Инструментальная керамика

При увеличении скорости резания в последние годы, а также при появлении многочисленных возможностей обработки различных новых промышленных материалов, в дополнение к прежним характеристикам твердости и вязкости особенно важными характеристиками режущих инструментов стали такие, как теплопроводность и низкая реакционная способность.

Керамические материалы являются многообещающими материалами для изготовления обрабатывающих инструментов. Изготовлять обрабатывающие инструменты из керамики стали примерно с 1950-х гг., когда были проведены исследования разных видов керамики как материала для режущих инструментов. В этот период был внедрен оксид алюминия в качестве материала с самыми высокими функциональными характеристиками, способного выдерживать высокие скорости резания. С тех пор, когда говорят о керамических режущих инструментах, имеют в виду выполненные, главным образом, из оксида алюминия.

Первые керамические режущие инструменты имели низкую вязкость (сопротивление излому ~300 МПа); помимо этого, они часто ломались во время работы из-за того, что в те времена была, не очень высока жесткость станков. Впоследствии, особенно в Японии, были проведены интенсивные научно-исследовательские работы с целью разработки способов спекания, химического состава (добавки) и повышения функциональных характеристик керамических режущих инструментов.

В 1970 г. началось внедрение высокотвердых режущих инструментов с высокой вязкостью и с покрытием быстрорежущей стали керамическим материалом. Это позволило намного повысить только износостойкость, не снижая при этом традиционной вязкости режущих инструментов.

Такие режущие инструменты универсальны, и можно применять их без какого - либо изменения традиционного оборудования и режима резания. Покрытие увеличило срок службы инструментов, поэтому они стремительно распространились.

Известно, что у керамических режущих инструментов обычно высоки функциональные характеристики при резании серого литейного чугуна и чистовой обработке резанием.

Наиболее износостоек обычно инструмент из оксида алюминия высокой чистоты. При мокрой токарной обработке резанием применяют, главным образом, режущие инструменты из этого материала. Также при мокром или прерывистом резании применяют инструменты из карбида титана с высокими вязкостью и теплопроводностью.

Одним из способов решения важной проблемы обеспечения износостойкости и вязкости режущего инструмента является нанесение на поверхность высоковязкого металла - основы режущего инструмента покрытия из веществ, обладающих высокими износостойкостью, химической стойкостью и стойкостью к наплавлению. Проблема сводится к тому, каким образом на долгое время стабильно закрепить материал покрытия на поверхности режущего инструмента; она связана с зависимостью между прочностью самого нанесенного покрытия и силами сцепления его с металлом - основой режущего инструмента.

Эффект повышения износостойкости проявляется тем сильнее, чем больше толщина покрытия, и поэтому обычно его толщина составляет 8-10 мкм. Однако при прерывистом резании и других его видах, когда требуется повышенная прочность сцепления, толщина наносимого покрытия составляет 3-4 мкм, и этого достаточно, чтобы скалывания покрытия не происходило.

Среди способов нанесения покрытия различают два вида напыления: химическое (CVD) и физическое (PVD) осаждение в паровой фазе. При способе CVD хлориды вещества, предназначаемого для покрытия, напыляют на поверхность инструмента и затем с помощью химических реакций хлор замещают на углерод, азот, кислород и другие элементы, получая нужное соединение. Этот способ широко применяется, так как он дает возможность массового производства и обеспечивает сравнительно большую силу сцепления покрытия с материалом режущего инструмента. Однако для прохождения химической реакции инструмент необходимо нагреть до ~1000 °С, при этом между нанесенным покрытием и режущим инструментом образуется хрупкий промежуточный слой, изменяется структура металла - основы режущего инструмента и т. д. Этот способ применяют, главным образом, для нанесения покрытий на сверхтвердые режущие инструменты.

Физическое напыление покрытия (PVD) можно осуществить способами набрызгивания, ионной металлизации и др. В этих способах зерна и ионы вещества покрытия ускоряют и сталкивают с поверхностью режущего инструмента, обеспечивая физическое сцепление. Температура инструмента при этом сравнительно низкая и нарушений, возникающих при осуществлении способа СVD, не образуется, но у способа PVD есть такие недостатки, как трудность массового производства, образование разницы в силе сцепления в зависимости от направления поверхности инструмента и др. Этот способ применяют для покрытия режущих инструментов из быстрорежущей стали.

