Docsity
Docsity

Przygotuj się do egzaminów
Przygotuj się do egzaminów

Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity


Otrzymaj punkty, aby pobrać
Otrzymaj punkty, aby pobrać

Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium


Informacje i wskazówki
Informacje i wskazówki

Materiały ceramiczne przeznaczone na ostrza narzędzi ..., Schematy z Ceramika

Wyróżnia się następujące grupy ceramicznych materiałów narzędziowych. [10]:. – ceramika tlenkowa (Al2O3, Al2O3+ ZrO2),. – ceramika mieszana (Al2O3 z dodatkami ...

Typologia: Schematy

2022/2023

Załadowany 24.02.2023

Osholom
Osholom 🇵🇱

4.5

(35)

304 dokumenty

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz Materiały ceramiczne przeznaczone na ostrza narzędzi ... i więcej Schematy w PDF z Ceramika tylko na Docsity! Annales Universitatis Paedagogicae Cracoviensis Studia Technica III (2010) FolIA 74 Magdalena Szutkowska, Lucyna Jaworska Materiały ceramiczne przeznaczone na ostrza narzędzi skrawających i kierunki ich rozwoju Techniczne możliwości tradycyjnych materiałów narzędziowych są już niewystar- czające do rozwiązania wielu problemów obróbki skrawaniem, wobec czego sukce- sywnie zastępuje się je nowymi, m.in. ceramicznymi materiałami narzędziowymi. Ocenia się, że stanowią one około 8% wszystkich stosowanych materiałów narzę- dziowych (ryc. 1) [1]. Udział materiałów narzędziowych stosowanych do obróbki skrawaniem wyrażony w procentach Ryc. 1. (HSS – stale szybkotnące, cBN – regularny azotek boru, PCD – polikrystaliczny diament) [1] Jak widać na rycinie 1, w obróbce skrawaniem metali dominują nadal narzę- dzia ze stali szybkotnącej i węglików spiekanych, to jednak do celów specjalnych (do pracy narzędzi przy dużych szybkościach skrawania i szybkościach posuwu) stosuje się ceramiczne materiały narzędziowe. Narzędzia te odznaczają się dużą odpornością na zużycie ścierne i są przeznaczone do obróbki wiórowej szerokie- go asortymentu materiałów, takich jak stal normalizowana i utwardzona, żeliwa i stopy specjalne. Umożliwiają one wydajną obróbkę wykańczającą materiałów, do której zwykle stosuje się szlifowanie. Zastępowanie pewnych operacji szlifowania poprzez wysokodokładną obróbkę skrawaniem w próbach toczenia, szczególnie [180] Magdalena Szutkowska, Lucyna Jaworska podczas obróbki bardzo twardych materiałów, to jeden z kierunków zmierzających do poprawy efektywności procesu obróbki mechanicznej. Przewiduje się, że tocze- nie skróci czas obróbki mechanicznej do 1/3 w porównaniu do szlifowania. Pozwoli to na oszczędność energii i tańszy recykling wiórów toczenia w po- równaniu z utylizacją zbędnego szlamu po szlifowaniu. Zainteresowanie cera- micznymi narzędziami spowodowane jest z jednej strony zanikającymi zasobami surowców wyjściowych, wolframu i kobaltu oraz związane z tym wysokie ceny w odniesieniu do tradycyjnie stosowanych narzędzi z węglików spiekanych, z dru- giej zaś strony, dzięki opracowaniu nowych materiałów ceramicznych na bazie tlen- ku glinu o podwyższonej odporności na pękanie, nastąpił wzrost wydajności obrób- ki skrawaniem narzędziami ceramicznymi do 300% (dzięki wzrostowi szybkości skrawania do ponad 1000 m min-1). Ponadto kobalt wywołuje alergie oraz niektóre rodzaje nowotworów i stanowi zagrożenie dla środowiska człowieka, stąd prace badawcze dotyczą ograniczenia zawartości kobaltu w narzędziach, zastąpienia go innymi