Режущая керамика на основе бескислородных соединений.

этому классу относятся, прежде всего, поликристаллическис материалы на основе сверхтвердых соединений — алмаза и кубического нитрида бора. Синтез этих материалов ведется с использованием техники высоких давлений при температурах порядка 500 - 2200° С и давлениях 0,7 - 1,1 ГПа.

В России созданы и успешно применяются режущие поликри- сталлические материалы на основе алмаза (карбонадо, баллас), которые наиболее эффективны при обработке алюминиевых и твердых сплавов, стеклопластиков и других неметаллических материалов, однако обработка ими черных металлов малоэффективна. Для черных металлов предпочтительнее оказалось применение режущих элементов на основе кубического нитрида бора.

В отечественной практике наибольшее применение нашли сверхтвердые материалы (СТМ), получившие общее название композиты (табл. 7.10). Наряду с этими марками СТМ организовано опытное производство новых композитов — композит 02 (белбор), композит 03 (исмит), киборит, томал, ниборит. В сравнении с твердым сплавом эти материалы обладают существенно более высокой твердостью и теплостойкостью. Режущие пластины на основе кубического нитрида бора предназначены для оснащения проходных, подрезных и расточных резцов, торцевых и дисковых фрез.

Марки смешанной керамики и се свойства

Фирма-

изготовитель

Марка

Состав

основной

фазы

Цвет

пластин

Твердость

Прочность при изгибе, МПа

Плотность,

кг/м3

Средний размер зерен, мкм

HRA

HV

вниитс

(Россия)

ВНИИАШ,

(Россия)

«Фельдмюле»

(ФРГ)

«Хертель»

(ФРГ)

«Крупп-Видиа»

(Krupp-Widia,

ФРГ)

«Кеннаметал»

(США)

НГК (NGK, США)

«Сандвик Ко- романт» (Швеция) «Диас» (ЧССР)

ВЗ

ВОК 60 ВОК 71

ОНТ-20

SN-1 SN-20 МС 2

Widalox

КО 90 СХ 2 СС 650

ДИСАЛ-300

А1203 + TiC + WC

А120з + TiC АЬ03 + TiN АЬОз + TiC

А120з +

+ Zr02 +

+ TiC

АЬОз + TiC

Al20, + TiN

А120з +

+ Zr02 +

+ TiC + TiN АЬОз + TiC

Черный

Коричневый

Черный

Коричневый

Черный

  • 93
  • 94
  • 93
  • 94
  • 2400
  • 2100
  • 2000
  • 1730
  • 1800
  • 2500
  • 550 - 700 600 - 650
  • 650
  • 600
  • 650
  • 910
  • 750
  • 400 - 500 500
  • 4500 - 4700 4200 - 4300
  • 4260
  • 4300
  • 4280
  • 4250
  • 4120
  • 4250
  • 4150
  • 4270
  • 1-3
  • 1-3
  • 1 -3 2
  • 1,5
  • 1-2

Рекомендуемые режимы резания резцами с пластинами из смешанной керамики

Обрабатыва

емый

материал

Твердость

Скорость

резания,

мм/мин

Подача

мм/об

Глубина резания, мм

Сталь цементируемая, закаленная

36-45 HRC, 48 - 57 HRC3 57-64HRC,

  • 100-300
  • 70-180
  • 60-150
  • 40-120
  • 0,25-0,10
  • 0,60-0,10
  • 0,15-0,05
  • 0,15-0,08
  • 0,12-0,04
  • 0,15-0,08

•Л О О О О ~ СП ~

© -Г о —' o'

Чугун ковкий

140-369 НВ 163 -269 НВ

200 - 400 100-250 200- 100 150-250

  • 0,35-0,10
  • 0,40-0,15
  • 0,35
  • 0,40-0,15
  • 0,5- 1,5
  • 1.0- 3,0 0,5- 1,5
  • 1.0- 3,0

