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.