rodzajami fazy wiążącej. Wprawdzie postęp w zakresie tworzenia nowych materiałów narzędziowych nie jest już tak spektakularny, jak w poprzednich de- kadach, dużą wagę przywiązuje się jednak do opracowania nowych materiałów na bazie znanych wcześniej związków, a mianowicie drogą polepszania ich właściwo- ści poprzez udoskonalenia technologii, modyfikację mikrostruktury i kombinację szeregu składników. Zastosowanie ceramicznych materiałów o dużej twardości, odporności chemicznej i odporności na ścieranie (także w temperaturach powyżej 1000°C) na narzędzia pozwoliło na unowocześnienie technologii obróbki skrawa- niem. Najważniejszym jej osiągnięciem jest rozwój obróbki z wyższymi parametra- mi skrawania, obróbka „na sucho” bez użycia płynów chłodzących szkodliwych dla otoczenia, a także możliwość obróbki materiałów utwardzonych i zahartowanych. Stwarza to wymierne efekty ekonomiczne oraz korzyści ekologiczne. Wybór ma- teriału przeznaczonego na ostrza narzędzi skrawających, szczególnie w przypad- ku dokładnej i wysokowydajnej obróbki, jest kompromisem pomiędzy materiałem o wysokiej odporności na ścieranie a jego odpornością na kruche pękanie. Na ryci- nie 2 przedstawiono zależność odporności na zużycie ścierne różnych materiałów narzędziowych w funkcji odporności na pękanie [2]. Odporność na zużycie ścierne i odporność na pękanie materiałów narzędziowych [2]Ryc. 2. 60,00 80,00 500,0 600,0 700,0 800,0 J]J] styczeń luty marzec kwiecień maj czerwiec lipiec sierpień wrzesień Pomiar ciepła (odczyt) [GJ] 472,11 472,56 473,08 481,13 495,29 547,04 619,98 678,39 726,02 Uzysk ciepła [GJ] 0,45 0,52 8,05 14,16 51,75 72,94 61,41 58,41 47,63 0,00 20,00 40,00 0,0 100,0 200,0 300,0 400,0 U zy sk c ie pł a [G J P om ia r c ie pł a [G J Materiały ceramiczne przeznaczone na ostrza narzędzi... [183] Z tego względu narzędzie skrawające powinno charakteryzować się wysokim przewodnictwem cieplnym oraz niskim współczynnikiem rozszerzalności, gdyż pozwala to na uzyskanie dużej odporności narzędzia na gwałtowne zmiany tem- peratury (odporność na wstrząsy cieplne). Jest to istotne dla obróbki skrawa- niem odbywającej się w sposób nieciągły, gdy narzędzie przejściowo ochładza się. Niewątpliwą zaletą materiałów ceramicznych jest zachowanie ich dobrych właści- wości mechanicznych do wysokich temperatur przy dużych szybkościach obróbki skrawaniem w warunkach pracy, w których wydziela się znaczne ciepło i podnosi się silnie temperatura układu. Wyróżnia się następujące grupy ceramicznych materiałów narzędziowych [10]: – ceramika tlenkowa (Al2O3, Al2O3+ ZrO2), – ceramika mieszana (Al2O3 z dodatkami ZrO2, TiC, TiN lub Ti(C,N) w tym ce- ramika umocniona wiskerami lub monokryształami płatkowymi, najczęściej SiC), – ceramika azotkowa – Si3N4 z dodatkami ułatwiającymi spiekanie oraz SiAlON, – materiały supertwarde – diament i regularny azotek boru. Ceramiczne materiały narzędziowe charakteryzują się następującymi właści- wościami: małą przewodnością cieplną i elektryczną, małą gęstością, dużą wytrzy- małością w wysokich temperaturach, wysoką wartością współczynnika sprężysto- ści wzdłużnej, dużą odpornością na zużycie ścierne, dużą odpornością na korozję chemiczną, wysoką temperaturą mięknięcia i topnienia. Narzędzia z ceramiki na bazie tlenku glinu odznaczają się dużą odpornością na zużycie ścierne i są przeznaczone do obróbki wiórowej szerokiego asortymentu