Режущая керамика. Составы, свойства, применение

Режущая керамика один из наиболее перспективных инструментальных материалов, удельный вес которого в металлообработке постоянно возрастает. В зависимости от типа обрабатываемого материала и вида механической обработки доля металлорежущего инструмента, оснащенного сменными многогранными пластинами из керамических материалов. Повышенный интерес к керамическим режущим материалам обусловлен их значительной жаро- и износостойкостью по сравнению с быстрорежущими сталями и твердыми сплавами. За счет применения таких материалов можно резко повысить скорости резания (в 1,5 – 8 раз по сравнению с твердосплавными инструментами) и снизить время обработки в 2-3 раза. Если принять во внимание, что только в США на обработку металлов расходуется ежегодно не менее 100 млрд. долл., становится понятным повсеместный интерес к применению режущей керамики, – пожалуй, единственного инструментального материала, принципиально нацеленного на скоростную, высокоэнергетичную обработку (при точении суперсплавов обеспечивается в 2 – 5 раз более высокая производительность, чем у твердого сплава). Известно, что при достаточно интенсивных режимах резания температура вблизи режущей кромки инструментального материала достигает 1000°С и выше. Понятно, что столь высокая тепловая нагрузка не может быть воспринята ни быстрорежущей сталью, ни твердыми сплавами. Действительно, температура начала их окисления – 800°С (для нитридной керамики – 1200 °С), а размягчения – соответственно 550 и 1000°С (для оксидной керамики 1500 °С) (рис. 6.16)

Есть еще одно соображение – стойкость тугоплавких соединений в условиях обработки различных типичных для машиностроения материалов. Выраженная в баллах, относительная стойкость Al₂O₃ и Si₃N₄ (основы большинства режущих керамик) равна 13 и 18, а TiC и WC (основы большинства сплавов) – 8 и 9, то есть вдвое ниже. Технологам приходится решать сложную многофактурную задачу поиска компромисса между различными свойствами конечного продукта, опираясь на разрозненные эмпирические данные.

Рис. 6.16. - “Горячая” прочность ( а ) и “горячая” твердость ( б ) инструментальных материалов: 1 - оксидная керамика, 2 - твердый сплав, 3 - быстрорежущая сталь

Очевидно, что режущая керамика, как и любой другой инструментальный материал, должна быть максимально износостойкой в рабочих условиях (увеличение долговечности), обладать минимальным коэффициентом трения в паре с обрабатываемым материалом (уменьшение энергозатрат обработки) и не разрушаться преждевременно (повышение надежности). Однако связь этих простых требований с физическими и химическими свойствами неочевидна. Тем не менее принято считать, что современная керамика должна обладать высокими твердостью, прочностью (в том числе усталостной), термостойкостью, вязкостью разрушения, теплопроводностью, малым коэффициентом термического расширения (КТР) и пониженной реакционной способностью по отношению как к окружающей среде, так и к обрабатываемому материалу. Причем требования эти должны выполняться в широком интервале температур (вплоть до 1000 – 1200 °С).

Сопоставление свойств различных тугоплавких соединений и достижимых свойств материалов на их основе позволяет сделать вывод, что сегодня нет альтернатив Al₂O₃, Si₃N₄ и сиалону в качестве основы режущей керамики. Действительно по уровню механических характеристик они далеко опережают другие керамические материалы: даже для оксидной керамики достижимы прочность при изгибе 900 МПа (известный Whiskal фирмы “Ниппон тунгусутен к.к”), а для нитридной – 1200 МПа (известный Kyon), твердость по Виккерсу – 20 – 25 и 18 – 20 ГПа соответственно, вязкость разрушения нитридной керамики – порядка 8 МПа×м^1/2 (большие значения характерны лишь для твердых сплавов). Не менее привлекательно сочетание теплофизических свойств этих материалов: КТР нитридной керамики весьма мал – порядка (3,0 – 3,5)×10^-6 град ^-1 в широком диапазоне температур, что существенно меньше, чем у других тугоплавких (особенно металлоподобных) соединений, а у оксидной он сравним с КТР этих соединений; теплопроводность достаточно велика – порядка 25 Вт/м×град для оксидной керамики и 50 Вт/м×град – для нитридной (это, конечно, очень много, хотя и меньше, чем у AlN). Такое сочетание механических и теплофизических свойств делает керамику на основе нитрида кремния и сиалона достаточно трещиностойкой. Отвечает ли это современным требованиям? Безусловно, нет. Режущая керамика все еще “не дотягивает” до твердых сплавов по вязкости и надежности (рис. 6.17 – 6.19), практически “догнав” их, правда, по показателям подачи при резании, а в ряде случаев и по износостойкости (если сравнить твердые сплавы с покрытием и безоксидную керамику).

Рис. 6.17. Соотношение стойкости и хрупкости инструментальной керамики: безоксидной (1), армированной (2), смешанной (3), оксидной (4)

Рис. 6.18 Соотношение вязкости и стойкости инструментальных материалов:
1 – сверхтвердые материалы; 2 – оксидная керамика; 3, 4 – смешанная и безоксидная керамика; 5,6 – твердые сплавы с покрытием и без них; 7 – быстрорежущая сталь

В зависимости от вида механической операции и условий эксплуатации инструмента в металлообрабатывающей промышленности используются материалы химического состава: Al₂O₃-MgO, Al₂O_3-ZrO₂ , Al₂O₃-TiC, Al₂O₃-TiN, Al₂O₃-SiC (Si₃N₄), Al₂O₃-SiC, Si₃N₄-Y₂O₃, Si₃N₄- Al₂O_3, Si₃N₄- Al₂O₃- Y₂O_3, Si₃N₄-TiC и др.

Оксид алюминия, наиболее распространенный керамический инструментальный материал, обладает высокой красностойкостью, которая с нагревом снижается значительно меньше, чем у других инструментальных материалов, и химической стабильностью к большинству обрабатываемых материалов, в частности к чугуну и сталям.

Рис. 6.19. Типичные для инструментальных материалов подача и скорость резания: 1 – безоксидная керамика; 2 – смешанная и армированная керамика; 3 – безоксидная керамика; 4 – безвольфрамовые твердые сплавы с покрытием; 6 – вольфрамосодержащие твердые сплавы; 7 – быстрорежущая сталь

Высокая износостойкость Al₂O₃ вследствие отсутствия металлической связующей фазы обеспечивает сохранение высоких значений твердости при повышенных температурах и предела прочности на сжатие (рис. 6.20). Однако вследствие невысокой вязкости и высокой чувствительности к знакопеременным механическим и термическим нагрузкам СМНП на основе чистого оксида алюминия часто выходят из строя из-за выкрашивания и сколов. Вследствие этого постоянно ведутся работы, направленные на повышение надежности керамических инструментов.

Рисунок 6.20 - Микроструктура керамики на основе оксида алюминия

Сегодня режущая керамика, чаще всего не монофазный материал типа хорошо известных отечественных “белых” керамик (“минералокерамик”) ЦМ – 332 или ВОК – 13 на основе Al₂O₃ или чешского Дисала на основе Si₃N₄. Современная режущая керамика – это в подавляющем большинстве случаев композит с матрицей из безоксидной (главным образом Si₃N₄), оксидной (главным образом Al₂O₃), реже смешанной (главным образом сиалон) керамики, наполненной частицами (частично стабилизированный ZrO₂, TiC, TiN) или (в последнее время все чаще) усами тугоплавких соединений (SiC) порознь или в различных сочетаниях. Матрицу материала стремятся получить как можно более мелкозернистой (как у известного материала марки Naycon – X японской фирмы “Ниппон тунгусутен к. к.”. Все чаще на режущие пластины наносят покрытия, радикально улучшающие эксплуатационные характеристики инструмента (скорость резания, стойкость, надежность).Сегодня это чаще всего обычные многослойные покрытия, покрытия типа керамики Widalon фирмы “Круппвидиа” или так называемые градиентные покрытия, состав которых изменяется от керамической подложки к рабочей поверхности постепенно, бесступенчато, как, например, в разработках японских фирм “Ниппон токюсю тоге к. к.” и “Мицубиси киндзоку к. к.”. Выход из этого положения понятен и уже давно реализуется. Повысить прочность, твердость и вязкость базового материала можно путем его армирования частицами (включение таких механизмов упрочнения, как ветвление трещин или появление микротрещиноватой структуры материала) или волокнами (предпочтительно – усами), но лучше – частицами частично стабилизированного ZrO₂ (с его переходом Т«М и известным механизмом упрочнения) (рис. 6.21) и усами SiC (расчеты и эксперименты показывают, что во всех матрицах они более устойчивы, чем другие волокна, например углеродные) с использованием синергического эффекта двух механизмов упрочнения, как это делают на шведской фирме “Сандвик АБ”.

Рис 6.21 – Микроструктура керамики на основе Al₂O₃ дисперсноупрочненной ZrO₂

Компромисс между оптимальными объемными (прочность, вязкость) и поверхностными (твердость, химическая и адгезионная стабильность, реактивность, коэффициент трения, износостойкость) свойствами легче всего достигается нанесением покрытий (желательно разнородных и тонких, чтобы избежать проблем с различием в КТР, еще лучше – непрерывно изменяющие по толщине свой состав).

Таким образом мы получили обоснование типичного керамического композита на основе Al₂O₃, Si₃N₄ или сиалона, наполненного частицами ZrO₂, TiC, TiN в различных сочетаниях, а также усами SiC, и покрытого несколькими (не менее двух) тонкими слоями Al₂O₃, TiC, TiN, TiCN, TiCОN или одним “градиентным” слоем. Понятно, что перечисленными соединениями не ограничиваются составы ни матриц, ни наполнителей, ни покрытий. Фирмы, активно работающие в этой области, испытывают десятки соединений в самых различных сочетаниях (приведенные – наиболее типичны).

Так называемая “смешанная” керамика - инструментальный материал на основе оксида алюминия с добавками карбидов, карбонитридов или нитридов титана, которые образуют в материале тонкодисперсные фазы, повышающие твердость и износостойкость керамического материала.

Добавление до 30 % масс.карбида титана обеспечивает повышение предела прочности на изгиб на 10-20 % по сравнению с оксидной керамикой. Кроме того, оксидно-карбидная керамика по сравнению с оксидной отличается повышенными прочностью на сжатие, износостойкостью и термической стабильностью. Вязкость материалов данного типа значительно повышается в результате замены карбида титана карбонитридом титана за счет более равномерного распределения мелкозернистого карбонитрида в матрице из оксида алюминия. При добавлении нитрида титана повышаются твердость и износостойкость. Инструмент, оснащенный СМНП из “смешанной” керамики, успешно используется для прецизионного финишного точения высокопрочных чугунов, закаленных сталей, для точения и фрезерования серого чугуна.

К последним достижениям в области оптимизации свойств оксидной керамики нужно отнести создание режущего материала на основе карбида алюминия, армированного (до 10-20 % масс.) нитевидными волокнами кремния. Волокна представляют собой монокристаллы диаметром 0,1-1,0 мкм, длиной 5-50 мкм, с плотностью 3-19 г/см ³ , прочностью на растяжение 14000 Н/мм²и модулем упругости 7×10⁵ Н/мм². Наличие таких волокон в керамике замедляет распространение микротрещин и повышает механическую прочность инструментального материала. Кроме того, такие волокна обладают повышенной теплопроводностью по сравнению с материалом-основой, повышая таким образом общую тепловую стабильность.

Нитридная керамика по сравнению с оксидной обладает более высокими прочностью на изгиб и ударной вязкостью. Твердость нитридной керамики значительно повышается при температурах превышающих 1000 °С. Кроме того, инструментальные материалы на основе нитрида кремния обладают высокой теплопроводностью и менее чувствительны к переменным термическим нагрузкам. Однако высокая склонность к диффузии и химическому износу пока ограничивает область применения металлорежущего инструмента из нитридной керамики, черновой обработки чугуна и жаропрочных сплавов на основе никеля.

В настоящее время существуют три вида нитридной керамики: чистая, замещенная и армированная (композиционная), которые различаются исходным составом, технологией получения и физико-механическими свойствами готовых материалов.

Чистая керамика помимо нитрида кремния содержит добавки оксидов магния, иттрия и редкоземельных элементов - церия, лантана и др., обеспечивающих получение готового материала высокой прочности. Использование в качестве активирующей добавки оксида алюминия приводит во время спекания к замещению части атомов кремния и азота в решетке нитрида кремния атомами алюминия и кислорода. Готовый материал в этом случае состоит из смеси кристаллов нитрида кремния, оксида алюминия и твердого раствора замещения Si-Al-O-N (сиалон).По сравнению с чистой нитридной керамикой сиалон обладает более низкой вязкостью (но превосходит ее по термодинамическим свойствам), повышенной устойчивостью к окислению и более простым способом получения.

Оксидная керамика используется в основном для скоростного чернового и чистового (в том числе “горячего”, а в ряде случаев со специальным подогревом обрабатываемого материала плазмой) точения всех видов сталей (включая закаленные), реже чугунов, еще реже (главным образом Al₂O₃, упрочненный добавками частично стабилизированного диоксида циркония) суперсплавов и других цветных сплавов, требующих повышенной вязкости инструмента. Диапазон применения смешанной керамики шире в силу ее повышенной вязкости – ею можно выполнять практически все виды механической обработки сталей, чугунов и цветных сплавов.

По сочетанию вязкости и износостойкости керамика, армированная усами SiC, занимает промежуточное положение между безоксидной и смешанной керамикой, а вся группа – промежуточное положение между сверхтвердыми материалами и твердыми сплавами. По возможным для использования подачам при заданном уровне стойкости безоксидная и смешанная керамика уже “догнали” безвольфрамовые твердые сплавы и вплотную “приближаются” к вольфрамосодержащим.