Керамический инструмент для обработки металла

Керамический инструмент для обработки 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

Инструмент на основе режущей керамики

Минералокерамика (или режущая керамика) — инструментальный материал на основе оксида алюминия (Аl2O3) или карбида кремния (SiC), обладающий большими, чем у твердых сплавов, твёрдостью и теплостойкостью, но меньшей удар­ной вязкостью. Основные преимущества режущей керамики по сравнению с твердыми сплавами заключаются в практически неограниченных сырьевых ресурсах (алюмосиликаты составляют до 50% массы земной коры).

Выпускается четыре основные группы режущей керамики:

Оксидная (белая керамика) на основе Al2O3 (советские марки ЦМ 332, ВО-100) для точения заготовок из ферритных ковких чугунов и незакаленных конструкционных сталей при скоростях резания свыше 250 м/мин;

Оксидно-карбидная (черная керамика) на основе композиции Al2O3-TiC (марки В-3, ВОК-60, ВОК-70) для обработки ковких, высокопрочных, отбеленных, модифицированных чугунов, закаленных сталей (до 65 HRC);

Оксидно-нитридная на основе Al2O3-TiN (ОНТ-20 или кортинит) рекомендуется для обработки меди, закаленной стали, отбеленных чугунов, сплавов на основе никеля;

Нитридная керамика на основе Si3N4 (РК-30 или силинит-Р). Для обработки чугунов и отожженных конструкционных и инструментальных сталей. Уступает в скорости резания оксидной керамике при обработке сплавов на основе алюминия и закаленной стали. При обработке серого чугуна силинит уступает нитриду бора.

Преимущества керамических материалов:

HRA 91—93, T=1100—1200°C

Низкие адгезионные свойства

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.

С другой стороны, керамические материалы хрупкие, имеют низкую изгибную прочность (σизг=350—400 МПа; у РК-30 до 800) и невысокую ударную вязкость.

Особенность оксидной керамики — относительно высокая чувствительность к резким температурным колебаниям (тепловым ударам), то есть высокий коэффициент температурного расширения. Поэтому охлаждение при резании керамикой обычно не применяют. Исключение составляет керамика оксидно-карбидной группы, но для инструмента из таких материалов необходимо обеспечить обильную и непрерывную подачу СОЖ.

Также существует оксидная керамика армированная кристаллами карбида кремния SiC, так называемая «вискеризованная» керамика (от английского названия кристаллов карбида кремния – whiskers) обладающая гораздо большей прочностью по сравнению с другими типами керамики. Вискеризованная керамика представляет собой композиционный материал, в котором оксид алюминия Al2O3 это основа, а SiC наполнитель. Армированная керамика в основном применяется для черновой обработки жаропрочных сплавов.

Режущая керамика обеспечивает скорости резания порядка 900—1000 м/мин.

Производством режущей керамики занимается ряд ведущих инструментальных фирм мира, но наилучшие результаты, как правило у специализированных компаний, таких как — NTK (Япония) и GreenLeaf (США).

Подробнее ознакомиться с каталогом GreenLeaf можно здесь .

Подробнее ознакомиться с каталогом NTK можно здесь .

Видеоматериалы, связанные с обработкой и применением режущей керамики от компании NTK, можно посмотреть здесь

Практические рекомендации по применению режущей керамики, особенно раздела касающегося обработки жаропрочных сплавов можно посмотреть в презентации компании GreenLeaf здесь . В презентации подробно освещены стратегии обработки инструментом из режущей керамики, которые могут быть полезными для специалистов технологов, инструментальщиков и программистов станков с ЧПУ.

На выставке ЕМО 2015 в Милане компанией NTK был представлен новый инструментальный материал BIDEMICS, предназначенный в первую очередь для обработки жаропрочных сплавов, используемых, как правило, в авиационном двигателестроении. Это сплавы по зарубежной классификации типа: Incоnel 718, Rene, Waspaloy, а по Российской: ЭИ698(ХН73МБТЮ), ЭИ787(ХН35ВТЮ), ЭИ435(ХН78Т). Подробно ознакомится с материалами по этой теме можно здесь .

© СТ Групп 2004 — 2020 — Все права защищены

Полное или частичное копирование материалов, только с указанием ссылки источника, https://s-t-group.com

Тел./факс: +7 (495) 363-36-28, E-mail: info@s-t-group.com

Источник

Инструментальная керамика

Иркутский государственный технический университет,

Дан обзор по теме «инструментальная керамика», рассказано об истории развития режущих инструментов; о методах обработки материалов; требованиях, предъявляемых к керамическим инструментам; показаны виды повреждений режущих инструментов. Рассмотрены основные производители инструментальной керамики.