Чугун

отбеленный

400 - 650 НВ

  • 40-150
  • 15-40
  • 0,15-0,08
  • 0,30-0,10

0,5- 1,5 1,0-2,5

Таблица 7.8

Рекомендуемые режимы обработки торцевыми фрезами с пластинами ВОК-60

Обрабатываемый материал

Вид обработки

Режимы резания

Скорость,

мм/мин

Подача,

мм/зуб

Глубина резания, мм

Сталь

  • 35-45 HRC, Чугун
  • 169-239 НВ

Чистовая

Получистовая

Чистовая

Получистовая

  • 180-600
  • 300 - 800 300 - 500 300 - 500

0,003 -0,015 0,015-0,10 0,02 - 0,05 0,02 - 0,05 0,04-0,15

0,2 - 0,8 0,5- 1,6 0,5- 1,5 0,5 - 2,0 0,5 - 2,0

Композиты 01 и 02 применяют для тонкого и чистового точения без удара и торцевого фрезерования сталей и чугунов любой твердости, а также твердых сплавов с содержанием кобальта не менее 15 % с глубиной резания 0,05 - 0,8 мм.

Примеры применении режущих нласти из минералокерамики ОПТ - 20

Обрабатываемый материал

Твердость

Режимы резания

Скорость,

м/мин

Подача,

мм/об

Глубина

резания,

мм

Операция

обработки

Сталь осевая ОСВ

240 - 250 НВ

240 - 250

0,2 - 0,4

1,0-3,0

Продольное

точение

Сталь 45Х

210-230

НВ

200 - 300

0,2 - 0,3

0,5 - 3,0

То же

Сталь

  • 34XH3MA
  • (КП-75)

198-229

НВ

230 - 280

0,17-0,3

  • 1,0-
  • 12,0*

Торцевое точение

Сталь

  • 25Х2МФА
  • (КП-60)

229 - 254 НВ

100-300

0,2 - 0,3

  • 1,0-
  • 12,0*

То же

Сталь ЭИ 256

200 - 500 НВ

150

0,2 - 0,3

1,0-2,0

Продольос точение с ударом

Сталь

45Х2МФА

40-45

HRC

200

0,2 - 0,3

0,5- 1,0

То же

Сталь 20

210-230

НВ

50

0,1

-

Выглаживание

Сталь 45

197-207

НВ

200 - 500

0,05-0,1

1,0-3,0

Фрезерование

Чугун серый СЧ 21-40

240 НВ

200

0,04

1,0-3,0

То же

Сталь ХВГ

55 HRC

90-100

0,03

1,0- 1,5

То же

Бронза ОЦС 4-4-4

50 - 70 НВ

300 - 500

  • 0,15-
  • 0,25

0,5- 1,5

Продольное

точение

Чугун

СЧ21-40

240 НВ

300

0,15

0,3 - 0,5

Чистовое растачивание

Глубина резания 4 мм для пластин толщиной 8 мм.

Композит 05 применяют для предварительного и окончательного точения без удара закаленных сталей (HRC не более 60) и чу- гунов любой твердости с глубиной резания 0,05 - 3,0 мм, а также для торцевого фрезерования чугунов, в том числе по корке, с глубиной резания 0,05 - 6,0 мм; композит 09 применяется для такой же обработки, но возможна работа с ударными нагрузками.

Композит 10 может быть использован для предварительного и окончательного точения с ударом и без удара, а также для торцевого фрезерования сталей и чугунов любой твердости, твердых сплавов (Со > 15 %) с глубиной резания 0,05 - 3,0 мм, для прерывистого точения (при наличии на обрабатываемой поверхности отверстий, пазов и др.).

Особый интерес в последние годы вызывают режущие материалы на основе нитрида кремния, которые способны выдерживать резкую смену температур по сравнению с оксидной керамикой и отличаются повышенной прочностью при изгибе.

В состав нитридной керамики (табл. 7.11) вводятся добавки оксидов алюминия, магния, иттрия, способствующие активации процесса спекания и получению высокоплотного, прочного материала. В то же время химическая стабильность и износостойкость нитридной керамики несколько ниже, чем оксидной. В связи с этим режущие пластины из нитрида кремния не пригодны для обработки резанием высоколегированного чугуна и стали. Для повышения износостойкости такого материала в его состав вводят карбид титана.

Нитридную керамику получают или методом горячего спекания, или методом горячего изостатического прессования. Очень важным свойством резцов из нитрида кремния является высокая прочность режущей кромки и ее надежность. При этом возможно использование в процессе резания охлаждения жидкостью.

Инструменты из нитрида кремния по данным зарубежных фирм особенно хорошо зарекомендовали себя при обработке чугуна (даже в условиях больших переменных нагрузок), а также при обработке никелевых сплавов и сплавов алюминия с высоким содержанием кремния.

