Что такое керамическая обработка металла

Что такое керамическая обработка металла

Техническая мысль непрерывно идет вперед, принося с собой новые решения и возможности в области металлообработки. Речь идет о скорости процесса, где на первое место выходит использование прогрессивных металлообрабатывающих материалов. Историю их применения наглядно демонстрирует следующая таблица:

Рисунок 1 — Разнообразие минералокерамики

Таблица 1 История применения металлообрабатывающих материалов

Инструментальный материал Состав Скорость резания
(м/мин)
Годы внедрения
Высоко углеродистые стали W + Cr + V или W + Mo + CO + V 25 — 40 XIX век
Быстрорежущая сталь WC + Co или WC + Co + TiC, TaC 70 1900
Непокрытые твердые сплавы Cemented Carbide + TiC, TiN, TiCN, Al2O3 Coating 150 1920
Покрытые твердые сплавы TiC + TiN + Co, TaC, NbC 270 1950
Кермет TiC + TiN + Co, TaC, NbC 240 — 500 1974
Керамика Al2O3, Al2O3 + ZrO2, Al2O3 + TiC, Si3N4 300 — 800 1976
Покрытая керамика Ceramic + TiC, TiN, TiCN, Al2O3 Coating 300 — 900 1995
CBN/PCD CBN/PCD 1 000 1952

На сегодняшний день для металлообработки чаще всего используются твердые сплавы на основе карбида вольфрама. Наибольшими ресурсами этого элемента обладает Китай (42 % мировых запасов), второе место делят Канада и Россия, на третьем находятся США. Значительная часть месторождений Канады и России расположены в условиях вечной мерзлоты и труднодоступных местах, а почти все американские кладовые законсервированы, выходит, что бесспорным монополистом на рынке вольфрама является Китай. И если учитывать, что процентное содержание вольфрама в земной коре составляет всего 0,00013 %, то Китай умело пользуется своим положением и постоянно поднимает цены. Только в 2005 году они выросли почти на 320 %!
В связи с ростом цен на твердосплавный инструмент особое значение принимают альтернативные материалы, в частности металлорежущая керамика. Именно о ней пойдет речь в этой статье.
Керамика — это неорганические неметаллические материалы, уплотненные путем термообработки и спекания. Керамические материалы в основном состоят из кремния и оксида алюминия (глинозем), но могут встречаться и другие компоненты: карбид бора и кремния, нитрид кремния, оксиды бериллия, магния, некоторых тяжелых металлов (например, циркония или меди).
Керамические материалы во многом выигрывают за счет их термо- , износо- и коррозионной стойкости, электрических, магнитных и оптических свойств (оптическое стекловолокно — тоже керамический материал). Пластины изготавливаются исключительно из качественного сырья, используя высокотехнологические процессы при изготовлении.
Неоспоримые достоинства металлорежущей керамики:
— возможность высокоскоростной обработки благодаря теплостойкости режущих пластин;
— возможность резания труднообрабатываемых материалов;
— точность и низкая шероховатость обработанных поверхностей деталей (результат стабильности термохимических свойств и низкой адгезии);
— увеличенный срок службы вследствие высокой износостойкости;
И как следствие вышесказанного — использование керамики определенно ведет к повышению производительности и качеству обработки металла. Все чаще операции шлифовки закаленных сталей, высокопрочных и отбеленных чугунов заменяются на точение режущей керамикой, что дает значительную экономию. Кроме того, к основным преимуществам относятся также стабильная цена и практически неограниченные сырьевые ресурсы (алюмосиликаты составляют до 50 % массы земной коры).
Одним из лидеров в производстве металлорежущей керамики является крупнейший концерн Южной Кореи — SsangYong. Его торговая марка режущих инструментов Cerabit зарегистрирована в 1986 году. Для нашего рынка эта продукция является наиболее оптимальной по соотношению цена — качество — производительность.
Керамические материалы компании SsangYong обладают повышенной теплостойкостью, высокой прочностью и износостойкостью. За счет ноу-хау в процессе подготовки компонентов, рецептуре, а так же в процессе горячего изостатического прессования обеспечивается повышение их физико-механических свойств.

