Теоретические сведения

Керамические материалы относятся к неметаллическим инст- рументальным материалам и в определенной степени решают про- блему экономии дефицитного вольфрама.

Выпускаются четыре основные группы режущей керамики:

· оксидная (белая керамика) на основе Al₂,O₃,

· оксидно-карбидная (керметы или черная, смешанная кера- мика) на основе композиции Al₂O₃ + TiC,

· оксидно-нитридная (картинит) на основе композиции А1₂О₃ + TiN,

· нитридная (силинит–Р) на основе Si₃N₄.

Обычно инструментальную керамику выпускают в виде спечен- ных пластин различной формы, которые механически крепятся к кор- пусам инструментов.

В отличие от твердых сплавов, керамика не содержит металла - связки. В ее состав входят только оксиды, карбиды, нитриды. Поэто- му степень разупрочнения керамики при нагреве сильно снижается, и она имеет весьма высокие значения теплостойкости (до 1400°С) и твердости (до 96 HRA). Это позволяет осуществлять обработку кера- мическими инструментами на скоростях резания, которые до 2,5 раз превышают скорости резания твердосплавными инструментами. В то же время, отсутствие связующей фазы в структуре керамики опреде- ляет ее низкую трещиностойкость и прочность.

Еще одной специфической особенностью керамики является вы- сокая чувствительность к колебаниям температуры. Поэтому для уменьшения опасности возникновения «тепловых ударов», обработку изделий керамическими инструментами рекомендуется вести без применения СОЖ.

Оксидная (белая) керамика. Основа белой керамики – корунд – минерал кристаллического строения белого цвета, состоящий из оки- си алюминия А1₂О₃ и называемый электрокорундом в случае получе- ния в электропечах.

И з измельченных до 1–2 мкм кристаллов электрокорунда с до- бавкой стекла (около 5 %) как связывающего вещества, изготавлива- ются пластинки под марками ЦМ332 и ВО-13. Пластинки имеют бе- лый цвет, ими оснащается режущий инструмент.

Свойства белой керамики:

· высокая твердость (приближающаяся к твердости алмаза);

· природная теплостойкость θ = 1500 °С;

· низкая прочность и высокая хрупкость (см. приложение А). Режущие лезвия белой керамики могут выкрашиваться в про-

цессе резания, поэтому она пригодна только для тонкой окончатель- ной обработки с малыми подачами, но высокими скоростями резания (до 600 м/мин).

Оксидно-карбиднаякерамика. Керметы (черная, оксидно- карбидная керамика) имеют состав белой керамики с добавлением кар- бидов W, Ti, Mo, которые придают керметам практически черную окра- ску и частично устраняют склонность белой керамики к выкрашиванию. Марки керметов – ВОК-60 и В-3.

Свойства керметов:

· более низкая из-за карбидов тугоплавких металлов тепло- стойкость θ = 1300 °С;

· в 2 раза более высокая прочность при изгибе;

· одинаковая с белой керамикой твердость.

Керметы применяют для чистовой и получистовой обработки без ударов закаленных сталей, всех видов чугунов (с твердостью 190- 340НВ) со скоростями резания в 2–3 раза большими, чем для твердых сплавов. Одна режущая пластина из В-3 или ВОК-60 заменяет 6–8 пластин из твердого сплава.

Оксидно-нитридная керамика. Картинит – материал, разрабо- танный на основе алюмооксидной керамики и обозначается ОНТ-20. Имеет мелкозернистую структуру и предназначен для получистового точения и фрезерования закаленных сталей.

Нитридная керамика. Силинит – Р (режущий) – керамика на основе нитрида кремния Si3N₄ с легированием оксидами циркония и алюминия. По свойствам это материал близок кВОК-60. Применяют при получистовой и чистовой обработке чугуна, а также цветных ме- таллов и полимерных материалов.

К сверхтвердым материалам относятся два вида неметалличе- ских поликристаллических режущих материалов:

ü композиты;

ü алмазы.

