Режущая керамика. Состояние и перспективы развития

Режущая керамика. Состояние и перспективы развития

Н.М. Прокопив, канд. техн. наук; С.И. Джелялов

В данной работе описаны тенденции развития и основные направления увеличения возможностей существующих (производство нанокомпозитов) и ожидаемых керамических инструментальных материалов получаемых с использованием методов реакционного синтеза. Рассматривались перспективы развития методов реакционного синтеза для производства режущей керамики в Украине.

Развитие современного мирового машиностроения связано с расширением объемов и номенклатуры труднообрабатываемых материалов (высокотвердых легированных, жаропрочных сталей, чугунов и других сплавов), при резании которых в зоне контакта с инструментом возникают высокие температуры (свыше 800 С). Это привело к росту объема мирового потребления режущей керамики от 2 % в 70-х годов 1 до 5 % к 90-м годам (с предполагаемой тенденцией роста количества РК в развитых индустриальных странах до 12 % в 2000 г.) 2 от общего объема инструментальных материалов. Согласно установившейся тенденции нынешнее мировое потребление РК находится в пределах 7 - 8 %, а в развитых индустриальных странах достигает 10 -12 %.

На сегодня в мире режущие керамические пластины, которые по составу, свойствам и назначению можно разделить на пять основных групп (составлена на основе данных [1, 2, 3, 4, 5]), выпускают около 20 крупных фирм, таких, как «Sandvik Coromant» (Швеция), «Krupp Widia» (Германия), «Kennametall» (США), NTK (Япония) и др.

Как видно, основу большинства марок РК составляет оксид алюминия, обладающий наименьшей химической активностью к сплавам на основе железа и являющийся одним из наиболее доступных и недорогих материалов.

Традиционная оксидная (белая) керамика (см. таблицу) состоит из Al2O3 (корунда) на 96 - 99 % и добавок некоторых оксидов (MgO, TiO2 и др.) Сравнительно новая керамика на основе оксида алюминия (86 - 96,5 %) с добавками нестабилизированного ZrO2 обладает более высокой прочностью, позволяющей использовать ее при обработке с небольшими ударными нагрузками.

Добавление к оксиду алюминия TiC и (или) TiN (иногда в сочетании с ZrO2) привело к созданию нескольких марок смешанной (черной) керамики. Кроме того, созданы некоторые типы такой керамики с использованием карбида вольфрама, тантала и диборида титана 3. Данный вид РК обладает повышенными по сравнению с оксидной режущими свойствами, как при статических, так и при ударных нагрузках. Это обусловило ее широкое практическое применение.

Режущая керамика на основе Si3N4, благодаря наличию в своей структуре столбчатых включений 4, 6, обладает высокими значениями прочности, вязкости разрушения, теплопроводности. Такой уровень свойств позволяет использовать эту керамику для чернового, получистового, чистового точения и фрезерования чугунов и сплавов на основе никеля, кобальта. Необходимо также отметить, что нитридная керамика практически единственный вид РК, который благодаря высокой термостойкости способен работать в условиях применения СОЖ. Однако повышенная химическая активность к сплавам на основе железа ограничивает применение этого вида РК.

Армирование оксида алюминия волокнами SiС позволило создать режущий инструмент, способный работать в условиях образования непрерывной стружки на высоких скоростях и больших подачах при черновом, получистовом и чистовом точении и фрезеровании закаленных высоколегированных сталей, чугунов и суперсплавов. Фактором, сдерживающим широкое распространение данного вида РК, является её относительная дороговизна.

Многолетний опыт изготовления РК-материалов несущественно расширил номенклатуру соединений, применяемых для их изготовления, также как и не изменил, в сущности, технологию ее изготовления, основанную на промышленных приемах порошковой металлургии. Пути совершенствования РК-материалов основывались на уменьшении размеров исходных порошков за счет применения различных методов размола (шаровые, вибрационные, планетарные, струйные мельницы, аттриторы, дезинтеграторы).

Для промышленного синтеза оксидной и нитридной керамик применяется спекание как способ наиболее доступный и удобный. Совершенствование методов спекания привело к созданию таких его видов, как скоростное, микроволновое, компрессионное и спекание с контролируемой усадкой 2. Однако, наиболее высокие характеристики РК-материалов достигаются при применении операций горячего прессования (ГП) и горячего изостатического прессования (ГИП). Не смотря на дороговизну прессовой оснастки и повышенную трудоемкость, подавляющее большинство промышленного выпуска режущей керамики осуществляется именно этими методами.

Дальнейшее совершенствование керамических режущих материалов требует применения новых подходов к технологии их изготовления. Кардинальными решениями данной задачи на сегодня являются два основных направления: 1 - существенное повышение эксплуатационных свойств РК, которое позволило бы в несколько раз увеличить производительность инструмента; 2 - разработка ресурсосберегающих технологий, позволяющих уменьшить энергозатраты на изготовление режущей керамики и учесть экологические аспекты развития порошковой металлургии.

1 Разработка нанокомпозитов (с размером зерна 200 нм) из порошков (с размером 100 нм) позволяет повысить эксплуатационные характеристики РК-материалов в несколько раз по сравнению с классическими 7. Кроме того, использование нанопорошков позволит расширить номенклатуру тугоплавких соединений, используемых при изготовлении режущей керамики. Применение нанопорошков позволяет снизить температуру и время синтеза композитов на их основе. Однако склонность к агломерации, низкая прессуемость и связанная с этим, большая усадка в процессе спекания, а также высокая рекристаллизационная способность приводят к формированию неоднородной структуры таких композитов и нестабильности их свойств. Указанные факторы, а также высокая цена (500 - 600 € / кг) этих порошков препятствуют промышленному выпуску нанокомпозитов.

2 Разработка ресурсосберегающих технологий, связанных с использованием реакционных смесей типа МеО + Аl (Ti, Mg и др.) + С, где Ме - тугоплавкий металл. Среди данных методов выделяют: реакционное спекание 8, реакционное горячее прессование 9, метод СВС-компактирования 10, 11. Основным преимуществом данных методов является возможность совмещения процесса синтеза составляющих фаз и формирования материала в целом. Различия между промышленной и реакционной технологиями синтеза.

Характер взаимодействия веществ в реакционной смеси обеспечивает высокую прочность межфазовых границ и мелкозернистость структуры 12, 13, 14. Дешевизна сырья (рис. 2 а), низкая энергоемкость процесса привлекают к методам реакционного синтеза все большее внимание специалистов многих стран.

Сложность контроля экзотермической реакции, которая приводит к образованию газовых пор и других неоднородностей структуры, препятствует применению этих методов для изготовления высокоплотных материалов инструментального назначения. Однако исходя из многочисленности работ, посвященных решению данной проблемы, и достигнутые научные и практические результаты свидетельствуют о перспективности использования методов реакционного синтеза для разработки конкурентоспособных режущих материалов. Рисунок 1 иллюстрирует показатели экономической и технической целесообразности применения реакционных технологий.

Рисунок 1 - Средняя стоимость порошков (а) и свойства керамических материалов, изготовленных из них:

в - коэффициент трещиностойкости;

г - прочность при изгибе

Из вышеприведенного анализа можно сделать следующие выводы:

1 Тенденция развития современного машиностроения требует увеличения объема существующих и разработки новых видов режущей керамики с высокими эксплуатационными свойствами.

2 Повышение режущих свойств керамики можно достичь путем создания нанокомпозитов, технология изготовления которых остается на сегодня сложной, дорогостоящей и трудоемкой.

3 Другим перспективным направлением получения новых керамических режущих материалов в условиях уменьшения сырьевых ресурсов земли и связанной с этим катастрофическим ухудшением экологии из-за эффективного развития промышленности является разработка ресурсосберегающих технологий с применением методов реакционного синтеза.

4 В сложившихся в Украине экономических условиях при отсутствии промышленного производства нанопорошков тугоплавких соединений, наличии выпуска недорогих порошков Al, Si, Ti, Mn и оксидов Zr, Ti, Si получение новых дешевых керамических режущих материалов с использованием реакционных смесей Al +ZrO2 + C; Al + TiO2 + C являются наиболее перспективными с экономической и практической точки зрения.

Summary

The work describes tendencies of development and the basic directions of increase of properties existing (manufacturing nanocomposites) and receptions a new kinds of ceramic cutting materials, using methods of reactionary synthesis. There was considered perspectives of development of methods of reactionary synthesis in manufacturing cutting ceramics in Ukraine.

Список литературы

1. Либенсон Г.А. Производство порошковых изделий: Учебник для техникумов. - М.: Металлургия, 1990. - 240 с.

2. Осипова И.И., Шведков Е.Л. Режущая керамика. 1985 - 1990 гг. // Порошковая металлургия. - 1992. - № 9. - С. 31 - 45.

3. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер В.С. Резание материалов. Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 448 с.

4. Керамические инструментальные материалы / Г.Г. Гнесин, И.И. Осипова, Г.Д. Ронталь и др. / Под ред. Г.Г. Гнесина. - К.: Техника, 1991. - 338 с.

5. Каталог Sandvik Coromant. Токарный инструмент / АБ Сандвик Коромант. - Дания: Stibo Graphik, 2000. - С.30.

6. Гнилица И.Д. Формирование структуры и упрочнение керамических материалов при высокотемпературном деформировании: Автореферат дис… к-та техн. наук: 05.02.01 / Ивано-Франковский нац. техн. ун-т нефти и газа. - Ивано-Франковск, 2005. - 20 с.

7. Сартинская Л.Л. Разработка инструментальных керамических материалов на основе ультрадисперсных порошков тугоплавких нитридов: Автореф. дис... канд. техн. наук: 05.16.06 / АН УССР; Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича. - К., 1991. - 18с.

8. Krstic V.D., Wang K. Reaction senturing of TiN - TiB2 ceramics // Acta mater. - 2003. - 51, N 6. - P. 1809 -1819.

9. Zhang Guo-Jun, Yang Jian-Feng, Ando Motohide, Ohji Tatsuki. Reactive hot pressing of alumina-silicon carbide nanocomposites. // J. Amer. Ceram. Soc. - 2004. - 87, N 2. - P. 299 - 301.

10. Lis J., Pampuch R., Stobierski L., Wisniewski A. Ceramic armor materials prepared by the self-propagiting hihg-temperature synthesis (SHS) // 9 International conference on modern materials and technologies «Cimtec'98». Florence, Italy, 14-19 June, 1998.-Florence: Grafiche Galeati, 1998.-P. 49.

11. Чиа Т.Д., Ванг Т.М., Жао В.Дм., Лиу Т.Э. Микроструктура керамики Al2O3 - TiC, спеченной методом СВС-синтеза // Перспективные материалы. - 1999. - №6. - С. 57 - 61.

12. Геворкян Э.С. Разработка композиционного материала на основе оксида хрома для лезвийного инструмента: Дис… канд. техн. наук: 05.02.01. - Киев, 1989. - 226 с.

13. Бичевой В.Г. Повышение термомеханических свойств композиционного материала на основе кубического диоксида циркония: Дис… канд. техн. наук: 05.02.01. - Киев, 1991. - 113 с.

14. Прокопив Н.М., Джелялов С.И., Харченко О.В. Исследование взаимодействия ZrO2 (м) и Al в процессе горячего прессования // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения. - Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2005. - С. 266 -271.