Cerabit представляет три основные группы металлорежущей керамики:

Первая группа — оксидная или «белая» керамика Al2O3 — ZrO2
SZ200 — это керамика, основанная на оксиде алюминия А12О3 , легированная двуокисью циркония. Ее используют для всех видов обработки чугуна с нормальным и прерывистым резанием, так как за счет упрочнение удалось получить самый стабильный тип материалов в реакции между деталью и пластиной.
Вторая группа — оксидно-карбидная (смешанная, «черная») керамика, состоящая из оксида А12О3 (до 60 %) и TiC (до 20 — 40 %). Эта группа делится на две подгруппы по процентному содержанию основного элемента.
Первая подгруппа с основным элементом А12О3 , к этой группе относится:
ST100 — керамика, которая отличается высокой теплостойкостью и износостойкостью, применяется для обработки закаленных сталей и труднообрабатываемых материалов. Возможно применение этой марки для чистовой прерывистой и получистовой безударной обработки деталей из серого чугуна.
ST300 — керамика, которая предназначена для обработки материалов с высокой твердостью (50 HRC и выше).
Вторая подгруппа с основным элементом TiC (карбид титана) содержит:
SD200 — керамика системы TiC-AI, разработанная для получистовой и чистовой обработке высокопрочного чугуна. Сменные пластины этой марки имеют высокую износостойкость и прочные режущие кромки, что способствует их использованию и при получистовой обработке стали. При работе рекомендуется использовать СОЖ.
Третья группа — керамика на основе нитрида кремния Si3N4
SN26 — керамика для черновой и получистовой обработки чугуна с прерывистым резанием. Пластины из этой керамики отличаются высокой износостойкостью и прочностью при фрезеровании и черновом точении различных чугунов.
SN300 — эта марка используется для скоростной обработки чугуна с тяжелым прерывистым резанием.
SN400 — керамика с повышенной износостойкостью и прочностью режущих кромок, что дает возможность увеличить стойкость пластины при высокоскоростной обработке.
SN500 — марка металлорежущей керамики с еще более высокой прочностью, что способствует увеличению их износостойкости при высокоскоростной обработке чугунных деталей с нормальным ударом.
SN700 — композит, разработанный на основе Si3N4 с добавлением TiN. Эта композиция активно используется при обработке сплавов на основе никеля, когда образуются длинные упрочненные стружки и при обработке закаленных сталей с ударом. Возможна обработка чугуна с применением СОЖ.

Примеры использования керамики на производстве

Автомобильная и тракторная промышленность

Пластина SNGN120408 Е040 сплав SZ200, деталь «Блок цилиндров» Чистовая расточка цилиндров. Высокая химическая стойкость. В сравнении с конкурентами износостойкость одинаковая, но Cerabit выигрывает по цене.
• Скорость V = 450 м/мин
• Припуск t = 0,5 мм
• Подача f = 0,35 мм/об
• Шероховатость Ra — 1,6 мкм

Пластина SNMA120412 Е040 сплав SD200, деталь — барабан заднего тормоза. При данной обработке увеличена стойкость на 50 %, при этом устранена проблема с шероховатостью.
• Скорость V = 500 м/мин
• Припуск t = 0,5 мм
• Подача f = 0,3 мм/об
• Шероховатость Ra — 1,6 мкм

Сплав ST300 используется во вспомогательных производствах при обработке закаленных деталей (50 — 65 HRC). Обрабатываемые детали: различные валы, толкатели, втулки, вставки и т.д. В ряде случаев есть возможность исключить операции шлифовки и полировки.
Пластина TNGA160408 Е040 сплав ST300, Вал, сталь 45X HRC 55
• Скорость V = 360 м/мин
• Припуск t = 0,2 мм
• Подача f = 0,05 мм/об
• Шероховатость Ra — 1,6 мкм

Пластина SNGN120416 Е100 сплав SN400. Обработка корпусных деталей — черновое фрезерование серых и высокопрочных чугунов. Применение этой марки керамики позволило на 60 % снизить затраты на обработку, учитывая стоимость станкочаса, при этом скорость резания возросла в три раза с 300 м/мин до 900 м/мин.
• Скорость V = 900 м/мин
• Припуск t = 1 — 4 мм
• Подача f = 0,05 мм/зуб
• Шероховатость Ra — 6,3 мкм

