Изготовление режущих пластин из оксидной керамики, включающей полные и неполные оксиды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изготовление режущих пластин из оксидной керамики, включающей полные и неполные оксиды

Алифанов А.В.

Бурносов Н.В.

Толкачева О.А.

Проблемы повышения износостойкости режущего инструмента, поиска новых материалов, способов их использования достаточно многогранны. В деревообрабатывающей промышленности основным материалом для оснащения режущих граней инструментов, обеспечивающим высокопрочную и высокопроизводительную обработку являются твердые сплавы различных модификаций, которые остаются достаточно дорогими. Мы предлагаем в качестве режущих пластин инструментов более широко использовать оксидную керамику.

Повышения прочностных характеристик оксидной керамики и расширения области ее применения можно достигнуть за счет увеличения ее вязкости.

Изучение различных видов керамических материалов показало, что для достижения поставленной цели целесообразно использовать не чистые керамики, а металлокерамические материалы, которые представляют собой гетерогенные композиции одной или нескольких керамических фаз с металлами [1]. Керамической фазой здесь могут быть оксиды, карбиды, бориды и нитриды, а металлической -- алюминий, железо или тугоплавкие металлы.

Оксид алюминия (Al₂O₃), как один из самых перспективных керамических материалов, стал основой серии керметов. К наиболее перспективным относятся композиции "оксид алюминия - тугоплавкий металл (Mo, W, Nb, Ta)", а также -- "оксид алюминия -Ni, Co, Fe".

Одновременно применительно к оксидной керамике обычно отрицается возможность получения основы из высшего и низших оксидов (субоксидов), например, алюминия, так как его субоксиды или неполные оксиды (AlO и Al₂O) стабильны только при высоких температурах [2-5], приближающихся к температуре плавления Т_ПЛ высшего оксида (Al₂O₃). При охлаждении, начиная с 0,7-0,8 Т_ПЛ, субоксиды превращаются по реакции диспропорционирования в высший оксид с образованием металлическом фазы.

Изделия или полуфабрикаты из порошковых материалов чаще всего получают двумя способами: холодным прессованием с последующим спеканием или горячим прессованием, когда и прессование, и спекание совмещаются в одном процессе. В данной работе применялось горячее статическое прессование.

В данной статье рассматриваются два метода получения горячим прессованием оксидно-субоксидной керамики при температуре 0,7-0,8Т_пл. Оба метода основаны на применении активирующих добавок в порошки оксидных керамик в процессе их спекания, что соответствует рекомендациям в различных литературных источниках [6-9].

Получение оксидно-субоксидных керамик путем введения в основной оксид одноименного металла

Первый метод получения оксидно-субоксидной керамики заключается во введении в основной оксид одноименного металла в количестве 1-10% (масс.), хорошо смачивающего при плавлении свой оксид и растворяющегося в нем (в твердой фазе) до 5% и более.

В качестве таких композиций можно предложить, например, системы:

Al₂O₃+Al; TiO₂+Ti; ZrO₂+Zr; Hfo₂+Hf и т.д.

В процессе горячего прессования на воздухе (для Al₂O₃) и в восстановительной или нейтральной атмосферах (для TiO₂; ZrO₂; Hfo₂) и при дефиците кислорода на границе фазового раздела "оксид-металл" образуются следующие субоксиды в соответствии с применяемой композицией:

AlО и Al₂O; TiO и Ti₂O₃; Zr₃O; Hf₃О.

Образующиеся субоксиды в процессе быстрого охлаждения от температуры прессования частично распадаются на высший оксид и металлическую пластичную фазу. Часть субоксидов стабилизируется при комнатной температуре в целях быстрого охлаждения, располагаясь по границам зерен высшего оксида или образуя с ним гетерогенную смесь в зависимости от степени измельчения высшего оксида и количества вводимого металла. Металлическая (пластичная) фаза выделяется в микро- и макропорах и является препятствием (барьером) на пути распространения микротрещин, что хорошо согласуется с теоретическими предпосылками [2-4].

За счет выделения и стабилизации субоксидов повышается прочность керамики, так как низшие оксиды (субоксиды) обладают большей вязкостью, чем высшие [9]. Этот эффект является основополагающим для увеличения вязкости и снижения хрупкости керамики.

В связи с тем, что прессование в данном случае происходит при высокой температуре, все вышеописанные явления протекают при участии жидкой металлической фазы, резко ускоряющей реакционную диффузию.

Таким образом, после охлаждения от температуры прессования до комнатной, в структуре керамики присутствуют следующие фазы: высший оксид, субоксиды и металлическая фаза.