Физико-механические свойства режущих материалов на основе кубического нитрида бора (композитов)

Материал

Плотность,

Р ю%

кг/м3

Микротвердость (по Виккерсу), МПа-102

Модуль

упругости,

ГПа

Предел

прочности,

ГПа

Теплопроводность,

Вт/(м-К)

Удельная

теплоемкость,

Дж/(кг-К)

Устойчивость к нагреванию на воздухе, °С

при сжатии

при изгибе

Композит 01 (эль- бор-Р) Композит

  • 09
  • (ПТНБ)

Композит

10 (гексанит)

Композит

05

Твердый

сплав

ВК-8

  • 3,43-
  • 3.45
  • 3,42-
  • 3.45
  • 3,28-
  • 3,36
  • 3,70-
  • 4,00
  • 14,4-
  • 14,80
  • 850 - 900
  • 950- 1000
  • 350 - 800
  • 500 - 650 155-170
  • 660 - 700
  • 880 - 980
  • 530 - 630 530
  • 3,45-
  • 3,74
  • 3.92-
  • 4.90
  • 1,96 — 3,92
  • 0,98-
  • 1,47
  • 3.92-
  • 4.90
  • 0,7
  • 0,7- 1,0 0,7- 1,2
  • 1,6
  • 41,9
  • 2,1 -83,8 58,7
  • 670
  • 167
  • 1100- 1300 1100- 1400 800 - 900
  • 1100
  • 900

Свойства режущей керамики на основе нитрида кремния

Фирма-

изготовитель

Марка

Состав основной фазы

Твердость

по Роквеллу, HR А

по Виккерсу, HV

Прочность при изгибе, МПа

Плотность,

кг/м3

ИПМ АН Украины

Силинит-Р

Si3N4+ АЬОз + TiC

92

-

500

3300

«Фельдмюле»

(ФРГ)

SL 100

Si3N4 + Y203

-

1700

800

3300

SL 200

-

-

1500

750

3250

«Хертель»

(ФРГ)

НС 1

Si3N4 + прочие

-

1500

800

3300

«Кеннаметал»

(США)

Кион 2000

Si3N4 +А120з +

+ y2o3

-

-

750

-

«Сандвик Ко- романт» США

СС 680

-

91,2

1500

-

-

«Лукас» (Lucas, США)

Syalon

-

1800

945

3250

«НТК»

(Япония)

SX7

Si3N4 + прочие

93,0

-

1100

3200

Особенности технологии изготовления режущих минерало- керамических ил ас in к. В современной практике металлообработки режущая керамика изготовляется в соответствии с международным стандартом ИСО в виде неперетачиваемых пластин различных форм и размеров, которых насчитывается около 30 видов; эти пластины затем закрепляются механически в резцах и фрезах различной конструкции (рис. 7.4).

Неперетачиваемые режущие пластины и инструменты, оснащенные режущей керамикой

Рис. 7.4. Неперетачиваемые режущие пластины и инструменты, оснащенные режущей керамикой: а - прямой проходной резец; 6 - резцы и фрезы, оснащенные пластинами из режущей керамики ОНТ-20; в - резцы и фрезы, оснащенные пластинами из композита 05ИТ

Процесс производства пластин из режущей керамики содержит те же основные стадии, которые характерны и для типичной керамической технологии: измельчение исходных компонентов, приготовление формовочной массы, формование полуфабриката, спекание, механическая обработка, контроль (см. рис. 2.1, раздел 2).

Учитывая неизбежный рост зерен в процессе термообработки (рекристаллизация), на стадии подготовки исходного сырья стремятся к получению порошков с минимальным размером зерен (доли микрона), так как керамика со средним размером зерен более 5 мкм в качестве режущего материала не используется из-за низкой прочности. Эго достигается как традиционными способами сверхтонкого механического измельчения, так и применением новых высокоинтенсивных способов диспергирования керамических материалов (помол в аттриторах, планетарных мельницах и др.).

В настоящее время существует два основных варианта формования заготовок режущих пластин из минералокерамики — метод холодного прессования и горячее прессование.