Пластина SNGN120412 Е020 сплав ST300, изготовление прокатных валков.
• Скорость V = 500 м/мин
• Припуск t = 0,5 мм
• Подача f = 0,3 мм/об
• Шероховатость Ra — 1,6 мкм

Пластина CNGN120712 Е020 сплав ST300. Обрабатываемый материал: подшипниковая сталь ШХ15СГ HRC 61 — 63 керамика. Стойкость металорежущего инструмента Cerabit на 20 % выше, чем у основного конкурента, и еще одно преимущество — более низкая цена.
• Скорость V = 75 — 80 м/мин
• Припуск t=0,15 — 0,50 мм
• Подача f =0,35 — 0,45 мм/об
• Шероховатость Ra — 1,25 мкм (торцы 0,63 мкм)

Это лишь немногие примеры применения металлорежущей керамики Cerabit. Специалисты ЗАО «ДИТЦ «Контакт» продолжают внедрять инструмент на основе керамики во все большее число производств, а специалисты SsangYong трудятся над новыми сплавами, непрерывно улучшая их характеристики.

Новинки от SsangYong:

ST500 — новый сплав, представляет собой продолжение серии ST(А12О3 ). ST500 обладает более мелкой структурой, что обуславливает большую прочность чем у его предшественника ST300 (это хорошо видно при сильном увеличении — х 5000). Обладает высокой термостойкостью.
Применение
• Прерывистое резание сталей и чугунов
• Чистовая и получистая обработка упрочненных и легированных сталей

SN800 — новый сплав на основе нитрида кремния. В сравнении с применявшимся ранее сплавом SN700 располагает еще большими возможностями.
Применение
• Прерывистое резание чугунов
• Обработка никелевых сплавов

Источник

Керамическое покрытие. Свойства, преимущества и возможные альтернативы

Смотрите также

Керамическое покрытие наносится на металлические поверхности в целях их защиты от термических и механических повреждений, коррозии, преждевременного износа. Такие покрытия широко применяются в автомобилестроении, аэрокосмической промышленности, атомной энергетике, медицине.

Обработка керамическим покрытием – одна из распространенных операций при тюнинге мотоциклов и автомобилей.

Разновидности керамических покрытий

В зависимости от предназначения и сферы применения выделяют износостойкие, жаропрочные, антикоррозионные, оптические, уплотнительные, декоративные, электропроводящие и электроизоляционные керамические покрытия.

Износостойкими и жаропрочными являются, по сути, все перечисленные виды. Используются они, в том числе, и для антикоррозионной обработки поверхностей.

Эти материалы обладают низкой теплопроводностью и высокой температурой плавления, выдерживают очень большие нагрузки и не разрушаются под действием химически агрессивных сред (топлива, масел, смазок и др.).

По степени износостойкости с керамическими составами способны конкурировать только антифрикционные твердосмазочные покрытия.

На поверхностях они формируют тонкий (до 20 мкм), но прочный композиционный слой, состоящий из мелкодисперсных частиц твердого смазочного материала. В результате заполнения микронеровностей увеличивается опорная площадь сопряженных поверхностей, максимально снижается коэффициент их трения и износа.

Более 16 видов покрытий выпускает российская компания «Моденжи». Материалы MODENGY на основе дисульфида молибдена, поляризованного графита, политетрафторэтилена (ПТФЭ), дисульфида вольфрама, нитрида бора, фторидов кальция и бария используются в самых различных отраслях промышленности, применяются при обслуживании автомобилей и техники наряду с другими материалами.

Благодаря высокому сопротивлению сжатию и малому сопротивлению сдвигу покрытия MODENGY имеют очень низкий коэффициент сухого трения – всего несколько сотых при контактных давлениях, равных пределу текучести материала основы.

Эти материалы обладают высокими противозадирными свойствами, несущей способностью до 2500 МПа. Они устойчивы к химически агрессивным средам, экстремально низким и высоким температурам (-200… +560 °C), условиям радиации и вакуума.

После полимеризации антифрикционные покрытия образуют на обработанных поверхностях сухую нелипкую пленку, что особенно важно для деталей, работающих в запыленных средах.

