Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

1. Исторический очерк

Опробование в качестве режущих материалов окиси циркония, окиси магния, окиси бериллия, шпинели и дру­гих керамических материалов проводилось очень давно. После ряда бесплодных усилий, особенно интенсивных в 1930 г. (зинтеркорунд), в 1937—1938 гг. («дегуссит») и в 1944—1945 гг. («Видиа»), удалось применить для этой цели только окись алюминия.

Только мелкозернистая Al2O3 в виде спеченных плот­ных изделий наиболее благоприятно сочетает в себе туго­плавкость, значительную твердость как при комнатной, так и при высокой температуре, высокие износостой­кость и химическую устойчивость, в особенности к кисло­роду, незначительную склонность к привариванию с об­рабатываемыми металлами и сравнительно хорошую прочность при изгибе. Достаточно подробные данные по окисной керамике вообще и по зинтеркорунду в частно­сти приводит Ришкевич [1]. Область применения режу­щей керамики в целом детально описана Агте, Колер — манном и Геймелем в их монографии [2].

Чтобы понять, каким образом режущей керамике пос­ле многочисленных безуспешных усилий удалось стать в известной мере специальным режущим материалом, це­лесообразнее всего проследить за историей ее развития.

Уже в 1912 г. Вейль предложил использовать Al2O3 в качестве режущего материала. В 1913 г. было рекомендо­вано применение волок из Al2O3 с присадкой Cr2O3[48].

В связи с тем, что в то время еще не применялось прессование и спекание чистой окиси алюминия в преци­зионные, обладающие высокими твердостью и износостой­костью, фасонные изделия, это предложение не было внедрено в производство. Дорогостоящий метод Верней — ля, заключающийся в выплавлении в воздуходувке с гре­мучим газом синтетических сапфиров и рубинов в виде окрашенных монокристаллов, открыл для окиси алюми­ния возможность применения не только в качестве дра­гоценных камней, но и в качестве износостойких деталей, особенно в часовой промышленности. В настоящее время окись алюминия используют для лазеров, в виде плавле­ного корунда, а также в качестве шлифовального мате­риала.

О возможности применения плавленых кристаллов корунда, как режущего материала вместо алмаза упоми­нает Барта [3].

Только в 1931 г. фирме «Сименс-Гальске» [4] удалось путем спекания окиси алюминия получить газонепрони­цаемые и непроницаемые для жидкостей твердые матери­алы бледно-желтой окраски. Это было первое успешное изготовление спеченного глинозема, названного «зинтер — корунд». Промышленную разработку и дальнейшее усо­вершенствование зинтеркорунда фирма «Сименс-Гальс­ке» проводила на предприятии Дегусса [1, 5] под руковод­ством Ришкевича. Эта фирма использовала зинтеркорунд в качестве материала для запальных свечей. Только в 1938 г. были опубликованы данные [6] о благоприятных результатах обработки резанием (точение и фрезерова­ние) материалов, вызывающих сильный износ инструмен­та, а также обработки легких сплавов пластинками из зинтеркорунда.

Первое появление резцовых пластинок из красного зинтеркорунда с добавкой Cr2O3 (дегуссит») на Лейпциг — ской ярмарке в 1937 г. вызвало такую же сенсацию, как и первое появление (1924—1927 гг.) пластинок из твердых сплавов WC — Со[49] для обработки чугуна или позже (1930—1932 гг.) пластинок из сплавов WC — TiC—Со[50] для резания стали. Предприятие Дегусса показало на ярмарке не только токарные резцы с механически за­крепленными и напаянными пластинками, но и прессо­вый инструмент и развертки с резцами из спеченной оки­си алюминия. Внешний вид инструментов, однако, был еще не вполне удовлетворительным. В особенности остав­лял желать лучшего режущий материал (выкрашивание и следы износа на режущей кромке). В дальнейшем вы­яснилось, что пластинки из спеченной окиси алюминия не смогли вытеснить твердосплавные при обработке реза­нием металлических материалов. Им не удалось играть главную роль даже при обработке пластмасс и легких сплавов, где их превосходство было дока­зано ранее.

О работах советских исследователей в области керамических пластинок сообщают П. П. Трудов и М. П. Цыганова [7].

Главной причиной за­труднений, возникавших в 30-х годах при обработ­ке резанием, являлась низкая и неравномерная плотность готовых изде­лий и, как следствие, — неоднородная прочность при изгибе;

Пдристоств, %

Рис. 148. Физико-механические характеристики спеченной оки­си алюминия в зависимости от размеров зерен исходного по­рошка п условий спекания:

1 — очень мелкозернистый; 2 — мел­козернистый: 3 — обычное спекание; 4 — горячее прессование

По Кифферу и Гото — пу [8], у многочисленных спеченных материалов на металлической и карбид­ной основе с увеличением плотности прочность возрастает вначале линеино и при относительной плотности свыше 95% приближается асимптотически к теоретической. Кроме того, прочность и твердость увеличиваются с уменьшением размеров зе­рен. Предел прочности при изгибе, являющийся хорошим мерилом вязкости для всех твердых материалов, зависит от плотности и у полученных обычными способами ке­рамических материалов (рис. 148) [9]. Кроме того, его величины имеют значительный разброс (рис. 149). Хоро­шей однородности продукции (см. рис. 149, кривая 2) можно добиться только при строгом соблюдении опти­мального технологического режима. У первых пла­стинок из «зинтеркорунда» уплотнение при спекании без нежелательного укрупнения зерен с обеспечени­ем максимально возможного предела прочности при изгибе (свыше 30 кГ/мм2) происходило лишь в отдельных случаях. Средние же величины составляли всего около 15 кГ/мм2, что было недостаточно. Испытание материала на вязкость без разрушения было и остается и до насто­ящего времени практически неосуществимым.

Рис. 149. Разброс ‘величин предела прочности при из­гибе режущей керамики:

/—20±10 кГ/мм2; 2-35±5 кГ/мм*

5

§Л7

I 20

W

‘ I

I I

I I

Y

• I

• I

I U

„ г

\

I I1

I1

I

\

J

J

Ч

\ ! \ I

О W Го зо ио 5о> Предел прочности При изгибе, кГ/пяг’

50

Таким образом, направления, по которым нужно вес­ти работы по улучшению качества режущей керамики,

Можно свести к следую­щим положениям:

1. Измельчение струк­туры исходных материа­лов.

2. Устранение возмож­ности укрупнения зерен при спекании;

3. Проведение спека­ния со стабильными ре­зультатами и с устране­нием любой остаточной пористости.

4. Введение в неболь­ших количествах стекло — образующей фазы для облегчения уплотняюще­го спекания.

5. Улучшение технологии прессования и спекания.

6. Применение горячего прессования.

7. Улучшение свойств фазы Al2O3, например, путем добавки Cr2O3.

Во время второй мировой войны вследствие возра­стающей нехватки вольфрама в Германии вновь стали проводить эксперименты с режущей керамикой.

Потребовалось разработать высокопроизводительный режущий материал не столько для высоких скоростей резания, сколько для замены твердых сплавов типа WC-TiC-Co (78/16/6,72/14/8 и 86/5/9)[51], применяю­щихся при обработке (обточке) снарядов. Эту важней­шую для технологии резания задачу не удалось разре-

Шить с помощью режущей керамики. Она не решена и до настоящего времени даже с наилучшими ее марками. В то время как были разработаны и имели частичный успех безвольфрамовые твердые сплавы на основе TiC—VC— Ni—Fe и TiC(Mo2)C, по данным Кёльбля [10], на круппов — ском предприятии «Видна» проводились немногочислен­ные эксперименты по обработке стали и чугуна горяче — прессованными пластинками из окиси алюминия с со­держащей борную кислоту стекловидной фазой. Условия эксперимента были сходны с условиями, создаваемыми при точении сплавами Sl и Gl. Соответственно опублико­ванными данным по токарной обработке, резцовые пла­стинки должны иметь предел прочности при изгибе 40 кГ/мм2. К массовому производству этой горячепрессо — ванной режущей керамики, намного превосходящей окисную керамику, во время войны, однако, не присту­пили. Тогда еще не было в достаточной мере известно, что режущая керамика, хотя и не может быть замените­лем твердых сплавов, но представляет собой по соотно­шению предел прочности при изгибе—износостойкость недостающее промежуточное звено между твердыми сплавами на карбидной основе, с одной стороны, и алма­зом, с другой стороны [10].

Существенный дальнейший шаг по применению режу­щей керамики был сделан после того как советским исследователям в 1948—1951 гг. удалось изготовить об­разцы спеченной окиси алюминия с присадкой небольшо­го количества стеклообразующей фазы (около 0,5— 1 % MgF2), обладающие высокой плотностью и пределом прочности при изгибе 40±5 кГ/мм2. Получившая назва­ние «микролит» режущая керамика с размером зерен 1—3 мкм имела плотность примерно 3,96 г/см5, твердость 92—93 HRA, предел прочности при изгибе примерно 45 кГ/мм2 и предел прочности при сжатии около 500 кГ/мм2.-

Опубликованные в 1952—1957 гг. советские [7, 11—25], чехословацкие [26—30], польские [31—34] и венгерские [35, 36] материалы позволили начать плодотворное сорев­нование со специалистами Запада. Это нашло отражение в многочисленных опубликованных работах [37—46]. Согласно Зибелю и Флеку [47], американские марки ре­жущей керамики довольно быстро достигли по качеству «микролита».

Обширные эксперименты, проводившиеся во всем ми­ре, иногда в идеальных, а чаще всего в трудно соблюда­емых производственных условиях (свободные от вибра­ций высокопроизводительные токарные станки с. сильным приводным механизмом для высоких и очень высоких скоростей резания, безупречная поверхность обрабаты­ваемого материала, применение классических зажимных инструментов при идеальной алмазной шлифовке режу­щих пластинок), показали, что относительно хрупкую окисную керамику нельзя применять в тех случаях, ког­да используются довольно вязкие и в то же время имею-, щие достаточную твердость марки твердых сплавов (например, при полуобдирочной обработке, обточке ше­роховатой поверхности с различными включениями и бо­лее или менее сильно нарушенной поверхностью, выточке валков, бандажей и т. д.). Ее можно использовать только в особых условиях, аналогичных условиям применения безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбида титана.

Эти эксперименты способствовали дальнейшему раз­витию режущей керамики и привели после разработки спеченной обычным путем и горячепрессованной окисной керамики к открытию окисно-карбидной керамики. В ре­зультате исследований [48] жаропрочных и коррозионно — стойких материалов AI2O3—Mo и Al2O3—Mo2C, проводив­шихся на заводе твердых сплавов VEB в Иммельборне, была разработана окисно-металлическая и окисно-кар- бидная режущая керамика [2, 49—54]. Создание некото­рых марок при этом позволило причислить ее к лучшим достижениям в этой области. В качестве карбидов луч­шими оказались Mo2C и WC в количестве 20—40%. Кро­ме того, применили также тройные и четверные сложные карбиды металлов групп IVa—Via. Наиболее износо­стойкими оказались при этом композиции, содержащие TiC. В то время как о композициях Al2O3 с боридами мо­либдена сообщал Хиннюбер [40], а о композициях Al2O3 с Ti, TiC и твердыми растворами TiC—WC — Кёльбль [55], о успешном применении присадок нитридов и сили­цидов в литературе упоминаний нет.