Інструментальні керамічні матеріали

ІНСТРУМЕНТА́ЛЬНІ КЕРАМІ́ЧНІ МАТЕРІА́ЛИ – група керамічних матеріалів, що характеризується високою твердістю й міцністю. І. к. м. використовують для виготовлення різал. та ін. оброблювал. інструментів. Більшість І. к. м. створюють на основі твердих тугоплав. хім. сполук, які поєднують у собі високу твердість і хім. стабільність, що зберігається в широкому діапазоні т-р і мех. навантажень. До речовин, що відповідають цим вимогам, належать оксид алюмінію (Al₂O₃), нітрид кремнію (Si₃N₄), карбід і нітрид титану (TiC та TiN), а також оксинітридні фази (сіалони), які утворюються в системах Si–Me–O–N і є твердими розчинами зі структурою α- і β-Si₃N₄. Вперше І. к. м. на основі Al₂O₃ розроблено в СРСР у 1940-х рр. Пізніше, у 1960-х рр. вченими НДР й СРСР створ. змішану кераміку на основі Al₂O₃ та TiC, а у 1980-х рр. УРСР, Швеції, НДР та Ізраїлю – нітридокремнієві та сіалонові І. к. м. За складом осн. фаз І. к. м. поділяють на оксидні («біла» кераміка – матеріали на основі Al₂O₃ з домішками MgO чи ZrO₂; змішана, або «чорна» кераміка – матеріали на основі Al₂O₃–TiC, а також Al₂O₃, армов. ниткоподіб. кристалами SiC) та нітридні (кераміка на основі Si₃N₄ з активуючими спікання домішками Al₂O₃ та Y₂O₃, на основі сіалонів, а також композити Si₃N₄–TiC(TiN) – активуючі домішки). Інтенсивні мех. і терм. навантаження у зоні контакту інструментал. і оброблювал. матеріалів зумовлюють високі вимоги до мех. властивостей І. к. м. Серед найважливіших, що відповідають за працездатність інструменту, – межа міцності (σ); твердість (Н); тріщиностійкість (К_1С). Вагомою властивістю також є висока теплопровідність, що забезпечує хороше тепловідведення від зони різання, а також збереження високих показників твердості та міцності при високих т-рах. Хім. інертність оброблювал. матеріалу у відношенні до матеріалу інструменту є фактором, який визначає його стійкість. І. к. м. створюють залежно від вартості й масовості продукції за технологіями вільного спікання попередньо спрес. заготовок (П + С), гарячого пресування (ГП) або гарячого ізостат. пресування (ГІП). Під час вироб-ва різал. пластин на основі нітриду кремнію використовують процеси ХП + С, ГП і ГІП. Специф. для нітрид. кераміки є процес компресій. спікання (КС) під надлишк. тиском азоту для стримання дисоціації нітриду кремнію, підвищення т-ри спікання, зниження концентрації активуючих домішок. ХП + С є найпростішою і найпродуктивнішою технологією у масовому вироб-ві непереточув. пластин. Їх виготовляють фірми РФ, Німеччини, Швеції, США, Японії з урахуванням специфіки застосування, що й визначає різноманіття складу, методів отримання, а також мех. властивостей (див. Табл. 1а–1в).

Конфігурація непереточув. керам. пластин для мех. кріплення в оброб. інструменті визначається міжнар. стандартом ISO 1832:2004. Відповідність йому досягають шляхом мех. оброблення алмаз. інструментом заготовок, які отримують після спікання чи гарячого пресування. При цьому для заліковування дефектів, пов’язаних з утворенням мікро- та макронапруг, і підвищення зносостійкості та різал. властивостей на готові пластини наносять високотверді покриття на основі тугоплав. сполук. Технологія нанесення покриттів дозволяє сформувати на різал. пластинах специф. дво-, три- та багатошар. структури, що забезпечують підвищення мех. і триботех. характеристик. Широко застосовують покриття на основі карбіду, нітриду та оксинітриду титану, а також оксиду алюмінію. Осн. технології нанесення покриттів на різал. керам. пластини: фіз. (PVD) та хім. (CVD) осадження з парогаз. фази. PVD – це сукупність методів, під час яких використовують різноманітні способи нагрівання джерела (мішені) або ін. фіз. впливи для переведення речовини з твердого стану в пар з подальшим осадженням на підкладці. Випаровування мішеней здійснюють внаслідок індукц. нагрівання, пропускання електр. струму, лазер. і електрон. променів, різноманіт. методами іонно-плазм. впливу. CVD виконують аналогіч. методами. Гол. відмінність полягає в тому, що у парогаз. фазі або на поверхні підкладки відбуваються хім. реакції, які й призводять до формування покриття. Використовуючи технології PVD та CVD, можна наносити не лише однофазні покриття, а й багатошарові. При цьому кожен із шарів виконує певну функцію (напр., компенсацію КТР, дифуз. бар’єр, захист від взаємодії матеріалу різця з оброблювал. матеріалом, зниження коефіцієнта тертя, підвищення зчеплення покриття з основою).

Кожний вид метал. матеріалів обробляють певним типом інструментал. кераміки при оптимал. параметрах різання, що визначає сферу її застосування (див. Табл. 2, 3а–3в). Використання І. к. м. у металообробленні дозволяє вирішувати проблеми підвищення продуктивності металооброб. верстатів за рахунок інтенсифікації режимів різання; автоматизації верстатів і впровадження оброб. центрів та ліній з програм. упр.; підвищення якості поверхні оброблених деталей і точності їх оброблення; заміни у низці випадків шліфування на операції різання.

Літ.: Гнесин Г. Г., Осипова И. И., Ронталь Г. Д. и др. Керамические инструментальные материалы. К., 1991; Гаршин А. П., Гропянов В. М., Зайцев Г. П. и др. Керамика для машиностроения. Москва, 2003.

Г. Г. Гнесін