Области применения керамических покрытий

Впервые керамические покрытия начали использовать в аэрокосмической отрасли – для лопаток газотурбинных двигателей, подверженных усиленному коррозионному и эрозионному износу из-за постоянных перепадов температур.

Чтобы повысить КПД и мощность газотурбинных двигателей, температуру газа в камере сгорания специально повышали, а некоторые элементы (в том числе лопатки), изготовленные из высокопрочных легированных сплавов, дополнительно покрывали защитными материалами.

Температура газа перед турбиной двигателей некоторых самолетов достигает +2000 °C и выше – в таких условиях повысить прочность деталей и защитить их от разрушения может только керамическое покрытие. В зависимости от состава, толщины слоя и метода нанесения оно позволяет снизить температуру на поверхностях до 35 %.

Сегодня керамические покрытия широко используются не только в аэрокосмической отрасли, но и в других сферах.

В атомной энергетике их применяют для обработки элементов реакторов, систем охлаждения, хранилищ отработанного ядерного топлива.

В оборонно-промышленном комплексе керамическими составами покрывают корпусы аппаратуры, элементы оружия, специальные изделия.

Покрытия, используемые в металлообработке, увеличивают прочность и срок службы деталей.

В автомобилестроении керамическими материалами обрабатывают компоненты двигателей, АБС, колесных дисков, ходовой части, в медицине – приборы и части протезов.

В бытовой сфере с помощью керамических покрытий создают износостойкий слой нужного цвета на посуде, элементах декора и других предметах.

В процессе тюнинга авто- и мототехники ими обрабатывают кузовы, днища поршней двигателя, выпускные коллекторы, корпусы турбокомпрессоров и другие детали.

Способы нанесения покрытия

Керамические покрытия наносятся на металл четырьмя основными способами:

  • Эмалированием
  • Газопламенным напылением
  • Парафазным методом
  • Плазменным методом

Эмалирование – наиболее старый способ нанесения покрытия. Керамическое сырье подбирается к металлу в соответствие с его составом. Для получения готовой массы (шликера) сырье измельчают, расплавляют и обогащают добавками. Шликер накладывают на подготовленные поверхности, после чего обжигают в печи. Готовые эмалированные изделия обладают отличной устойчивостью к коррозии и окислению.

При газопламенном методе нанесения покрытия керамический порошок или стержень накладывают на металлическую основу (окись алюминия, окись циркония и другие тугоплавкие окислы) и подвергают воздействию пламени кислородно-ацениленовой горелки. В результате керамическая масса расплавляется, охватывает поверхности и образует на них защитное покрытие.

Порошок может подаваться также с помощью сжатого воздухом из наклонно расположенного питателя. При этом происходит механическое сцепление керамической массы с металлом, покрытие имеет микропористую и слоистую структуру, прочность слоя на растяжение составляет 25-70 кг/см2 при толщине 0,3 мм.

Парафазное нанесение керамики – весьма продолжительная операция. На получение слоя толщиной всего 0,0002-0,001 мм уходит около часа. Покрытие, полученное таким способом, обычно имеет пористую структуру.

Плазменный метод используется для обработки термостойких металлов, так как процесс получения плазмы огня происходит при температуре 15000 °С (в момент возникновения вольтовой дуги).

Выбор той или иной технологии нанесения керамического покрытия зависит, в основном, от обрабатываемого материала.

Сегодня чаще всего используются плазменное или газопламенное напыление, при которых расплавленный керамический порошок практически «спаивается» поверхностью металла.

После удаления такого покрытия остаются микрократеры, заметные невооруженным глазом.

Перед нанесением керамического покрытия поверхность обязательно очищается (например, пескоструйным методом) и обезжиривается. Удаление загрязнений и дефектов позволяет максимально повысить адгезию будущего покрытия.

После очищения и обезжиривания поверхность грунтуется специальными праймерами, препятствующими появлению окислению покрытия, а также появлению на нем трещин из-за высоких температур и нагрузок.

Присоединяйтесь

© 2004 – 2021 ООО «АТФ». Все авторские права защищены. ООО «АТФ» является зарегистрированной торговой маркой.

Источник

Читайте также:  Обогащаемый металл 4 буквы
Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector