CC BY
73
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА_
УДК 666.7
Новая режущая керамика в системе Д120з—1гО2(У203)—Г1(С,М)
Я. Г. Дятлова, Н. Ю. Ковеленов, В. И. Румянцев, С. С. Орданьян
В настоящей работе изучено влияние наноразмерных порошков на формирование структуры и физико-механические свойства керамики в системе Al2O3—ZrO2(Y2O3)—^), полученной методом горячего прессования. Отмечено, что введение наноразмерных порошков позволяет ограничить рост зерна Al2O3, сохранив его на субмикронном уровне, а также увеличить значения прочности до 820 МПа и твердости до 21,4 ГПа с сохранением трещиностойкости на уровне до 4,5 МПа • м1/2. Проведены сравнительные испытания режущих свойств резцов на основе разработанного керамического материала в сравнении со стандартными режущими пластинами ВОК-71.
Key words: керамика, наноразмерная составляющая, горячее прессование, физико-механические и режущие свойства.
Введение
В последнее время наметилась тенденция расширения сфер применения режущего инструмента, оснащенного керамическими сменными пластинами (КСП).
Известны отечественные керамические материалы на основе оксида алюминия с добавками карбида титана, так называемые смешанные, или «черные», керамики — ВОК-60, ВОК-63, ВОК-71, предназначенные для чистовой, получистовой и прерывистой обработки ковких, высокопрочных, отбеленных, модифицированных чугунов, сталей, закаленных до 30-55 и 56-65 НИО. Для улучшения эксплуатационных свойств режущих керамик ВОК-63 и ВОК-71 на них наносят покрытие из нитрида титана или композиционное покрытие на основе нитридов титана и хрома, снижающее адгезионное взаимодействие режущего инструмента с обрабатываемыми материалами.
Предпосылками расширения использования КСП являются повышение производительности и улучшение качества обработки труднообрабатываемых металлических сплавов (высоколегированных сталей, сплавов на основе N1 и Т1 и т. д.) [1]. Для уменьшения сил резания и улучшения качества деталей из этих материалов применяют высокие скорости резания. Преимущества высокоскоростного резания могут быть достигнуты только при
условии создания режущих керамических материалов с принципиально новым уровнем свойств. К таким материалам можно отнести керамику на основе А12О3 с добавками ZrO2 (У2О3) Т1 (О, №). Введение Т1 (О, N в корундовую матрицу (А12О3) способствует повышению твердости материала и износостойкости изготавливаемого из нее инструмента, добавки же 2гО2 повышают прочность оксидной матрицы и трещиностойкость композиции в целом, а также позволяют использовать режущие пластины при более жестких режимах резания [4, 5]. Оксидная и карбонитридная фаза предопределяет эффект снижения сил резания за счет заметного уменьшения адгезионной компоненты
Эксплуатационные характеристики режущей керамики определяются структурными показателями: размером зерен фазовых составляющих, пористостью и физико-механическими свойствами. Минимизация размерных параметров элементов микроструктуры материала обеспечивается как исходной дисперсностью порошка, так и параметрами консолидации ансамбля частиц (формование, спекание). Следует отметить, что разработка керамических материалов путем создания на-ноструктурированных композитов позволяет повысить комплекс механических свойств в широком интервале температур — твердость, прочность, надежность, усталостную трещи-ностойкость [2]. Но искомую (планируемую)
наноструктуру крайне сложно создать в уплотненном конечном объемном материале [3].
В настоящей работе изучено влияние на-норазмерной составляющей на формирование структуры и физико-механические свойства керамики в системе А12О3—2г02 ^20з)—Т1 (С, Ы), а также проведены испытания режущих свойств полученной керамики в сравнении с образцами стандартной керамики ВОК-71.
Постановка эксперимента
В качестве исходного сырья использовали наноразмерные порошки ZrO2 с 5,4 % масс. (или 3 % мол.) Y2O3 (марка 3Z-C-3YB, поставщик Pangea, Буд = 25 м2/г), AI2O3 (марка CT 3000 SDP, поставщик Almatis, D50 = = 0,6 мкм), Ti (C, N) (поставщик Treibacher, D50 = = 3 мкм). В качестве наноразмерной составляющей использовали также плазмохимические порошки состава 97 % об. AI2O3 — 3 % об. ZrO2 (Y2O3) и Ti (C, N) поставщика NeomatCo (D50 = 0,03 мкм).
Исходный микронный порошок Ti (C, N) подвергали предварительному измельчению в вибромельнице в среде изопропилового спирта мелющими телами из WC—Co в течение 72 ч до размера частиц D50 = 0,6 мкм.
Была подготовлена композиционная смесь состава 60 % об. [95 % об. Al2O3 — 5 % об. ZrO2 (Y2O3)] — 40 % об. Ti (C, N) на основе субмикронных порошков и с добавками
наноразмерной составляющей. Соотношение субмикронного и наноразмерного порошков варьировалось в концентрационных интервалах, представленных в табл. 1.
Композиционные смеси были получены путем смешения в течение 6 ч в изопропило-вом спирте в планетарной мельнице шарами 5-6 мм из Ti (C, N). Далее порошки сушили и просеивали через сетку с размером ячейки 300 мкм. Керамику спекали методом горячего прессования при температуре 1650 °С. Температуру горячего прессования выбирали с ориентацией на данные работы [6], в которой оценивалась возможная температура начала химической реакции Al2O3—TiN, равная около 2000 К. Время выдержки при максимальной температуре составило 15 мин.
Качественный фазовый анализ порошков проводился на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4 с использованием CuK^-излучения с Ni-фильтром.
Размер частиц наноразмерных порошков оценивали по удельной поверхности [БЭТ (ASAP 2020)] методом электронной микроскопии (JEOL 7001); размерные характеристики субмикронных порошков определяли методом лазерной дифрактометрии по ISO 24235 на анализаторе размера частиц Practica LA-950V2 фирмы Hоriba.
Микроструктуру спеченных образцов оценивали на полированных аншлифах с помощью оптического микроскопа МКТФ-1 и анализатора изображений «ВидеоТест», а также
Таблица 1
Составы исходных смесей для получения керамики, % об.
Смесь AI2O3 субмикронный ZrO2 (Y2O3) наноразмерный Ti(C, N) субмикронный 95 %Al2O3 — 5 %ZrO2 (Y2O3) наноразмерный Ti (C, N) наноразмер-ный
Состав 1: субмикронный 57 3 40 - -
Состав 2: 90 % об. субмикронный — 10 % об. наноразмерный 51,3 2,7 36 6 4
Состав 3: 80 % об. субмикронный — 20 % об. наноразмерный 45,6 2,4 32 12 8
Состав 4: 70 % об. субмикронный — 30 % об. наноразмерный 39,9 2,1 28 18 12
по фрактограммам, полученным методами растровой электронной микроскопии на SEM JEOL 7001F.
Кажущуюся плотность и открытую пористость определяли методом гидростатического взвешивания в соответствии с ISO 18754. Механические испытания проводили методом трехточечного изгиба на разрывной машине Р-50 2167 по ISO 3327. Твердость по Виккерсу 10 HV рассчитывали как средний результат по пяти замерам на твердометре ТП-7р-1 с нагрузкой 10 кг. Индентационную трещиностой-кость KjC рассчитывали по длине радиальных трещин по формуле Анстиста [7].
Для оценки режущих свойств керамики были подготовлены квадратные образцы со стороной 12,7 мм, высотой 4,76 мм и фаской 0,25x20° (обозначение по ISO1832 — SNGN 120408). Образцы испытаны на работоспособность и стойкость на токарном обрабатывающем центре с ЧПУ Mazak QTN250II-M, обладающем необходимой жесткостью для исключения возникновения значимых вибраций в процессе резания.
Обрабатываемый материал — сталь ХВГ (50-52 HRC). Режимы испытаний: скорость резания v = 180 м/мин, подача на оборот шпинделя S = 0,1 мм/об, глубина резания t = 1,0 мм, длительность испытаний T = 15 мин.
Полученные результаты сравнивали с данными для стандартных режущих пластин ВОК-71, испытанных в аналогичных режимах испытания.
Результаты и обсуждения
В работе получена плотная керамика с пористостью не более 1 %. Фрактограммы микроструктуры образцов керамики приведены на рисунке. Отмечается общая тенденция получения более мелкозернистой структуры керамики при введении наноразмерных порошков. Керамика без добавок наноразмер-ных порошков характеризуется микроструктурой со средним диаметром зерен А12О3 более 1 мкм (рисунок, а). Введение оксидных и карбонитридных наноразмерных порошков до 10 % об. в субмикронный порошок А12О3 позволяет ограничить рост зерна А12О3, сохранив его на субмикронном уровне. При
а)
б)
в)
г)
Фрактограммы керамики: а — состав 1; б — состав 2; в — состав 3; г — состав 4
горячем прессовании зерно А12О3 вырастает до среднего диметра 0,9 мкм (рисунок, б—г). При введении 20 % об. и более наноразмер-ных порошков (состав 4, табл. 1) в структуре керамики иногда отмечается рост зерен корундовой матрицы до среднего диаметра 1 мкм. Это может быть объяснено тем, что равномерное введение и однородное распределение наноразмерного порошка в матрице А12О3 осложняются склонностью наноразмер-ных порошков к агломерации.
Введение наноразмерных порошков позволяет повысить значение твердости керамики с сохранением трещиностойкости на уровне 4,0-4,5 МПа/м1/2.
Таблица 2
Физико-механические свойства керамики
Исходный порошок ^ 10, ГПа К1С МПа/м1/2 Pкаж, кг/м3 Ротн % Оизг, МПа
Состав 1 20,5±0,2 4,7±0,2 4450 99,0 662±17
Состав 2 20,9±0,1 4,5±0,3 4460 99,2 831±28
Состав 3 21,4±0,2 4,1±0,1 4470 99,7 829±16
Состав 4 21,1±0,1 3,9±0,3 4460 99,6 587±23
ВОК-71 19,6±0,4 5,1±1,6 4250 99,5 637±31
Снижение трещиностойкости состава 4 может быть связано с ростом вводимых нанораз-мерных частиц фаз ТЮЫ, ^20з) более
100 нм (рисунок, г) и сопровождаемым этот рост увеличением остаточных растягивающих напряжений в корундовой матрице [8].
Для проведения испытаний режущих свойств был выбран состав 2, характеризующийся более высокими значениями физико-механических свойств (табл. 2). Износ по задней грани пластин из данного состава при испытаниях составил 0,36 мм, износ пластин из ВОК-71 — 0,47 мм.
Керамические материалы очень чувствительны к ударным нагрузкам, поэтому часто при начале процесса резания и его завершении (врезании режущей пластинки в заготовку и выходе из нее) на режущей кромке образуются сколы. Для обеспечения плавного входа и выхода инструмента в эти моменты обычно существенно снижается подача. Проведенные эксперименты показали, что на пластинках, сделанных из нового материала, скалывания кромки в начальном и конечном моментах резания при наличии фаски, превышающей припуск на обработку, не наблюдалось. Это позволило уверенно вести обработку без уменьшения подачи на входе и выходе резца из заготовки.
Использование пластинок из нового материала позволило существенно увеличить скорость резания. Проведено точение закаленных заготовок на скоростях до 300 м/мин. С увеличением скорости шероховатость обработанной поверхности незначительно увеличивалась. Необходимо отметить, что при этом обеспечивалось получение благоприятной формы стружки (дробление стружки) даже при подаче 0,15 мм/об.
В экспериментах по обработке чугуна пластинками из нового материала скорость
резания увеличивалась от 300 до 600 м/мин с одновременным увеличением подачи от 0,1 до 0,25 мм/об. При всех режимах обработки обеспечивалось уверенное резание, без сколов и выкрашивания кромки.
Выводы
1. Изучено влияние введения нанораз-мерных порошков на структуру и физико-механические характеристики керамики, полученной методом горячего прессования.
2. Введение наноразмерных порошков в количестве 10 % об. (состав 2) обеспечивает формирование структуры материала, обеспечивающей увеличение значений трещино-стойкости, при сохранении высоких значений твердости и прочности.
3. Проведены сравнительные испытания режущих свойств керамических резцов, полученных методом горячего прессования и стандартных режущих пластин ВОК-71, по результатам которых можно сделать вывод о перспективности материала на основе оксидной матрицы с добавкой карбонитрида титана для производства режущей керамики.
4. Установлено положительное влияние введения карбонитридной составляющей на твердость керамики и ее режущие параметры.
Литература
1. Маслов А. Р. Современные инструментальные материалы / Инж. журн.: справ. Прил. 2008. № 9. С. 3-24.
2. Инструментальное обеспечение высокоскоростной обработки резанием / В. В. Кузин, С. И. Досько, В. Ф. Понов [и др.] // Вестн. машиностроения. 2005. № 9. С. 46-50.
3. Komanduri R. Substitution of ceramics for conventional tools // Ceram. Eng. and Sci. Prad. 1984. Vol. 5, N 7/8. P. 450-459.
4. Niihara K., Suzuki Y. Mater. Sci. Eng. A. 1999, A261. P. 6-15.
5. Ceram. Int. / Z. Guo, G. Blugan, R. Kirchner [et al.] 2007. N 33. P. 1223.
6. Юдин Б. Ф., Мнацаканян Е. Д., Орданьян С. С.
Термодинамический анализ взаимодействия в системе TiN—Al2O3 // ЖПХ. 1982. Т. 45, № 1. С. 103-107.
7. J. Am. Ceram / G. R. Anstis, P. Chantukil, B. R. Lawn, D. B. Marshall. Soc. 64. P. 533-558.
8. J. Am. Ceram / T. Ohji, Y. K. Jeong, Y. H. Choa, K. Niihara. Soc. 1998. N 81(6). P. 1453-1460.
22-24 октября 2014 г.
г. Ереван, Армения
ШЕСТАЯ
РОССИЙСКО-АРМЯНСКАЯ ВЫСТАВКА
EXPO-RUSSIA ARMENIA
ЕРЕВАНСКИЙ БИЗНЕС-ФОРУМ
ОРГАНИЗАТОРЫ:
Ô ОАО "Зарубеж-Экспо", Россия
Концерн "Мульти Груп", Армения
СООРГАНИЗАТОРЫ:
Международная Ассоциация Фондов Мира Комитет Мира Армении Компания "Экспомедиа" (Армения)
ПАТРОНАТ:
Торгово-промышленной палаты Российской Федерации Руководители торгово-промышленных палат стран участниц СНГ
ТЕМАТИЧЕСКИЕ РАЗДЕЛЫ ВЫСТАВКИ:
Энергетика, машиностроение, металлургия, приборостроение, транспорт и логистика, геология и горная промышленность, строительство, химическая промышленность, связь и телекоммуникации, информационные технологии, инновации и инвестиции, банки и страховые компании, сельское хозяйство и продовольствие, медицина, образование
ВХОД СВОБОДНЫЙ
МЕСТО ПРОВЕДЕНИЯ:
Дом правительства Республики Армения, ул. Мелик Адамяна, дом 1
ОРГКОМИТЕТ: ОАО «Зарубеж-Экспо»
Москва, ул. Пречистенка, 10
Тел: +7(495) 637-50-79,637-36-33,637-36-66
многоканальный номер +7 (495) 721-32-36
info@zarubezhexpo.ru
www.zarubezhexpo.ru
ЕхротесПа
+37410-56-38-99 expo@web.am
f7(499) 766 92 82