Табл. 1. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: керамика; инструментальная керамика; механическая обработка материала; оксид алюминия.

A. Zhilnikov, Y. Zykova

Irkutsk State Technical University,

83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

The paper overviews instrumental ceramics, the history of development of cutting tools, methods of materials processing, ceramic tools requirements. The article demonstrates the types of cutting tools damages. The paper presents the list of the main ceramics manufacturers.

Table: 1. References: 6

Keywords: ceramics; instrumental ceramics; mechanical treatment of materi-al; aluminum oxide

История развития обработки материалов показывает, что одним из эффективных путей повышения производительности труда в промышленности является применение новых инструментальных материалов. Например, применение быстрорежущей стали вместо углеродистой инструментальной, позволило увеличить скорость резания в 2–3 раза. Инструментальный материал должен иметь высокую твердость, значительное превышение твердости инструментального материала по сравнению с твердостью обрабатываемой заготовки должно сохраняться и при нагреве инструмента в процессе резания. Способность материала инструмента сохранять свою твердость при высокой температуре нагрева определяет его теплостойкость. Режущая часть инструмента должна обладать большой износостойкостью в условиях высоких давлений и температур. Важным требованием является также достаточно высокая прочность инструментального материала [1].

Инструментальные материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, т. е. легко обрабатываться в процессе изготовления инструмента и его переточек, а также быть сравнительно дешевыми. В настоящее время для изготовления режущих элементов инструментов применяются инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие), твердые сплавы, минералокерамические материалы, алмазы и другие сверхтвердые и абразивные материалы. Также разрабатываются все новые неметаллы, становящиеся промышленными материалами. Керамические материалы являются одними из таковых, их уже активно и в достаточной степени применяют в радиоэлектронике, они пробивают себе дорогу и как конструкционные материалы в машиностроении.

Независимо от металлов и неметаллов, керамические материалы обладают замечательными физическими и химическими свойствами, однако при их обработка сталкиваются с некоторыми трудностями. Тем не менее, для активного использования их в качестве промышленных материалов необходимо разработать соответствующие и высокоэффективные способы обработки.

Керамика может быть как обрабатываемым материалом, так и обрабатывающим инструментом. Различают обработку полностью спеченной керамики и обработку неспеченных или же предварительно спеченных деталей.

Керамические материалы играют большую роль и в качестве инструмента для обработки резанием. Внедрение керамических инструментов инициировало стремительное увеличение скорости обработки и позволило обрабатывать те материалы, которые ранее трудно поддавались резанию. Можно сказать, что режущий керамический инструмент – один из самых перспективных материалов.

Разработки новых материалов для режущих инструментов также находятся в тесной связи с развитием технологии их производства. До XX века главными материалами были углеродистая инструментальная и быстрорежущая стали. Однако в результате развития технологии спекания были разработаны режущие инструменты из сверхтвердых сплавов, керметов, керамики и других материалов. Кроме этого, после семидесятых годов, благодаря внедрению технологии сверхвысокого давления, осуществлено практическое применение режущих инструментов СВN и из синтетических (спеченных) алмазов.

Материалы для изготовления режущих инструментов имеют высокую прочность, сохраняют ее и при высокой температуре; разработаны также материалы с высокой вязкостью, хотя обычно твердость и вязкость для одного материала являются взаимоисключающими характеристиками и их объединение крайне трудно.

Можно выделить два вида повреждений режущих инструментов – поломку и износ, каждый из которых подразделяется в зависимости от причин.

Режущие инструменты изнашиваются в результате одновременного воздействия нескольких факторов в зависимости от комплексного воздействия условий резания и характеристик обрабатываемого материала.

Материалы для изготовления обрабатывающих инструментов должны иметь всегда постоянные функциональные характеристики в отношении различных повреждений любого рода и поэтому должны по возможности удовлетворять требованиям, приведенным в таблице.

Требования к материалам для режущих инструментов

Желательные характеристики материалов

Функциональные характеристики инструментов

(при обычной и высокой температурах)

Большая вязкость (изломостойкость,

стойкость к давлению)

Стойкость к выкрашиванию (чиппингу),

Стойкость к пластической деформации

Стойкость к тепловому удару (стойкость

к образованию термических трещин)

Химическая стабильность Низкое сродство

к обрабатываемому материалу

Стойкость к окислению и диффузии,

стойкость к привариванию, адгезии

при изготовлении и перезаточке

Возможность получения острой режущей

Хорошие острота и рабочая поверхность,

При увеличении скорости резания в последние годы, а также при появлении многочисленных возможностей обработки различных новых промышленных материалов, в дополнение к прежним характеристикам твердости и вязкости особенно важными характеристиками режущих инструментов стали такие, как теплопроводность и низкая реакционная способность.

Керамические материалы являются многообещающими материалами для изготовления обрабатывающих инструментов. Изготовлять обрабатывающие инструменты из керамики стали примерно с 1950–х гг., когда были проведены исследования разных видов керамики как материала для режущих инструментов. В этот период был внедрен оксид алюминия в качестве материала с самыми высокими функциональными характеристиками, способного выдерживать высокие скорости резания. С тех пор, когда говорят о керамических режущих инструментах, имеют в виду выполненные, главным образом, из оксида алюминия.

Первые керамические режущие инструменты имели низкую вязкость (сопротивление излому

300 МПа); помимо этого, они часто ломались во время работы из-за того, что в те времена была, не очень высока жесткость станков. Впоследствии, особенно в Японии, были проведены интенсивные научно-исследовательские работы с целью разработки способов спекания, химического состава (добавки) и повышения функциональных характеристик керамических режущих инструментов.

В 1970 г. началось внедрение высокотвердых режущих инструментов с высокой вязкостью и с покрытием быстрорежущей стали керамическим материалом. Это позволило намного повысить только износостойкость, не снижая при этом традиционной вязкости режущих инструментов.

Такие режущие инструменты универсальны, и можно применять их без какого – либо изменения традиционного оборудования и режима резания. Покрытие увеличило срок службы инструментов, поэтому они стремительно распространились.

Известно, что у керамических режущих инструментов обычно высоки функциональные характеристики при резании серого литейного чугуна и чистовой обработке резанием.

Наиболее износостоек обычно инструмент из оксида алюминия высокой чистоты. При мокрой токарной обработке резанием применяют, главным образом, режущие инструменты из этого материала. Также при мокром или прерывистом резании применяют инструменты из карбида титана с высокими вязкостью и теплопроводностью.

Одним из способов решения важной проблемы обеспечения износостойкости и вязкости режущего инструмента является нанесение на поверхность высоковязкого металла – основы режущего инструмента покрытия из веществ, обладающих высокими износостойкостью, химической стойкостью и стойкостью к наплавлению. Проблема сводится к тому, каким образом на долгое время стабильно закрепить материал покрытия на поверхности режущего инструмента; она связана с зависимостью между прочностью самого нанесенного покрытия и силами сцепления его с металлом – основой режущего инструмента.

Эффект повышения износостойкости проявляется тем сильнее, чем больше толщина покрытия, и поэтому обычно его толщина составляет 8–10 мкм. Однако при прерывистом резании и других его видах, когда требуется повышенная прочность сцепления, толщина наносимого покрытия составляет 3–4 мкм, и этого достаточно, чтобы скалывания покрытия не происходило.

Среди способов нанесения покрытия различают два вида напыления: химическое (CVD) и физическое (PVD) осаждение в паровой фазе. При способе CVD хлориды вещества, предназначаемого для покрытия, напыляют на поверхность инструмента и затем с помощью химических реакций хлор замещают на углерод, азот, кислород и другие элементы, получая нужное соединение. Этот способ широко применяется, так как он дает возможность массового производства и обеспечивает сравнительно большую силу сцепления покрытия с материалом режущего инструмента. Однако для прохождения химической реакции инструмент необходимо нагреть до

1000 °С, при этом между нанесенным покрытием и режущим инструментом образуется хрупкий промежуточный слой, изменяется структура металла – основы режущего инструмента и т. д. Этот способ применяют, главным образом, для нанесения покрытий на сверхтвердые режущие инструменты.

Физическое напыление покрытия (PVD) можно осуществить способами набрызгивания, ионной металлизации и др. В этих способах зерна и ионы вещества покрытия ускоряют и сталкивают с поверхностью режущего инструмента, обеспечивая физическое сцепление. Температура инструмента при этом сравнительно низкая и нарушений, возникающих при осуществлении способа СVD, не образуется, но у способа PVD есть такие недостатки, как трудность массового производства, образование разницы в силе сцепления в зависимости от направления поверхности инструмента и др. Этот способ применяют для покрытия режущих инструментов из быстрорежущей стали.

