Изменение свойств оксидной керамики при добавлении

в ее состав различных соединений [132]

Данные табл. 11.16 свидетельствуют о достаточно благопри­ятном изменении основных свойств при разработке многокомпо­нентной керамики. Наибольшее распространение в мировой практи­ке получила керамика на основе 70% Al₂О₃ – 30% TiC (черная ке­рамика), которая имеет большую прочность при изги­бе, трещиностойкость (коэффициент К _1С), меньшее значение коэф­фициента термического расширения (см. табл. 11.16). Наи­более совершенной является оксидная керамика, армированная «нитевидными» кристаллами SiС, которая заметно превосходит по физико-механическим и теплофизическим свойствам белую и чер­ную керамики. Еще одним направлением совершенствования керамики на основе многокомпонентной системы Al₂О₃ – TiC является введение в ее состав карбидов вольфрама и тантала, которые сдерживают рост зерен карбида титана и повышают прочность материала. Другим дополнительным компонентом, заметно улучшающим свойства черной керамики, является диборид титана TiB₂.

Для повышения прочностных свойств однокомпонентных и мно­гокомпонентных керамик на основе оксида алюминия в их состав добавляют 5–10% оксида циркония. Положительный ре­зультат достигается за счет перехода при охлаждении оксида циркония и тетрагональной модификации в моноклинную. Этот про­цесс сопровождается увеличением объема зерен циркония на 3–5% и появлением вокруг них полей сжимающих напряжений. Это приво­дит к тому, что формируемые в объеме материала микротрещины при попадании в эту зону тормозятся или вообще прекращают свое развитие. Для полного использования потенциальных возможностей описанного механизма повышения прочности керамики на основе алюминия в ее состав обычно добавляют окислы циркония в коли­честве 5% по массе.

Наиболее высокие показатели в повышении сопротивляемости керамической матрицы разрушению такого композиционного керами­ческого материала может в 4 раза превышать аналогичный показа­тель базового оксидного состава.

В качестве армирующего элемента для режущей керамики чаще всего используют нитевидные кристаллы карбида кремния SiС, имеющие прочность до 4000 МПа. Например, введение нитевидных кристаллов SiC в оксидную керамику повышает твердость с HV 2000 до HV 2400, прочность при изгибе с 350 до (600–800) МПа, увеличивает коэффициент трещиностойкости с 4,5 МПа´ ´м^1/2 до (6–8) МПа ´ м^1/2. Последнее чрезвычайно важно с точки зрения снижения хрупкости керамики и расширения области ее применения. Установлено, что вокруг нитевидных кристаллов SiС форми­руются обширные сжимающие напряжения, которые являются эффективным барьером развивающихся микротрещин, форми­рующихся в процессе эксплуатации керамики.

Необходимо заметить, что степень повышения прочности и твердости керамического материала композиционного типа опреде­ляется большим числом факторов. Наи­большее влияние оказывают объемная доля, размеры (отношение длины к диаметру) и свойства нитевидных кристаллов. Поэтому получение определенных свойств на границе раздела «матрица – во­локно» в условиях недостаточно высокой стабильности свойств нитевидных кристаллов при температурах спекания и их химичес­кого взаимодействия с матрицей определяют сложность используе­мых технологий. Режущий инструмент из армированной ке­рамики является дорогостоящим и его применение экономи­чески эффективно только в определенных областях, например при обработке заготовок из жаропрочных никелевых сплавов.

На рис. 11.7 представлены результаты испытаний керамических пластин Si₃N₄, армированных нитевидными кристаллами SiC, формы SNGN 120412 (кривая 2) и твердосплавных пластин CNMX формы 120408 (кривая 1), полученные при точении никелевого сплава «Inconel 718». Как видно из представленных данных, скорости резания для керамического инструмента в несколько раз превышают скорости резания при одной и той же стойкости, обычно используемые для твердосплавного инструмента. Таким образом, применение керамического инструмента повышенной прочности при резании труднообрабатываемых материалов позволяет заметно повысить производительность обработки.

Параллельно с совершенствованием керамических материалов на основе оксида алюминия созданы новые марки режущей керамики на основе нитрида кремния. Такой керамический материал имеет высокую прочность на изгиби низкий коэффициент термического расширения (см. табл. 11.16), что выгодно отличает его от ранее рассмотренных керамических материалов. Это позволяет с успехом использовать нитридокремниевый инструмент при черновом точе­нии, получистовом фрезеровании чугуна, а также чистовом точе­нии сложнолегированных и термообработанных (до HRC_э 60) сталей и сплавов.

Рис. 11.7. Зависимость стойкости при ширине фаски износа h _з=0,3 мм от скорости резания при точении заготовок из никелевого сплава с S = 0,25 мм/об; t = 3 мм. Резание с использованием жидкой СОТС:

1 – точение твердосплавными пластинами М20; 2 – точение керамическими пластинами

По данным широких производственных испытаний веро­ятность внезапного выхода из строя режущего инструмента из нитридокремниевой керамики при получистовой обработке соот­ветствует аналогичному показателю, характерному для твердосп­лавного инструмента [41, 132].

Нитридокремниевая керамика, применяемая для изготовления режущих инструментов, во всех случаях является многокомпонент­ным материалом. По химическому составу такую керамику можно разделить на две группы.

