|
|
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% А1203, остальное Cr203, Fe>03, Si02, MgO • Si02,
MgF2).
2. Композиционные материалы из окиси металла
(А1203) И металла (например, 2—10% Мо).
3. Окисно-карбидная керамика (например, 60% А1,03,
40% Мо2С; 60% А1203, 20% Мо-С, 20%WC; 80% А1п03, 10%Мо,С, 10% WC; 90% А1203,
5% TiC, 5%МО2С).
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 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. Обобщающие
Основные компоненты керамических режущих материалов
сведения приведены Агте. В табл. 77 сопоставлены полученные Кёльблем 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 примерно
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- Ю-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 повышают 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
Поскольку соотношение твердости и прочности при изгибе
влияет на эксплуатационные свойства режущего материала, Кёльбль 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 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
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 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 резания, 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.
|