Инструментальная промышленность выпускает синтетические сверхтвердые материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора. Природный алмаз – самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента. Принципиальное отличие монокристаллического природного алмаза от всех других инструментальных материалов, имеющих поликристаллическое строение, с точки зрения инструментальщика состоит в возможности получения практически идеально острой и прямолинейной режущей кромки. Поэтому в конце XX века с развитием электроники, прецизионного машиностроения и приборостроения применение резцов из природных алмазов для микроточения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т. п. возрастает. Однако из-за дороговизны и хрупкости природные алмазы не применяются в общем машиностроении, где требования к качеству обработки деталей не столь высоки.

Природные монокристаллы алмазов с давних времен применяли в качестве режущих инструментов, они имеют отличные функциональные характеристики для обработки нежелезных материалов. Микротвердость алмаза превышает 9000 по шкале Виккерса, т. е. более чем вдвое выше микротвердости СВN.

Однако, когда температура воздушной среды становится выше 600 °С, износостойкость алмаза снижается. Кроме того, когда резец представляет собой монокристалл, то под влиянием ориентации кристалла износостойкость и спайность бывают разными и алмаз как режущий инструмент деформируется, что приводит к осложнениям при его использовании.

Кубический нитрид бора сверхтвердый материал, не имеющий природного аналога. Впервые кубический нитрид бора был синтезирован в 1956 году (фирмой «Дженерал Электрик») при высоких давлениях (свыше 4,0 ГПа) и высокой температуре (свыше 1473К) из гексагонального нитрида бора в присутствии щелочных и щелочноземельных металлов (свинец, сурьма, олово и др.). Кубический нитрид бора, выпускаемый фирмой «Дженерал Электрик», был назван боразоном.

Синтетические монокристаллы алмаза и кубический нитрид бора, полученные искусственным путем, имеют очень малые размеры, поэтому для использования в качестве инструментального материала их соединяют (сращивают) в поликристаллы [2].

Режущие инструменты СВN – это изделия, полученные спеканием кубического нитрида бора при давлении >5 ГПа и температуре >1200 °С. В качестве режущего инструмента применяется сверхтвердый сплав в соединении со спеченным изделием из СВN толщиной 0,5–1,0 мм.

У зерен СBN очень высоки микротвердость Нμ=45 ГПа и теплопроводность λ≈254 Вт/(мК). В условиях атмосферы они сохраняют стабильность до 1300 °С и не вступают в реакцию с железом, в этом их особенность.

Различают спеченные изделия без связок и изделия с керамическими связками на основе TiN или А12О3; эти изделия немного различаются по свойствам и функциональным характеристикам.

Износостойкость режущего инструмента СBN зависит от состава связки, а также от способа их изготовления и химического состава. Поэтому при выборе режущих инструментов СВN следует учитывать свойства их и обрабатываемого материала.

Обычно режущие инструменты СВN применяют для обработки резанием углеродистой инструментальной, легированной, штамповой сталей, отбеленного чугуна и других материалов, не содержащих карбидов со слишком высокой твердостью. До известной степени их можно использовать и в тех случаях, когда требуется вязкость.

У режущих инструментов из синтетических алмазов, спеченных при таких же, как и инструменты СВN, высоких давлении и температуре изделий, представляющих сверхтвердый сплав, намного повышена вязкость (стойкость к выкрашиванию).

По составу эти режущие инструменты делятся на два вида: без связок (с содержанием какого–то количества Со) и спеченный со связкой из сверхтвердых сплавов. В первых зерна алмаза непосредственно взаимосвязаны. Они имеют высокую твердость и износостойкость, пригодны, главным образом, для обработки резанием материалов высокой твердости, но эти режущие инструменты отличаются плохой обрабатываемостью. У вторых износостойкость несколько ниже, но при лучшей обрабатываемости. В зависимости от обрабатываемого материала и эти инструменты имеют достаточно высокие функциональные характеристики.

Режущая кромка инструментов из синтетических алмазов не столь остра, как у инструментов из природных алмазов. Следовательно, для сверхточной чистовой обработки и зеркальной обработки наиболее подходят режущие инструменты природных алмазов. Теплопроводность природных алмазов также более высока.

Таким образом, и алмазные режущие инструменты надо подбирать по видам в зависимости от назначения.

Одним из критериев оценки керамики является изготовление из нее ножей. Чтобы проверить, можно ли сделать из керамики деталь машины, – надо попробовать сделать из нее нож. Если нож тонок, а лезвие его остро, то материал оптимален.

