Керамический инструмент для обработки металла

Керамические сменные многогранные пластиные СМП для токарных и фрезерных работ

В основном керамические режущие пластины (СМП) находят применение в условиях непрерывного получистового и чистового точения. На этих операциях обработки они имеют преимущество перед традиционными режущими материалами по твердости, износостойкости и химической инертности к большинству обрабатываемых материалов.

Важным качеством керамических пластин является их способность сохранять высокую твердость при достаточно высоких температурах, возникающих в зоне контакта инструмент-обрабатываемый материал.

Форма и размеры керамических пластин соответствуют установленной ГОСТом 25003-81 технической отраслевой документации, разработанной с учетом международного стандарта  ISO. Пластины выпускают двух классов точности U и G. Класс точности G обеспечивает более жесткие, чем класс U размерные допуски пластин.

Надежность сменных многогранных пластин при резании достигается благодаря высоким требованиям к технологии их изготовления.

Керамику, из которой изготавливают режущие пластины, можно разделить на несколько групп, которые различаются химическим составом, методом производства и областями применения.

I. Оксидная керамика

ВО-13, ВО-130

Керамика оксидного типа, на основе оксида алюминия. ВО-130 является аналогом керамики марки ВО-13, отличие заключается в технологии их изготовления. Режущие пластины марки ВО-13 изготовляют холодным прессованием с последующим спеканием, режущие пластины марки ВО-130 – горячим прессованием.

Недостаток пластин из керамики ВО-13, заключающийся в относительно небольшой прочности, компенсируется высокой твердостью и красностойкостью. Применяются при точении нетермообработанных сталей (качественных конструкционных, улучшенных, конструкционных легированных), с твердостью 160-380 HB, а также серых чугунов твердостью 143-289 HB.

При этом возможно использование высоких скоростей резания. 

ВО-18, ВО-180

Керамика оксидного типа, на основе оксида алюминия Al2 O3 с добавками других оксидов.

Режущие пластины марки ВО-18 изготовляют холодным прессованием с последующим спеканием, что позволяет создавать широкий ассортимент типоразмеров пластин для соответствующих операций металлообработки, режущие пластины марки ВО-180 – горячим прессованием.

Благодаря сохранению высокой твердости при повышенных температурах, низкой склонности к диффузии металл – резец, рекомендуется применять этот материал при высокоскоростной токарной обработке чугуна и стали в состоянии поставки при чистовом точении без применения СОЖ.

II. Оксидно-карбидная керамика

ВОК-200

Керамика оксидно-карбидного типа на основе Al2O3 и TiC, с некоторыми легирующими добавками тугоплавких соединений. Режущие пластины получают горячим прессованием. По сравнению с оксидной керамикой, оксидно-карбидная керамика обладает более высокой термостойкостью, износостойкостью и твердостью.

Повышенные физико-механические свойства, за счет введения тугоплавких соединений, позволяют успешно применять ее для чистовой и получистовой обработки резанием углеродистых и легированных сталей, цементуемых и закаленных на твердость HRC 30-50, а также ковких, высокопрочных, отбеленных чугунов.

III. Слоистый композиционный материал

ВОКС-300

Композиционный материал, состоящий из высокопрочной твердосплавной подложки и одного или нескольких слоев керамического режущего материала. Данная конструкция позволяет получить более высокую прочность на изгиб и более высокую вязкость. Одновременно также повышается ударная прочность и термостойкость.

Применяется для чистовой и получистовой токарной обработки углеродистых, легированных, закаленных сталей и различных чугунов. Кроме этого ВОКС-300 можно применять при прерывистом точении с ударами, возникающими от абразивных включений или раковин, при получистовом и чистовом точении деталей с неравномерным припуском, для нарезания резьбы и канавок в деталях из закаленной стали.

IV. Нитридная керамика

ТВИН-200

Керамика на основе нитрида кремния, с добавками оксидов металлов. Для нее характерна высокая твердость, термостойкость, стабильность физико-механических свойств в широком интервале температур. Пластины получают методом горячего прессования. Важным свойством резцов из нитрида кремния является высокая прочность режущей кромки и ее надежность.

Применяется для получистовой обработки чугунов, сплавов на основе никеля и кобальта и сплавов алюминия с высоким содержанием кремния, при фрезеровании с применением в процессе резания охлаждение жидкостью.

V. Композиционный материал на основе оксида алюминия

ТВИН-400

Керамический композиционный материал на основе оксида алюминия, армированный нитевидными монокристаллами карбида кремния. Пластины получают методом горячего прессования.

Материал сохраняет высокие значения твердости и прочности до температуры 1450 ºС, устойчив к термоударам, что позволяет использовать в работе СОЖ.

