7. Spiekane materia y ceramiczne i ceramiczno-w glikowe

Transkrypt

1 7. Spiekane materia y ceramiczne i ceramiczno-w glikowe 7.1. Ogólna charakterystyka spiekanych materia ów ceramicznych i ceramiczno-w glikowych PORÓWNANIE SPIEKANYCH MATERIA ÓW CERAMICZNYCH I CERAMICZNO-W GLIKOWYCH W ostatnich latach wzrasta zu ycie ceramicznych i ceramiczno-w glikowych materia ów skrawaj cych. Do tej grupy materia ów zalicza si jednofazowy, spiekany i/lub prasowany na gor co Al 2 O 3 oraz Si 3 N 4, a tak e mieszaniny tych faz z twardymi tlenkami, azotkami i/lub w glikami, wytwarzane zmodyfikowanymi metodami metalurgii proszków. P ytki wykonane z tych materia ów s stosowane do obróbki eliwa i stali przy du ej pr dko ci skrawania. Spiekane materia y ceramiczne i ceramiczno-w glikowe s odporne chemicznie, stabilne w atmosferze oboj tnej i utleniaj cej, a tak e w wysokiej temperaturze. Przy ma ej g sto ci wykazuj korzystn odporno na cieranie w temperaturze pokojowej i podwy szonej. Surowce do wytwarzania tych materia ów s atwo dost pne. arowytrzyma o spiekanych materia ów ceramicznych i ceramiczno-w glikowych jest wi ksza ni w glików spiekanych. S wra liwe na mechaniczne obci enia udarowe i zm czenie cieplne. W odró nieniu od w glików spiekanych nie zawieraj metalu wi cego i z tego wzgl du ich ci gliwo jest znacznie mniejsza ni w glików spiekanych. Zastosowania spiekanych materia ów ceramicznych i ceramiczno-w glikowych s ograniczone przez du sk onno do z amania. P ytki skrawaj ce z tych materia ów, oprócz ujemnego k ta natarcia, maj dodatkowo faz wzmacniaj c o szeroko ci 0,2-0,3 mm. Najwi ksz zalet spiekanych materia ów ceramicznych i ceramiczno-w glikowych jest mo liwo skrawania z bardzo du pr dko ci Podstawowe grupy spiekanych materia ów ceramicznych i ceramiczno-w glikowych TLENKOWE CERAMICZNE MATERIA Y NARZ DZIOWE G ównym sk adnikiem materia ów ceramicznych o bia ej barwie, stosowanych na narz dzia skrawaj ce, jest chemicznie i cieplnie stabilny tlenek aluminium -Al 2 O 3, do którego w celu 92 L.A. Dobrza ski, G. Matula

2 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane ograniczenia rozrostu ziarna dodaje si w ladowych udzia ach inne tlenki, np. MgO. Tlenek aluminium -Al 2 O 3 charakteryzuje si du twardo ci w temperaturze pokojowej i podwy szonej. Przy najwi kszej szybko ci skrawania i wyst puj cej wtedy wysokiej temperaturze jedynie w ograniczonym zakresie wyst puje dyfuzja pomi dzy stal a warstw tlenkow (rys. 7.1). Tlenek -Al 2 O 3 jest pasywny w powietrzu. Jego zasadnicz wad jest jednak krucho i ma a odporno na uderzenia mechaniczne i zm czenie cieplne. Oznaczenie grupy zastosowania twardych materia ów skrawaj cych zawieraj cych g ównie Al 2 O 3 sk ada si z liter CA i symbolu grupy wed ug tablicy 5.2, np. CA K10. Znaczn popraw ci gliwo ci oraz zwi kszenie wytrzyma o ci na zginanie spieków z czystego Al 2 O 3 osi gni to dzi ki wprowadzeniu dodatków u atwiaj cych otrzymanie spieków o du ej g sto ci oraz zastosowanie drobnoziarnistego -Al 2 O 3 o rednicy ziarna nie wi kszej od 1 m. Zmniejszenie wielko ci ziarna powoduje ponad dwukrotne zwi kszenie wytrzyma o ci na z amanie. Wytrzyma o spieku z czystego Al 2 O 3 tak e mo na zwi kszy o ok. 25% w wyniku prasowania na gor co lub prasowania izostatycznego na gor co. W asno ci skrawne ostrzy z czystego Al 2 O 3 prasowanego na gor co s wi ksze od w asno ci ostrzy z w glików spiekanych oraz cermetalu opartego na mieszaninie TiC i TiN. Rysunek 7.1. Porównanie w asno ci skrawnych w glików spiekanych, cermetali zawieraj cych TiC i TiN oraz materia ów ceramicznych i ceramiczno-w glikowych 7. Spiekane materia y ceramiczne i ceramiczno-w glikowe 93

3 Stwierdzono, e dodatek dyspersyjnych cz stek tlenku cyrkonu ZrO 2 do materia ów ceramicznych na osnowie Al 2 O 3 wp ywa na ich znaczne umocnienie spowodowane oddzia ywaniem tej mechanicznie aktywnej fazy. Maksimum wytrzyma o ci na zginanie tych materia ów wyst puje przy 15% udziale obj to ciowym tlenku cyrkonu (rys. 7.2 i 7.3). Umacnianie i zwi kszanie odporno ci na p kanie materia ów ceramicznych na osnowie Al 2 O 3 z dodatkiem cz stek ZrO 2 mo e nast pi w wyniku: absorpcji energii w polu napr e rozci gaj cych w strefie wierzcho ka propaguj cej wady powierzchniowej spowodowanej przez przemian martenzytyczn odmiany tetragonalnej ZrO 2 w jednosko n, co wi e si ze zwi kszeniem obj to ci w a ciwej o ok. 3-5%, powstawania mikrop kni absorbuj cych energi p kania wokó dyspersyjnych cz stek ZrO 2 lub powstawania napr e w osnowie, wywo anych zmian obj to ci tych cz stek ulegaj cych przemianie martenzytycznej podczas ch odzenia materia u, wymuszenia przemiany w cz stkach ZrO 2 o strukturze tetragonalnej znajduj cych si na powierzchni narz dzia, np. przez szlifowanie, i wywo ania wokó nich napr e ciskaj cych. Rysunek 7.2. Zale no ci gliwo ci materia ów ceramicznych na osnowie Al 2 O 3 od udzia u ZrO 2 94 L.A. Dobrza ski, G. Matula

4 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane Dobieraj c odpowiednio sk ad fazowy i ziarnowy spiekanych materia ów ceramicznych, mo na w pewnym zakresie sterowa ich w asno ciami. W wyniku zastosowania odpowiednich metod wytwarzania w strukturze materia ów ceramicznych, oprócz du ych cz stek tlenku cyrkonu ulegaj cych przemianie alotropowej przez zmian temperatury, wyst puj tak e cz stki drobne ulegaj ce przemianie wskutek zmiany napr e w osnowie. Obecnie materia y ceramiczne z dyspersyjnymi cz stkami ZrO 2 s stosowane do wyko czaj cego toczenia elementów z eliwa szarego, umo liwiaj c znaczne zwi kszenie wydajno ci tego procesu, a tak e do toczenia stali oraz frezowania eliwa szarego (rys. 7.4). W czasie obróbki skrawaniem tlenkowymi materia ami ceramicznymi nie mo na stosowa cieczy ch odz cych. MATERIA Y NARZ DZIOWE CERAMICZNO-W GLIKOWE Inne materia y stosowane do skrawania, oprócz tlenku glinu Al 2 O 3 i ewentualnie ZrO 2, zawieraj w glik tytanu TiC nadaj cy im czarn barw i dodawany jest w celu podwy szenia odporno ci na cieranie (rys. 7.5). Dodatek w glika tytanu w udziale 30-40% poprawia tak e odporno ostrza materia ów ceramicznych na wykruszanie i odporno na tworzenie si rowka. Niekiedy do materia ów ceramicznych dodawane s zamiast w glika TiC w gliki WC lub Mo 2 C. Rysunek 7.3. Zale no w asno ci materia ów ceramicznych na osnowie Al 2 O 3 od udzia u ZrO 2 7. Spiekane materia y ceramiczne i ceramiczno-w glikowe 95

5 Spiekane materia y ceramiczno-w glikowe charakteryzuj ce si zwi kszon odporno ci na cieranie s g ównie stosowane do dok adnej obróbki materia ów lanych, a tak e do toczenia Rysunek 7.4. Zakres zastosowa materia ów ceramicznych i ceramiczno-w glikowych w zale no ci od udzia u ZrO 2 i TiC (wed ug H. Kunza, P. Johansena i N. Claussena) Rysunek 7.5. Porównanie w asno ci skrawnych w glików spiekanych i materia ów ceramiczno-w glikowych 96 L.A. Dobrza ski, G. Matula

6 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane i frezowania materia ów utwardzonych i wysokostopowych. W tej grupie spiekanych materia ów narz dziowych zamiast w glików TiC wprowadza si niekiedy azotki tytanu TiN w udziale masowym 12,5%. Szczególnie korzystne w asno ci uzyskuje si, gdy p ytki po spiekaniu s dodatkowo dog szczane izostatycznie na gor co. Spieki ceramiczne Al 2 O 3 zawieraj ce azotek tytanu TiN s wydajniejsze ni gatunki zawieraj ce wy cznie w glik tytanu TiC, szczególnie przy frezowaniu. Oznaczenie grupy zastosowania materia ów skrawaj cych ceramiczno-w glikowych sk ada si z liter CM i symbolu grupy wed ug tablicy 5.2, np. CM K01. Oznaczenie grupy zastosowania pokrywanych materia ów ceramicznych rozpoczyna si od liter CC. SPIEKANY AZOTEK KRZEMU W gliki spiekane coraz cz ciej s zast powane przez spiekany azotek krzemu Si 3 N 4 o barwie szarej. Azotek ten mo e by tak e stosowany z dodatkiem Y 2 O 3 lub w osnowie zawieraj cej 92% Si 3 N 4, 6% Y 2 O 3 i 2% Al 2 O 3 mog by rozmieszczone w 30% dyspersyjne cz stki TiC. Rysunek 7.6. Porównanie w asno ci skrawnych p ytek z Si 3 N 4 i w glików spiekanych pokrywanych wielowarstwowo Al 2 O 3 7. Spiekane materia y ceramiczne i ceramiczno-w glikowe 97

7 Spiekany azotek krzemu mo e by stosowany do toczenia i frezowania eliwa szarego, sferoidalnego i stopowego, stopów na osnowie niklu w silnie przerywanych procesach technologicznych. Zastosowanie tego materia u umo liwia zarówno przy toczeniu, jak i frezowaniu bardzo znaczne skrócenie g ównego czasu skrawania przy pr dko ciach wi kszych od 1000 m/min, niemo liwych do uzyskania przy obróbce p ytkami z w glików spiekanych lub materia ów tlenkowych czy tlenkowo-w glikowych. Trwa o spiekanego azotku krzemu, ewentualnie z dodatkiem tlenku itru, a tak e w glika tytanu, jest wi ksza od innych materia ów ceramicznych (rys. 7.6). Wa nymi cechami azotku krzemu s du a przewodno cieplna i bardzo ma a rozszerzalno cieplna. Umo liwia to podczas skrawania ch odzenie ciecz narz dzi z tego tworzywa, co jest niemo liwe przy zastosowaniu w glików spiekanych lub tlenkowych materia ów ceramicznych. Oznaczenie grupy zastosowania materia ów ceramicznych zawieraj cych g ównie azotek krzemu rozpoczyna si od liter CN, np. CN K10. SIALONY W ko cu XX wieku opracowano i wprowadzono do produkcji oraz do eksploatacji w warunkach przemys owych sialon jako nowy rodzaj spiekanych materia ów skrawaj cych, Rysunek 7.7. Rozk ad atomów Si, Al, N i O w sieci krystalograficznej sialonu (wed ug K.H. Jacka) 98 L.A. Dobrza ski, G. Matula

8 Podstawy metalurgii proszków i materia y spiekane cz cy w sobie zalety tworzyw tlenkowych i beztlenkowych zawieraj cych Si 3 N 4. Nazwa tego materia u pochodzi od pierwszych liter pierwiastków wchodz cych w jego sk ad (j. ang.: silicon, aluminium, oxy-nitride). Sialon o sk adzie chemicznym okre lonym wzorem Si 6-z O z N 8-z jest izomorficzny z azotkiem krzemu Si 3 N 4 (rys. 7.7). Liczba z = 0-4,5 odpowiada liczbie atomów Al zast puj cych Si w sieci azotku. Ze wzgl du na izomorficzno w asno ci mechaniczne i fizyczne sialonu s zbli one do odpowiednich w asno ci Si 3 N 4. W asno ci chemiczne tej fazy odpowiadaj z kolei tlenkowi aluminium Al 3 O 2. Ze wzgl dów technologicznych korzystne jest wprowadzenie do spieku sialonu dodatków innych tlenków, np. Y 2 O 3, gdy powoduje to zmniejszenie pr no ci par i decyduje o obni eniu temperatury topnienia sialonu. Umo liwia to spiekanie pod ci nieniem, a nie na gor co. W takim przypadku ni sza temperatura spiekania umo liwia zachowanie struktury drobnoziarnistej, a przez to podwy szenie w asno ci wytrzyma o ciowych spieku. Wp ywa jednak równocze nie na zmniejszenie odporno ci na utlenianie i sprzyja przyspieszonemu rozpadowi roztworu w wysokiej temperaturze. Z cieczy powsta ej w przestrzeniach mi dzycz steczkowych podczas zag szczania sialonu z dodatkiem Y 2 O 3 w wysokiej temperaturze w czasie ch odzenia powstaje szk o. Rysunek 7.8. Porównanie w asno ci skrawnych p ytek z materia ów ceramiczno-w glikowych i sialonu przy toczeniu arowytrzyma ego stopu niklu (Inconel 718) 7. Spiekane materia y ceramiczne i ceramiczno-w glikowe 99

9 Powtórna obróbka cieplna takiego spieku w temperaturze 1400 C powoduje przebieg reakcji z osnow sialonu : Si 5 AlON 7 + Y-Si-Al-O-N Si 5+x Al 1-x N 7+x + Y 3 Al 5 O 12 (7.1) sialon szk o sialon YAG, w wyniku której na granicach ziarn powstaje zwi zek Y 3 Al 5 O 12 nazywany granatem itrowoaluminiowym, w skrócie oznaczonym YAG (j. ang.: Yttrium-Aluminium-Garnet). Wyst powanie tego zwi zku bardzo efektywnie polepsza odporno sialonu na utlenianie i odporno na pe zanie. Sialony mo na otrzyma przez prasowanie na gor co w formach grafitowych w temperaturze ok C. Stosowane jest jednak cz ciej bezci nieniowe spiekanie reakcyjne w atmosferze azotu w temperaturze C. Przed spiekaniem produkty z sialonu s formowane na zimno lub na gor co metodami stosowanymi zwykle przy wytwarzaniu tlenkowych materia ów ceramicznych, tj. przez prasowanie izostatyczne, prasowanie jednoosiowe, wyciskanie na zimno i na gor co, formowanie wtryskowe lub odlewanie g stwy. Przed spiekaniem wypraski mog by obrobione przez toczenie konwencjonalnymi narz dziami, ci cie pi ami ta mowymi, frezowanie, wiercenie i szlifowanie konwencjonalnymi ciernicami. Umo liwia to ograniczenie do minimum szlifowania ciernicami diamentowymi gotowych spieków, zapewniaj cego im cechy geometryczne z wymagan dok adno ci. Stosowane jest równie polerowanie ultrad wi kowe gotowych spieków. Mog by one równie przecinane z wykorzystaniem lasera. Narz dzia wykonane ze sialonu z powodzeniem s stosowane do toczenia i frezowania stali i stopów trudno obrabialnych (rys. 7.8), m.in. eliwa, stali ulepszonej cieplnie, stopów niklu, tytanu i aluminium oraz stopów wysoko arowytrzyma ych. Wydajno skrawania przy u yciu sialonu jest znacznie wi ksza ni w przypadku zastosowania innych materia ów ceramicznych lub w glików spiekanych pokrywanych wielowarstwowo. Stwierdzono przy tym, e zu ycie narz dzi zmniejsza si ze wzrastaj c pr dko ci skrawania. Sialony znalaz y tak e zastosowanie na narz dzia do ci gnienia rur i drutów, narz dzia do ci g ego odlewania metali oraz narz dzia górnicze do ska i w gla kamiennego. 100 L.A. Dobrza ski, G. Matula