Инструментальная промышленность выпускает синтетические сверхтвердые материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора. Природный алмаз - самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента. Принципиальное отличие монокристаллического природного алмаза от всех других инструментальных материалов, имеющих поликристаллическое строение, с точки зрения инструментальщика состоит в возможности получения практически идеально острой и прямолинейной режущей кромки. Поэтому в конце XX века с развитием электроники, прецизионного машиностроения и приборостроения применение резцов из природных алмазов для микроточения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т.п. возрастает. Однако из-за дороговизны и хрупкости природные алмазы не применяются в общем машиностроении, где требования к качеству обработки деталей не столь высоки.

Природные монокристаллы алмазов с давних времен применяли в качестве режущих инструментов, они имеют отличные функциональные характеристики для обработки нежелезных материалов. Микротвердость алмаза превышает 9000 по шкале Виккерса, т. е. более чем вдвое выше микротвердости СВN.

Однако, когда температура воздушной среды становится выше 600 °С, износостойкость алмаза снижается. Кроме того, когда резец представляет собой монокристалл, то под влиянием ориентации кристалла износостойкость и спайность бывают разными и алмаз как режущий инструмент деформируется, что приводит к осложнениям при его использовании.

Кубический нитрид бора сверхтвердый материал, не имеющий природного аналога. Впервые кубический нитрид бора был синтезирован в 1956 году (фирмой «Дженерал Электрик») при высоких давлениях (свыше 4,0 ГПа) и высокой температуре (свыше 1473К) из гексагонального нитрида бора в присутствии щелочных и щелочноземельных металлов (свинец, сурьма, олово и др.). Кубический нитрид бора, выпускаемый фирмой «Дженерал Электрик», был назван боразоном.

Синтетические монокристаллы алмаза и кубический нитрид бора, полученные искусственным путем, имеют очень малые размеры, поэтому для использования в качестве инструментального материала их соединяют (сращивают) в поликристаллы [2].

Режущие инструменты СВN - это изделия, полученные спеканием кубического нитрида бора при давлении >5 ГПа и температуре >1200 °С. В качестве режущего инструмента применяется сверхтвердый сплав в соединении со спеченным изделием из СВN толщиной 0,5-1,0 мм.

У зерен СBN очень высоки микротвердость Нм=45 ГПа и теплопроводность л?254 Вт/(мК). В условиях атмосферы они сохраняют стабильность до 1300 °С и не вступают в реакцию с железом, в этом их особенность.

Различают спеченные изделия без связок и изделия с керамическими связками на основе TiN или А12О3; эти изделия немного различаются по свойствам и функциональным характеристикам.

Износостойкость режущего инструмента СBN зависит от состава связки, а также от способа их изготовления и химического состава. Поэтому при выборе режущих инструментов СВN следует учитывать свойства их и обрабатываемого материала.

Обычно режущие инструменты СВN применяют для обработки резанием углеродистой инструментальной, легированной, штамповой сталей, отбеленного чугуна и других материалов, не содержащих карбидов со слишком высокой твердостью. До известной степени их можно использовать и в тех случаях, когда требуется вязкость.

У режущих инструментов из синтетических алмазов, спеченных при таких же, как и инструменты СВN, высоких давлении и температуре изделий, представляющих сверхтвердый сплав, намного повышена вязкость (стойкость к выкрашиванию).

По составу эти режущие инструменты делятся на два вида: без связок (с содержанием какого-то количества Со) и спеченный со связкой из сверхтвердых сплавов. В первых зерна алмаза непосредственно взаимосвязаны. Они имеют высокую твердость и износостойкость, пригодны, главным образом, для обработки резанием материалов высокой твердости, но эти режущие инструменты отличаются плохой обрабатываемостью. У вторых износостойкость несколько ниже, но при лучшей обрабатываемости. В зависимости от обрабатываемого материала и эти инструменты имеют достаточно высокие функциональные характеристики.

Режущая кромка инструментов из синтетических алмазов не столь остра, как у инструментов из природных алмазов. Следовательно, для сверхточной чистовой обработки и зеркальной обработки наиболее подходят режущие инструменты природных алмазов. Теплопроводность природных алмазов также более высока.

Таким образом, и алмазные режущие инструменты надо подбирать по видам в зависимости от назначения.

Одним из критериев оценки керамики является изготовление из нее ножей. Чтобы проверить, можно ли сделать из керамики деталь машины, - надо попробовать сделать из нее нож. Если нож тонок, а лезвие его остро, то материал оптимален.

Из диоксида циркония изготовляют ножи и скальпели, ножницы - в основном из оксида алюминия, однако в последнее время и из диоксида циркония. Их затачивают на алмазных кругах, выбор которых представляет значительную трудность. Обращение с ножами из керамики требует большой осторожности, они могут быть причиной несчастных случаев из-за большой остроты их лезвий. В настоящее время ножами для подводных работ может пользоваться только ограниченный круг людей. Неспособность ржаветь, ненужность перезаточки, легкость - вот их отличительные особенности. Проводятся научно-исследовательские работы по изготовлению керамических лезвий. Керамические изделия используются в разных областях. Керамические шарики (из нитрида кремния - черные, из оксида алюминия - белые) в последнее время применяются в шариковых ручках. Кольца - уплотнения из оксида алюминия начинают активно использовать в автомобилях и летательных аппаратах. Керамические детали машин, хотя и понемногу, но прочно завоевывают позиции.

В настоящее время самыми крупными производителями керамических ножей являются Япония и Китай. Принято считать, что китайские кухонные инструменты из керамики уступают в качестве японским, но в Китае производство таких ножей налажено, конечно же, более массово и они более дёшевы. Поэтому, приобретая наборы кухонных ножей из керамики или отдельные керамические ножи, надо более тщательно выбирать и не экономить на качестве.

Основным материалом в производстве керамических ножей, как уже говорилось выше, является циркониевая керамика. Добывают минерал циркон по всему миру: в Австралии, Индии, на Мадагаскаре, в США, Западной Африке, Норвегии, Украине. Есть залежи циркона и в России, месторождения минерала есть в Сибири и на Урале, а завод, способный перерабатывать циркон, в нашей стране, к сожалению, только один - Чепецкий механический завод, который располагается в Удмуртии.

Интересно, что циркон, предназначенный для изготовления японских керамических ножей, отправляют на китайские заводы, где из него производится диоксид циркония, а уже потом этот белый порошок поступает на японские заводы.

Рассмотрим технологию изготовления керамических ножей на примере их производства в японских компаниях. Циркониевый порошок прессуется в лезвия будущих ножей под огромным давлением - почти 300 тонн. Затем получившиеся заготовки обжигают в печи, где температура достигает 1400 градусов. Через двое суток хрупкие пластины из циркония закаляются и становятся прочной и лёгкой керамикой [3].

Керамические инструменты (неважно, кухонный нож или хирургический скальпель) намного твёрже, чем аналогичные инструменты, сделанные из закалённой стали. Твёрдость высококачественной стали равна 5,5-5,8 единиц по шкале Мооса, дамасская сталь тверда на 6,3 балла, а вот циркониевая керамика получила 8,2 единицы по Моосу. Только алмаз твёрже циркония - его твёрдость оценивается в 10 единиц.

Необходимым условием достижения высоких режущих свойств инструмента является низкая физико-химическая активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому. Поэтому кристаллохимические свойства инструментального материала должны существенно отличаться от соответствующих свойств обрабатываемого материала.

Одним из значимых факторов в современной промышленности является совершенствование технологии производства. Особенность современного производства - это применение новых инструментальных материалов, которые обладают высокими режущими свойствами. К таким материалам относится режущая металлокерамика (кермет).

режущий инструмент керамика износостойкость

Библиографический список

1. Инструментальная керамика. Мир словарей

2. Инструментальные материалы

3. Технология изготовления керамических ножей

4. Боровский Г.В. Инструментальное производство в России. - М.: ОАО «ВНИИинструмент», 2008. - 160 с.

5. Волосова М.А., Григорьев С.Н., Маслов А.Р. Инструмент высокоэффективных технологий. - М. : Изд-во «ИТО», 2011. - 222 с.

6. Рыжкин А.А., Шучев К.Г., Климов М.М. Обработка материалов резанием: учеб. пособие для вузов по направлениям подгот. бакалавров и магистров. - Ростов н/Д : Феникс, 2008. - 411 с.

Размещено на Allbest.ru