Промышленность страны выпускает несколько групп режущей керамики: оксидную (белая керамика) на основе А1203 (Евростандарт — A1-pure ceramic), оксиднокарбидную (черная керамика) на основе композиции АІ203-ТіС (Ев­ростандарт — A2-mixed ceramic), оксиднонитридную (кортинит) на основе А1203 — TiN и нитридную керамику на основе Si3N4 (Евростандарт — B-reinforced ceramic).

Основной особенностью режущей керамики является отсутствие связующей фазы, что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве в про­цессе изнашивания, повышает пластическую прочность, что и предопределяет возможность применения высоких скоростей резания, намного превосходящих скорости резания инструментом из твердого сплава. Если предельный уровень скоростей резания для твердосплавного инструмента при точении сталей с тонкими срезами и малыми критериями затупления составляет 500-600 м/мин, то для инструмента, оснащенного режущей керамикой, этот уровень увеличи­вается до 900-1000 м/мин.

Составы основных типов режущей керамики и некоторые физико­механические свойства представлены в табл. 11.15.

Отсутствие связующей фазы оказывает и отрицательное влияние на экс­плуатационные свойства керамического инструмента. В частности, снижаются хрупкая прочность, ударная вязкость, трещиностойкость. Это оказывает силь­ное влияние на характер изнашивания керамического инструмента.

Например, низкая трещиностойкость сплава является причиной форми­рования фронта трещин, которые из-за отсутствия ^пластической связую­щей фазы не встречают барьеров, способных затормозить или остановить их развитие.

Указанное является главной причиной микро — или макровыкрашиваний кон­тактных площадок инструмента уже на стадиях приработочного или начального этапа установившегося изнашивания, приводящего к отказам из-за хрупкого разрушения инструмента. Отмеченный механизм изнашивания керамического режущего инструмента является превалирующим, причем фактически не зави­сит от скорости резания, так как температурный фактор не оказывает заметно­го влияния на трансформацию механизма изнашивания, и в значительной сте­пени определяет область применения керамического инструмента (см. табл. 11.15.).

В настоящее время керамический инструмент рекомендуют для чистовой обработки серых, ковких, высокопрочных и отбеленных чугунов, низко — и вы­соколегированных сталей, в том числе улучшенных, термообработанных (HRC3 до 55-60), цветных сплавов, конструкционных полимерных материалов (К01-К05, Р01-Р05). В указанных условиях инструмент, оснащенный пласти­нами из режущей керамики, заметно превосходит по работоспособности твер­досплавный инструмент.

Применение керамического инструмента при обработке с повышенными значениями сечений среза (t х S), при прерывистом резании резко снижает его эффективность вследствие высокой вероятности внезапного отказа из-за хрупкого разрушения режущей части инструмента. Во многом это объясняет сравнительно низкий объем используемого в промышленности страны кера­мического инструмента (до 0,5% от общего объема режущего инструмента), для развитых стран Запада этот объем составляет от 2 до 5 %.

В этой связи в РФ и ряде зарубежных стран уделяется большое внима­ние повышению прочностных показателей керамического инструмента.

Данные, приведенные на рис. 11.6, свидетельствуют об убедительном прог­рессе в решении проблемы совершенствования свойств режущей керамики.

В частности, тот факт, что за последнее время появился новый класс инст­рументальных материалов, которые отнесены к группе режущей керамики, с повышенными показателями по прочности, вязкости, трещиностойкости (нит­ридокремниевая, армированная керамики), позволяют уверенно говорить о заметном расширении области применения керамики. По оценке специалистов в области разработки и эксплуатации керамического инструмента [84,132,133], использование новых типов режущей керамики повышенной прочности позво­лит получить технико-экономический эффект, сопоставимый с эффектом полу­ченным от применения твердосплавного инструмента. В связи с этим далее проанализированы основные тенденции совершенствования керамических инструментальных материалов.

В настоящее время для производства режущей керамики в основном используют оксиды алюминия и нитрид кремния, которые являются основой одно — или многокомпонентных систем. Представителем однокомпонентного материала является оксидная белая керамика. Белая керамика имеет высокую твердость, теплостойкость и износостойкость, однако ее отличают низкие прочность, теплопроводность, трещиностойкость, сравнительно большое значение коэффициента термического расширения (см. табл. 11.15). Добавле­ние в оксидную керамику оксидов циркония, карбидов титана и армирование ее «нитевидными» кристаллами SiC существенно улучшает ее свойства (табл. 11.16).

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% А1203 — 30% TiC (черная керамика), которая имеет большую прочность при изгибе, трещиностойкость (коэффициент /С1С), меньшее значение коэф­фициента термического расширения (см. табл. 11.16). Наиболее совершенной является оксидная керамика, армированная «нитевидными» кристаллами SiC, которая заметно превосходит по физико-механическим и теплофизиче­ским свойствам белую и черную керамики. Еще одним направлением со­вершенствования керамики на основе многокомпонентной системы Al203 — 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 SiC, 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 МПах хм1/2 до (6-8) МПа х м1/2. Последнее чрезвычайно важно с точки зрения сниже­ния хрупкости керамики и расширения области ее применения. Установлено, что вокруг нитевидных кристаллов SiC 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 изгиб и 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 HRC3 60) сталей и сплавов.

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 (МдО), иттрия (Y203), алюминия (А1203)
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 (аи = 700 МПа).

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

HRA 95

94 93 92 91 90 89 88 87

400 600 800 ЮОО 1200 1400 1600 сти, МПа

Рис. 11.8. Классификация основных отечественных и зарубежных марок режущей керамики по их основным свойствам (HRA, сти) 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 аи = 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).

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 меж — кристаллитным 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.