6.3. Режущая керамика.

Слово «керамика» произошло от наименования района Афин - Cerami, где гончары производили свою продукцию («keramos» означает обожженный материал). Традиционная керамика - это фарфор, фаянс, черепица, кирпич.

В настоящее время керамика широко используется как конструкционный материал с особыми химическими, трибологическими и теплофизическими свойствами. В обрабатывающем производстве керамику широко применяют в качестве инструментального материала для режущего инструмента – режущая керамика (РК).

По составу режущую керамику подразделяют на:

-оксидную - Al₂О₃(99%) с добавками оксидов магния и циркония (белая);

-оксидно-карбидную Al₂О₃(60-80%) с оксидами и карбидами тугоплавких металлов (черная);

-оксидно-нитриднуюАl₂О₃иTiN(кортинит);

-на основе нитрида кремния Si₃N₄(силинит-Р).

В отличие от твердых сплавов керамика не содержит металла-связки, в ее состав входят только твердые компоненты - оксиды, карбиды, нитриды. Поэтому керамика имеет весьма высокие свойства: теплостойкость - 1200-1400^ОС и твердость - до 96HRA. Это позволяет производить обработку резанием инструментом из РК со скоростями 400-600 м/мин. При таких скоростях температура в зоне резания достигает очень высоких значений и возникает опасность диффузионного износа. Однако, вследствие высокой химической устойчивости керамики, обусловленной сильными межатомными связями, этого не происходит. Вместе с тем, отсутствие пластичной фазы в структуре определяет высокую хрупкость и низкую прочность режущей керамики.

Оксидная керамика.Механические свойства керамики, состоящей только из оксида алюминияAl₂O₃, низкие. Предел прочности (sизг) составляет 200-350 Мпа, а коэффициент трещиностойкости (К1_С) - 3,8 Мпа×м^1/2.

Повышение механических свойств керамики достигается за счет улучшения ее структуры – уменьшения пористости, создание напряжений сжатия, упрочнения армирующими волокнами.

Прочность керамики повышается с уменьшением пористости:

sизг=s_ое^-nП,

где s_о - прочность беспористой керамики, П - пористость в %,n- численный коэффициент, меняющийся от 4 до 7.

Прочность также возрастает при уменьшении величины зерна (табл.10.10). Уменьшение пористости достигается при переходе от холодного прессования (ХП+С) к горячему (ГП).

Величина зерна зависит от температуры спекания, снижение которой, измельчающее структуру, достигается за счет добавок MgO.

Весьма эффективно повышение прочности и трещиностойкости при введении в состав керамики диоксида циркония ZrO₂ (5-15% масс.), претерпевающего полиморфное превращение при охлаждении от температуры спекания. Тетрагональная решетка (параллелепипед, где с>а=b) в превращается в моноклинную (а¹b¹c; углы в основании параллелепипедаa=g=90^О;b¹90^О) с увеличением объема до 4%. В результате этого в зонах, окружающих частицыZrO₂, возникают напряжения сжатия. При своем распространения трещина вынуждена огибать эти зоны. Это увеличивает ее путь и требует дополнительной энергии, возможно также и блокирование, остановка трещины в результате контакта с этими зонами. Естественно, что это приводит к повышению коэффициента трещиностойкости и предела прочности (до 700 Мпа).

Армирование керамики осуществляется введением монокристаллических волокон (усов) карбида кремния SiC, сдерживающих распространение трещины. При содержании 30%SiCдостигается повышение прочности на 25-30% и, кроме того, повышается теплопроводность керамики.

Оксидно-карбидная и оксидно-нитридная керамика.В состав этих керамик помимо оксида алюминия входят карбиды или нитриды тугоплавких компонентов. Эффект от их введения связан с подавлением процесса рекристаллизации при спекании и, в результате этого, получения мелкозернистой структуры (величина зерна снижается примерно в 2 раза), что приводит к повышению прочности. Механические свойства оксидно-карбидной и оксидно-нитридной керамики могут быть дополнительно повышены, так же, как и для белой, за счет измельчения зерна (технология ГП) и легирования диоксидом циркония(табл.6.7).

Таблица 6.7

Прочность керамики в зависимости от состава

и технологии изготовления.

Состав	Технология	sизг, Мпа
Al2O3	ХП+С	200 - 350
Al2O3	ГП	500 - 700
Al2O3+MgO	ХП+С	300 - 500
Al2O3+TiC/WC	ХП+С	300-500
Al2O3+TiC	ГП	500-750
Al2O3+TiC	ГИП	600-850
AL2O3+ZrO2+TiC	ХП+С	700-900
Al2O3+SiC	ГП	550-750

Нитридная керамика.Основа такой керамики - нитрид кремнияSi₃N₄. Получение плотного материала из чистого нитрида кремния при нормальном давлении не достигается вплоть до температуры его термического разложения. Это объясняется низкой диффузионной подвижностью атомов и высоким сопротивлением перемещению дислокаций.

Необходимая плотность достигается лишь в присутствии активирующих добавок, влияние которых проявляется в том, что при нагреве смеси порошков нитрида кремния и активатора образуется жидкая фаза. Наиболее эффективен оксид магния, введение которого в малых количествах (доли процента) позволяет достичь полного уплотнения. Помимо MgO, в качестве добавок используетсяY₂O₃ (оксид иттрия),ZrO₂, а также комплексная добавка активатор -Y₂O₃+Al₂O₃.

При использовании в качестве добавки совместно оксида и нитрида алюминия (Al₂O₃+AlN) и при соотношении количества атомов металл и неметалла, равного 3/4, образуется твердый раствор алюминия и кислорода в нитриде кремния - «сиалон» (SiAlON). Сиалон обладает большей устойчивостью против термического разложения по сравнению с нитридом кремния.

Введение частиц нитрида титана, т.е. второй фазы, в сиалоновую матрицу приводит к повышению и твердости, и прочностных характеристик. Механизм влияния TiNв оксидной и нитридной керамиках различен.

Коэффициенты термического расширения ТiNиAl₂O₃, отличаются незначительно (a×10⁶К^-1 9,35 и 7,5 соответственно), и влияние нитрида титана в белой керамике, как указывалось, в измельчении структуры. Коэффициент термического расширенияSi₃N₄ заметно ниже (a×10⁶,К^-1равен 3,8), поэтому после спекания в зонах, прилегающих к частицам нитрида титана, возникают напряжения сжатия.

Состав и свойства керамик различных групп приведены в табл.6.8.

Таблица 6.8

Состав и свойства режущей керамики.

Группа	Марка	Состав	Способ пр-ва	Зерно, мкм	Тврдость, НRA	sизг, МПа
Оксидная	ЦМ-332, ВО-13, ВШ-75	Al2O3+MgO то же то же	ХП+С ХП+С ГП	3,9 3,9 3,9	91 92 93	300-350 400-450 400-600
Оксидно - карбидная	В3 ВОК-60	Al2O3 +TiC Al2O3+TiC+ ZrO2+HfO2	ГП	4,6 4,2	93 93	650 650
Оксидно - нитридидная	ОНТ-20 (Кортинит)	Al2O3+ TiN	ГП	2,0	93	640
Нитридидная	Силинит-Р	Сиалон+TiN	ГП	2,09	95	500-700