Режущая керамика
Слово "керамика" произошло от наименования района Афин – Cerami, где гончары производили свою продукцию (keramos означает обожженный материал). Традиционная керамика – это фарфор, фаянс, черепица, кирпич.
В настоящее время керамика широко используется как конструкционный материал с особыми химическими и теплофизическими свойствами, наиболее широко керамику применяют в машиностроении в качестве инструментального материала.
По составу режущую керамику подразделяют на оксидную – А12O3 (99%) с добавками оксидов магния и циркония (белая); оксидно-карбидную – А12O3 (60...80%) с оксидами и карбидами тугоплавких металлов (черная); оксиднонитридную – А12O3 и TiN (кортинит); на основе нитрида кремния Si3N4 (силинит-Р).
В отличие от твердых сплавов керамика не содержит металла-связки, в ее состав входят только твердые компоненты – оксиды, карбиды, нитриды. Поэтому керамика имеет весьма высокие значения теплостойкости (1200...1400 °С) и твердости (до 96 HRA), что позволяет выполнять резание со скоростями 400...600 м/мин. При этом температура в зоне резания достигает очень высоких значений и возникает опасность диффузионного износа (диффузия инструментального материала в обрабатываемый). Однако вследствие высокой химической устойчивости керамики, обусловленной сильными межатомными связями, этого не наблюдается. Вместе с тем отсутствие пластичной фазы в структуре определяет высокую хрупкость и низкую прочность режущей керамики.
Оксидная керамика
Механические свойства керамики, состоящей только из оксида алюминия А12O3, низкие. Предел прочности (σизг) составляет 200...350 МПа, а коэффициент трещиностойкости (К1с) – 3,8 МПа•м1/2.
Повышение механических свойств керамики достигается за счет улучшения ее структуры, создания напряжений сжатия, упрочнения армирующими волокнами.
Прочность керамики повышается при уменьшении пористости (σизг = σо еnП, где σο – прочность беспористой керамики; П – пористость, %; п – численный коэффициент от 4 до 7) и величины зерна (табл. 9.7). Меньшая пористость достигается при технологии горячего "ГП", а не холодного "ХП + С" прессования.
Таблица 9.7
Прочность керамики в зависимости от состава и технологии изготовления
|
Состав |
Технология |
σизм, МПа |
|
А1А |
ХП + С |
200...350 |
|
А1А |
ГП |
500...700 |
|
А1А + MgO |
ХП + С |
300...500 |
|
А12O3 + TiC/WC |
ХП + С |
300...500 |
|
А12O3 + TiC |
ГП |
500...750 |
|
А12O3 + TiC |
гип |
600...850 |
|
А12O3 + ZiO2 + TiC |
ХП + с |
700...900 |
|
A12O3 + SiC |
ГП |
550...750 |
Величина зерна зависит от температуры спекания. Снижение этой температуры достигается за счет добавок MgO, что позволяет получить более мелкое зерно.
Существенное повышение прочности и трещиностойкости происходит при введении в состав керамики диоксида циркония ZrO2 (5...15% масс.). При охлаждении от температуры спекания диоксид циркония претерпевает полиморфное превращение: высокотемпературная модификация – тетрагональная решетка (параллелепипед, где с > а = b) превращается в низкотемпературную моноклинную (параллелепипед, где а ≠ b ≠ с; углы в основании параллелепипеда а = γ = 90°; β ≠ 90°, см. 1.3.1), обладающую большим объемом (примерно на 4%). В зонах, окружающих частицы ZrO2, возникают напряжения сжатия. При распространении трещина вынуждена огибать такие зоны, что увеличивает ее путь и требует дополнительной энергии. Более того, возможно даже блокирование, т.е. остановка трещины в результате контакта с этими зонами. Естественно, что это приводит к повышению коэффициента трещиностойкости и предела прочности (до 700 МПа).
Армирование керамики осуществляется введением монокристаллических волокон (усов) карбида кремния SiC, сдерживающих распространение трещины. При содержании 30% SiC достигается повышение прочности на 25...30% и, кроме того, повышается теплопроводность керамики.
Оксидно-карбидная и оксидно-нитридная керамика
В их состав, помимо оксида алюминия, входят карбиды или нитриды тугоплавких компонентов. Эффект от их введения связан с замедлением роста зерна при спекании (величина зерна снижается примерно в 2 раза), что приводит к повышению прочности. Механические свойства оксидно-карбидной и оксидно-нитридной керамик могут быть дополнительно повышены за счет измельчения зерна и легирования диоксидом циркония (так же, как и белой).
Нитридная керамика
Основа такой керамики – нитрид кремния Si3N4. Получение плотного материала из чистого нитрида кремния технически весьма сложно из-за его низкой пластичности. Необходимая плотность достигается лишь в присутствии активирующих добавок (MgO, Y2O3 – оксид иттрия, ZrO2), что позволяет добиться практически полного уплотнения. При использовании в качестве добавки совместно оксида и нитрида алюминия (Al2O3 + AlN) образуется твердый раствор алюминия и кислоро́да в нитриде кремния – сиалон (SiAlON). По сравнению с нитридом кремния сиалон обладает большей теплостойкостью.
Введение частиц нитрида титана, т.е. второй фазы, в сиалоновую матрицу приводит к повышению и твердости, и прочностных характеристик.
Состав и свойства керамик различных групп приведены в табл. 9.8.