Наиболее эффективно применяется при обработке никелевых сплавов, закаленных высоколегированных и быстрорежущих сталей и чугунов твердостью более 250 НВ, с высокими скоростями и большими подачами при черновом, получистовом и чистовом точении и фрезеровании.

Возможно изготовление изделий по индивидуальным чертежам заказчика

Инструмент из сверхтвердых материалов — алмазный (MCD, PCD), из кубического нитрида бора (CBN) и керамики (краткий обзор инструмента и производителей)

Швейцарский производитель алмазного инструмента с широким ассортиментом продукции (резцы, пластины, фрезы, вставки, правящий инструмент)

Немецкий производитель высококачественного алмазного инструмента и инструмента из кубического нитрида бора (пластины, резцы, вставки)

Немецкий производитель инструмента широкого спектра, в частности и спец.инструмента с напайными алмазными вставками

Немецкий производитель алмазного спец.инструмента (развертки, зенкеры, борштанги, фрезы и т.д.)

Немецкий производитель алмазного инструмента и инструмента из тв.сплава

Шлифовальный алмазный и CBN инструмент

Element Six www.e6.com — международная компания по производству PCD заготовок для производства инструмента

(Великобритания-США) компания по производству различного спец.инструмента из PCD

Итальянский производитель спец.инструмента, в частности алмазного

Итальянский производитель алмазного инструмента

Итальянский производитель алмазного инструмента

C.R.M. di Mazzoccato Arturo & Figli srl www.crmtools.it

Telcon Diamond Cutting Tool https://telconpcd.com

Израильский производитель различного алмазного инструмента (сверла, фрезы, микроинструмент, абразивный инструмент, напайной спец.инструмент и т.д.)

Японский производитель алмазного инструмента с большим ассортиментом продукции для шлифования, правки, пасты, спец.инструмент и т.д.)

Японский бренд, интересен фрезами мелкоразмерными фрезами CBN  

японский производитель мелкоразмерных фрез из CBN и PCD

Японский производитель в частности алмазного инструмента и инструмента из CBN

Японский производитель, интересен микрофрезами из CBN и прочим микро инструментом с большим вылетом

Американский производитель алмазного инструмента и инструмента из кубического нитрида бора, производитель станков (шлифовального, режущего (фрезы, зенкеры, развертки, спец.инструмент, пластины, вставки и т.д.) )

Mastertech Diamond Products www.mastertechdiamond.com

Американский производитель алмазного спец.инструмента

Американский производитель инструмента из PCD и CBN (пластины, вставки, спец.инструмент)…компания основана в 1927 году

DIATEQ LABS, LLC http://diateq.com

Американский производитель инструмента монокристаллического, PCD и CBN

Американский производитель алмазного инструмента

Американский производитель различного алмазного инструмента

Немецкий производитель алмазного инструмента, входит в компанию Meyco

Польский производитель алмазного правящего инструмента

Чешский производитель алмазного инструмента

Best Diamond Ind. Co., Ltd. www.besdia.com

Тайваньский производитель различного спец.инструмента из PCD, шлифовальных кругов, паст, ручного притирочного инструмента

Корейский производитель алмазного инструмента и различного спец.инструмента

Корейский производитель алмазного инструмента (резцы, фрезы, волоки, вставки, спец.инструмент и т.д.)

ASI Tooling, Inc. www.asitooling.com

Корейский производитель спец.инструмента, в частности PCD для различных отраслей

Корейский производитель, интересен фрезами из CBN и т.д

Индийский производитель алмазного инструмента (пластины, вставки, волоки, карандаши, резцы и т.д.)

Индийский производитель, правящий инструмент, пасты

Индийский производитель алмазного правящего инструмента

Индийский производитель алмазного правящего и шлифовального инструмента

Weino Diamond tools www.weinotools.com

Китайский производитель алмазного инструмента и инструмента CBN с широкой номенклатурой (пластины, резцы, вставки, фрезы, спец.инструмент и т.д.)

Китайский производитель алмазного спец.инструмента

Shenzhen Juntec Ultra-hard Tools Co.,ltd. www.juntec.com

Китайский производитель алмазного инструмента

Chengdu Diamond International www.pcdcbntools.com

WEIHAI WEIYING TOOL CO., LTD. www.whweiying.com

LINKUT Precision Tools CO.,Ltd www.linkuttools.com

GH Diamond tools Co.,Ltd www.ghcuttingtool.com

Zhengzhou Halnn Superhard Materials Co., Ltd https://www.halnncbn.com

Beijing Worldia Diamond Tools Co.,Ltd. www.worldia-tools.com

J & M DIAMOND TOOL, INC. www.diamondtool.com

Производители инструмента на основе керамики (в частности и CBN)…наиболее узкоспециализированные:

не будем перечислять всех остальных типа Sandvik, Seco, Iscar, Kennametal, Walter и т.д…у многих в ассортименте есть пластины из керамики и CBN.

Отечественные производители инструмента из CBN, керамики

Завод технической керамики www.techceram.ru

И для новичков хочу напомнить про такую законодательную бумагу, невыполнение которой грозит серьезными проблемами и для фирмы, и лично для лица, ведущего учет и хранение:

Поэтому все, кто использует инструмент из природных алмазов, обязаны согласно этой инструкции в установленных формах вести учет, хранение, рекуперацию, списание такого инструмента и своевременно подавать документы в бухгалтерию и МИНФИН.

Ни один алмазный карандаш из природного алмаза (и даже зерна из него) не могут просто так потеряться или исчезнуть — кто не в курсе пишите письма в МинФин, Вам пояснят.

Обработка закаленной стали с использованием керамического режущего инструмента

Керамический режущий инструмент (керамические пластины) на основе оксида алюминия является привлекательной альтернативой твердосплавным инструментам для обработки стали в закаленном состоянии.

Эти керамические режущие инструменты могут обрабатывать с высокой скоростью резания и обеспечивать хорошую чистоту поверхности. Механизм износа этих керамических режущих инструментов должен быть правильно понят для большего использования.

В нашем исследовании используются два типа керамических режущих инструментов, а именно керамический режущий инструмент из смешанного оксида алюминия Ti [C, N] и керамический режущий инструмент из оксида алюминия, закаленного диоксидом циркония.

Обрабатываемость закаленной стали оценивали путем измерения износа инструмента, сил резания и чистоты поверхности заготовки. Эти керамические материалы для режущего инструмента на основе оксида алюминия обеспечивают хорошую чистоту поверхности при обработке закаленной стали.

В этой статье сделана попытка проанализировать важные механизмы износа, такие как абразивный износ, адгезионный износ и диффузионный износ этих материалов для керамического режущего инструмента, и здесь также обсуждается производительность этих керамических режущих инструментов, связанных с чистовой обработкой поверхности.

Достижения в технологии обработки керамики привели к появлению нового поколения высокоэффективных инструментов для резки керамики, обладающих улучшенными свойствами.

Улучшения были сделаны в свойствах инструмента, таких как прочность на разрыв, ударная вязкость, термостойкость, твердость и износостойкость.

Эти разработки позволили использовать керамические инструменты для обработки различных типов стали, чугуна, цветных металлов и тугоплавких сплавов на основе никеля с высокой скоростью.

Оксид алюминия широко используется в качестве материала для керамического режущего инструмента и укрепляется добавлением таких частиц, как оксид циркония, карбид титана и нитрид титана, для улучшения свойств. Механизмы усиления или упрочнения этих керамических композиционных материалов представляют собой упрочнение фазового превращения и усиление осаждения или дисперсии.

Оксид алюминия, упрочненный диоксидом циркония, состоит из частично стабилизированных частиц диоксида циркония, диспергированных в матрице оксида алюминия.

Цирконий существует в трех четко определенных полиморфах: кубический (с) (выше 2370 ° С), тетрагональный (т) (между 2370 и 1150 ° С) и моноклинный (м) (ниже 1150 ° С). Высокотемпературные фазы можно стабилизировать до комнатной температуры, добавляя легирующие примеси, такие как нитрат, церия и магнезия [1].

Т-фаза, которая является метастабильной фазой при низкой температуре, нуждается в энергии для преобразования в стабильную низкотемпературную м-фазу. Поскольку это преобразование t в m поглощает энергию, а способность поглощать энергию создает ударную вязкость, преобразование t в m приводит к увеличению ударной вязкости материала.

Это явление известно как ужесточение трансформации. Когда диоксид циркония ужесточается легирующими веществами, такими как йиттрия, церия и магнезия, с использованием вышеупомянутого трансформационного ужесточения, это называется трансконцентрированным цирконием (ТТЗ).

Введение достаточного количества диоксида циркония в традиционную матрицу оксида алюминия привело к разработке оксида алюминия, упрочненного диоксидом циркония (ZTA) с улучшенной ударной вязкостью.

В ZTA диоксид циркония подвергается ограниченному превращению, ограничивающей матрицей является оксид алюминия, который имеет более высокий модуль упругости и более низкое тепловое расширение, чем TTZ. Тетрагональная моноклинная трансформация считается мартенситной в объеме и сопровождается увеличением объема.

Когда чистый диоксид циркония диспергирован в глиноземной матрице, диоксид циркония удерживает метастабильные тетрагональные частицы, которые ограничены жесткой матрицей, которая препятствует увеличению объема, связанному с фазовым превращением.