materiałów, takich jak stal znormalizowana i utwardzona, żeliwa i stopy specjalne. Umożliwiają one wydajną obróbkę wykańczającą materiałów, do której zwykle sto- suje się szlifowanie. Przy wielu zaletach spiekanych materiałów ceramicznych na bazie tlenku glinu, takich jak odporność chemiczna, stabilność w atmosferze obojęt- nej i utleniającej, a także odporność na ścieranie, dostępność surowców, stosunko- wo prosta i tania technologia, znaczna kruchość i zmęczenie cieplne ograniczają ich szersze zastosowanie w przemyśle narzędziowym. Celem zwiększenia odporności na pękanie tych materiałów wykorzystuje się technikę dyspersji cząstek „drugiej” fazy o znacznej różnicy współczynnika rozszerzalności cieplnej w stosunku do ma- teriału matrycy. Prowadzone badania nad zjawiskiem wzmacniania transformacyj- nego kompozytów ziarnistych typu Al203-Zr02 potwierdziły skuteczność tego dzia- łania. Do najbardziej rozpowszechnionych należy grupa kompozytów ziarnistych zawierających w kruchej osnowie Al203 dyspersyjne cząstki Zr02 w ilości 3–15%. Podczas chłodzenia od temperatury spiekania w zakresie temperatur 1473–1273 K, Zr02 podlega bezdyfuzyjnej martenzytycznej przemianie odmiany tetragonalnej w trwałą odmianę jednoskośną. Zmianom strukturalnym Zr02 towarzyszy około 9-procentowy wzrost objętości. Temperatura przemiany polimorficznej zależy od wielkości cząstek i jest tym niższa, im mniejsze są cząstki Zr02. Cząstki Zr02, mniej- sze od pewnej wielkości krytycznej (ok. 0,5 µm), utrzymują nawet w temperaturze otoczenia budowę tetragonalną. Stosując cząstki Zr02 o określonej średnicy oraz/lub częściową stabilizację dodatkami CaO, MgO, Y2O3, można otrzymać ceramikę tlenko- wo-cyrkonową o zwiększonej o nawet 40% odporności na pękanie i wytrzymałości [184] Magdalena Szutkowska, Lucyna Jaworska na zginanie w porównaniu z czystą ceramiką tlenkową. Jak wykazały badania, do- datek 10% masy Zr02 powoduje dwukrotny wzrost odporności na pękanie, 70-pro- centowy wzrost wytrzymałości na zginanie oraz wyraźny spadek ścieralności [11]. Dyspersyjne umocnienie ceramiki tlenkowej poprzez dodatki TiC i/lub TiN ma na celu przede wszystkim zwiększenie ciągliwości tego materiału. Jednocześnie dzię- ki dużej twardości dodatków TiC i TiN obserwuje się wzrost twardości kompozytu o około 10% w porównaniu z twardością ceramiki tlenkowej [12]. Mikrostrukturę spieków ceramicznych na osnowie tlenku glinu: tlenku glinu α-Al203 trawionego ter- micznie, kompozytu ziarnistego Al203–10% mas. Zr02 i kompozytu Al203/TiC+TiN przedstawiono na rycinie 4. a) b) c) Mikrostruktura spieków ceramicznych na osnowie tlenku glinu: a) tlenku glinu Ryc. 4. α-Al203 trawionego termicznie, b) kompozytu ziarnistego Al203-10% mas.Zr02, c) kompozytu Al203/TiC+TiN (próbka trawiona ter- micznie w próżni) [8, 13] Zwiększona twardość ma szczególne znaczenie przy termicznym obciążaniu ostrza w zakresie od temperatury otoczenia do około 1070 K, ponieważ przy do- brej ciągliwości prowadzi to do dalszego wzrostu odporności na zużycie ścierne i erozyjne. Wytwarzanie kompozytu Al203/TiC+TiN wiąże się z pewnymi trudnościa- mi, wymaga bowiem stosowania wyższych temperatur spiekania w atmosferze nie utleniającej. Kompozyt Al203/TiC+TiN wykazuje dużą stabilność termodynamiczną Dzięki małej rozszerzalności cieplnej, a także dobrej przewodności cieplnej, cerami- ka mieszana wykazuje znaczną odporność na szoki termiczne. Stosowanie narzędzi z ceramiki mieszanej w obróbce skrawaniem umożliwia w wielu przypadkach za- stąpienie operacji szlifowania i to przy niższych kosztach narzędzia i większej wy- dajności produkcji [13]. Stosuje się je do obróbki wykańczającej i średniodokładnej żeliw, stali ulepszonych cieplnie (do twardości 58 HRC) i żeliw utwardzonych. Nie są przydatne do obróbki wysokostopowych stali żaroodpornych oraz stopów alu- minium. Porównanie prędkości skrawania dla różnych materiałów narzędziowych przedstawiono na rycinie 5. Ceramika narzędziowa umożliwia skrawanie materiału z maksymalna prędkością do ponad 1000 m/min. Materiały ceramiczne przeznaczone na ostrza narzędzi... [185] Porównanie prędkości skrawania dla różnych materiałów narzędziowych [12]Ryc. 5. Silne kowalencyjne wiązania zapewniają azotkowi krzemu dużą wytrzymałość, dużą twardość i odporność na utlenianie, dobrą przewodność cieplną i odporność na szoki termiczne. Te doskonałe właściwości, które azotek krzemu zachowuje również w wysokich temperaturach, ulegają znacznemu ograniczeniu na skutek dodatków niezbędnych w procesie spiekania. Dodatki, najczęściej MgO lub Y2O3, w połączeniu z warstewką tlenków SiO2 pokrywających cząstki Si3N4 prowadzą do utworzenia tzw. fazy szklistej. Faza ta ułatwia spiekanie pod ciśnieniem zewnętrz- nym, przyczyniając się do otrzymania dobrze zagęszczonych spieków. Jednakże rów- nocześnie obecność fazy szklistej oddziałuje niekorzystnie na właściwości ceramiki azotkowej w wysokiej temperaturze, zwłaszcza przy skrawaniu stali tworzącej wiór wstęgowy. Powstający w temperaturze powyżej 1200°C krzemek żelaza prowadzi do intensyfikacji zużycia chemicznego i w efekcie do szybkiego stępienia ostrzy przy skrawaniu stali. W celu zmniejszenia szybkości przebiegu przyspieszonych proce- sów zużycia chemicznego, występującego przy obróbce bogatych w żelazo stopów, produkowane są płytki narzędziowe z ceramiki Si3N4 pokryte cienką warstwą Al2O3 (o grubości do 1 μm). Termodynamicznie stabilne warstwy Al2O3 stanowią barierę dyfuzyjną pomiędzy płytką narzędziową i spływającym po niej wiórem, zwiększa- jąc zasadniczo odporność płytki na zużycie – przykładem jest materiał WIDIANIT CN-100 (firmy Krupp Widia) [6, 12]. Dobre właściwości skrawne ceramiki azotko- wej Si3N4, podobnie jak w przypadku ceramiki tlenkowej mogą być polepszone przez wprowadzenie dodatków ZrO2, TiN lub whiskerów SiC. To korzystne oddziaływanie wymienionych dodatków polega na wzroście twardości, ciągliwości i odporności na zużycie ceramiki Si3N4 [7]. Umocnienie ceramiki Si3N4 whiskerami SiC pozwala na 3-krotne zwiększenie trwałości narzędzia [6]. Oczywiście poprawy właściwości wytrzymałościowych ceramiki Si3N4 dokonuje się także poprzez zastosowanie sub- mikroproszków [14, 15]. Spieki na bazie azotku krzemu wykazują ciągliwość podobną do węglików i odporność temperaturową charakterystyczną dla tlenków. Rozszerza to zakres ich zastosowań i pozwala je stosować m.in. do obróbki zgrubnej i półwykańczającej odlewów żeliwnych toczeniem i frezowaniem, jak też obróbki stopów specjalnych Pr ęd ko ść s kr aw an ia V c [188] Magdalena Szutkowska, Lucyna Jaworska przeznaczone do submikro- i nanoobróbki. Są to narzędzia wykonywane np. z mo- nokryształów diamentu – charakteryzujące się niezwykłą dokładnością i precyzją wykonania ostrza. Żaden ze znanych materiałów, przeznaczonych na narzędzia skrawające, nie spełnia wszystkich wymagań stawianych ostrzom. Najbliższe idea- łu są materiały supertwarde: diament monokrystaliczny i polikrystaliczny oraz polikrystaliczny regularny azotek boru z metaliczną i niemetaliczną fazą wiążącą. Diament, najtwardszy spośród wszystkich naturalnych i syntetycznych materiałów, charakteryzuje się najwyższym przewodnictwem cieplnym ale jego wadą jest kru- chość i brak odporności na działanie temperatur przekraczających 970 K i na utle- nianie. Ostrza diamentowe wytwarzają jakościowo lepsze powierzchnie, zmniejsza- ją natężenie hałasu podczas obróbki i pozwalają na stosowanie znacząco większych prędkości skrawania [10]. O wyborze materiału na ostrze narzędzia skrawającego decydują następujące kryteria [22, 23]: – trwałość ostrza – przy ustalonych parametrach skrawania określonego ma- teriału, zastosowanie narzędzia z materiału o większej odporności na zużycie przy- czynia się do wzrostu trwałości ostrza, – właściwości materiału obrabianego – skład chemiczny i właściwości mate- riału skrawanego wpływają na intensywność zużycia ostrza, co jest związane z jego trwałością i wydajnością obróbki; z tego względu do skrawania materiałów o więk- szej twardości i wytrzymałości, a przede wszystkim ścieralności, dobiera się mate- riały narzędziowe bardziej odporne na zużycie; twardość materiału ostrza powinna być co najmniej o 30 HRC większa od twardości materiału obrabianego, – rodzaj obróbki – z rodzajem obróbki (zgrubna, średnio dokładna i dokładna) związane są parametry skrawania. Ponieważ prędkość skrawania ma największy wpływ na temperaturę skrawania i trwałość ostrza, dlatego przy zmianie rodzaju obróbki od zgrubnej do dokładnej zalecane jest stosowanie innych gatunków mate- riałów narzędziowych, wykazujących zwiększoną odporność na zużycie w trudniej- szych warunkach pracy narzędzia, – względy techniczno-ekonomiczne – wykonanie ostrza z tańszego lub droższe- go materiału powinno być rozpatrywane na tle ogólnych kosztów jego wykonania i eksploatacji; koszt materiału narzędzia stanowi tylko niewielką część całkowitego kosztu jego wykonania, – względy ekologiczne. Kierunki rozwoju ceramicznych materiałów narzędziowych Rozwój cywilizacji narzuca konieczność nowych rozwiązań. Bierze się pod uwa- gę nowe czynniki, na które do chwili obecnej nie zwracano uwagi. Podstawowym czynnikiem jest oczywiście zdrowie i środowisko człowieka. Pewne rodzaje mate- riałów były i są stosowane pomimo ich szkodliwości, z powodu braku zamienni- ków. Prace badawcze zmierzają w kierunku otrzymania uniwersalnego materiału narzędziowego lub projektowania materiałów i narzędzi przeznaczonych do obrób- ki ściśle określonych tworzyw. Cele te realizowane są kilkoma drogami zgodnymi z ogólnymi tendencjami pojawiającymi się w technologiach materiałów i ich wytwa- rzania, a są to: – opracowanie nowych lub modyfikacja istniejących metod wytwarzania i przy- gotowywania proszków (w tym otrzymywanie i zastosowanie nanoproszków), Materiały ceramiczne przeznaczone na ostrza narzędzi... [189] – modyfikacja i optymalizacja składu chemicznego (np. wykorzystanie spieka- nia reakcyjnego czy nowoczesnych związków, takich jak dwuborek tytanu), – opracowanie nowych metod zagęszczania proszków, – doskonalenie technik pokrywania powierzchni twardymi warstwami prze- ciwzużyciowymi. Bibliografia [1] Gorham Cutting Tools Conference 51. Metal Powder Report, 1996, pp. 10–12 [2] Riedel R., Handbook of Ceramic Hard Materials. l.1,2 Wiley-Vch., 2000 [3] Oczoś K.E., Postęp w Obróbce Skrawaniem III. Obróbka materiałów twardych i utwardzo- nych, Mechanik, 7, 1998, pp. 419–426 [4] Bruchhas T, Hagemeyer C., Neue einsatzgebiete der Keramische Werkstoffe beim BTA-Tie- fbohren, 46, p. 321 [5] Smuk B., Walter J., „Badania nad opracowaniem materiału narzędziowego z udziałem faz azotowych”. Prace IOS, Seria Spraw., 7881 IOS, 1993 [6] Gałązka M.-Dahlke, Wpływ pokryć na zwiększenie odporności na zużycie narzędzi skrawają- cych. Cz. I Przegląd nowoczesnych materiałów narzędziowych, Zeszyty Politechniki Biało- stockiej 1996, Nauki Techniczne, 107, Mechanika, z. 16, 1996, s. 219–228 [7] Sglavo M., Bosetti P., Fracture toughness of SiC whiskers reinforced silicon nitride at various temperatures. Ceramics Getting into the 2000’s Part C, Techna 1999, pp. 739–746 [8] Szutkowska M., Odporność na pękanie spieków ceramicznych stosowanych na ostrza narzę- dzi skrawajacych, PIOS seria Zeszyty Naukowe, 85, 2005 [9] Jemielniak K., Obróbka skrawaniem, WPW, 2004 [10] Jaworska L., Diament – otrzymywanie i zastosowanie w obróbce skrawaniem, WNT, War- szawa 2007 [11] Tomaszewski H., Wpływ stopnia stabilizacji ZrO2 tlenkiem itrowym na właściwości termo- mechaniczne ceramiki z układu Al2O3- ZrO2, Inżynieria materiałowa, XI, 1990, s. 144 [12] Wysiecki M., Nowoczesne materiały narzędziowe, WNT, Warszawa 1997 [13] Szutkowska M., Sprawozdanie merytoryczne z realizacji Projektu Badawczego nr 7 T08D 029 20, 2003 [14] Sobczak N., Jaworska L., Podsiadło M., Smuk B. i in., Nitride and carbide preforms for infiltra- tion process, Archives of Materials Science and Engineering, 28, 11, 2007, pp. 653–656 [15] MitomoM. i in., Fine grained silicon nitride ceramics prepared from β-powder. J.Am.Ce- ram.Soc.78, 1, 1995, pp. 211–214 [16] Narzędzia Tokarskie. Sandvik Coromant 2000, Elanders 2001 [17] Dobrzański L., Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT, Warszawa 2002 [18] New material for metal cutting. Tooling, nr 12, 1983, 2 [19] Kinoshita T., Sintering and toughening of hot-pressed silicon nitride composite reinfor- ced with silicon carbide whiskers. Ceramics Getting into the 2000’s Part C, Techna 1999, pp. 795–804 [190] Magdalena Szutkowska, Lucyna Jaworska [20] Czechowski K., Pofelska-Filip I., i in., Effect of nitride nano-scale multilayer coatins on functional properties of composite ceramic cutting inserts. Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences, 53, 4, 2005, pp. 423–431 [21] Cselle T., Application of Coatings for Tooling. Quo Vadis 2005. Vacuum Best VIP, 2003 [22] Silicon Nitride, Technical Brochure, Ceradyne Inc., Costa Mesa, CA, 1994 [23] Smolik H., Czechowski J., Opracowanie azotkowych materiałów narzędziowych typu SiAlON. Instytut Materiałów Ogniotrwałych 1990, Sprawozdanie 2659/300457/BM/90 Ceramic materials for cutting tool inserts and their development trends Abstract Ceramic cutting tool materials currently used in industry have been presented. Five groups of ceramic materials: oxide ceramics, composite ceramics with alumina matrix, nitride ceramics, SiAlON and superhard materials were characterized. Development trends of ceramic tool materials were determined. Key words: cutting tool ceramics, cermetals, alumina, ceramic composites, superhard materials