Из диоксида циркония изготовляют ножи и скальпели, ножницы – в основном из оксида алюминия, однако в последнее время и из диоксида циркония. Их затачивают на алмазных кругах, выбор которых представляет значительную трудность. Обращение с ножами из керамики требует большой осторожности, они могут быть причиной несчастных случаев из-за большой остроты их лезвий. В настоящее время ножами для подводных работ может пользоваться только ограниченный круг людей. Неспособность ржаветь, ненужность перезаточки, легкость – вот их отличительные особенности. Проводятся научно-исследовательские работы по изготовлению керамических лезвий. Керамические изделия используются в разных областях. Керамические шарики (из нитрида кремния – черные, из оксида алюминия – белые) в последнее время применяются в шариковых ручках. Кольца – уплотнения из оксида алюминия начинают активно использовать в автомобилях и летательных аппаратах. Керамические детали машин, хотя и понемногу, но прочно завоевывают позиции.

В настоящее время самыми крупными производителями керамических ножей являются Япония и Китай. Принято считать, что китайские кухонные инструменты из керамики уступают в качестве японским, но в Китае производство таких ножей налажено, конечно же, более массово и они более дёшевы. Поэтому, приобретая наборы кухонных ножей из керамики или отдельные керамические ножи, надо более тщательно выбирать и не экономить на качестве.

Основным материалом в производстве керамических ножей, как уже говорилось выше, является циркониевая керамика. Добывают минерал циркон по всему миру: в Австралии, Индии, на Мадагаскаре, в США, Западной Африке, Норвегии, Украине. Есть залежи циркона и в России, месторождения минерала есть в Сибири и на Урале, а завод, способный перерабатывать циркон, в нашей стране, к сожалению, только один – Чепецкий механический завод, который располагается в Удмуртии.

Интересно, что циркон, предназначенный для изготовления японских керамических ножей, отправляют на китайские заводы, где из него производится диоксид циркония, а уже потом этот белый порошок поступает на японские заводы.

Рассмотрим технологию изготовления керамических ножей на примере их производства в японских компаниях. Циркониевый порошок прессуется в лезвия будущих ножей под огромным давлением – почти 300 тонн. Затем получившиеся заготовки обжигают в печи, где температура достигает 1400 градусов. Через двое суток хрупкие пластины из циркония закаляются и становятся прочной и лёгкой керамикой [3].

Керамические инструменты (неважно, кухонный нож или хирургический скальпель) намного твёрже, чем аналогичные инструменты, сделанные из закалённой стали. Твёрдость высококачественной стали равна 5,5–5,8 единиц по шкале Мооса, дамасская сталь тверда на 6,3 балла, а вот циркониевая керамика получила 8,2 единицы по Моосу. Только алмаз твёрже циркония – его твёрдость оценивается в 10 единиц.

Необходимым условием достижения высоких режущих свойств инструмента является низкая физико-химическая активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому. Поэтому кристаллохимические свойства инструментального материала должны существенно отличаться от соответствующих свойств обрабатываемого материала.

Одним из значимых факторов в современной промышленности является совершенствование технологии производства. Особенность современного производства – это применение новых инструментальных материалов, которые обладают высокими режущими свойствами. К таким материалам относится режущая металлокерамика (кермет).

1. Инструментальная керамика. Мир словарей [Электронный ресурс]. – URL: http://referat. /d/72558/ (дата обращения: 02.03.2013).

2. Инструментальные материалы [Электронный ресурс]. – URL: http: gendocs. ru/v8078/

инструментальные_материалы (дата обращения: 02.03.2013).

3. Технология изготовления керамических ножей // promco-t. ru URL: http://promco-t. ru/sobytiya/

novosti/tehnologiya-izgotovleniya-keramicheskih-nozhei-208.html (дата обращения: 02.03.2013).

4. Боровский производство в России. – М. : , 2008. – 160 с.

5. , , Маслов высокоэффективных технологий. – М. : Изд-во «ИТО», 2011. – 222 с.

6. , , Климов материалов резанием: учеб. пособие для вузов по направлениям подгот. бакалавров и магистров. – Ростов н/Д : Феникс, 2008. – 411 с.

[1], студент 5 курса кафедры химической технологии неорганических веществ и материалов, e-mail: *****@***ru.

Zhilnikov Aleksey, a fifth-year student of Chemical Technology of Inorganic Substances and Materials Department, e-mail: *****@***ru

[2], ст. преподаватель кафедры химической технологии неорганических веществ и материалов, e-mail: *****@***ru.

Zykova Juliya, Assistant Professor of Chemical Technology of Inorganic Substances and Materials Department, e-mail: *****@***ru

Источник

Читайте также:  Чем обусловлен цвет металлов
Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector