10.4. Режущая керамика (рк)

Для режущей керамики (РК) характерны высокие твердость и прочность на сжатие, сохраняющиеся при высоких температурах, повышенная износостойкость и стойкость к окислению, но существенно более низкая прочность на изгиб по сравнению с твердыми сплавами.

Основой режущей керамики является глинозем . По составу режущую керамику разделяют на три основные группы:

• оксидную керамику (белую), содержащую 99,7% ;

• нитридную керамику на основе ;

• смешанную керамику: (черную) оксидно-карбидную () и оксидно-нитридную ().

Каждая из этих групп имеет свои особенности, как в технологии изготовления, так и в области применения, обусловленные, в первую очередь, составом и структурой материала.

Оксидная (белая) режущая керамика состоит из окиси алюминия Al₂O₃ и легирующих добавок, в ее состав не входят дефицитные материалы. Оксидная РК имеет твердость HRA 91-94, обладает высокой химической инертностью, теплостойкостью и сопротивлением пластической деформации. Основными недостатками являются низкая механическая и термоциклическая прочность, а также низкая теплопроводность. Для улучшения указанных характеристик используют легирующие добавки ,, .

Отечественными марками оксидной РК являются ЦМ-332, ВО-13, ВО-18, ВШ-75. В отличие от быстрорежущих сталей и твердых сплавов маркировка РК не отражает ее состав. Согласно производственной практике оксидная керамика предпочтительнее при точении заготовок из незакаленных конструкционных сталей и ферритных ковких чугунов (НВ < 230) при скоростях резания свыше 250 м/мин.

Смешанная режущая керамика на основе окиси алюминия подразделяется на две подгруппы: оксидно-карбидную (черную), содержащую до 40% карбидов металлов, и оксидно-нитридную, содержащую нитриды , , и др. Отечественными представителями смешанной РК являются материалы В-3, ВОК-63, ВОК-71, ОНТ-20 (кортинит) и ВОК-200.

Твердость смешанной РК различных марок составляет HRA 93-96, прочность – 400-950 МПа. Такой широкий диапазон основных свойств определяется различным содержанием карбидов и нитридов, а также размером зерен.

Сравнительные характеристики свойств карбидов показали, что наиболее перспективным из них является карбид титана, который обладает высокой твердостью, износостойкостью, достаточной теплопроводностью и упругими свойствами, широко применяется как основа инструментальных материалов. Кроме того, он недефицитен и легко получается восстановлением оксида сажей.

На основании вышесказанного карбид титана был выбран в качестве упрочняющей добавки к оксиду алюминия. Исследование его влияния на свойства оксидно-карбидной композиции позволило выбрать состав и разработать технологию сплава ВОК-71. Состав ВОК-71 состоит из основы Al₂O₃ с добавкой 20% TiC. По твердости он не уступает сплаву ВОК-63, а по прочности его превосходит. При резании чугуна и стали разной твердости смешанная керамика ВОК-71 показала преимущество перед другими сплавами.

Параллельно с совершенствованием оксидно-карбидных керамических материалов разрабатывались новые марки режущей керамики на основе нитрида кремния. На базе оксидного керамического материала ВШ-75 был разработан керамический материал ОНТ-20 (кортинит). Кортинит – оксидно-нитридная РК, в состав которой входит мелкодисперсный нитрид титана. Адгезионное взаимодействие кортинита с обрабатываемым материалом менее интенсивное, чем у оксидно-карбидных керамических материалов.

Смешанная оксидно-карбидная и оксидно-нитридная керамика рекомендуются для чистовой, получистовой и прерывистой обработки чугунов и закаленных сталей (до HRC 35-45).

Положительные свойства нитрида титана позволили создать нитридную режущую керамику. По своим свойствам композиция на основе нитрида кремния несколько уступает оксидно-карбидной керамике, однако такой керамический материал имеет высокую прочность на изгиб и низкий коэффициент термического расширения, что выгодно отличает его от ранее рассмотренных типов РК.

В зависимости от метода получения нитридная РК содержит или , обладающий высокой плотностью и высокими физико-механическими свойствами, или кристаллографическую решетку с частичной заменой атомами и . В результате образуется новая структура, которая получила название (сиалон).

Нитридная РК имеет твердость HRC 86-95, предел прочности на растяжение 600-950 МПа, ударную вязкость и теплопроводность выше, чем другие типы керамики. Преимуществом нитридной РК является тот факт, что при температуре 790-900ºС ее твердость выше, чем твердость оксидно-карбидной и оксидной РК.

Предпочтительной областью применения нитридной РК является обработка чугунов и жаропрочных сплавов. Для обработки сталей эта РК не рекомендуется из-за высокой интенсивности диффузионного износа. Скорости резания при обработке чугуна сиалоном достигают 1500 м/мин.

Проводятся работы по созданию композиций нитридной РК с карбидами. Например, добавка 20% TiC позволяет на 50% повысить ударную вязкость и твердость, что в свою очередь дает возможность использовать более высокие значения подачи и скорости резания (до 1800 м/мин). Такие композиции рекомендуются прежде всего для обработки никелевых сплавов.

Причинами, сдерживающими широкое применение керамики в металлообработке, являются: низкая прочность, высокая хрупкость, значительная чувствительность к локальным напряжениям и дефектам структуры. Поэтому основная проблема при создании новых керамических материалов - повышение прочности.

В последние годы большое внимание специалистов в области РК уделяется разработке армированной керамики. В качестве армирующего элемента для РК чаще всего используют нитевидные кристаллы карбида кремния SiC (имеющие прочность до 4000 МПа) длиной 20-30 мкм и диаметром до 1 мкм. Отмечается, что подобное армирование позволяет повысить вязкость оксидной РК в 1,5 раза без существенного снижения твердости.

Достаточно длинные кристаллы (в 2 и более раз превышающие размеры зерен матрицы) служат мостиками между зернами, повышая их стабильность под действием нагрузки. Кроме того, разность коэффициентов теплового расширения кристаллов SiC и основы создает при нагреве благоприятные сжимающие напряжения, которые компенсируют напряжения растяжения, возникающие в СМП в процессе резания.

Армированную РК можно применять при прерывистом точении и фрезеровании. Поскольку режущий инструмент из армированной керамики является дорогим, его применение экономически эффективно только в определенных областях, например при обработке заготовок из жаропрочных никелевых сплавов, а также закаленных сталей и чугунов.