Закономірності формування структури та властивостей керамічного матеріалу інструментального призначення в системі ZrO2–Al–C

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАїНИ

ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ім. В. М. БАКУЛЯ

УДК 666.3-18:621.9.025.7

ЗАКОНОМІРНОСТІ ФОРМУВАННЯ СТРУКТУРИ ТА ВЛАСТИВОСТЕЙ КЕРАМІЧНОГО МАТЕРІАЛУ ІНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

В СИСТЕМІ ZrO₂-Al-C

05.02.01 - матеріалознавство

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Джелялов Сервер Ідрісович

Київ 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Прокопів Микола Михайлович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ, старший науковий співробітник відділу технології твердих сплавів і композиційних матеріалів

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор Пріхна Тетяна Олексіївна, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ, завідувач відділом перспективних технологій високих тисків, дисперсних матеріалів та спікання кераміки

доктор технічних наук, професор Панасюк Алла Денисівна, Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, м. Київ, провідний науковий співробітник відділу конструкційної кераміки і керметів

Захист відбудеться «11» грудня 2008 р. о 13³⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.230.01 при Інституті надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України за адресою: 04074, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України (м. Київ, вул. Автозаводська, 2).

Автореферат розісланий «____» листопада 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук В. І. Лавріненко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розробка нових матеріалів інструментального призначення з підвищеними фізико-механічними властивостями (твердість, міцність, тріщиностійкість, теплопровідність тощо), які забезпечуються високою гомогенністю в мікрооб'ємах (при загальній макрогетерогенності композитів), мінімальною пористістю, мінімізацією дефектів, як за розмірами, так й за об'ємним вмістом, максимальною дрібнозернистістю, що сприяє надійній та довговічній роботі інструменту при механічній обробці, є однією з важливих умов розвитку сучасного машинобудування. У роботах багатьох провідних фахівців у галузі виготовлення та застосування інструментальних матеріалів (В. І. Вепрінцева, А. С. Верещаки, Г. Г. Гнесіна, В. С. Панова, В. В. Скорохода та ін.) відзначається, що застосування ріжучої кераміки (РК) дозволяє вирішувати проблеми різання широкої номенклатури важкооброблюваних матеріалів. Серед всіх видів РК змішана кераміка (клас A₂ - mixed ceramic) типу Al₂O₃-Ti(C, N), Al₂O₃-TiC-ZrO₂ використовується найчастіше. Однією з проблем, яка обмежує її розповсюдження, є її порівняно низька тріщиностійкість (К_1с=4-4,5 МПа?м^1/2). Вирішення цієї проблеми можливе у разі застосування для виготовлення такої кераміки (однієї з найбільш ефективних на сьогодні) ресурсозберігаючої технології гарячого пресування (ГП) реакційних сумішей. Використання цієї технології в ІНМ НАН України академіком П. С. Кислим дозволило створити із суміші оксиду хрому і нанодисперсного AlN новий високов'язкий керамічний матеріал «Біхроміт-Р» (типу Cr₂O₃-Al₂O₃-Cr₂N), характеристики якого вище кращих імпортних аналогів. Цей метод дав змогу одночасно з формуванням структури матеріалу в процесі екзотермічної реакційної взаємодії заздалегідь підібраних компонентів синтезувати тугоплавкі зносостійкі складові, що зменшує енергоємність процесу в цілому. Екологічні вимоги до оксиду хрому та висока ціна імпортного нанодисперсного AlN обмежують широке використання «Біхроміту-Р». Інтенсивні дослідження, які були проведені згодом в Росії, Китаї, Японії, США, Великій Британії, Польщі під керівництвом А. Г. Мержанова, З. Муніра, М. Охінагі, Р. Пампуха, Дж. Рейнфорда-Картрайта, Т. Д. Чіа та інших учених по синтезу нових конструкційних та інструментальних керамічних матеріалів вказують на перспективність використання також інших реакційних сумішей. Однією з перспективних складових таких сумішей можна вважати моноклінний діоксид цирконію (ZrO_2(м)) в комбінації з Al та С. Наукове обґрунтування вибору складу вказаної реакційної суміші і цілеспрямованого технологічного керування взаємодією її компонентів, структуро- і фазоутворенням у процесі синтезу матеріалу з прогнозованими фізико-механічними властивостями на сьогодні відсутнє. У зв'язку з цим вивчення закономірностей формування структури та властивостей матеріалів у системі ZrO₂-Al-C у процесі гарячого пресування з метою отримання високов'язкої кераміки інструментального призначення є актуальним і представляє науковий та практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з планами науково-дослідних робіт Інституту надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України за темою «Дослідження механіки та фізико-хімії контактної взаємодії інструменту з керамічних і алмазно-керамічних композитів в термобаричних умовах процесу обробки залізовуглецевих, нікелевих і кольорових сплавів та неметалевих матеріалів» (III-59-07 1866, № держ. реєстрації 0107U002813).

Мета досліджень: встановити закономірності формування структури та властивостей керамічного матеріалу при гарячому пресуванні реакційної суміші ZrO_2(м)-Al-C та обґрунтувати її оптимальний склад для отримання кераміки інструментального призначення.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішувались такі задачи:

· встановити закономірності фізико-хімічної взаємодії компонентів системи ZrO_2(м)-Al-С на основі комплексних термодинамічних досліджень подвійних та потрійних систем, які її утворюють;

· вивчити закономірності кінетики ущільнення, фазо- і структуроутворення матеріалів у процесі гарячого пресування сумішей ZrO_2(м)-Al та ZrO_2(м)-Al-С;

· оптимізувати сполучення рівнів твердості та тріщиностійкості гарячепресованих матеріалів шляхом зміни вмісту компонентів вихідної суміші (ZrO_2(м)-Al-С) та параметрів гарячого пресування;

· дослідити різальні властивості пластин із керамічного матеріалу з оптимальним значенням твердості та тріщиностійкості при обробці залізовуглецевих сталей в умовах дії циклічних ударних навантажень та чистовому точінні.

Об'єкт дослідження - щільні гетерофазні керамічні матеріали, отримані при гарячому пресуванні реакційної суміші системи ZrO_2(м)-Al-C.

Предмет дослідження - закономірності ущільнення, структуро- і фазоутворення у процесі гарячого пресування реакційних сумішей системи ZrO_2(м)-Al-C, структурно-фазовий стан отриманих щільних матеріалів, їх фізико-механічні та різальні властивості.

Методи дослідження: термодинамічні розрахунки хімічної взаємодії в реакційних системах, гаряче пресування при індукційному нагріванні, диференціально-термічний аналіз, оптична та растрова електронна мікроскопія з використанням методів енергодисперсійного фазового аналізу, рентгеноструктурні, мікрорентгеноспектральні, волюмометричні дослідження, вимірювання фізико-механічних характеристик індентуванням, математичне планування і комплексна обробка результатів експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше обґрунтовано і експериментально підтверджено, що в системі ZrO_2(м)-Al-С в процесі гарячого пресування (ГП) при температурах 1400-1650 °С, тисках 18-30 МПа та ізотермічних витримках 5-30 хв. в результаті окислювально-відновної реакції між діоксидом цирконію та алюмінієм відбувається утворення Al₂O₃ та Al₂Zr, з послідуючим утворенням ZrC в результаті карбідизації інтерметаліду; яка веде до звільнення Al, що повторно вступає в реакцію з ZrO₂, зникнення якого в продуктах реакції спостерігається при вмісті вуглецю в складі вихідної суміші вище за 5,5 %.

2. Встановлено, що ущільнення сумішей системи ZrO₂ - Al - C до пористості близької до нуля при вмісті алюмінію 16-26 %, вуглецю 0-7% (за масою) (останнє діоксид цирконію) в процесі гарячого пресування відбувається в дві стадії, при цьому, перша стадія починається при температурі 750-800 °С як наслідок плавлення алюмінію, а друга стадія - при температурах 1380-1420 °С і супроводжується взаємодією між вихідними компонентами. твердість тріщиностійкість термодинамічний матеріал

3. Встановлено, що на розмір і рівномірність розподілу фазових складових матеріалів, отриманих у процесі гарячого пресування в системі ZrO_2(м)-Al-С, основний вплив здійснює вуглець. При цьому, підвищення концентрації С від 0,5 до 7 % (за масою) приводить до зменшення їх розмірів, а при концентрації вище за 5,5 % (за масою) до підвищення нерівномірності розподілу фаз у структурі матеріалу.

4. Вперше виведено математичні залежності для розрахунку показників твердості та тріщиностійкості (HV15 та K_1с) матеріалів, отриманих із сумішей системи ZrO_2(м)-Al-С залежно від концентрації вихідних компонентів шихти та параметрів гарячого пресування, які дозволяють прогнозувати властивості гарячепресованих матеріалів при заданих значеннях вказаних факторів. Показано, що найбільш впливовими факторами являються концентрації Al та С у вихідній суміші.

Практичне значення отриманих результатів. На основі встановлених закономірностей формування структури та властивостей керамічних матеріалів, які були отримані із сумішей системи ZrO_2(м)-Al-С методом гарячого пресування розроблено технологічний регламент на отримання матеріалу марки «ZIRCA» типу Al₂O₃-ZrC-ZrO_2(м)-Al₂Zr інструментального призначення з оптимальним сполученням твердості за Віккерсом HV15= 18,5±0,2 ГПа і тріщиностійкості К_1с = 5,4±0,2 МПа?м^1/2. Встановлено, що стійкість різальних пластин із такого матеріалу при чистовому точінні сталі ШХ-15(HRC 56-58) (S=0,14 мм/об., v=1,67 м/c, t=0,25 мм) перевищує стійкість пластин з ВОК-71 і знаходиться на рівні пластин з кераміки СС650. Дослідно-промислова перевірка результатів дисертаційної роботи проведена в ТОВ «Кермет-У» (м. Харків) та ВАТ НВО «Йодобром» (м. Сакі)

Особистий внесок здобувача. Формулювання наукової мети та задач дослідження здійснено разом із науковим керівником. Особистим внеском автора є: аналіз літературних джерел із досліджуваного напрямку, обґрунтування вибору методик досліджень, встановлення представлених до захисту теоретичних залежностей, проведення термодинамічних досліджень, безпосередня підготовка та виконання основних експериментальних досліджень при використанні сучасних методів математичного планування та отримання дослідних зразків методом гарячого пресування спільно з пров. інж. О. В. Харченко, математична обробка результатів експериментів та виведення математичних залежностей спільно з к. т. н. Г. А. Петасюком, узагальнення отриманих даних та формулювання основних висновків роботи. Проведення та обробка результатів диференціально-термічного аналізу сумішей, отримання рентгенограм досліджуваних зразків зроблено у співпраці з к. т. н. О. Г. Кулік. Отримання електронно-мікроскопічних зображень поверхонь ГП-матеріалів у характеристичному випромінюванні здійснено спільно з к. ф.-м. н. В. М. Ткачем. Вимірювання фізико - механічних властивостей гарячепресованих зразків виконано спільно з к. т. н. С. М. Дубом. Дослідження кінетики і характеру зношування інструментів з розробленої кераміки в процесі різання проводили в ІНМ НАН України за участі в аналізі та узагальненні результатів д. т. н., проф. Ф. Я. Якубова (КІПУ, м. Сімферополь).

Апробація результатів дисертації. Результати роботи було представлено та обговорено на 13 науково-технічних всеукраїнських і міжнародних конференціях та семінарах: XIV, XV, XVI Міжнародних науково-технічних семінарах: «Високі технології: тенденції розвитку», Интерпартнер 2005, 2006, 2007, Харків-Алушта, Україна, 12-16 вересня 2005 р., 11-16 вересня 2006 р., 23-29 вересня 2007 р.; IV Всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції: «Машинобудування очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво», НТУ України «КПІ», Київ, Україна, 1-4 листопада 2004 р.; V Всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції: «Машинобудування очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво», Сумський державний університет, Суми, Україна, 26-29 жовтня 2005 р.; VIII і X Міжнародних конференціях: «Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения», сел. Морське, Україна, 18-23 вересня 2005 р., 23-28 вересня 2007 р.; XXVI Науково-технічному семінарі: «Семківські молодіжні читання», НТУ України «ХПІ», Харків, Україна, 4 жовтня 2006 р.; ІІІ Всеукраїнській конференції молодих вчених та спеціалістів: «Надтверді, композиційні матеріали та покриття: отримання, властивості, застосування», ІНМ НАН України ім. В. Н. Бакуля, Київ, Україна, 18-19 квітня 2006 р.; International Conference of Students and Yang Scientists in Theoretical and Experimental Physics «Heureka-2005», «Heureka-2007», Львів, Україна, 24-26 травня, 2005 р., 22-24 травня, 2007 р.; Міжнародній конференції «HighMatTech», Київ, Україна, 12-16 жовтня 2007 р., 8-й Міжнародній науково-технічній конференції: «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка», Мінськ, Білорусь, 27-28 травня 2008 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 13 наукових праць, серед яких 7 статей у фахових журналах та збірниках, 5 тез доповідей на науково-технічних конференціях, одержано 1 патент України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, основних висновків, списку використаних джерел, що нараховує 142 найменування бібліографії та додатків. Повний обсяг дисертації складає 187 сторінок, включаючи 76 рисунків, 23 таблиці, 6 додатків.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність роботи з вивчення закономірностей формування структури та властивостей матеріалу при гарячому пресуванні реакційних сумішей системи ZrO₂-Al-C з метою розроблення технології отримання високов'язкої кераміки та застосування її як високоефективного різального інструменту. Визначено мету і завдання досліджень, виділено нові наукові результати і доведено їх практичну цінність для процесу механічної обробки.

У першому розділі описано основні види керамічних різальних матеріалів, які на сьогодні випускаються провідними світовими виробниками, розглянуто умови їхнього ефективного використання, передові напрямки розвитку технологій виготовлення керамічних матеріалів, а також йдеться про перспективність застосування діоксида цирконію як компоненту реакційної суміші з Al та С для синтезу високов'язкої ріжучої кераміки змішаного типу.

На основі аналізу сучасних тенденцій розвитку металообробного виробництва - підвищення швидкостей різання при обробці широкої номенклатури загартованих і легованих сталей та чавунів показано, що на сьогодні оптимальний склад нових ефективних ріжучих керамічних матеріалів з позиції адгезионно-хімічної стійкості має поєднувати в собі компоненти оксидної і оксидно-карбідної керамік (базовим компонентом яких є Al₂O₃). При цьому їх характеристики міцності повинні наближатися до рівня кераміки армованої й нитридной. Відзначено, що застосування високоефективних методів розмелу, а також розвиток нових способів спікання (таких як мікрохвильове, компресійне, високошвидкісне, спікання з контрольованою усадкою, гаряче ізостатичне пресування тощо) не дало можливості поєднати вищевказані характеристики у разі використання порошків стандартного класу й застосуванні традиційних умов синтезу РК.

На основі огляду робіт як вітчизняних, так і закордонних учених показано, що застосування реакційного синтезу не лише дозволяє підвищити фізико-механічні характеристики кераміки змішаного типу (на прикладі «Бихромиту-Р»), але й сприяє зниженню енергоємності процесу в результаті виникнення екзотермічної реакції між компонентами під час нагрівання. При цьому реакційні системи, в яких нагрівання супроводжується утворенням нових тугоплавких компонентів матеріалу, відповідальних за його фізико-механічні характеристики, відрізняє можливість застосування дешевих і доступних порошків таких, як, наприклад, алюміній, сажа в комбінації з тугоплавкими оксидами. При нагріванні це приводить до утворення оксиду алюмінію як базового компонента РК, а також карбіду тугоплавкого металу. Відзначено, що застосування в якості вихідного моноклінного діоксиду цирконію (ZrО_2(м)) у таких реакційних сумішах може супроводжуватися утворенням ZrС, що має твердість і високотемпературну стійкість до окислювання на рівні широко розповсюдженого у виробництві РК карбіду титану, але при цьому має нижчий коефіцієнт термічного розширення й більшу міцність на розтяг при високих температурах. Використання ZrO_2(м) у заздалегідь запланованому складі реакційної суміші, який припускає неповну хімічну взаємодію компонентів, приведе до утворення Al₂O₃, ZrC і наявності у складі матеріалу залишку вихідного оксиду. Наявність в ZrO₂, на відміну від інших тугоплавких оксидів, зворотних поліморфних перетворень при нагріванні буде сприяти трансформаційному зміцнюванню матеріалу за відомим в традиційній кераміці механізмом. Це дозволить у процесі гарячого пресування як ефективного методу отримання гетерофазних керамічних матеріалів високої щільності отримати матеріал із підвищеною трищіностійкістю. Перспективність використання діоксиду цирконію також пов'язана і з тим, що цей матеріал є доступною вітчизняною сировиною, яка виробляється з цирконієвого концентрату, видобуток якого досягає об'єму 35 тис. т/рік.

У другому розділі йдеться про аналіз та обґрунтування вибору методик, матеріалів, приладів і пристроїв, які було застосовано для отримання керамічного ріжучого матеріалу. Для теоретичного обґрунтування доцільності використання реакційної суміші на вищевказаній основі застосовувались методи термодинамічного розрахунку хімічної взаємодії в реакційних системах, які підтверджувалися диференціально-термічними, рентгеноструктурними і мікрорентгеноспектральними дослідженнями. Як основні сировинні матеріали використовувались моноклінний діоксид цирконію виробництва ГНПП «Цирконій» (м. Дніпродзержинськ, Україна), алюмінієва пудра і лампова сажа. Приготування сумішей проводили за допомогою стандартних методів порошкової металургії. Побудову ДТА-кривих здійснювали на високотемпературному диференціально-термічному термоаналізаторі ВДТА-7. Гаряче пресування дослідних зразків проводили на лабораторній установці, розробленій в ІНМ НАН України і оснащеній тиристорним перетворювачем частоти струму ТПЧТ-120, лабораторним гідравлічним пресом і пірометром марки ППТ-131. Металографічні дослідження здійснювали за допомогою поляризаційного оптичного мікроскопа «Neophot-8» і «МЕТАМ-Р1» виробництва «ЛОМО», оснащеного цифровою відеокамерою. Мікрорентгеноспектральні і фрактографічні дослідження проводили на растровому електронному мікроскопі «Cam-Scan-4DV» з енергодисперсійним аналізатором «Link-860» (Велика Британія) за методикою кількісного аналізу ZAF-4/FLS, а також на «EVO 50XVP» (Carl Zeiss), оснащеному енергодисперсійним аналізатором «INCA Penta FET x3» (Велика Британія). Рентгеноструктурні дослідження виконували за допомогою дифрактометру ДРОН-2 в Cu_Kб-випромінюванні. Волюмометричний аналіз проводили на лабораторній установці ДНВП «Алкон-твердосплав». Теплопровідність отриманих матеріалів визначали за допомогою пристрою типу ИТ-3 МХТИ (РФ). Вимірювання твердості гарячепресованих зразків проводили на твердомірах ТП-2 (за Віккерсом, HV15) із розрахунком коефіцієнта тріщиностійкості К_1с, та ТК-2 (за Роквеллом, HRA) за стандартними методиками. Оптимізацію складу вихідної шихти та параметрів гарячого пресування здійснювали за допомогою методів математичного моделювання з використанням програми Statistica 6.0. Різальну здатність пластин форми SNGN 120412, виготовлених з отриманих матеріалів, визначали у порівнянні з пластинами з відомих марок РК за методикою циклічного ударного та чистового безударного точіння на токарно-гвинторізних верстатах марок ФТ-11 та 1Е61М, відповідно, сталі 45 і загартованої (HRC 56-58) сталі ШХ-15.

У третьому розділі приведені дані щодо аналізу реакції хімічної взаємодії моноклінного діоксиду цирконію, алюмінію і вуглецю для встановлення умов утворення оксиду алюмінію та карбіду цирконію як структурних компонентів щільного керамічного матеріалу. За допомогою результатів диференціально-термічного аналізу (рис. 1, а), отриманих після нагріву зразка із суміші ZrO₂-21Al-7С (% за масою) (концентрацію компонентів розраховано за рівнянням (1)) до температури 1650 °С і результатів рентгеноструктурного аналізу вказаного зразка (рис. 1, б), встановлено можливість утворення речовин згідно з реакцією:

3ZrO₂ + 4Al + 3С = 3ZrС + 2Al₂O₃. (1)

Було відзначено, що наявність на термограмі ДТА кількох ендо- і екзоефектів (рис. 1, а) також свідчить про багатостадійний характер цієї взаємодії, що дає підставу для вивчення характеру взаємодії компонентів у розглянутій системі.

Проведено комплексні дослідження систем, які складають систему ZrO₂-Al-C, за допомогою термодинамічних розрахунків, ДТА, рентгеноструктурного аналізу. Використовувались також відомі літературні дані. Встановлено, що утворення оксиду алюмінію відбувається за реакцією, яка супроводжується відновленням Zr із наступним утворенням інтерметаліду в результаті взаємодії:

3ZrO₂ + 10Al = 3Al₂Zr + 2Al₂O₃. (2)

Утворення оксикарбіду ZrC_0,7O_0,08, що, згідно з роботами Т. Я. Косолапової та інших дослідників, може мати місце у разі взаємодії в системі ZrO₂-С, не було встановлено. Утворення карбідів алюмінію в умовах експерименту (при температурі до 1650 °С) є неможливим, що пояснюється малою розчинністю вуглецю в алюмінії та існуванням у цій системі лише одного стійкого карбіду, утворення якого згідно з діаграмою стану Al-C можливе при температурі вище за 2000 °С.

Таким чином, завдяки проведенню вказаних комплексних досліджень системи ZrO_2(м)-Al-С було встановлено, що при нагріванні суміші до 1650 °С між її компонентами відбувається хімічна взаємодія з утворенням оксиду алюмінію та карбіду цирконію, причому утворення першого відбувається в результаті прямої окислювально-відновної реакції ZrO₂ з Al (2), а другого - за рахунок карбідизації інтерметаліду за реакцією:

Al₂Zr + С = ZrС + 2Al. (3)

Отримані результати в подальшому склали основу для вивчення закономірностей хімічної взаємодії компонентів розглянутої системи, показали можливість використання її для отримання оксидно-карбідної кераміки, що послужило підставою для проведення досліджень процесу гарячого пресування сумішей системи ZrO_2(м)-Al-С з метою отримання високощільних матеріалів.

У четвертому розділі розглянуто результати дослідження закономірностей процесу ущільнення, утворення структури й фазового складу, а також властивостей матеріалів гарячепресованих із сумішей систем ZrO_2(м)-Al, ZrO_2(м)-Al-C залежно від концентрації вихідних компонентів та параметрів гарячого пресування; дослідження щодо встановлення оптимального сполучення рівнів твердості та тріщиностійкості отриманих зразків щільних матеріалів, що припускає наявність у них більш високого рівня К_1с при твердості на рівні стандартних типів кераміки змішаного типу.

Вивчено кінетику ущільнення сумішей складу ZrO_2(м)-16, 22, 26Al % (за масою) при різних тиску (12, 18, 24 МПа), температурі (1400-1650 °C) і часу ізотермічної витримки (5-30 хв.). Згідно з діаграмами ущільнення, які були отримані при ГП сумішей системи ZrO_2(м)-Al із різною концентрацією вихідних компонентів встановлено, що незалежно від складу та часу ізотермічної витримки в зазначених інтервалах варіювання температура нагріву 1500 °С при тиску 24 МПа є достатньою для досягнення густини близької до теоретичної. При цьому збільшення температури нагріву до 1650 °С дозволяє отримати високощільні зразки при тиску 18 МПа. Аналіз кривих ущільнення, які характеризують вказані реакційні суміші показує, що при зменшенні концентрації алюмінію відбувається зниження інтенсивності процесу ущільнення, яке проходить у дві стадії, що підтверджується їх східчастим профілем. При цьому перша стадія починається при температурі близько 750-800 °С, що, ймовірно, обумовлено плавленням алюмінію, а друга - при температурі 1380-1420 °С.

Фазовий склад щільних матеріалів із сумішей ZrO_2(м)-16; 22; 26Al (% за масою), який досягається після 5-30 хв. ізотермічної витримки, включає три основні складові: б-Al₂O₃, Al₂Zr та залишок ZrO_2(м), що не прореагував. Це підтверджується результатами як рентгеноструктурного (рис. 2), так і микрорентгеноспектрального (рис. 3, табл. 1) аналізів.

Наведені результати корелюють із результатами попередніх термодинамічних досліджень і ДТА.

Встановлено, що фазовий склад отриманих зразків якісно не залежить від параметрів гарячого пресування. Водночас зменшення концентрації Al у суміші від 26 до 16% (за масою) призводить до відповідного зменшення кількості оксиду алюмінію та інтерметаліду і збільшенню кількості діоксиду цирконію в структурі матеріалу (табл. 1).

Структура зразків матеріалів, гарячепресованих із суміші ZrO_2(м)- 16Al (% за масою), являє собою каркас з оксиду цирконію, в якому дисперговано фази Al₂O₃ та Al₂Zr розміром від 0,5 до 15 мкм (рис. 3, а).

Таблиця 1

Середні значення складу фаз у структурі ГП-зразків, отриманих із суміші ZrO_{2 (м)}-Al

Велике розмаїття форм фазових утворень, широкий діапазон їх структурних розмірів, наявність тонких перемичок між ними свідчать про диференційований характер формування структури матеріалу в процесі взаємодії його компонентів в присутності рідкої фази.

Збільшення кількості алюмінію в суміші до 26 % (за масою) призводить до укрупнення розміру включень фаз Al₂O₃ і Al₂Zr, не впливає на характер утворення їх форми (рис. 3, б). Руйнування вказаних матеріалів переважно має інтеркристалітний характер, що є характерним для всіх високощільних зразків, отриманих із сумішей системи ZrO_2(м)-Al (рис. 3, в, г). Транскристалітне руйнування відбувається за окремими частками фази ZrO_2(м) із розміром більше 5 мкм, що свідчить про їх відносно високу крихкість. При цьому підвищення концентрації Al обумовлює зростання кількості поверхонь інтеркристалітного руйнування (рис. 3, г). Дані, які було отримано, сприяли встановленню механізму взаємодії компонентів при гарячому пресуванні сумішей системи ZrO_2(м)-Al-C.

Дослідження кінетики ущільнення суміші ZrO_2(м)-21Al-7C (% за масою) (склад розрахований за рівнянням (1)) (рис. 4 криві 2, 3) дозволили встановити, що як і ущільнення сумішей без вуглецю (крива 1 на рис. 4) воно відбувається в дві стадії, що починаються при аналогічних із системою ZrO_2(м)-Al температурних показниках.

Встановлено також, що кінетика ущільнення зразків потрійної системи має однакову із системою ZrO_2(м)-Al залежність від параметрів гарячого пресування. Це свідчить про однотипність механизмів, що відбуваються в них у процесі ГП. Ущільнення зразків із суміші ZrO_2(м)-21Al-7C (% за масою) відрізняється меншою інтенсивністю (криві 2, 3 на рис. 4), що ймовірно пов'язане з наявністю в ній вуглецю.

Металографічні дослідження зразків, які було отримано при гарячому пресуванні суміші ZrO_2(м)-21Al-7C (% за масою) показали, що наявність вуглецю призводить до зменшення розміру утворених фаз у структурі матеріалу (рис. 5, а) і збільшує нерівномірність їх розподілу порівняно зі структурою системи (рис. 5, б) ZrO_2(м)-Al.

Ідентичність форм фазових утворень систем ZrO_2(м)-Al і ZrO_2(м)-Al-С підтверджують однаковість механізмів взаємодії, які відбуваються у присутності рідкої фази.

За результатами рентгеноструктурних досліджень структура щільного матеріалу, гарячепресованого з суміші ZrO_2(м)-21Al-7С, складається з двох основних фаз - ZrC і б-Al₂O₃ (рис. 6), що співпадає з даними термодинамічних розрахунків і рентгеноструктурних досліджень зразків після нагріву в ДТА-аналізаторі. Наявність у структурі матеріалу карбіду цирконію призводить до підвищення твердості порівняно з матеріалами системи ZrO_2(м)-Al. За результатами волюмометричного аналізу такий матеріал містить також до 0,5 % вільного вуглецю.

Для оптимізації складу і параметрів гарячого пресування з метою підвищення однорідності структури матеріалів, показників їх твердості та тріщиностійкості проведено планування п'ятифакторного експерименту, що включає такі змінні, як концентрація Al (16-26 % за масою) і С (2,5- 6,5 % за масою) у складі вихідної суміші, а також параметри ГП: тиск (18-30 МПа), температура (1400-1650 °С) та час витримки (5-30 хв.). В результаті проведених досліджень встановлено, що в зазначених інтервалах значень факторів склад ГП-матеріалу визначається вмістом чотирьох основних компонентів: Al₂O₃, ZrC, ZrO_2(м), Al₂Zr. Збільшення вмісту алюмінію призводить до зростання кількості інтерметаліду, а збільшення вмісту вуглецю - до зростання вмісту карбіду цирконію, зменшення кількості інтерметаліду і розмірів складових фаз ГП-зразків (рис. 7). При вмісту вуглецю від 5,5 % та вище збільшується нерівномірність структури матеріалів у вигляді великих скупчень фаз (див. рис. 7, б) як на основі цирконію, так і на основі алюмінію та включень вільного вуглецю, а також спостерігається зникнення діоксиду цирконію у складі гарячепресованих зразків.

Шляхом математичної обробки експериментальних даних було виведено залежності для розрахунку показників твердості за Віккерсом (рівняння (4)) і тріщиностійкості (рівняння (5)), які в розглянутих діапазонах варіювання дозволяють прогнозувати властивості ГП-матеріалів, отриманих у цій системі при заданих значеннях концентрацій вихідних компонентів та параметрах ГП:

, (4)

, (5)

де: HV - твердість за Віккерсом (HV15, ГПа), К_1с - коефіцієнт тріщиностійкості (МПа•м^1/2), С і Al - відповідно концентрації вуглецю й алюмінію у вихідній суміші (% за масою), p - тиск при гарячому пресуванні (МПа), Т - температура нагрівання (°С), ф - час екзотермічної витримки (хв), и - масштабовані значення вищевказаних незалежних змінних (застосовується для підвищення стійкості обчислювального процесу).

За результатами аналізу поверхонь відгуку, які вказують на характер впливу основних факторів на властивості ГП-матеріалів (рис. 8) встановлено інтервали концентрацій компонентів у вихідній суміші Al (21-23,5) і С (4,0-4,5) (% за масою), при яких можна досягнути оптимального сполучення твердості (HV15=18,3-18,7 ГПа) і тріщиностійкості (K_1C=5,2-5,6 МПа?м^1/2) щільних матеріалів.

Вказані, фізико-механічні показники, досягаються при неповній хімічній взаємодії оксиду цирконію з алюмінієм і вуглецем у процесі ГП, тобто у випадку, коли структура містить дві утворені фази - Al₂O₃ і ZrC, залишок непрореагованого ZrO_2(м) і включення інтерметаліду Al₂Zr. Такий матеріал має однорідну дрібнодисперсну (із середнім розміром зерен 0,5-2 мкм) структуру (рис. 9).

Узагальнення результатів досліджень закономірностей формування структури та властивостей керамічних матеріалів, які були отримані із сумішей системи ZrO_2(м)-Al-С, дозволили розробити технологічний регламент на отримання матеріалу за маркою «ZIRCA» типу Al₂O₃-ZrC-ZrO_2(м)-Al₂Zr, який має характеристики, що наведені у табл. 2. З таблиці видно, що нова кераміка має показники твердості, міцність при згині, які знаходяться на рівні промислових марок РК змішаного типу, при цьому її К_1с перевищує аналогічні показники останніх.

Таблиця 2

Деякі характеристики керамічних матеріалів

У п'ятому розділі наведено результати порівняльних досліджень механізмів і кінетики зношування ріжучих пластин із розробленого матеріалу і стандартних керамік ВОК-71 і СС650 («Sandvіk Coromant», Швеція) в умовах циклічного ударного точіння сталі 45 (HB 28-32) та чистового безударного точіння сталі ШХ-15 (HRC 56-58) і викладено результати розрахунків економічної доцільності виготовлення кераміки ZIRCA в умовах промислового виробництва.

Було встановлено, що зношування різальних крайок пластин (до 0,3 мм по задній поверхні) з кераміки марок ZIRCA, ВОК-71 і СС650 при ударному точінні в діапазоні швидкостей різання 0,67-1,33 м/с відбувається в результаті викрашування по задній поверхні інструменту, а втрата працездатності - в результаті сколювання великих фрагментів різальної крайки. При цьому розміри фрагментів сколювання пластин з нової кераміки менші ніж у пластин з СС650 та ВОК-71, що сприяє підвищенню її стійкість у процесі різання (рис. 10) і обумовлено більш високою її тріщиностійкістю.

Результати випробувань при безударному чистовому точінні сталі ШХ-15, загартованої до HRC 56-58 (рис. 11) свідчать про те, що під час різання зі швидкістю 1,67 м/с і подачею 0,05 мм/об. стійкість пластин з кераміки ZІRCA в 1,4 рази нижче стійкості інструменту з СС650 і в 1,2 рази вище стійкості кераміки ВОК-71. При цьому зі збільшенням подачі від 0,1 до 0,14 мм/об. стійкість нової кераміки знижується з меншою інтенсивністю порівняно з інструментом із розглянутих стандартних марок. Тому при подачі 0,14 мм/об. стійкість нової кераміки, така сама як у пластин з кераміки СС650 та в 1,4 рази перевищує стійкість пластин ВОК-71 (рис. 11).

Порівняльні розрахунки економічної доцільності застосування технологічного процесу реакційного гарячого пресування кераміки ZІRCA з технологією виготовлення стандартного матеріалу ВОК-71 показали, що вартість сировини для нового матеріалу в 2 рази нижче, при цьому за рахунок зниження температури гарячого пресування відбувається зниження витрат на графітові прес-форми до 20 %, а електроенергії до 15 %. Отримані дані свідчили про здатність нової інструментальної кераміки конкурувати із кращими світовими аналогами, що робить перспективною її виготовлення в умовах промислового виробництва.

Отримані в дисертаційній роботі результати пройшли випробування у лабораторіях відділу № 18 ІНМ НАН України, а також в ТОВ «Кермет-У» (м. Харків) та ВАТ НВО «Йодобром» (м. Сакі), яки підтвердили можливість отримання розробленої кераміки та її високу працездатність при точінні.

висновки

У роботі вирішена важлива науково-технічна задача, яка полягає в створенні нової високов'язкої кераміки інструментального призначення шляхом дослідження закономірностей взаємодії, структуро- і фазоутворення та властивостей матеріалів у системі ZrО₂-Al-C, що дозволило встановити оптимальні умови утворення матеріалу під час гарячого пресування та використати його в якості інструменту для обробки залізовуглецевих сталей.

У результаті проведених комплексних досліджень, які сприяли доведенню поставлених задач до практичної реалізації, зроблено наступні висновки:

1. Вперше на основі комплексного аналізу тенденцій розвитку сучасної металообробки, видів існуючих різальних керамічних матеріалів, їх властивостей і способів одержання обґрунтовано та запропоновано для розробки нової високов'язкої різальної кераміки змішаного типу в якості компонента реакційної суміші з алюмінієм і вуглецем використовувати моноклінний диоксид цирконію, який є сировиною вітчизняного виробництва.

2. Вивчено термодинаміку взаємодії компонентів стехіометричних сумішей ZrO_2(м)-Al й ZrO_2(м)-Al-C, та експериментально встановлено наявність в них багатостадійної взаємодії в процесі нагрівання з утворенням оксиду алюмінію, інтерметаліду Al₂Zr, а також ZrC в другій системі.

3. Вперше досліджено закономірності процесу гарячого пресування реакційних сумішей системи ZrО_2(м)-Al-С і показано, що ущільнення сумішей ZrO₂ - (16-26)Al - (0-7) C (% за масою) в процесі гарячого пресування відбувається в дві стадії, при цьому, перша стадія починається при температурі 750-800 °С як наслідок плавлення алюмінію, а друга - починається при температурах 1380-1420 °С і супроводжується взаємодією між вихідними компонентами, що дозволяє досягнути пористості матеріалів близької до нуля.

4. Встановлено, що зі збільшенням концентрації вуглецю до 7 % у вихідній суміші, збільшується кількість карбіду цирконію та зменшується вміст інтерметаліду в структурі матеріалу. Це також приводить до зменшення розмірів фаз складових матеріалу, а при концентрації С вище за 5,5 % (за масою) підвищується нерівномірність їх розподілу у структурі матеріалу і спостерігається зникнення ZrO₂ у складі ГП-зразків.

5. Встановлено, що утворення Al₂O₃ і Al₂Zr в процесі гарячого пресування сумішей систем ZrО_2(м)-Al та ZrО_2(м)-Al-С в інтервалі 1400-1650 °С відбувається незалежно від концентрації в них алюмінію і параметрів ГП, а утворення карбіду цирконію в другій системі - переважно шляхом карбідизації вказаного інтерметаліду.

6. Визначено склад вихідних компонентів реакційної суміші ZrО_2(м)-Al-С і параметри гарячого пресування, при яких формується оптимальне сполучення твердості (HV15=18,3-18,7 ГПа) і тріщиностійкості (К_1с = 5,2-5,6 МПа?м^1/2) щільного матеріалу, що досягається при неповному відновленні оксиду цирконію, тобто наявності в матеріалі двох основних фаз - Al₂O₃ й ZrС, залишку ZrО_2(м), який не прореагував, а також включень інтерметаліду і запропоновано математичні залежності для розрахунку HV і К_1с. Отримані результати були підтверджені актом промислових випробувань, які були виконані на ТОВ «Кермет-У» (м. Харків). Оригінальність розробки матеріалу підтверджено патентом України.

7. Встановлено, що ріжучий інструмент з нової кераміки, має більш високу стійкість, при циклічному ударному точінні, а також характеризується меншою інтенсивністю зниження стійкості при чистовому безударному точінні залізовуглецевих сталей у порівнянні з ВОК-71, і СС650 та, в другому випадку, приближається до стійкості інструменту з СС650. Отримані результати були підтверджені актами лабораторних випробувань, які були виконані в ІНМ НАН України, а також актом промислових випробувань на ВАТ НВО «Йодобром» (м. Сакі).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Прокопив Н. М. Формирование градиентной структуры при горячем прессовании смеси ZrO_2(м)-Аl / Н. М. Прокопив, Ф. Я. Якубов, С. И. Джелялов, О. В. Харченко // Високі технології в машинобудуванні. 2005. Вип. 2 (11). С. 316-321.

2. Прокопив Н. М. Исследование взаимодействия ZrO_2(м) и Аl в процессе горячего прессования / Н. М. Прокопив, С. И. Джелялов, О. В. Харченко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения. 2005. Вып. 8. С. 266-271.

3. Якубов Ф. Я. Исследование процесса горячего прессования и свойств инструментального керамического материала на основе системы диоксид циркония - алюминий / Ф. Я. Якубов, Н. М. Прокопив, С. И. Джелялов, О. В. Харченко // Вестник НТУУ «КПИ». Машиностроение. 2005. № 46. С. 85-87.

У роботах [1-3] автор провів підготовку матеріалів та обладнання, взяв участь в проведенні експериментів, а також виконав термодинамічні, диференційно-термічні, металографічні, рентгеноструктурні та мікрорентгеноспектральні дослідження. Робив аналіз отриманих результатів та формулювання висновків щодо механізмів структуро- і фазоутворення матеріалів отриманих в системі діоксид цирконію - алюміній.

4. Прокопив Н. М. Режущая керамика. Состояние и перспективы развития / Н. М. Прокопив, С. И. Джелялов // Вісник Сумського державного університету, сер. Технічні науки (Машинобудування). 2005. № 9 (81). С. 129-134. Автором зроблено літературний огляд сучасних джерел, щодо вивчення проблем виготовлення та застосування керамічних матеріалів інструментального призначення. Взято участь в аналізі отриманих даних та, формулюванні висновків.

5. Прокопив Н. М. Взаимодействие в смеси ZrO_{2 (м)}-Al-С при горячем прессовании / Н. М. Прокопив, С. И. Джелялов, Ф. Я. Якубов // Високі технології в машинобудуванні. 2006. Вип. 1 (12). С. 397-404. Автор провів термодинамічні розрахунки, вивчення кінетики усадки суміші при ГП та металографічні дослідження отриманих зразків. Взяв участь в аналізі результатів рентгеноструктурних та мікрорентгеноспектральних досліджень, обговоренні отриманих результатів та формулюванні висновків.

6. Прокопив Н. М. Металлографические и рентгеноструктурные исследования материалов, полученных при горячем прессовании смеси ZrO₂-Al-C с различным содержанием углерода / Н. М. Прокопив, С. И. Джелялов // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения. 2007. Вып. 10. С. 494 - 497. Автор виготовляв досліді зразки, провів металографічні та рентгеноспектральні дослідження, аналізував отримані результати і формулював висновки.

7. Прокопив Н. М. Стойкостные испытания керамики, горячепрессованной из смеси ZrO₂-Al-C, в условиях циклических ударных нагрузок / Н. М. Прокопив, Ф. Я. Якубов, С. И. Джелялов, Ю. А. Мельнийчук // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. 2007. № 2. С. 82-86. Автором виготовлено дослідні зразки та підготовлено і проведено за участю співавторів експерименти з випробувань на стійкість інструментів із них; вивчено характер зношування керамічних пластин, взято участь в обговоренні результатів та виведенні мат. залежностей стійкості інструменту від часу.

8. Патент на винахід № 81086, Україна. Шихта для виготовлення композиційного матеріалу / Прокопів М. М., Джелялов С. І. (Україна) - № 81086 ; заявл. 03.10.2006 ; опубл. 26.11.2007, Бюл. № 12. Автор взяв безпосередню участь у проведенні експериментів щодо отримання зразків дослідних матеріалів, вивченні їх фізико-механічних властивостей, брав участь в патентному пошуку, виборі аналогів винаходу, формулюванні формули винаходу і опису патенту.

9. Прокопів М. М. Структуроутворення в суміші ZrO_2(м)-Al при гарячому пресуванні / М. М. Прокопів, Ф. Я. Якубов, С. І. Джелялов, О. В. Харченко // Труди міжнар. конф. студентів і молодих вчених з теоретичної й експериментальної фізики «Еврика 2005». Львів: Львівський національний університет ім. І. Франка. 2005. С. 112-113. Автором виготовлено дослідні зразки, взято участь у проведенні металографічних, мікрорентгеноспектральних, рентгеноструктурних досліджень та аналізі отриманих даних і формулюванні основних висновків.

10. Прокопив Н. М. Влияние углерода на структуру и физико-механические свойства материала из смеси ZrO_{2 (м)}-Al при горячем прессовании. / Н. М. Прокопив С. И. Джелялов // Матеріали третьої Всеукр. конф. молодих вчених та спеціалістів «Надтверді, композиційні матеріали та покриття: отримання, властивості, застосування». К.: ІНМ НАНУ ім. В. Н. Бакуля. 2006. С. 29-30.

11. Джелялов С. І. Особливості взаємодії в суміші ZrO₂-Al-C з різною концентрацією вуглецю при гарячому пресуванні / С. І. Джелялов // Труди міжнар. конф. студентів і молодих вчених з теоретичної й експериментальної фізики «Еврика 2007». Львів: Львівський національний університет ім. І. Франка. 2007. С. D 13.

12. Прокопив Н. М. Влияние концентрации углерода на структуру и свойства материала горячепрессованного из смеси ZrO₂-Al-C / Н. М. Прокопив С. И. Джелялов, О. В. Харченко // Труды междунар. конф. «HighMatTech». К.: ИПМ им. И. Н. Францевича НАНУ, 2007. С. 337.

13. Джелялов С. И. Керамика инструментального назначения, полученная из шихты системы ZrO₂-Al-C. / С. И. Джелялов // Материалы докладов 8-й междунар. науч.-тех. конф. «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка». Минск: Институт порошковой металлургии НАН Беларуси. 2008. С. 136-138.

У роботах [10-13] автором було досліджено кінетику ущільнення сумішей систем ZrO_2(м)-Al та ZrO_2(м)-Al-С в процесі синтезу, зроблено термодинамічні та металографічні дослідження, проведено аналіз результатів рентгеноструктурних та мікрорентгеноспектральних досліджень, математичну обробку даних й встановлено представлені в роботі [13] математичні моделі; також взято участь у обговоренні результатів и формулюванні висновків.

АНОТАЦІЯ

Джелялов С. І. Закономірності формування структури та властивостей керамічного матеріалу інструментального призначення в системі ZrO₂-Al-C. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, Київ, 2008.

Дисертацію присвячено розробці високов'язкої інструментальної кераміки змішаного типу шляхом дослідження закономірностей взаємодії компонентів реакційних сумішей ZrO₂-Al-C, кінетики її ущільнення, структуро- і фазоутворення при одержанні гарячим пресуванням щільних матеріалів, вивченню їх фізико-механічних властивостей та працездатності при лезовій обробці. Встановлено, що при гарячому пресуванні між компонентами вказаної системи в інтервалі температур 1400-1650 °С проходить хімічна взаємодія з утворенням Al₂O₃, інтерметаліду Al₂Zr, а також ZrC, яке відбувається за рахунок карбідизації вказаного інтерметаліду. Отримано математичні залежності, для розрахунку фізико-механічних показників (HV15, K_1с), що дозволяють прогнозувати властивості гарячепресованих матеріалів при заданих значеннях концентрацій вихідних компонентів й параметрів ГП. Встановлено, що оптимальний рівень значень твердості і тріщиностійкості досягається при неповному відновленні Zr алюмінієм із ZrO₂, тобто в матеріалі, який включає фази Al₂O₃, ZrC, ZrO_2(м) як основні та включення Al₂Zr. Розроблений матеріал дозволяє підвищити стійкість інструменту з нього при ударному та чистовому безударному точінні залізовуглецевих сталей порівняно з інструментом із стандартної кераміки.

Ключові слова: ріжуча кераміка, гаряче пресування, реакційна суміш, діоксид цирконію, структуроутворення, фазоутворення, точіння, стійкість інструменту.

Аннотация

Джелялов С. И. Закономерности формирования структуры и свойств керамического материала инструментального назначения в системе ZrO₂-Al-C. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - Материаловедение. - Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, Киев, 2008.

Диссертация посвящена разработке высоковязкой инструментальной керамики смешанного типа путем исследования закономерностей взаимодействия компонентов реакционных смесей системы ZrO₂ -Al-C, кинетики ее уплотнения при горячем прессовании, структуро- и фазообразования плотных материалов, изучения их физико-механических свойств, механизмов и кинетики изнашивания инструментов, изготовленных из них, в процессе резания. На основе комплексного анализа современных тенденций развития металлообрабатывающей промышленности, областей применения режущих керамических материалов отмечено что, среди всех видов инструментальной керамики (ИК) наиболее широкое распространение получила ИК смешанного типа (клас A₂ - mixed ceramic) - Al₂O₃-Ti(C, N), Al₂O₃-TiC-ZrO₂. Это объясняется оптимальным сочетанием в ней показателей как физико-механических, так и химико-адгезионных характеристик. Отмечено, что основным недостатком смешанной керамики является ее относительно низкая трещиностойкость (К_1с=4-4,5 МПа?м^1/2). В результате анализа современных способов изготовления новых эффективных керамических материалов, для решения данной проблемы было предложено применение для синтеза ИК ресурсосберегающей технологии горячего прессования реакционных смесей системы ZrO₂-Al-C. Особенностью данного метода является то, что формирование фазового состава материала происходит одновременно с формированием его структуры в процессе экзотермического реакционного взаимодействия заранее подобранных компонентов, что также способствует уменьшению энергоемкости процесса. Эффективность применения смесей системы ZrO₂-Al-C была обоснована возможностью образования в ней при нагреве тугоплавких компонентов и трансформационным упрочнением материала диоксидом циркония. Анализ термодинамики взаимодействия компонентов системы ZrO₂-Al-C и двойных систем ее составляющих, а также дифференциально-термические и рентгеноструктурные исследования позволили установить, что при нагреве данной реакционной смеси в интервале температур 1400-1650 °С происходит химическое взаимодействие между ее компонентами с образованием оксида алюминия, интерметаллида Al₂Zr и карбида циркония, которое в рассмотренных интервалах варьирования (концентрация Al - 16-26 % и С - 2,5-6,5 % (по массе) в исходной шихте, параметры ГП: давление - 18-30 МПа, время изотермической выдержки - 5-30 мин качественно не зависит от параметров горячего прессования и определяется только концентрацией компонентов исходной смеси, при этом образование Al₂O₃ происходит в результате прямого взаимодействия алюминия с оксидом циркония, а ZrС - в результате карбидизации Al₂Zr. На основе данных, полученных в результате планирования пятифакторного эксперимента при вышеуказанных интервалах варьирования, определены факторы, оказывающие наибольшее влияние на показатели твердости по Виккерсу (HV15) и трещиностойкости (K_1с) плотных ГП-материалов, которыми являются концентрация алюминия и углерода в исходной смеси. В результате математической обработки полученных данных получены математические зависимости для расчета данных физико-механических характеристик, позволяющие прогнозировать свойства материалов данной системы при заданных концентрациях исходных компонентов и параметрах ГП. Комплексные исследования влияния состава исходной смеси, параметров ГП на фазовый состав плотных материалов, а также характеристик микроструктуры позволили установить, что оптимальный уровень значений твердости и трещиностойкости горячепрессованных материалов достигается при неполном восстановлении Zr из оксида, т. е. в материале, который содержит Al₂O₃, ZrС, ZrО_2(м) в виде основных фаз и включения Al₂Zr. Обобщение результатов исследований позволило разработать технологический регламент на получение материала марки «ZІRCA» типа Al₂O₃-ZrO₂-ZrO_2(м)-Al₂Zr с показателями HV15=18,50,2 ГПа и К_1с=5,40,2 МПа•м^1/2, который прошел апробацию на производственном участке ООО «Кермет-У» (г. Харьков). Изучение кинетики и механизмов износа разработанной керамики при точении стали 45, в условиях циклических ударных нагрузок при различных скоростях (0,67-1,33 м/с) резания, а также чистового точения стали ШХ-15 (HRC 56-58) v=1,67 м/c, t=0,25 мм, при различных подачах (0,05-0,14 мм/об.) позволило установить преимущества нового материала по сравнению со стандартными, которое в первом случае проявляется в уменьшении фрагментов микроскалывания режущей кромки, а во втором - в менее интенсивном снижении стойкости инструмента из новой керамики с увеличением подачи, и более высоким уровнем стойкости при значении 0,14 мм/об. по отношению к инструменту из ВОК-71 и на уровне пластин из керамики СС650. Полученные результаты были подтверждены актами испытаний проведенными в ИСМ НАН Украины, а также опытно-промышленной проверкой на ОАО НПО «Йодобром» (г. Сакі).