Когда глиноземно-тетрагональные циркониевые композиты нагружены, поле растягивающей деформации, окружающее острие трещины, трансформирует частицы диоксида циркония, которые расширяются и генерируют сжимающую деформацию в матрице, а растягивающее напряжение на острие трещины уменьшается.

Это вызванное стрессом преобразование повышает вязкость разрушения глиноземных композитов, упрочненных диоксидом циркония [2]. Частицы диоксида циркония, диспергированные в глиноземной матрице, также увеличивают вязкость разрушения из-за образования высокой плотности микротрещин, поглощающих энергию вследствие их медленного распространения. Микротрещины образуются в результате расширения ZrO2 во время тетрагонального превращения в моноклинное.

Другим важным типом керамического режущего инструмента на основе оксида алюминия является композитный инструмент на основе оксида алюминия, смешанный с Ti [C, N]. При добавлении этих неоксидных частиц, таких как TiC и TiN, в матрицу оксида алюминия повышается теплопроводность, термостойкость и твердость.

Эти композитные керамические режущие инструменты сохраняют свою твердость даже при повышенной температуре. Добавление таких частиц, как TiC и TiN, увеличивает поперечную прочность на разрыв композита по сравнению с режущими инструментами из белой глиноземной керамики.

В режущем инструменте из композитного керамического оксида алюминия, смешанного с Ti [C, N], зерна TiC, TiN фиксируют трещину, возникающую в матрице. Это связано с тем, что для распространения трещины вокруг частиц требуются дополнительные затраты энергии [3].

В этом типе керамического композитного режущего инструмента частицы TiC и TiN действуют для закрепления вызванного напряжением дислокационного движения в матрице из оксида алюминия. Механизм закалки для этого типа смешанных керамических режущих инструментов известен как усиление осадка или дисперсии.

В материалах, упрочненных осадком или дисперсией, когда дислокация сталкивается с осадками, она, как правило, не сможет прорезать их, поскольку осадки более прочные, чем матрица. Следовательно, дислокации придется изгибаться между осадками и вокруг них, оставляя дислокационную петлю вокруг частицы.

Таким образом, движению дислокации препятствуют частицы TiC и TiN, диспергированные в глиноземной матрице, и для движения дислокации требуются дополнительные затраты энергии [4].

Обзор литературы

Благодаря разработке этих керамических композитных инструментов с улучшенными свойствами обработка стали в закаленном состоянии с использованием керамических режущих инструментов на основе оксида алюминия стала привлекательной.

Керамические режущие инструменты, такие как керамические режущие инструменты на основе оксида алюминия, упрочненного диоксидом циркония, называются керамическими инструментами на основе оксида алюминия, а керамические режущие инструменты на основе оксида алюминия на основе TiC и TiN называются керамическими режущими инструментами на основе оксида алюминия.

Эти керамические инструменты можно использовать для высокоскоростной обработки, что способствует эффективному использованию высокоскоростных станков, сокращая время обработки. Производительность повышается за счет более короткого времени цикла и высокоскоростной обработки стали с использованием керамических режущих инструментов, что снижает стоимость производства.

Поведение при износе этих керамических материалов для режущего инструмента является сложным, и требуется дополнительная информация о механизмах износа и улучшенных материалах для режущего инструмента, чтобы предсказать производительность при заданных условиях обработки.

Эти керамические композитные материалы для режущего инструмента в основном используются для обработки твердых материалов, таких как чугун, сталь, нержавеющая сталь в закаленных условиях, тугоплавких металлов, таких как сплавы на основе никеля и композитные материалы.

Потребность в чистовой обработке, такой как шлифование, может быть устранена с помощью этих керамических композитных режущих инструментов.

Сообщалось, что переход от твердосплавных инструментов с покрытием к композитным керамическим инструментам привел к увеличению срока службы инструмента в 2,5 раза плюс более высокая скорость удаления металла при обработке втулок автомобильных осей, изготовленных из ковкого чугуна [5].

Используя керамические вставки, скорость резания может быть увеличена с 183 до 381 м / мин. Другие параметры обработки, такие как скорость подачи 0,20 мм / об и глубина резания 0,38 мм, остались прежними.

Механическая обработка закаленной стали проводилась с использованием керамического режущего инструмента из глинозема, закаленного диоксидом циркония, и керамического режущего инструмента из смешанного глинозема Ti [C, N].

Хун Сяо [6] провел исследования износа различных керамических инструментов и обнаружил, что оксидные и смешанные керамические инструменты более пригодны для обработки закаленной стали, чем другие керамические инструменты, из-за их превосходной стойкости к износу.

