Режущая керамика - раздел Образование, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Среди Исследовавшихся Материалов, Которые Были Бы Пригодны Дл...
Среди исследовавшихся материалов, которые были бы пригодны для изготовления режущих инструментов, была окись алюминия Al2О3 – корунд. Корунд по своей природе – неметаллический материал, скорее с ионной, чем с металлической связью. Фактически – это керамика с низкой теплопроводностью и электропроводностью. Чистый корунд является белым полупрозрачным материалом, напоминающим фарфор. Он имеет низкую ударную вязкость и предел прочности на изгиб (sИ » 0,39 ГПа), что втрое меньше, чем у твердого сплава.
На основе мелкозернистого корунда (менее 5 мкм) путем прессования и спекания за счет процесса, аналогичного изготовлению пластинок из твердого сплава, была получена белая режущая керамика (ЦМ332). Для увеличения плотности и предотвращения роста кристаллов корунда применяются присадки (1 % MgO).
Корунд, как исходное сырье, является дешевым и имеющимся в изобилии материалом, однако технологический процесс изготовления пластинок режущей керамики оказался дорогостоящим и поэтому такие пластинки не дешевле твердосплавных. Область применения – чистовая обработка твердого серого чугуна, закаленных сталей, высокохромистых алюминиевых сплавов, керамики. Однако из-за низкой прочности оксидная (белая) керамика практически в настоящее время не применяется в связи с появлением более совершенных разновидностей режущей керамики, в частности – оксидно-нитридной керамики (кортинита), имеющей более высокий предел прочности на изгиб.
Промышленность страны выпускает несколько групп режущей керамики: оксидную (белая керамика) на основе Al2О3, оксидно-карбидную (черная керамика) на основе композиции Al2О3–TiC , оксидно-нитридную (кортинит) на основе Al2О3 – TiN и нитридную керамику на основе Si3N4.
Основной особенностью режущей керамики является отсутствие связующей фазы, что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве в процессе изнашивания, повышает пластическую прочность и предопределяет возможность применения высоких скоростей резания, намного превосходящих скорости резания инструментом из твердого сплава.
Отсутствие связующей фазы оказывает и отрицательное влияние на эксплуатационные свойства керамического инструмента. В частности, снижаются хрупкая прочность, ударная вязкость, трещиностойкость. Это оказывает сильное влияние на характер изнашивания керамического инструмента. Например, низкая трещиностойкость сплава является причиной формирования фронта трещин, которые из-за отсутствия пластической связующей фазы не встречают барьеров, способных затормозить или остановить их развитие.
Указанное является главной причиной микро- или макровыкрашиваний контактных площадок инструмента уже на стадиях приработки или начального этапа установившегося изнашивания, приводящего к отказам из-за хрупкого разрушения инструмента. Этим объясняется сравнительно низкий объем используемого в промышленности страны керамического инструмента – до 0,5 % от общего объема режущего инструмента.
Керамические инструменты рекомендуют для чистовой обработки серых, ковких, высокопрочных и отбеленных чугунов, низко- и высоколегированных сталей, в том числе улучшенных, термообработанных
(55–60 HRC или HV = 5,8–6,5 ГПа), цветных сплавов, конструкционных полимерных материалов. В указанных условиях инструмент, оснащенный пластинами из режущей керамики, заметно превосходит по работоспособности твердосплавный инструмент.
Оксидно-карбидная (черная) керамика В3, ВОК60, ВОК71 содержит 60 % корунда Al2О3 и 40 % карбидов TiC. Предел прочности на изгиб оксидно-карбидной керамики находится в пределах 0,65–0,75 ГПа, а твердость не менее 94 HRА.
Введение нитевидных кристаллов SiC в оксидную керамику повышает ее твердость с HV 20 до HV 24 ГПа, прочность при изгибе с 0,35 до
0,8 ГПа, увеличивает коэффициент трещиностойкости с 4,5 до 8 МПа×м1/2 и, таким образом, снижает хрупкость керамики и расширяет области ее эффективного применения. Установлено, что вокруг нитевидных кристаллов SiС формируются обширные сжимающие напряжения, которые являются эффективным барьером развивающихся микротрещин, формирующихся в процессе эксплуатации керамики.
Еще одним направлением совершенствования керамики на основе Al2О3 – TiC является введение в ее состав карбидов вольфрама и тантала, которые сдерживают рост зерен карбида титана и повышают прочность материала. Другим дополнительным компонентом, заметно улучшающим свойства черной керамики, является диборид титана TiB2.
Для повышения прочностных свойств керамик на основе оксида алюминия в их состав добавляют 5–10 % оксида циркония. Охлаждение оксида циркония сопровождается увеличением объема зерен Zr на 3–5 % и появлением вокруг них полей сжимающих напряжений. Это приводит к тому, что формируемые в объеме материала микротрещины при попадании в эту зону тормозятся или вообще прекращают свое развитие.
Оксидно-карбидная керамика оказалась весьма эффективной при чистовой обработке чугунов, сталей повышенной твердости и, в частности, закаленных сталей.
Оксидно-нитридная режущая керамика (кортинит) содержит около
70 % корунда Al2О3 и около 30 % нитрида титана TiN (ОНТ20).
Параллельно с совершенствованием керамических материалов на основе оксида алюминия созданы новые марки режущей керамики на основе нитрида кремния. Такой керамический материал имеет высокую прочность на изгиби низкий коэффициент термического расширения, что выгодно отличает его от ранее рассмотренных керамических материалов. Это позволяет с успехом использовать нитридокремниевый инструмент при черновом точении, получистовом фрезеровании чугуна, а также чистовом точении сложнолегированных и термообработанных (до 60 HRC) сталей
и сплавов.
Нитридокремниевая керамика, применяемая для изготовления режущих инструментов, во всех случаях является многокомпонентным материалом. По химическому составу такую керамику можно разделить на две группы.
Материалы первой группы основаны на применении нитрида кремния, содержание которого составляет до 90–95 %. Для обеспечения теоретической плотности такой керамики на окончательном этапе ее изготовления применяют специальные добавки-активаторы в количестве до 5–10 %. В качестве активаторов используют окислы магния (МgО), иттрия (Y2О3), алюминия (Al2О3) и т. п., которые сильно влияют на свойства нитридокремниевой керамики. Например, рост содержания оксида магния увеличивает теплопроводность керамики.
Вторая группа нитридокремниевой керамики, помимо указанных выше компонентов, дополнительно содержит карбид титана в количестве
до 30 % (например, РК30). Существенные отличия в химическом составе различных марок режущей керамики на основе нитрида кремния необходимо учитывать при использовании такого инструмента. Например, инструмент из керамики первой группы предпочтителен при обработке чугунов, а второй – при чистовом точении сложнолегированных термообработанных сталей.
Одним из методов улучшения свойств режущей керамики является нанесение на рабочие поверхности керамического инструмента износостойких покрытий.
Анализ тенденций развития режущей керамики свидетельствует о хороших перспективах этого материала в ближайшем будущем.
Все темы данного раздела:
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебник
Под редакцией доктора технических наук, профессора В. С. Кушнера
Допущено Учебно-методическим объединени
Строение сплавов
Сплавы – важные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких элементов периодической системы, называемых компонентами. Сплав считается металличес
Процесса кристаллизации
Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях – газообразном, жидком и твердом. Изменение агрегатного состояния происходит при определенных температурах. Температура
Процесса кристаллизации
В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки атомов небольшого объема, в пределах которых
Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм
Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных
Механические свойства материалов
Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе металла для изготовления деталей машин необходимо знать его м
Деформации и напряжения
Напряжение – мера внутренних сил, возникающих в материале под влиянием внешних воздействий (нагрузок, изменения температуры и пр.). Для изучения напряжений через произвольную
Испытание материалов на растяжение и ударную вязкость
Испытания на растяжение относят к самым распространенным видам механических испытаний, при которых определяется прочность и пластичность материала. Результаты экспериментальных исследований механич
Определение твердости
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, материала. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты (резцы, сверла, фрезы
Упругая и пластическая деформации, разрушение
Любая деформация может осуществляться в твердых телах путем относительного смещения атомов. В твердых телах различают упругую деформацию (исчезающую после устранения воздействия, вызвавшего
Наклеп и рекристаллизация
Как следует из диаграмм растяжения, при деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом деформации, то есть материал в этих условиях упрочняется.
Правило фаз, построение диаграмм состояния
Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описывают с помощью диаграмм фазового равновесия, которые в удобной граф
Химические соединения
Данная диаграмма получается, когда сплавляемые компоненты образуют устойчивое химическое соединение АnВm , не диссоциирующее при нагреве впло
Тесты для контроля текущих знаний
1. Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств:
1) высокими теплопроводностью и электрической проводимостью в твердом состоянии;
2) увел
Железоуглеродистых сплавов
5. ДИАГРАММА «ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД (ЦЕМЕНТИТ)»
5.1. Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
Железоуглеродистые сп
Изменения структуры сталей при охлаждении
Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии. Ниже рассматриваются превращения, протекающие в железоуглеродис
Изменение структуры чугунов при охлаждении
Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 % и имеющие в своей структуре цементит называются белыми чугунами.
Рассмотрим превращение в чугунах (рис. 5.4).
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ
В машиностроительном производстве железоуглеродистые сплавы подразделяются на стали (содержание углерода от 0,02 до 2,14 %) и чугуны (содержание углерода от 2,14 до 6,67 %). Стали п
Влияние нагрева и скорости охлаждения углеродистой стали на ее структуру
Термической обработкой называется технологический процесс, включающий нагрев стали до определенной температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение с необходимой скоро
Отжиг углеродистых сталей
Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. Термообработку применяют как промежуточную операцию для улучшения т
ЗАКАЛКА И ОТПУСК УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
8.1. Закалка углеродистых сталей
Закалка – это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве до
Тесты для контроля текущих знаний
1. Твердый раствор внедрения углерода в Feα называется:
1) цементитом;
2) ферритом;
3) аустенитом;
4) ледебуритом.
Назначение легирования
В данном разделе рассматриваются примеси, вводимые в стали в определенных концентрациях с целью изменения их внутреннего строения и свойств. Такие примеси (элементы) называются легирующими (
И механические свойства сталей
Полиморфные состояния железа при образовании твердых растворов введением легирующих элементов смещаются по температуре. Все легирующие элементы по влиянию на полиморфные состояния ж
Влияние легирования на превращения при термообработке
1. При закалке (нагрев, выдержка, охлаждение со скоростью V>Vкр) углеродистых сталей из переохлажденного аустенита образуется мартенсит. Влияние легирующих элементов н
УПРОЧНЕНИЕ СПЛАВОВ
Интерес к упрочнению материалов обусловлен стремлением к уменьшению их расхода, увеличению прочности, износостойкости, коррозионной стойкости деталей, сопротивления хрупкому разруше
Упрочнение легированием
Формирование благоприятной структуры и надежность работы деталей обеспечивают рациональное легирование, измельчение зерна и повышение качества металла.
Упрочнение при легир
Упрочнение пластическим деформированием
В результате холодной пластической деформации изменяются свойства металла: повышаются прочность, электросопротивление, снижаются пластичность, плотность, коррозионная стойкость. Это явление назы
Упрочнение термическими методами
Температурное воздействие на различные материалы с целью изменения их структуры и свойств является самым распространенным способом упрочнения в современной технике. Это воздействие может осущест
Цементация стали
Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердую углеродосодержащую смесь (карбюризаторы) и газов
Азотирование стали
Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного
Нитроцементация
Процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом в газовой среде называется нитроцементацией. Нитроцементацию проводят при более низких (850–870 °С) по сравнению с ц
Поверхностное упрочнение
Среди методов поверхностного упрочнения наибольшее распространение получили поверхностная закалка, обработка лазером и электроискровое легирование. При поверхностной закалке
Строительные стали
К строительным относятся конструкционные стали, применяемые для изготовления металлических конструкций и сооружений, для армирования железобетона.
К низколегированным строительным сталям о
Цементуемые (нитроцементуемые) стали
К машиностроительным относят конструкционные стали, предназначенные для изготовления различных деталей машин, механизмов и отдельных видов машин. Для деталей и изделий находят применение дешевые уг
Улучшаемые стали
Для наиболее ответственных тяжелонагруженных деталей машин применяют легированные стали, подвергаемые улучшению, т. е. закалке с высоким отпуском. Эти стали содержат 0,3–0,5% С, 1–6% легирую
Износостойкие стали
К износостойким сталям относится сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда). Эта сталь имеет следующий химический состав: 1,25 % углерода, 13 % марганца, 1 % хрома, 1 % никеля. Сталь Гадфильда при низкой нача
Рессорно-пружинные стали
Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Основными требованиями, предъявляемыми к данным сталям, являются высокое сопротивле
Подшипниковые стали
В процессе работы детали подшипников (шарики, ролики, обоймы) испытывают высокие удельные знакопеременные нагрузки.
Стали для подшипников должны обладать высокой твёрдостью и износостойкос
Автоматные стали
Обработка резанием – основной способ изготовления большинства деталей машин и приборов. Обрабатываемость стали зависит от ее механических свойств, теплопроводности, микроструктуры и химического сос
Коррозионная стойкость сталей и сплавов
Коррозия – это термин, используемый для обозначения широкого класса видов нежелательного повреждения металла в результате его химического или электрохимического взаимодействия с окруж
Коррозионностойкие стали
Коррозионностойкими (нержавеющими) называют металлы и сплавы, в которых процесс коррозии развивается с малой скоростью. Коррозионностойкие стали применяют для изготовления деталей машин и об
Жаропрочные стали и сплавы
Жаропрочные стали и сплавы применяют для многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных устройств и т. д., работающих при высоких температурах.
Жаростойкие стали и сплавы
Жаростойкость – способность металла сопротивляться окислению в газовой среде или в других окислительных средах при повышенных температурах. Жаропрочные сплавы в принципе долж
Условия работы деформирующих и режущих инструментов, требования к инструментальным материалам
Условия работы деформирующих инструментов (штампов) различаются, прежде всего, тем, нагреваются ли предварительно заготовки или они деформируются в холодном состоянии.
Штамповые инструмент
Инструментальные легированные (штамповые) стали
В качестве инструментальных материалов для горячего деформирования применяют легированные инструментальные стали (штамповые стали), которые условно можно разделить на три основные группы:
Режущие инструментальные и быстрорежущие стали
Для режущих инструментов применяются высоколегированные быстрорежущие стали, а также, в небольших количествах, заэвтектоидные углеродистые стали с содержанием углерода 1,0–1, % и су
ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
14.1. Классификация твердых сплавов и общая характеристика их свойств
Применение методов порошковой металлургии в начале 1920-х годов в Германии приве
Сверхтвердые инструментальные материалы
Сверхтвердыми принято считать инструментальные материалы, имеющие твердость при комнатной температуре НV свыше 35 ГПа.
Самый твердый материал на Земле, который издавна прим
Абразивные материалы
При абразивной обработке применяются инструменты на жесткой основе (круги, сегменты, бруски), на гибкой основе (эластичные круги, шкурки, ленты), а также пасты и абразивные зерна. А
Тесты для контроля текущих знаний
1. Какая из сталей относится к автоматным:
1) 40А;
2) А12;
3) 08пс;
4) 18ХГТ.
2. Какая из сталей относится к подшипниковым:
Титан и его сплавы
Важнейшее преимущество титана и титановых сплавов перед другими конструкционными материалами – это высокая удельная прочность и жаропрочность в сочетании с хорошей коррозионной стой
Алюминий и его сплавы
Алюминий – металл серебристо-белого цвета, имеет кристаллическую ГЦК решетку, температуру плавления 660 °С, удельный вес 2,7 г/см3, обладает высокой электропроводностью и
Магний и его сплавы
Магний – металл светло-серого цвета, обладающий наименьшим удельным весом среди металлов – 1,74 г/см3. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Температура плавления – 651°С. Несмот
Полимеры и пластмассы
Полимеры (от греческого polymeres – состоящий из многих частей, многообразный, от poly – много и meros – доля, часть) – соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из
Резиновые и клеящие материалы
Резиной (от латинского resina – смола) называется продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками (наполнители, пластификаторы, активаторы вулканизац
Стекло, ситаллы, графит
Стекло неорганическое – прозрачный (бесцветный или окрашенный) хрупкий материал, получаемый при остывании расплава, содержащего стеклообразующие компоненты (оксиды кремния, бора, алюминия, ф
Композиционные материалы
Композиционными материалами, или композитами, называют материалы, состоящие из сильно различающихся по свойствам друг от друга, взаимно нерастворимых компонентов.
Тр
Композиционные материалы с металлической матрицей
К этому виду композиционных материалов относятся материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые представляют собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия. Алюминиевы
Композиционные материалы с неметаллической матрицей
Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение в промышленности. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полим
Тесты для контроля текущих знаний
1. Титан имеет две полиморфические модификации. При какой температуре происходит полиморфное превращение?
1) 950 °С.
2) 882,5 °С.
3) 911 °С.
4) 768 °С.
Библиографический список
1. Физическое металловедение: справ. Т. 1, 2, 3; под ред. У. Р. Кана
Новости и инфо для студентов