нитридов (табл. 4.6).

Т а б л и ц а 4.6

Основные физико-механические свойства режущих керамических материалов

* Кубический нитрид бора, поликристаллический.

Можно отметить, что, превосходя твердый сплав по твердо­ сти, керамические материалы уступают ему по таким парамет­ рам, как прочность на изгиб, вязкость разрушения, термостой­ кость, то есть по тем параметрам, которые характеризуют пла­ стичность материала и его способность выдерживать ударные, тепловые и механические нагрузки.

Режущие керамические материалы на основе оксидной керамики. К оксидной керамике в настоящее время относят, прежде всего, корундовые материалы, содержащие как чистый оксид алюминия, так и легированный диоксидом циркония. Введение диоксида циркония в состав оксидной керамики обу­ словлено его трансформационным упрочнением, в результате которого увеличиваются износостойкость, прочность и ударная вязкость материала. Получению мелкозернистой структуры алюмооксидного материала способствует также введение в его состав оксидов магния, иттрия, которые замедляют процесс рек­ ристаллизации, образуя шпинельные фазы по границам зерен. При этом наличие примесей легкоплавких оксидов щелочных металлов (К20 , Na20 , Li20 ) снижает физико-механические свой­ ства режущей алюмооксидной керамики.

Особенностью a -модификации оксида алюминия (корунда) является то, что он практически не растворяется в расплавленных железосодержащих материалах, вследствие чего при резании ко­ рундовой минералокерамикой (в условиях высоких температур) в зоне контакта не наблюдается диффузии, которая является ос­ новной причиной износа по передней поверхности резца. Кроме того, в силу высокой химической стабильности этого оксида, его дальнейшее окисление не происходит, что также снижает износ инструмента. Модификация а-А120 3 обладает высокой твердо­ стью и прочностью на сжатие, но низкой прочностью на изгиб, то есть хрупкостью, что в известной мере компенсируется конструк­ тивным исполнением режущего инструмента.

В отечественной практике долгое время использовалась минералокерамика ЦМ-332. Однако низкие физико-механические свойства не позволили достаточно широко использовать этот материал. В последние годы созданы оксидные материалы ВО-13, ВО-15, обладающие улучшенными свойствами.

Оксидную керамику получают, как правило, методом холод­ ного прессования и последующего спекания, что позволяет соз­ давать широкий ассортимент типоразмеров пластин. Применяя

горячее прессование, можно повысить физико-механические свойства алюмооксидиого материала, получаемого из массы ЦМ332. Так, прочность материала повысилась с 350 до 500 МПа при более высокой стабильности режущих свойств пластин.

Инструменты с пластинами из ВО-14, ВШ-75, ЦМ-332 могут применяться для тонкой, чистовой и получистовой обработки нетермообработанных сталей с твердостю 160...380 НВ, а также се­ рых чугунов с твердостью 143...289 НВ. При этом возможно ис­ пользование высоких скоростей резания (до 800... 1000 м/мин).

Резцы из оксидной керамики зарубежных фирм, отличаю­ щиеся высокой прочностью, используются также и на операции фрезерования сталей и чугунов, когда от материала резца требу­ ется повышенная термостойкость.

Смешанная минералокерамикси Одним из способов повы­ шения термостойкости минералокерамики является введение в него металлоподобных соединений типа МеХ (боридов, кар­ бидов, нитридов). Смешанные керамические материалы систем МеХ + А120 3 (где X - С, N, В) обладают по сравнению с оксид­ ной керамикой существенно более высокой термостойкостью (от 300 до 600 °С), износостойкостью и твердостью.

С середины 1960-х гг. за рубежом, а затем и в отечественной практике стали широко использоваться режущие пластины из оксидно-карбидной, так называемой черной керамики на основе системы АЬОз-TiC (в России марки ВЗ, ВОК-60, ВОК-71). Эти материалы, полученные горячим прессованием тонких порошков, отличаются высокой плотностью и прочностью режущей кромки. Их применяют преимущественно при чистовой обработке зака­ ленных сталей и отбеленного чугуна.

На основе корунда и нитрида титана была создана режущая керамика марок: СХ 2 фирмы NTK (Япония), СС 650 фирмы Sandvik Ceramant (Швеция) и ОНТ-20 (Россия). Использование этого класса режущих минералокерамических материалов по­ зволило расширить области эффективного использования кера­ мического инструмента при обработке ряда теплостойких, сред­

не- и сложнолегированных сталей за счет повышения износо­ стойкости инструмента в результате снижения адгезионных факторов износа.

Также в составе смешанной керамики используют диборид титана фирмы Teledyne (США), а начиная с 1985 г. фирма Greenleaf (США) выпускает режущие пластины марки WG 300 из оксида алюминия с упрочнением нитевидными кристаллами из карбида кремния. Основной областью применения этих мате­ риалов явилась обработка деталей из труднообрабатываемых никельсодержащих сплавов, где обеспечивается 10-кратное уве­ личение скорости резания по сравнению с твердыми сплавами.