Брандт [7] заметил, что смешанный глиноземный керамический инструмент обладает лучшей устойчивостью к истиранию из-за более высокой горячей твердости и большей теплопроводности, чем оксидно-глиноземный керамический инструмент, при обработке закаленной стали. Брандт и Микус [8] отметили, что износ кратера керамических инструментов на основе оксида алюминия при обработке стали преимущественно зависел от поверхностной пластической деформации, и на эту деформацию сильно влияла химическая реакция с материалом заготовки. Бхаттачарья и соавт. [9] обнаружили, что инструменты на основе смешанной керамики дают лучшую производительность, чем инструменты на основе оксидной и нитридной керамики при обработке чугуна. Ричардс и Аспинволл [10] отметили, что срок службы инструмента из смешанного глиноземного керамического инструмента был сильно ограничен из-за чрезмерной глубины надреза при резке при обработке сплавов на основе никеля. Уэйн и Бульян [11] отметили, что глубина надреза при резании была уменьшена с добавлением усов SiC и в меньшей степени с частицами TiC при обработке Inconel 718.

Выводы

Проанализирована обрабатываемость закаленной стали с использованием керамического режущего инструмента на основе оксида алюминия. Установлено, что абразивный износ является основным механизмом износа в керамических материалах для режущего инструмента на основе оксида алюминия при обработке закаленной стали.

Оба типа керамического режущего инструмента подвергаются постепенному постепенному абразивному износу с увеличением скорости резания. Клеевой износ выше при обработке более твердого материала. Материал керамического режущего инструмента из смешанного глинозема Ti [C, N] в большей степени подвержен износу адгезивом.

Химически активированный диффузионный износ выше у материалов из керамического режущего инструмента, смешанного с Ti [C, N], но глиноземный керамический инструмент, закаленный диоксидом циркония, не подвержен диффузионному износу.

Поверхностная обработка улучшается с увеличением скорости резания для обоих типов материалов для режущих керамических инструментов.

Характеристики материала режущего инструмента из керамики из смешанного оксида алюминия Ti [C, N] лучше в отношении чистоты поверхности, чем у инструмента для резки керамики из оксида алюминия, упрочненного диоксидом циркония. Производительность керамического режущего инструмента оказалась хорошей при обработке стали. Ti [C, N] керамический режущий инструмент из смешанного глинозема обеспечивает наилучшую чистоту поверхности.

Использованные источники

[1] Sornakumar T, Krishnamurthy R, Gokularatnam CV. Machining performance of phase transformation toughened alumina and partially stabilised zirconia composite cutting tools. J Eur Ceram Soc 1993;12:445–60.

[2] Lo Casto S, Lo Valvo E, Lucchini E, Maschio S, Piacentini M, Ruisi VF. Machining of steel with advanced ceramic cutting tools. Key Eng Mater 1996;114:105–34.

[3] Sornakumar T. Advanced ceramic composite tool materials for metal cutting applications. Key Eng Mater 1996;114:173–88.

[4] Dow Whitney E, Vaidyanathan N. Engineered ceramics for high speed machining. ASM International Conference Proceedings 1987:77–82.

[5] Charles  W. Ceramic  cutting  tools update. Manufact  Eng  1988; 100(April):81–6.

[6] Hong X. Wear behaviour and wear mechanism of ceramic tools in machining hardened alloy steel. Wear 1990;139:439–51.

[7] Brandt G. Flank and crater wear mechanisms of alumina based cutting tools when machining steel. Wear 1986;112:39–56.

[8] Brandt G, Mikus M. An electron microprobe and cathodoluminescence study of chemical reactions between tool and work piece when turning steel with alumina-based ceramics. Wear 1987;115: 243–63.

[9] Bhattacharyya SK, Ezugwuand EO, Jawaid A. The performance of ceramic tool materials for the machining cast iron. Wear 1989;135:147–59.

[10] Richards N, Aspinwall D. Use of ceramic tools for machining nickel based alloys. Int J Mach Tools Manufact 1989;29:575– 88.

[11] Wayne SF, Buljan ST. Wear of ceramic cutting tools in Ni-based super alloy machining. Tribol Trans 1990;33:618–26.

[12] Stachowiak GW, Stachowiak GB. Wear behaviour of ceramic cutting tools. Key Eng Mater 1994;96:137–64.

[13] Chandrasekaran N, Johansson JO. Chip flow and notch wear mechanisms during the machining of high austenitic stainless steels. Ann CIRP 1994;43:101–5.

[14] Kilmenko SA, Mukovoz YuA, Polonsky LG. Cutting tools of superhard materials. Key Eng Mater 1996;114:1–66.

[15] Bhattacharyya A. In: Metal cutting theory and practice. Calcutta, India: New Central Book Agencies (P) Ltd.; 2000. p. 386–91.

[16] Narutaki N, Yamane Y, Hayashi K, Hoshi T. Cutting performance and wear characteristics of an alumina–zirconia ceramic tool in high-speed face milling. Ann CIRP 1991;40:49–52.

[17] Sornakumar T, Gopalakrishnan MV, Krishnamurthy R, Gokularatnam CV. Development of alumina and Ce-TTZ ceramic composite (ZTA) cutting tool. Int J Refract Metals Hard Mater 1995;8:375–8.

[18] Chen W. Cutting forces and surface finish when machining medium hardness steel  using CBN tools. Int J Mach Tools Manufact 2000;40:455–66.

[19] Chakraborty A, Ray KK, Bhaduri SB. Comparative wear behavior of ceramic and carbide tools during high speed machining of steel. Mater Manufact Process 2000;15:269–300.

Machinability of hardened steel using alumina based ceramic cutting tools A. Senthil Kumar, A. Raja Durai, T. Sornakumar

Современная режущая керамика

9 Октября 2012 Основной тенденцией развития современной металлообработки является постоянное повышение скорости резания. Преимущества высокоскоростного резания могут быть достигнуты только при условии создания инструментов с принципиально новым уровнем свойств. Этим объясняется повышенное внимание машиностроителей к новым видам режущей керамики и оснащенных ею инструментов. Их рациональное применение способно обеспечить не только рост технико-экономических показателей металлообработки, но и прорыв в создании новых конкурентоспособных машин. Развитие этих инструментов направлено на прецизионную лезвийную обработку, удовлетворение требований экологических норм и экономию дефицитных металлов.

В современной отечественной промышленности потенциальные преимущества режущей керамики реализуются в очень узкой области применения. В первую очередь из-за несоответствия большей части имеющегося технологического оборудования требованиям эксплуатации инструмента, оснащенного режущей керамикой. Во-вторых, из-за устойчивых представлений заводских технологов о низкой прочности и природной хрупкости керамик в принципе, которые определяют высокую вероятность внезапного разрушения инструмента. В результате в настоящее время объем режущей керамики, применяемой в отечественной металлообработке, не превышает 2-3 процента от общего числа инструментов. И это несмотря на большой дефицит высокопроизводительных инструментов в отраслях, производящих современную технику из труднообрабатываемых материалов. На самом деле достижения в деле совершенствования режущей керамики так велики, что она все более вытесняет твердые сплавы и даже сверхтвердые материалы при обработке ковких, отбеленных и серых чугунов, жаропрочных и титановых сплавов, относящихся к группам обработки резанием К и S по ISO.

Активно ведутся работы по созданию новых или усовершенствованию известных марок керамики с целью повышения их прочностных характеристик.

К таким разработкам относится керамика, армированная (вискерованная) «нитевидными кристаллами» SiC или легированная TiB2, ZrO2, Y2O3 и другими компонентами.

Кроме того, наряду с совершенствованием составов керамики, для повышения ее эксплуатационных характеристик в промышленности используют различные способы нанесения износостойких покрытий и совершенствование технологий прессования сменных режущих пластин (СРП).

В табл. 1 приводятся сведения о типах и составах современной режущей керамики, а на рис. 1 показано их место в группе инструментальных материалов для высокоскоростной обработки.

В табл. 2 представлены марки и области применения режущей керамики, предлагаемой на рынке инструмента, а в табл. 3 — режимы резания, рекомендуемые ее изготовителями.

Традиционно керамика применялась для обработки чугунов и обработки закаленных сталей в благоприятных условиях.

Современная керамика позволяет обрабатывать твердые материалы в неблагоприятных условиях (например, при черновом прерывистом резании), существенно повысить эффективность обработки современных труднообрабатываемых чугунов, а также вывести на новый уровень производительности обработку жаропрочных сплавов.

Оксидно-карбидная (смешанная, черная) керамика на основе Al2O3 с добавками предназначена для чистовой, получистовой и прерывистой обработки ковких, высокопрочных, отбеленных, модифицированных чугунов, сталей, закаленных до 30-65 HRC.

Керамические режущие пластины на основе Al2O3-TiC (тип 1) очень устойчивы к воздействию высоких температур. Уменьшенная пластическая деформация обеспечивают широкий диапазон использования, в том числе для чистовой обработки закаленных материалов.

Сфера применения: точение и растачивание серого чугуна; точение жаропрочных сплавов и твердых материалов (с твердостью ниже 65 HRC). Оксидная (белая) керамика (тип 2) предпочтительнее при точении заготовок из ферритных ковких чугунов и незакаленных конструкционных сталей при скоростях резания свыше 250 м/мин (сверхтвердые материалы в этом случае не работоспособны).

Керамические режущие пластины, состоящие в основном из оксида алюминия с высокой степенью чистоты обладают очень плотной мелкозернистой структурой и имеют высокий уровень износо- и трещиностойкости. Сфера применения: точение и растачивание серого чугуна; точение фасок на трубах.

С целью совершенствования керамики применяют ее объемное легирование оксидами иттрия, магния и циркония, нитридом титана и др. Роль последних заключается в образовании жидких фаз, интенсифицирующих уплотнение материала и препятствующих росту зерна при высокотемпературном спекании.

Например, при изготовлении оксидной керамики на основе Аl2O3 добавление ZrO2 в количестве 16% позволяет повысить прочность на изгиб в среднем на 8%.

Нитридная керамика «силинит» на основе Si3N4 (тип 3) предназначена для обработки чугунов и отожженных конструкционных и инструментальных сталей. Она уступает в скорости резания оксидной керамике на основе Al2O3 при обработке деформируемых сплавов на основе алюминия и закаленной стали. При обработке серого чугуна силинит уступает нитриду бора. Керамические режущие пластины, состоящие в основном из нитрида кремния Si3N4, обладают великолепной ударной вязкостью и износостойкостью и демонстрируют стабильность во время черновой обточки и фрезерования чугуна при использовании СОТС. Проявляют при черновом точении высокую надежность. Сфера применения: черновое точение и фрезерование серого чугуна; черновое точение и фрезерование жаростойких сплавов. Керамика Sialon (Si-Al-O-N) (тип 5) несколько уступает по прочности армированной керамике, поэтому применяется в основном для предварительно обработанных заготовок. Но благодаря тому, что Sialon отличается более высокой термостойкостью и химической инертностью, пластины из него характеризуются равномерным и прогнозируемым износом без проточин и выкрашиваний. Это позволяет увеличить глубину резания и уровень подач по сравнению с армированной керамикой. Марка СС6065 из керамики Sialon компании Sandvik Coromant впервые предложена для таких переходов операций фрезерования, требующих прочности режущей кромки, как прямое врезание в контур. Пластины из СС6065 могут быть экономичной заменой режущих пластин из армированной керамики. Эту марку режущей керамики следует предпочесть в том случае, когда имеет место износ, связанный с разрушением режущих кромок, вызванный неравномерностью припуска или изменениями направления обработки при изготовлении деталей сложной формы. СС6060 — новая марка керамики Sialon компании Sandvik Coromant обладает высокой стойкостью к образованию износа в виде проточины. Она должна применяться в благоприятных условиях работы, когда фреза и заготовка достаточно жесткие. Износостойкость этой марки керамики обеспечивает удаление больших объемов материала с открытых поверхностей, предварительно обработанных заготовок. Керамика СС6060 увеличивает производительность за счет больших глубин резания и увеличенных подач. Однако при врезании в карманы и углубления желательно использовать оптимизированные траектории. При фрезеровании жаропрочных сплавов целесообразно использовать СРП круглой формы из вышеназванных марок керамики Sandvik Coromant. В этом случае удается достичь скоростей резания 800-1000 м/мин при подачах 0,07… 0,12 мм/ зуб. Зачастую это равносильно увеличению удельного съема металла в 100 раз по сравнению с твердосплавными фрезами. Обработка ведется без СОТС, поэтому ограничением в использовании высокоскоростного фрезерования является опасность перегрева тонких стенок изделия или прижога обрабатываемой поверхности. Для промежуточных стадий обработки, где удаляется наибольшая часть припуска, керамика Sialon компании Sandvik Coromant является в настоящее время самым производительным.

Важным направлением в области создания современной режущей керамики является создание градиентных структур. Градиентная керамика представляет собой многослойную режущую пластину, состоящую, например, из чередующихся слоев керамики на основе Al2O3 ИЛИ Si3N4 и слоев твердого сплава.

Толщина каждого слоя (их количество обычно варьируется от двух до семи) составляет 0,1-3 мм. Такой инструментальный материал обладает всеми преимуществами режущей керамики, но при этом имеет более высокие прочностные характеристики и теплопроводность. На рис.

2 представлены 7 вариантов градиентных структур режущей керамики.

Отделение CeramTec компании SPK помимо марок смешанной, оксидной и нитридной керамики выпускает керамику сиалон с градиентной структурой типа (VI) X, Z в качестве трещиноустойчивой подложки для последующего многослойного износостойкого покрытия Аl2O3. В результате получен спектр высокоэффективной режущей керамики.

Для повышения надежности крепления СРП из этой керамики, на них отпрессованы углубления (рис. 3). Для обеспечения максимальной производительности и минимального времени токарной чистовой и получистовой обработки серого чугуна разработан режущий материал марки SL606 с высокой стабильностью и износостойкостью режущих кромок и великолепной ударной вязкостью.

Обеспечивается достижение длительного ресурса стойкости инструмента на самых высоких скоростях резания.

Для чернового точения заготовок из серого чугуна и чугуна с шаровидным графитом разработана марка SL608 из режущей керамики на основе α/β-Si-Al-O-N с градиентными характеристиками, которая особенно подходит для сложных условий обработки, значительных перепадов в глубине резания и прерывистого резания.

Режущая керамика марки SL658С обеспечивает максимальную экономическую эффективность и производительность при черновом точении заготовок из чугуна с шаровидным графитом в серийном производстве. Новая система крепления IKS-PRO (рис. 4) позволяет работать с высокой скоростью резания и большими сечениями стружки при непрерывном и прерывистом резании.

Для высококачественного чистового фрезерования крупных заготовок из серого чугуна и чугуна с шаровидным графитом разработана марка SL858C из режущего материала на основе Si-Al-O-N с многослойным покрытием, обеспечивающим высокую износостойкость при максимальной ударной вязкости. Система крепления IKS-PRO, применяемая также и во фрезах (рис.

5), обеспечивает максимальную надежность, что позволяет использовать пластины из SL858C даже для чернового непрерывного фрезерования.

Для снижения хрупкости и повышения вязкости, теплопроводности и стойкости к тепловому удару распространение получило армирование оксида алюминия Аl2O3 высокой степени чистоты нитевидными частицами материала с высоким модулем упругости, например SiC, имеющими прочность до 4000 МПа, (до 30-40% по массе).

Коэффициент теплового расширения Аl2O3 (8,2-8,9 мкм/м-К) выше, чем SiC (4,4-4,7 мкм/ м-К). Из-за этой разницы после горячего прессования происходит эффект зажима волокон SiC в матрице Аl2O3, и создаются остаточные сжимающие напряжения. Трещиностойкость оксидной керамики Аl2O3 после армирования SiC может увеличиться в 1,5 раза.

Степень повышения прочности и твердости армированной (вискеризованной) режущей керамики (тип 6) определяется большим числом факторов. Наибольшее влияние оказывают объемная доля, размеры (отношение длины к диаметру) и свойства нитевидных частиц.

Поэтому получение заданных свойств на границе раздела «Аl2O3 — SiC» в условиях невысокой стабильности свойств нитевидных частиц при температурах спекания затруднительно. Сфера применения армированной керамики: черновая и чистовая обточка и фрезерование серого чугуна; токарная обработка жаростойких сплавов; высокоскоростное точение стали; токарная обработка отбеленного чугуна.

Необходимо отметить, что стоимость инструмента, оснащенного СРП из армированной керамики, на 30% выше по сравнению с керамическим инструментом типов 1, 2 и 3. Поэтому ее применение экономически выгодно только в определенных областях, например при обработке жаропрочных никелевых сплавов.

Например, при чистовой обработке детали из инконеля 718 с применением армированной керамики машинное время сократилось с 45 до 14 часов. Скорость резания составила 1300 м/мин (при подаче 0,1 мм/зуб), что примерно в 100 раз выше скорости, используемой ранее для обработки этого материала.

Эффект снижения образования трещин дает горячее изостатическое прессование (ГИП) высокоплотной режущей керамики. ГИП позволяет получать СРП практически любой формы с однородной и мелкозернистой структурой, с высокой (почти 100%) плотностью и с минимальными припусками на окончательное шлифование. Хотя стоимость пластин, изготовленных методом ГИП в 1,3 раза выше, чем стоимость пластин, спеченных обычным способом, СРП, полученные ГИП, эффективны в массовом производстве. Отказы режущих пластин из нитридной керамики, полученной методом ГИП, в основном происходят вследствие изнашивания без сколов и выкрашиваний. Это позволяет практически точно прогнозировать период работы инструмента до достижения отказа по установленному критерию износа, что крайне важно в условиях автоматизированного производства.

Керамические режущие СРП, полученные методом ГИП из смеси на основе карбида титана TiC (тип 8), обеспечивают высокий уровень надежности при обработке ковкого чугуна на скорости резания более 400 м/мин. Сфера применения: получистовое и чистовое точение ковкого чугуна, а также высокоскоростное точение серого чугуна с использованием СОТС.

А.Р. Маслов, д.т.н. Журнал «Главный механик», №8, 2008

Список литературы

1. Григорьев С.Н., Волосова М.А. Нанесение покрытий и поверхностная модификация инструмента. Учебное пособие. М.: ИЦ МГТУ «Станкин», Янус- К, 2007. -324 с.
2. Боровский Г.В., Григорьев С.Н., Маслов А.Р. Справочник инструментальщика / Под общей редакцией А Р. Маслова. — 2-е изд., испр. -М.: Машиностроение, 2007. — 464 е.: ил.