Материалы первой группы основаны на применении нитрида кремния, содержание которого составляет до 90–95%. Для обеспечения теоретической плотности такой керамики на окончательном этапе ее изготовления применя­ют специальные добавки – активаторы в количестве до 5–10%. В качестве активаторов используют окислы магния (МgО), иттрия (Y₂О₃), алюминия (Al₂О₃) и т.п., которые значительно влияют на свойства нитридокремниевой керамики. Например, рост содержа­ния оксида магния увеличивает теплопроводность керамики, а при высоких температурах (свыше 1000 °С) активаторы начинают взаи­модействовать с нитридом кремния с образованием игольчатых кристаллов, простых и смешанных силикатов, происходит также перераспределение примесей.

Вторая группа нитридокремниевой керамики, помимо указанных выше компонентов, дополнительно со­держит карбид титана в количестве до 30%. Существенные отличия в химическом составе различных марок режущей керамики на осно­ве нитрида кремния необходимо учитывать при использовании та­кого инструмента. Например, инструмент из керамики первой группы предпочтителен при обработке чугунов, а второй – при чистовом точении сложнолегированных термообработанных сталей.

Результаты обобщенного анализа основных свойств «проч­ность–твердость» различных марок инструментальной керамики, нашедших промышленное применение, представлены на рис. 11.8.

Анализ представленных результатов позволяет отметить следую­щее. Область, в которой укладываются свойства различных марок оксидной керамики, приближенно описыва­ется окружностью с центром в точке, левее и выше, чем для безвольфрамовых и вольфрамокобальтовых твердых сплавов. При этом отмечается тенденция к превалиро­ванию марок с повышенной твердостью (HRA 95) над марками с высокой прочностью (s_и= 700 МПа).

Совершенствование оксидной керамики происходит одновре­менно в направлении повышения твердости и прочности.

Рис. 11.8. Классификация основных отечественных и зару­бежных марок режущей керамики поих основным свойствам (HRA, s_и) в сравнении с марками твердых сплавов групп ВК и ТК, ТТК

Необходимо отметить, что уже в настоящее время имеются промышленные марки режущей керамики, прочность которых превышает уровень s_и = 1000 МПа, что примерно соответствует аналогичным показателям твердых сплавов ТЗОК4 и ТН20. При этом твердость такой керамики составляет HRA 92–94, что заметно превосходит соответствующие показатели указанных марок твердых сплавов.

Рассмотренные тенденции совершенствования режущей керами­ки продемонстрируем на примере гаммы марок керамики, разрабо­танной фирмой «Krupp Widia» (ФРГ) (табл. 11.17, 11.18).

Таблица 11.17

Гамма марок режущей керамики,

выпускаемых фирмой «Krupp Widia» (ФРГ) [132]

* Активаторы Y₂О₃, Ме₂О₃ и др.

** Марки с покрытием соответственно обозначаются NC1000, СN2000

Таблица 11.18

Основные свойства режущей керамики,

выпускаемой фирмой «Krupp Widia» (ФРГ) [132, 133]

Анализ состава (табл. 11.17) и свойств (табл. 11.18) режу­щей керамики «Krupp Widia» свидетельствует о достаточно широ­ких возможностях варьирования свойств и областей применения керамики в зависимости от условий обработки.

Свойства керамики достаточно сильно зависят также от тех­нологии изготовления. В частности, наиболее удовлетворительные свойства по прочности имеют керамические пластины, полученные методом предварительного холодного прессования и последующего горячего изостатического прессования (ГИП), обеспечивающего равномерное приложение давления и температуры по всему объему прессуемой пластины, причем равномерное давление передается через среду инертного газа.

Применение технологии ГИП позволя­ет обеспечить высокую плотность изделия (до уровня теорети­ческой) и исключает анизотропию свойств в объеме пластины.

В частности, анализ образцов нитридной керамики, полученной с применением технологии ГИП, позволяет отметить практически пол­ное отсутствие пор и наличие протяженных областей монокристал­лической структуры, в которых встречаются единичные, хорошо сформированные кристаллы Si₃N₄. Пластины, имеющие такую структуру, должны разрушаться хрупким сколом с межкристаллитным ха­рактером распространения трещины. Последнее достаточно убеди­тельно объясняет лучшую сопротивляемость разрушению и более высокие значения прочности и трещиностойкости подобной керами­ки.

Высокоэффективная эксплуатация инструмента, оснащенного режущей керамикой, возможна только при тщательно отработанной технологии его заточки и доводки, так как внесение опасных по­верхностных дефектов в процессе заточки может служить причиной резкого снижения прочности пластин из керамики. Вместе с тем следует отметить, что даже использование самых совершенных ме­тодов заточки и доводки керамического инструмента не исключает возможность появления на обработанной поверхности опасных де­фектов (термических трещин, протяженных полей со сформирован­ными полями растягивающих напряжений, микроскол и т.д.). В этом случае следует использовать методы дополнительной обработки керамического инструмента с целью ликвидации или «залечивания» поверхностных дефектов.

Одним из таких методов является нанесение на рабочие по­верхности керамического инструмента износостойких покрытий. Для повышения надежности инструмента из режущей керамики используют также следующие методы: увеличение толщины пластин, формирование упрочняющей фаски на режущей кромке и изготовле­ние слоистых режущих пластин (керамика – твердый сплав, керами­ка – твердый сплав – керамика и т.д.).

Анализ тенденций развития керамического режущего инстру­мента свидетельствует о больших перспективах этого инструмента в ближайшем будущем, причем увеличение общего объема выпуска керамического инструмента взаимосвязано с совершенствованием технологии производства, оптимизацией состава традиционных ма­рок керамики, широким применением армированной керамики и расширением области применения инструмента на основе нитрида кремния.