CC BY
149
Рис. 3
ностей режущей керамики требует увеличения жесткости станков, их быстроходности.
Список литературы
1. Каталог фирмы NTK technikal ceramiks 2007-2008 гг.
2. http://www.ntkcuttingtools.co.uk/
УДК 621.9.02 А.М. Гэниатулин
Курганский государственный университет
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ РЕЖУЩЕЙ КЕРАМИКИ
Аннотация. В данной работе описаны тенденции развития и основные направления увеличения возможностей керамических инструментальных материалов.
Ключевые слова, режущая керамика, тенденции развития, новые материалы.
A.M. Geniatulin Kurgan State University
THE ANALYSIS OF THE CONDITION AND DEVELOPMENT PROSPECTS OF CUTTING CERAMICS
Anotation. The work describes tendencies of development and the basic directions of increase of properties of ceramic cutting materials.
Key words: ceramic cutting, tendencies of development, cutting materials.
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.
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% 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 чугу-нов, жаропрочных и титановых сплавов, относящихся к группам обработки резанием К и S по ISO.
Современная керамика позволяет обрабатывать твердые материалы в неблагоприятных условиях (например, при прерывистом резании), вывести на новый уровень производительность обработки никелевых сплавов (в авиационной промышленности время обработки сократилось более чем в три раза). Скорость резания керамикой составляет 1300 м/мин, что примерно в 100 раз выше
скорости, принятой для обработки подобных материалов.
Совершенствование возможностей режущей керамики ведется в следующих основных направлениях:
1. Увеличение прочности.
2. Повышение эксплуатационных характеристик.
3. Совершенствование технологий прессования.
4. Применение технологии реакционного синтеза.
5. Производство нанакомпозитов.
Сегодня в мире режущую керамику (РК) выпускают более 20 крупных фирм, таких, как «Sandvik Coromant» (Швеция), «Krupp Widia» (Германия), «KennametaN» (США), NTK (Япония) и др.
Режущие керамические пластины по химическому составу, свойствам, методам производства и областям применения на основе данных [1; 2; 3; 4] можно разделить на несколько групп.
Основу большинства марок РК составляет оксид алюминия, обладающий наименьшей химической активностью к сплавам на основе железа и являющийся одним из наиболее доступных и недорогих материалов.
Традиционная оксидная (белая) керамика (1 группа) состоит из Al2O3 (корунда) на 96-99% и добавок некоторых оксидов (MgO, TiO2 и др.). Сравнительно новая керамика на основе оксида алюминия (86-96,5%) с добавками нестабилизированного ZrO2 обладает более высокой прочностью, позволяющей использовать ее при обработке с небольшими ударными нагрузками.
К этой же группе можно отнести керамику на основе оксида хрома как представителя нового поколения керамических материалов.
Оксид хрома (Cr2O3) имеет кристаллическую структуру, подобную Al2O3 , но благодаря более сильному сцеплению характеризуется более высокой микротвёрдостью (29 ГПа) в сравнении с Al2O3 (28 ГПа).
При использовании нитридных присадок типа AIN получен Cr2O3 с повышенной плотностью, прочностью и трещиностойкостью - инструментальный материал марки Бихромит-Р [10].
Полученный материал является перспективным для высокоскоростного точения закаленных чугунов, сталей и сплавов. Испытания на фирме «Фольксваген» (Германия) показали, что обработка режущим инструментом на основе Cr2O3 позволяет получать высокое качество обработанной поверхности деталей, близкое к тому, которое ранее могло быть получено только полированием.
Активно ведутся работы по созданию новых или усовершенствованию известных марок керамики с целью повышения их прочностных характеристик.
Добавление к оксиду алюминия TiC и (или) TiN (иногда в сочетании с ZrO2) привело к созданию нескольких марок смешанной (черной) керамики, относящейся к 2-й группе - оксидно-карбидной керамике.
Кроме того, созданы некоторые типы такой керамики с использованием карбида вольфрама, тантала и ди-борида титана [2]. Данный вид РК обладает повышенными по сравнению с оксидной режущими свойствами как при статических, так и при ударных нагрузках. Это обусловило ее широкое практическое применение.
3 группа - нитридная режущая керамика на основе Si3N4 благодаря наличию в своей структуре столбчатых включений обладает высокими значениями прочности, вязкости разрушения, теплопроводности. Такой уровень свойств позволяет использовать эту керамику для чернового, получистового, чистового точения и фрезерования чугунов и сплавов на основе никеля, кобальта. Необходимо также отметить, что нитридная керамика практически единственный вид РК, который благодаря высокой термостойкости способен работать в условиях примене-
ния СОЖ. Однако повышенная химическая активность к сплавам на основе железа ограничивает применение этого вида РК.
К 4-й группе относится наиболее прочная из всех керамик, так называемая вискеризованная - армированная «нитевидными кристаллами» SiC или легированная ^В, Zr0 и другими компонентами.
Армирование оксида алюминия волокнами SiС позволило создать режущий инструмент, способный работать в условиях образования непрерывной стружки на высоких скоростях и больших подачах при черновом, получистовом и чистовом точении и фрезеровании закаленных высоколегированных сталей, отбеленного чугуна и суперсплавов.
В 5-ю группу входит сиалон, представляющий собой смесь нитрида кремния и оксида алюминия. В результате достигается превосходная химическая стойкость, снижающая тенденцию к образованию проточин, что дает прекрасные результаты при выполнении ответственных операций. Сиалон обеспечивает возможность обработки на скорости, в 4-6 раз превышающей скорость обработки при применении стандартных твердосплавных пластин.
Данный тип керамики несколько уступает по прочности армированным маркам, поэтому применяется, в основном, для предварительно обработанных заготовок. Но благодаря тому, что соединение Сиалон отличается более высокой термостойкостью и химической инертностью, удается даже увеличить глубину резания и уровень подач по сравнению с усиленной керамикой.
Режущие пластины из сиалона подходят для получистовой и чистовой обработки труднообрабатываемых материалов, таких как жаропрочные стали на основе никеля, особенно при токарной обработке деталей больших диаметров с большой длиной резания, или при профильном фрезеровании и выборке карманов со вкатыванием.
К 6 группе следует отнести слоистый композиционный материал, состоящий из высокопрочной твердосплавной подложки и одного или нескольких слоев керамического режущего материала (например, ВОКС - 300). 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.
Кроме того, наряду с совершенствованием составов керамики для повышения ее эксплуатационных характеристик в промышленности используют различные способы нанесения износостойких покрытий, совершенствование технологий прессования сменных режущих пластин (СРП).
Многолетний опыт изготовления РК-материалов несущественно расширил номенклатуру соединений, применяемых для их изготовления, также, как и не изменил в сущности технологию ее изготовления, основанную на промышленных приемах порошковой металлургии.
Пути совершенствования РК-материалов основывались на уменьшении размеров исходных порошков за счет применения различных методов размола (шаровые, виб-
СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 6
57
рационные, планетарные, струйные мельницы, аттрито-ры, дезинтеграторы).
Для промышленного синтеза оксидной и нитридной керамик применяется спекание как способ наиболее доступный и удобный. Совершенствование методов спекания привело к созданию таких его видов, как скоростное, микроволновое, компрессионное и спекание с контролируемой усадкой [2]. Однако наиболее высокие характеристики РК-материалов достигаются при применении операций горячего прессования (ГП) и горячего изоста-тического прессования (ГИП) [5].
Несмотря на дороговизну прессовой оснастки и повышенную трудоемкость, подавляющее большинство промышленного выпуска режущей керамики осуществляется именно этими методами.
Дальнейшее совершенствование керамических режущих материалов требует применения новых подходов к технологии их изготовления. Кардинальными решениями данной задачи на сегодня являются два основных направления:
1. Существенное повышение эксплуатационных свойств РК, которое позволило бы в несколько раз увеличить производительность инструмента;
2. Разработка ресурсосберегающих технологий, позволяющих уменьшить энергозатраты на изготовление режущей керамики и учесть экологические аспекты развития порошковой металлургии.
Разработка нанокомпозитов (с размером зерна 200 нм) из порошков (с размером 100 нм) позволяет повысить эксплуатационные характеристики РК-материалов в несколько раз по сравнению с классическими [6]. Кроме того, использование нанопорошков позволит расширить номенклатуру тугоплавких соединений, используемых при изготовлении режущей керамики. Применение нанопо-рошков позволяет снизить температуру и время синтеза композитов на их основе.
Однако склонность к агломерации, низкая прессуе-мость и связанная с этим большая усадка в процессе спекания, а также высокая рекристаллизационная способность приводят к формированию неоднородной структуры таких композитов и нестабильности их свойств.
Другим перспективным направлением получения новых керамических режущих материалов в условиях уменьшения сырьевых ресурсов земли и связанной с этим катастрофическим ухудшением экологии из-за эффективного развития промышленности является разработка ресурсосберегающих технологий с применением методов реакционного синтеза [7; 8; 9].
Разработка ресурсосберегающих технологий основана на использовании реакционных смесей типа МеО + А1 (Т Мд и др.) + С, где Ме - тугоплавкий металл. Среди данных методов выделяют: реакционное спекание, реакционное горячее прессование, метод СВС-компакти-рования.
Основным преимуществом данных методов является возможность совмещения процесса синтеза составляющих фаз и формирования материала в целом. Характер взаимодействия веществ в реакционной смеси обеспечивает высокую прочность межфазовых границ и мелкозернистость структуры.
Дешевизна сырья, низкая энергоемкость процесса привлекают к методам реакционного синтеза все большее внимание специалистов многих стран.
Из вышеприведенного анализа можно сделать следующие выводы:
1. Тенденция развития современного машиностроения требует увеличения объема существующих и разработки новых видов режущей керамики с высокими эксп-
луатационными свойствами.
2. Повышение режущих свойств керамики можно достичь путем создания нанокомпозитов, технология изготовления которых остается на сегодня сложной, дорогостоящей и трудоемкой.
3. Перспективным направлением получения новых керамических режущих материалов является разработка ресурсосберегающих технологий с применением методов реакционного синтеза.
4. Наиболее перспективными с экономической и практической точки зрения являются выпуск недорогих порошков Al, Si, Ti, Mn и оксидов Zr, Ti, Si получение новых дешевых керамических режущих материалов с использованием реакционных смесей Al +ZrO2 + C; Al + TiO2 + C.
Список литературы
1. Осипова И.И., Шведков Е.Л. Режущая керамика // Порошковая
металлургия. - 1992. - № 9. - С. 31 - 45.
2. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер В.С. Резание материалов.
Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 448 с.
3. Гнесин Г.Г., Осипова И.И., Ронталь Г.Д. и др. Керамические инстру-
ментальные материалы / Под ред. Г.Г. Гнесина. - Киев: Техника, 1991. - 338 с.
4. Каталог Sandvik Coromant. Токарный инструмент/ АБ Сандвик
Коромант. - Дания: Stibo Graphik, 2000. - С.30.
5. Гнилица И.Д. Формирование структуры и упрочнение керамических
материалов при высокотемпературном деформировании: Автореферат дис.... канд. техн. наук. - Ивано-Франковск, 2005. -20 с.
6. Сартинская Л.Л. Разработка инструментальных керамических
материалов на основе ультрадисперсных порошков тугоплавких нитридов: Автореф. дис.... канд. техн. наук. - Киев, 1991. - 18 с.
7. Krstic V.D., Wang K. Reaction senturing of TiN - TiB2 ceramics //Acta
mater. - 2003. - 51, N 6. - P. 1809-1819.
8. Zhang Guo-Jun, Yang Jian-Feng, Ando Motohide, Ohji Tatsuki. Reactive
hot pressing of alumina-silicon carbide nanocomposites. // J. Amer. Ceram. Soc. - 2004. - 87, N 2. - P. 299 - 301.
9. Lis J., Pampuch R., Stobierski L, Wisniewski A. Ceramic armor materials
prepared by the self-propagiting hihg-temperature synthesis (SHS) // 9 International conference on modern materials and technologies «Cimtec'98». Florence, Italy, 14-19 June, 1998.-Florence: Grafiche Galeati, 1998.-P. 49.
10. Kodash V.Yu., Gevorkian E.S. Tungsten carbide cutting tool materials.
U.S. Pat. No. 6617271, Sept. 9, 2003.
УДК 621.9.02
В.П. Кузнецов, О.В. Дмитриева, В.Г. Горгоц Курганский государственный университет
ФОРМИРОВАНИЕ
ПЛОСКОВЕРШИННОГО НАНОРЕЛЬЕФА ПРЕЦИЗИОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ДВУХПЕРЕХОДНЫМ ВЫГЛАЖИВАНИЕМ
Аннотация. В представленной статье раскрыты теоретические вопросы выбора оптимальных режимов и параметров заточки индентора инструмента для формирования поверхностей двухпереходным выглаживанием. Установлено, что двухпереходное выглаживание при многоцелевой обработке высокоточных деталей позволяет на два порядка снизить высоту неровностей исходной шероховатости поверхности после чистового точения и обеспечить плосковершинный нанопрофиль.
Ключевые слова: двухпереходное выглаживание, плосковершинный нанорельеф, многоцелевая обработка.