Режущая керамика на основе бескислородных соедине­

ний. К этому классу относятся, прежде всего, поликристалличе-

ские материалы на основе сверхтвердых соединений - алмаза

икубического нитрида бора. Синтез этих материалов ведется

сиспользованием техники высоких давлений при температурах порядка 500.. .2200 °С и давлениях 0,7... 1,1 ГПа.

ВРоссии созданы и успешно применяются режущие поликристаллические материалы на основе алмаза (карбанадо, баплас), которые наиболее эффективны при обработке алюминие­ вых и твердых сплавов, стеклопластиков и других неметалличе­ ских материалов, однако обработка ими черных металлов мало­ эффективна. Более предпочтительным оказалось применение режущих элементов на основе кубического нитрида бора (КНБ), которые отличаются технологией получения, структурой и фи­ зико-механическими свойствами.

Все материалы на основе BN, выпускаемые в России и за рубежом, в зависимости от основного процесса, протекающего при синтезе, можно разделить на три группы:

1.Фазовый переход графитоподобного a-BN в кубический p-BN. Материал состоит из зерен кубического P-BN, а при ис­ пользовании катализаторов - из сопутствующих фаз. Материа­ лы отличаются друг от друга наличием или отсутствием катали­

затора, его видом, структурой, зернистостью исходного BN, па­

раметрами синтеза. Марки: композит 01 (эльбор РМ), композит

02 (белбор). За рубежом - нет.

2.Фазовый переход вюрцитоподобного y-BN в кубический P-BN. Материалы отличаются составом исходной шихты. Вы­ пускаются однослойные и многослойные. Марки: композит 10 (гексанит-Р) и различные модификации композита 09 (ПТНБ, ПТНБ-ИК), в Японии - вюрцит.

3.Спекание частиц кубического P-BN. Эта группа мате­ риалов самая многочисленная, так как возможны различные ва­ рианты связки и технологии спекания. Материалы различаются размером, структурой и свойствами используемого зерна куби­

ческого P-BN, составом, видом, дисперсностью и химической активностью связующего - металла, карбидов, нитридов, карбонитридов, оксидов, а также технологией спекания. При этом возможно использование следующих технологических процес­ сов: простое вдавливание частиц BN в металлическую матрицу, спекание со связкой, спекание в условиях, обеспечивающих хи­ мическое взаимодействие BN со связкой. Марки: композит 05, киборит, ниборит, боразон, амборит, сумиборон.

В качестве режущего инструмента применяется сверхтвер­ дый сплав в соединении со спеченным изделием из КНБ толщи­ ной 0,5... 1,0 мм. У зерен КНБ очень высоки микротвердость 45 ГПа и теплопроводность 254 Вт/(м-К). В условиях атмосферы они сохраняют стабильность до 1300 °С и не вступают в реак­ цию с железом, в этом их особенность.

Обычно режущие инструменты КНБ применяют для обра­ ботки резанием углеродистой инструментальной, легированной, штамповой сталей, отбеленного чугуна и других материалов, не содержащих карбидов со слишком высокой твердостью.

Особый интерес в последние годы вызывают режущие мате­ риалы на основе нитрида кремния, которые способны выдерживать резкую смену температур по сравнению с оксидной керамикой и отличаются повышенной прочностью при изгибе (табл. 4.7).

ботки резанием высоколегированного чугуна и стали. Для по­ вышения износостойкости материала в его состав вводят карбид титана. Нитридную керамику получают методом горячего прес­ сования или горячего изостатического прессования. Очень важ­ ным свойством резцов из нитрида кремния является высокая прочность режущей кромки и ее надежность. При этом возмож­ но использование в процессе резания охлаждения жидкостью.

Особенности технологии изготовления режущих мине­

ралокерамических пластин, В современной практике металло­ обработки режущая керамика изготовляется в соответствии с международным стандартом ИСО в виде неперетачиваемых пластин различных форм и размеров, которых насчитывается около 30 видов; эти пластины затем закрепляются механически в резцах и фрезах различной конструкции.

Процесс производства пластин из режущей керамики со­ держит те же основные стадии, которые характерны и для ти­ пичной керамической технологии: измельчение исходных ком­ понентов, приготовление формовочной массы, формование по­ луфабриката, спекание, механическая обработка, контроль. Учитывая неизбежный рост зерен в процессе спекания, на ста­ дии подготовки исходного сырья стремятся к получению по­ рошков с минимальным размером зерен, так как керамика со средним размером зерен более 5 мкм в качестве режущего мате­ риала не используется из-за низкой прочности. Эго достигается как традиционными способами сверхтонкого механического измельчения, так и применением новых высокоинтенсивных способов диспергирования керамических материалов (помол в аттриторах, планетарных мельницах и др.). В настоящее время существует два основных варианта формования заготовок ре­ жущих пластин из минералокерамики: холодное прессование и горячее прессование. В качестве пластификатора используют­ ся водные растворы поливинилового спирта, лигносульфоната, метнлцеллюлозы и тщ.