В основе технологии изготовления поликристаллов лежат два различных процесса:

· первый – фазовый переход вещества из одного состояния в другое (синтез);

· второй – спекание мелких частиц заранее синтезированно- го порошка сверхтвердых материалов (ПСТМ).

ПСТМ – принципиально новые как по технологии изготовления, так и по условиям эксплуатации инструментальные материалы. Ими можно обрабатывать изделия при скоростях резания на порядок выше допускаемых при использовании твердосплавных инструментов и даже инструментов из керамики.

Композиты – это искусственные минералы темного цвета на основе синтеза азота с бором (BN).

Марки композиционных инструментальных материалов: К01;К05;К10 (ТУ 2-035-982-85); Боразон; Амборит; Вюрцин.

Все композиты разделены на 2 группы.

1 группа. Композиты с массовой долей гексагонального нитрида бора95 % и более. Сюда относят композиты:

К01 – эльбор - Р; К02 - белбор; К09 - ПТНБ; К10 - гексанит – Р.

2 группа. Композиты с массовой долей кубического нитрида бо- ра 75 % и легирующими добавками. Маркировка: К05; К05И.

Свойства композитов:

· высокая твердость, приближающаяся к твердости синтети- ческого алмаза;

· высокая прочность, сопоставимая с прочностью твердых сплавов;

· очень высокая теплостойкость θ = 1600 °С, превосходящая теплостойкость всех известных инструментальных материалов;

· повышенная хрупкость и низкая прочность на изгиб;

· инертность по отношению к углероду и железу.

Наибольшую твердость имеет композит К01, а наибольшую прочность – композит К10.

Сверхтвердые материалы на основе нитрида бора выпускают в виде столбиков диаметром 4 – 6 мм и высотой 3 – 6 мм, либо в виде пластин трехгранной, квадратной, ромбической форм для оснащения резцов, фрез, разверток, зенкеров, используемых для обработки дета-

лей на гибких автоматических линиях и станках с числовым про- граммным управлением.

Композиты используются для чистовой обработки закаленных сталей и чугунов.

Для оснащения инструментов используют также технические алмазы, которые могут быть природными (маркируются А) и синте- тическими (маркируются АС ).

Синтетические алмазы – поликристаллы, содержащие приме- си тугоплавких металлов – W, Ti, Mo, которые выполняют функции катализаторов синтеза. Эти алмазы имеют различное строение и свойства в зависимости от технологии выращивания и называются балласы ( АСБ ) и карбонадо ( АСПК ).

Марки инструментальных алмазов: А; АСБ; АСПК; СВБН; Ме- гадаймонд; Карбонит; Компакс.

Свойства алмазов:

· высокая теплостойкость алмазов 700 – 800 °С (при более высоких температурах алмаз сгорает);

· высокая твердость (до 5 раз превышает соответствующий показатель для твердых сплавов);

· высокая хрупкость;

· очень высокая теплопроводность;

· при температуре 600 – 750 °C химически активны в кон- такте с черными металлами (поэтому черные металлы алмазами не обрабатываются).

Инструменты, оснащенные режущими вставками из алмазов, применяют в основном при тонком точении цветных металлов и сплавов, не содержащих углерод и железо. Тепло хорошо отводится вглубь алмаза, благодаря чему допускаются очень высокие скорости резания (до 1200 м/мин).

Алмазы применяются как вставки – лезвия в инструмент, или в виде порошков различной зернистости (для кругов, шкурок, паст) и используются для обработки:

· вязких, пластичных металлов (алюминиевые и медные сплавы) начисто;

· пластмасс; стеклопластиков;

· полупроводниковых материалов.

Алмазы используются также для выглаживания закаленных стальных поверхностей (это обработка без снятия стружки для уп- рочнения поверхностного слоя).

Контрольные вопросы

1. Преимущества и недостатки инструментальных керамиче- ских материалов.

2. Состав, свойства и область применения белой керамики.

3. Состав, свойства и область применения керметов.

4. Состав, свойства и область применения картинита.

5. Состав, свойства и область применения силинита.

6. Общие рекомендации по применению сверхтвердых мате- риалов.

7. Виды и свойства сверхтвердых материалов.