Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

3. Состав и физико-механические свойства режущей керамики

Агте с сотрудниками делит режущие керамические материалы по составу на три группы:

1. Чистая окисная керамика со стекловидной фазой либо без нее (97—99,5% Al2O3, остальное Cr2O3, FbO3, SiO2, MgO-SiO2, MgF2).

2. Композиционные материалы из окиси металла (Al2O3) и металла (например, 2—10% Mo).

3. Окисно-карбндная керамика (например, 60% AUO3, 40% Mo2C; 60% Al2O3, 20% Mo-,С, 20%WC; 80% AlnO3, 10%Мо, С, 10% WC; 90% Al2O3, 5% TiC, 5% Mo2C).

Практически чаще всего приходится иметь дело с ре­жущей керамикой первой и третьей групп. Стекловид­ная или стеклообразующая фаза в первой группе дейст­вует при спекании так же, как кобальт в твердых спла­вах. В ее присутствии легче осуществляется спекание и получаются более высокие значения прочности, чем у чистой спеченной окиси алюминия. Большое количество стекловидной фазы, однако, снижает твердость и износо­стойкость. Добавка металлоподобиых твердых материа­лов (карбидов) третьей группы улучшает теплопровод­ность и прочность при изгибе. Это облегчает шлифование и повышает прочность на кромках. Слишком большие количества карбидов, однако, снижают твердость, жаро­прочность и окалиностойкость. Таким образом, удается проникнуть в область скоростей резания специальными марками твердых сплавов, не достигая их вязкости.

В табл. 76 приведены данные Палича и Каминского [60] о суммарном составе и плотности некоторых марок режущей керамики. Марки В, С, Е, и F представляют со­бой окисную керамику с добавкой стеклообразующей фазы и без нее, остальные марки — окисно-карбидную керамику.

О физико-механических характеристиках в литерату­ре встречаются лишь отдельные, не совпадающие друг с другом данные [49, 50, 52, 54, 57, 61—63]. Обобщающие

Основные компоненты керамических режущих материалов

Условное обозначение марки

Содержание,

%

Плотность, ZjcMj

С

Sl

Ti

W

Mo

А

0,54

0,6

11,8

_

____

3,92

В

0,1

7,1

3,90

С

0,1

0,9

3,81

D1

3,2

2,2

21,0

2,9

10,0

4,52

D2

1.7

3,2

—.

18,0

10,0

5,34

E

0,02

3,7

3,90 -

F

0,1

2,6

3,72

G

2,7

6,7

45,5

0,5

6,9

H

0,16

2,3

2,0

3,61

Примечание. Остальное Al2O3.

Сведения приведены Агте [64]. В табл. 77 сопоставлены полученные Кёльблем [55] наиболее важные практиче­ски характеристики режущей керамики с аналогичными данными для промышленных марок твердых сплавов, специальных марок твердых сплавов и алмаза.

Из данной таблицы следует, что плотность режущей керамики во много раз меньше плотности промышленных марок твердых сплавов. Это, разумеется, связано с тем, что ее основным компонентом является окись алю­миния.

Микротвердость носителя твердости режущей керами­ки— окиси алюминия — составляет около 3000 кГ/мм2. Полученная величина микротвердости по Виккерсу сви­детельствует о влиянии сцепления зерен. Она достигает примерно того же значения, что и у так называемых осо­бо твердых специальных марок твердых сплавов.

Предел прочности при изгибе промышленных марок режущей керамики составляет 30—50 кГ/мм2, а у от­дельных деталей — до 60 кГ/мм2. Эти величины, как и ра­нее приведенные, хотя и сравнительно высокие, но в аб­солютном отношении малые, ограничивают механичес­кую нагрузку данных материалов из-за давления при резании и в особенности вследствие максимумов давле­ния резания, возникающих при ударах (толчках). Осо­бенностью режущей керамики являются высокая, горячая прочность при изгибе, сохраняющаяся при-


Г»

О СО

I

О о о о

СП

S

С; VD

3!

Л и

H

° С-

О к

Ч *

Ш t^ ь о OO

S [52]

< о о оо


О

I

О о о оо со

I

О о о

S — 3S

Сч

О S-5. с 5-L

О?

E

О

О со

О

Cvi

Со

I

I

I

I

00

OgO

О

О

А

О § о ^ &2Р

- Sc4

S о

—’ Ct

СО

СО

OO

Со

CN


HSr

(D

Г<и

СП

3=Н

В 5 X S

О ^ s Fi

L — га w

&S! о

I

О

¦ си

Ч> С

О 00

I

О

О

СП

2S&;

О

СП ю

I

О о

О о

СП

X

X

3 >.

S

Ol CL Т ж х

I-

И X CL 01

О

СП

С? Sb

I g44

О Q. O to СГСЧ — Я™

З-О

Со

SSS

Й> H

3 и

В

0

С

ГО X CL

1

О

(N

О

О

О

О

О

О

О

СО

I

LO

(

Со

I

CO

I

Оо

I

О

I

I

О

]

О

О

I

Ю

!

To

СП

О

О

О

О

СО

Ю

О


3 з

Ю >,

СО

О о"

(

О

О

О

О

О

О

О

О

О

СП

I

Оо I

I

О

Ю )

¦Ч"

I

О

Сч

О

О

О

(

О

Оа

Г

Ю

О

Ю

I

Оо

Со

Со


S и;

К JJ

СО к

S а

Ч н v а

А."

С

О я (- о ч

T-vo

О S

I-I

О й

А H

X s а) К н а>

S о. •В" Э

TSh Cd

CS

U % О 3!

Ok1

&S

АГ

3 s е( и.

V 2

О. s

С

A

•о?-

H со

О •

S *

С* Ч

О •

Ю S

О ч

S а

С ^

Ш H

S

<"¦ CM

CJ Ji « ?

В-

Ok о. ье с

« «

S СП

О с

О

§2

О)

F х

S. O сь

О s2

S

Ss

B4 CX

О с


Мерно до 1000° С, и горячая твердость. В противополож­ность этому быстрорежущая сталь утрачивает свою прочность, а следовательно, и пригодность к резанию уже при 500° С, а твердые сплавы — при 700° С. У режущей керамики явления диффузии или свариваемости с горя­чей стружкой не бывают до высоких температур. По этой причине даже при очень высоких скоростях резания на передней поверхности происходит лишь незначитель­ное выкрашивание. Это является одним из основных фак­торов получения высокой производительности при наи­высших скоростях резания. В некоторых случаях, однако, может происходить выкрашивание керамики в резуль­тате воздействия окислов (легкоплавкие включе­ния) .

Предел прочности при сжатии режущей керамики составляет 280—300 кГ/мм2, т. е. значительно меньше, чем у промышленных марок твердых сплавов; однако опасать­ся поломки инструмента под действием сжимающих уси­лий почти не приходится. Тем не менее если одновремен­но возникают изгибающие усилия, например вследствие неравномерного распределения сжимающих усилий, то из-за низкой прочности при изгибе может произойти по­ломка даже при незначительной нагрузке.

Модуль упругости керамики, как и многих спеченных материалов, относительно высок. То, что он ниже, чем у твердых сплавов, объясняется неметаллической природой режущей керамики. Существенным моментом является, однако, то, что за упругой деформацией следует не пла­стическая деформация, а хрупкое разрушение. Это, как и у твердых сплавов, определяет в равной мере прочность при сжатии и прочность при изгибе.

Коэффициент теплового расширения составляет око­ло 8- IO-6, т. е. несколько выше, чем у твердых сплавов. Это является преимуществом режущей керамики в том случае, если пластинки напаиваются на стальную дер­жавку.

Теплопроводность, разумеется, в значительной степе­ни зависит от содержания металлов или карбидов, обла­дающих теплопроводностью, присущей металлам. У ке­рамики из чистой окиси алюминия без присадок она сос­тавляет около 0,01 кал/(см — сек — град), т. е. очень мала; следовательно, этот материал является почти термоизо­лирующим. Присадки с теплопроводностью металла по — вытают теплопроводность керамики примерно на 0,05 кал/ (см — сек — град). Материалы с низкой теплопро­водностью имеют, как известно, также ограниченную устойчивость к термоударам. Это означает, что при рез­ких изменениях температуры или же при местном пере­греве, например во время заточки, возникает опасность трещинообразования. С другой стороны, можно рассмат­ривать как преимущество низкую теплопроводность ке­рамики, в результате которой даже при высоких скоро­стях резания пластинка почти не нагревается в режущих участках. Это объясняется тем, что теплота, создающая­ся при резании, легко удаляется через стружку и обра­батываемую деталь. Указанное преимущество, однако, почти не имеет значения, так как речь идет о материале с высокой жаропрочностью и устойчивостью к окисле­нию, не слипающемся с сильно разогретой стружкой да­же при высокой температуре. Практические опыты с окисно-карбидной керамикой, по-видимому, подтвержда­ют, что благодаря хорошей теплопроводности она менее восприимчива к поломке или трещинообразованию.

Структура режущей керамики имеет большое значе­ние для оценки качества и производительности резания. Достигнутые в последние годы улучшения структуры свя­заны в значительной мере с систематическим ее изуче­нием. Проведение металлографического исследования режущей керамики затруднено ее высокой твердостью и тем, что она плохо поддается травлению. Наблюдение можно проводить как в падающем, так и в проходящем свете (тонкие шлифы) с выявлением пор отдельных ком­понентов и размеров зерен путем травления в жидком кислом сернокислом калии или едком натре при 400— 500° С [49, 57, 64].

Поскольку соотношение твердости и прочности при изгибе влияет на эксплуатационные свойства режущего материала, Кёльбль [10] сделал попытку выразить его графически для режущей керамики в сопоставлении с промышленными марками стеллитов и твердых сплавов, а также со специальными марками твердых сплавов и алмазом. На рис. 150 по оси абсцисс отложена относи­тельная скорость резания при обработке стали прочно­стью 70 кГ/мм2. За единицу при этом принята скорость резания быстрорежущей сталью, а за критерий для суж­дения об относительных скоростях резания при переходе от быстрорежущей стали через твердые сплавы к окисной керамике — поперечное сечение стружки, значения кото­рого отложены в малом масштабе параллельно оси абс­цисс. Режущую керамику с пределом прочности при из­гибе, равном 40 кГ/мм2, можно использовать, например, при резании на глубину 2 мм и подаче 0,3 мм, тогда как твердый сплав с пределом прочности при изгибе, равном

12 3 4 К50 KO-KlO К05-К01 6 7 8 Р50-Р&0 P30-PZ0 Р10-Р01 HUO 1120-1110

5

Рис. 150. Зависимость между твердостью, пределом прочности при изгибе и интервалом скоростей резания для режущих ма­териалов (по Кёльблю):

/ — нелегированная сталь; 2 — легированная инструментальная сталь; 3 — быстрорежущая сталь; 4 — стеллиты; 5 — стандартные мегаллокера — мические твердые сплавы; 6 — специальные твердые сплавы; 7 — режу­щая керамика; 8 — алмаз; А — предел прочности прн изгибе; ? —твер­дость по Виккерсу; В — сечение стружки (мм2)

200 кГ/мм2, пригоден при сечении стружки около 4 мм2. Если бы сечение стружки были принято одинаковым для всех режущих материалов, то интервалы допустимых скоростей резания ближе подходили бы друг к другу. Это, однако, удаляло бы от практических данных. На рис. 150 показана сплошной линией подтвержденная практикой и соответствующая промышленным маркам твердых сплавов. часть кривой соотношения предел проч­ности при изгибе — относительная скорость, а пункти­ром — ее продолжение для специальных марок твердых сплавов и режущей керамики до алмаза. Продолжение этой кривой соответствует полученным Кёльблем практи­ческим данным, что можно доказать, если провести линии параллельно абсциссе и ординате и пересечь этими лини­ями обе ветви кривой. Для интервалов скоростей реза­иия, превышающих в шесть раз интервалы скоростей при применении быстрорежущей стали, используются твер­дые сплавы с пределом прочности при изгибе около 120—155 кГ/мм2. В то же время, если принять за единицу скорость резания быстрорежущей сталью, то режущий материал с пределом прочности при изгибе, равном 60—80 кГ/мм2 (а таким является режущая керамика), пригоден для скоростей резания 12—18. Продолжение ветви кривой от твердых сплавов до алмаза действитель­но приводит к скоростям резания, превышающим скорость резания быстрорежущей сталью примерно в 12—18 раз. Эти скорости являются предпочтительными и подтверж­даются практическими результатами, полученными при обработке стали режущей керамикой.

Путем продления ординаты можно также подтвер­дить зависимость максимально возможной скорости резания от третьего фактора — твердости. Верхняя огра­ничительная линия кривой твердости продолжена в на­правлении алмаза, микротвердость которого составляет примерно 8000—10000 кГ/мм2. Вследствие неточности результатов измерения микротвердости твердых режу­щих материалов, о которой говорилось выше, кривая в верхней части несколько расширена.