Например, при горячем прессовании (t=168020^ОС) шихты, состоящей из смеси порошков Al₂O₃ и (1-10% масс) Al, в графитовой пресс-форме, на воздухе, протекает следующая реакция:

. (1)

В процессе охлаждения от температуры прессования получается:

, (2)

. (3)

Учитывая, что в нашем случае охлаждение происходит достаточно быстро (за счет принудительного охлаждения контейнера, в котором находится графитовая пресс-форма) и часть субоксидов не вступает в реакцию (2) и (3), а стабилизируется при комнатной температуре, в полученной после горячего прессования композиции присутствуют следующие фазы: Al₂O₃, Al₂O, AlO, Al.

Оксидно-субоксидную керамику можно получить и в других системах, но в нейтральных средах (Ar, He). Например, для системы (TiO₂ --Ti) в условиях горячего прессования имеем:

, (4)

а при быстром охлаждении от температуры прессования до комнатной осуществятся следующие реакции:

, (5)

(6)

То же самое и для системы (ZrO₂ --Zr) -- при нагреве:

, (7)

при охлаждении:

. (8)

Получение оксидно-субоксидных керамик методом введения в основной оксид металла-восстановителя

Вторым направлением получения оксидно-субоксидных керамик является метод введения в порошок высшего оксида порошка металла-восстановителя, который обладает большим сродством к кислороду, чем металл основного оксида, например, алюминия.

Основным условием самопроизвольного протекания реакции, представленной в общем виде:

, (9)

(где Me --какой либо металл, составляющий основу оксида), является более высокая прочность оксида алюминия по сравнению с оксидами восстанавливаемых элементов [8]. По убыванию степени прочности в ряду элементов Zr, Ti, Si, B, Cr, Nb, Mn, V, W, Mo, все оксиды этих элементов восстанавливаются алюминием. Элементы, образующие более прочные соединения в указанном ряду, могут служить восстановителями для менее прочных. В соответствии с принципом последовательности превращений высшие оксиды сначала восстанавливаются до низших, которые затем восстанавливаются до элемента [9].

Введение металла-восстановителя в количестве 1-10% (масс.), значительно меньшем теоретического (20-30%) [8], необходимого для полного восстановления, приводит к неполному восстановлению оксида с образованием субоксидов и небольшого количества металлической (восстанавливаемый металл) фазы.

Так, при горячем прессовании в нейтральной среде шихты из диоксида титана и алюминия в количестве (1-10% масс.), меньшем, чем необходимо для полного восстановления, протекает реакция:

. (10)

При медленном охлаждении от температуры горячего прессования протекают следующие, уже известные ранее (5) и (6), реакции:

.

,

В процессе быстрого охлаждения часть субоксидов сохраняется. Таким образом, полученная композиция в готовом виде включает следующие компоненты: TiO₂ , Al₂O₃, Ti₂O₃, TiO и Ti.

Получение режущих пластин из оксидно-субоксидной керамики на основе оксида алюминия

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что при всех своих достоинствах (твердость, прочность, тепловая стойкость) керамика на основе алюминия, как впрочем и любая другая, имеет один главный недостаток -- хрупкость [6, 8], что ограничивает применение этой керамики, например, при изготовлении металлорежущих резцов. Обычно, для устранения или уменьшения хрупкости в оксид алюминия добавляют TiC, иногда до 60% (масс.) [4, 6, 10], или другие оксиды, что приводит к удорожанию получаемой композиции.

Разработка новых способов получения композиций на основе оксидной керамики при одновременном получении и стабилизации в процессе спекания субоксидов (низших оксидов) позволяет увеличить вязкость и снизить хрупкость керамического материала, обеспечивая тем самым и значительное расширение области его использования, например, для изготовления высокопрочных режущих пластин.

С целью дальнейшего исследования механических и эксплуатационных свойств оксидно-субоксидной керамики на основе Al₂O₃, используемой в качестве режущих пластин, были изготовлены соответствующие пластины квадратной формы размерами 13,5х13,5 мм и толщиной 5,6 мм. Пластины были получены горячим статическим прессованием. Порошковая смесь "оксид алюминия (95% масс.) и алюминий (5% масс.)", включающая фракции порошков 10-20 мкм, помещалась в графитовую пресс-форму, реализующую схему двухстороннего сжатия, при высокой температуре 1680 20С.

Затем, с помощью специального устройства осуществлялось ускоренное охлаждение заготовок до комнатной температуры.

Спеченная оксидно-субоксидная керамика имеет черный цвет. Рентгенофазовый анализ, выполненный на рентгеновском диффрактометре ДРОН-ЗМ, выявил в полученных образцах четыре фазы: Al₂O₃, Al₂O, AlO и Al (Табл. 1).

Таблица 1. Результаты рентгенофазового анализа образцов оксидно-субоксидной керамики

Высокопрочные режущие пластины из керамики на основе оксида алюминия с различными включениями производит ряд известных зарубежных фирм, например, американо-германская "Кеннаметал-Хертель", шведская "Сандвик", израильская "Искар" и др. В странах-членах СНГ наиболее качественные режущие пластины изготавливает Московский завод твердых сплавов на основе разработок ВНИИТС. Эти пластины, при хорошем качестве, дешевле зарубежных в 3 и более раз.

Целью настоящей работы являлось получение опытных режущих пластин из оксидно-субоксидной керамики на основе Аl, лучших или не уступающих по своим эксплуатационным свойствам московским, но еще более дешевых.

Механические свойства полученных оксидно-субоксидных образцов на основе Al₂O₃, отшлифованных алмазными кругами до размеров 13,7х13,7х4,76 мм, исследовались в сравнении с пластинами BO-100 и ВОК-200, изготовленными во ВНИИТС. Пластины BO-100 являются керамикой оксидного типа на основе Al₂O₃ с добавками других оксидов. Пластины ВОК-200 являются керамикой оксидно-карбидного типа на основе Al₂O₃ и TiC с добавками других оксидов [10]. В таблице 2 приведены механические свойства режущих пластин, изготовленных во ВНИИТС, и оксидно-субоксидных керамических пластин (ОС), изготовленных по новой технологии (рис. 1).

Рис. 1. Режущие пластины из оксидно-субоксидной керамики

Таблица 2. Сравнительные свойства керамик на основе Al₂O₃

Из таблицы 2 видно, что по основным механическим свойствам образцы пластин из оксидно-субоксидной керамики на основе Al₂O₃ (ОС) не уступают или превосходят образцы BO-100 (Al₂O₃) и приближаются к показателям образцов ВОК-200, изготовленным на основе Al₂O₃ и TiC, а по коэффициенту трения превосходят и ВО-100, и ВОК-200 за счет внутренней твердой смазки, в качестве которой служат включения свободного алюминия.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности использования режущих пластин из оксидно-субоксидных керамик на основе Al₂O₃ в производственных условиях.

Лабораторные испытания режущих пластин типа ОС, ВО-100 и ВОК-200 на токарных операциях резания различных сталей показали преимущества пластин ОС. Усилие резания этими пластинами меньше, чем усилия резания пластинами ВО-100 и ВОК-200, на 12-15% за счет эффекта самосмазывания включениями свободного алюминия.

Режущие пластины из оксидно-субоксидной керамики на основе Al были испытаны в производственных условиях при обработке древесно-стружечных плит, клееной древесины, а также различных пород древесины: дуба, березы, сосны и др. Испытания показали, что при обработке абразивосодержащих древесных материалов стойкость фрезерного инструмента, оснащенного оксидно-субоксидными пластинками, приближенными к стойкости твердосплавного инструмента, а при обработке различных древесных пород стойкость керамических оксидно-субоксидных пластин в 2 и более раз превышает стойкость обычно применяемых инструментов из высоколегированных сталей (Р6М5, ШХ15 и др.). Учитывая значительно меньшую стоимость разрабатываемого керамета по сравнению с твердым сплавом и инструментальными сталями, можно рекомендовать пластины из оксидно-субоксидной керамики на основе Al к широкому внедрению в производстве.

Литература

износостойкость режущий инструмент керамика

1. Энциклопедия неорганических материалов: В 2-х т./Ред. И.М. Федорченко и др. - Киев: Укр. Сов. энциклопедия, 1977. -- Материаловедение.1977 С.565 - 571.

2. Тонкая техническая керамика/ Под ред. Х. Янагида. -- М.: Металлургия, 1986 -- 276 с.

3. Шведков Е.Л. «Вязкая» керамика за рубежом (теоретические предпосылки) -- Киев, 1987 -- 21 с. -- (Препринт / Институт проблем материаловедения АН УССР, № 7).

4. Шведков Е.Л. «Вязкая» керамика за рубежом (теоретические предпосылки) -- Киев, 1987 -- 23 с. -- (Препринт / Институт проблем материаловедения АН УССР, № 8).

5. Алюминотермия / Н.П. Лякишев, Ю.Л. Плинтер, Г.Ф. Игнатенко, С.И. Лапко: под ред. Н.П. Лякишева. -- М.: Металлургия, 1978. -- 423 с.

6. Федорченко И.М., Скороход В.В. Теория и практика спекания. Порошковая металлургия. -- 1967. -- № 11. -- С. 29-50.

7. Кислый П.С., Кузенкова М.А., Повышение активности порошков к спеканию// Порошковая металлургия . -- 1969. -- № 11. -- С. 21-25.

8. Райченко А.И., Хандрос Л.П., Муравский Н.А. Химические методы активации спекания порошковых материалов// Порошковая металлургия. -- 1970. -- № 1. -- С. 26-29.

9. Федорченко И.М., Иванова И.И. Исследование концентрационной зависимости усадки при спекании двухфазных систем // Теория и технология спекания: Сб. Сторон. -- Киев: Наукова думка, 1974. -- С. 105-115.

10. Каталог: Керамические режущие сменные многогранные пластины. -- М., 1992. -- 11 с. (Препринт / ВНИИТС, № 3).

Размещено на Allbest.ru