Інструментальні керамічні матеріали

Визначення і загальна характеристика

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 виробництва 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 температури спіка­н­ня, зниже­н­ня концентрації активуючих домішок. ХП + С є най­простішою і най­продуктивнішою технологією у масовому виробництві 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, повʼязаних 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. барʼєр, 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

Завантажити статтю