При холодном прессовании заготовки режущих пластин формуют при комнатной температуре на полуавтоматических прессах — механических или гидравлических. Давление прессования достигает 200 МПа. Заготовки прессуют, как правило, в твердосплавных пресс- формах с двусторонней схемой прессования. В качестве пластификатора используются водные растворы поливинилового спирта, линго- сульфоната, метилцеллюлозы (для оксидной керамики) или растворы каучука в бензине (для смешанной керамики). При использовании уль- традисперсных порошков выбор пластификатора и способ его введения приобретают особое значение, так как необходимо не только равномерное распределение временного связующего в объеме заготовки, но также обеспечение высокой плотности и прочности сырца, легкое дробление гранул при прессовании, предотвращение агломерации исходной смеси и т. д. Высушенные заготовки поступают на последующее спекание.

При горячем прессовании режущей керамики в одну стадию совмещают операции формования и спекания, т. е. прессование происходит при температуре спекания. Этот метод применяют при получении режущей нитридной и смешанной керамики, что обеспечивает получение меньших размеров зерен и дополнительно гарантирует реальную совместимость и малые масштабы возможного химического взаимодействия компонентов. Учитывая высокую температуру спекания керамических материалов (свыше 1870 К) и давление 10-40 МПа, в качестве материала пресс-оснастки используют высокопрочные марки графита, что обусловливает малую технологичность и дороговизну процесса. Предварительно спрессованные заготовки режущих пластин загружают в многогнездовые графитовые формы. Загруженная пресс-форма устанавливается в пресс горячего прессования, где по специальному режиму (с учетом изменения давления и температуры процесса) происходит спекание режущего материала. Время прохождения процесса 50 - 60 мин, выдержка при максимальной температуре 1950 - 1990 К и давлении 25 МПа составляет 10 мин. После охлаждения до 1270 - 1370 К пресс-формы помещают в песчаную засыпку для охлаждения до комнатных температур. Зарубежные образцы прессов для горячего прессования позволяют проводить спекание по заданным программам в защитных средах — аргоне, азоте, а также в вакууме.

Полученные горячим прессованием режущие материалы обладают повышенной плотностью, имеют большую прочность и ударную вязкость.

Основным условием получения высококачественной режущей керамики является мелкозернистая структура с узким пределом распределения зерен при минимальной пористости материала. Для выполнения этих условий необходим тщательный контроль за соблюдением температурно-временного режима спекания. Так, при спекании корундового порошка марки 24AMI только изменением режима спекания была повышена прочность режущего материала от 250 до 500 МПа при одновременном снижении температуры спекания с 2020 до 1850 К и сокращении времени спекания почти в два раза. В процессе спекания корундовой керамики наблюдаются значительная линейная (до 20 %) и объемная (до 50 %) усадки. Для подавления процесса рекристаллизации зерен иногда применяют ступенчатый режим спекания со стадией предварительной термообработки при температуре на 200 - 300 °С ниже температуры окончательного спекания.

За последние годы с целью уменьшения пористости в спеченных керамических заготовках используется метод горячего изостатическо- го прессования (ГИП). При этом методе заготовки режущих пластин, имеющих после обычного спекания, как правило, нулевую открытую пористость, дополнительно подвергают термообработке в газостатах при температурах выше 1670 К и давлении газов до 200 МПа, что позволяет сохранить мелкозернистую структуру, но устраняет остаточную пористость в режущем материале. При этом плотность режущей керамики может быть повышена от 99,9 до 99,999 %.

Высокоточная механическая обработка керамических заготовок является необходимой технологической операцией, во многом обеспечивающей заданную геометрию и качество режущих пластин. Обработка производится алмазным инструментом на плоскошлифовальных станках и станках-автоматах по копиру с использованием активного контроля; при шлифовании образуются упрочняющие отрицательные фаски, создающие в материале при резании напряжение сжатия, а не растяжения, что упрочняет режущий клин.

Геометрия режущего инструмента из минералокерамики определяется свойствами обрабатываемого материала, видом операции, жесткостью стайка и всей системы. Наиболее характерной особенностью керамических резцов является отрицательная фаска на режущих кромках, величина и угол наклона которой могут быть различными. Для упрочнения режущих кромок производят их закругление небольшими радиусами, что позволяет удалить микротрещины вблизи режущей кромки, образовавшиеся в процессе шлифования и способные служить концентраторами напряжений и причиной се выкрашивания.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >