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