Spieki ceramiczne stosuje się wyłącznie do produkcji płytek wieloostrzowych, mocowanych mechanicznie w oprawkach narzędziowych. Zalety: - Wysoka twardośd - Odpornośd na temperaturę możliwośd zastosowania większych prędkości skrawania niż w przypadku węglików spiekanych, skrawanie twardych metali - Odporne chemicznie w atmosferze obojętnej, utleniającej, a także w wysokiej temperaturze - -mała gęstośd - Nie wymagają chłodzenia Wady: - Wrażliwośd na udarowe obciążenia i zmęczenie cieplne
Wzrost wydajności obróbki skrawaniem związany jest z podnoszeniem prędkości skrawania i wzrostem okresu trwałości ostrza. Dlatego zastosowanie tych materiałów będzie rosło. Ograniczenia: - Obecne systemy narzędziowe przystosowane są do płytek z węglików spiekanych. Płytki ceramiczne ze względu na mniejszą wytrzymałośd na zginanie mają większą grubośd i nie pasują do normalnych gniazd w oprawkach narzędzi. - Brak obrabiarek, mających możliwośd uzyskiwania tak dużych prędkości skrawania jak wynikałoby to z możliwości tych narzędzi.
CERMETALE Pod pojęciem cermetali rozumie się cząstki ceramiczne na bazie węglika tytanu (TiC) i azotku tytanu (TiN) będące nośnikami twardości, spojone metalami: Ni, Co, Mo tworzącymi fazę wiążącą. Dmieszkuje się również w małych ilościach inne materiały ceramiczne, głównie Mo2C, TaC, WC, TaN i VC. Cermetale odróżniają się od węglików spiekanych tym, że oprócz tworzących te ostatnie węglików, jak WC, TiC czy TaC zawierają również azotki, jak TiN.
Idealny, o uniwersalnym zakresie zastosowania, materiał narzędziowy powinien łączyd najwyższą odpornośd na zużycie, a więc i wytrzymałośd cieplną, z największą ciągliwością przy jednoczesnej obojętności chemicznej wobec materiału obrabianego
Historyczny rozwój cermetali 1. 1931 (TiC-Mo2C-Ni) Titatnit S - Austria 2. 1960 - (TiC- Ni,Mo) Spieki Forda (USA) 3. 1974 (Ti, Mo)(C,N)-(Ni, Mo) Spieki Spinoidalne (USA) 4. 1988 (Ti, Ta, Nb, V, Mo, W)(C, N) (Ni, Co)- Ti2AlC Krupp Widia (Niemcy)
WYTWARZANIE CERMETALI Cermetale podobnie jak inne spiekane materiały narzędziowe, np. węgliki spiekane wytwarzane są metodami metalurgii proszków. Formowanie jest najczęściej przeprowadzane przez jednoosiowe prasowanie, natomiast spiekanie, zależnie od składu chemicznego, przebiega w temperaturze 1400 1500 C (z udziałem fazy ciekłej) w piecu próżniowym. W celu polepszenia właściwości (zmniejszenia porowatości spieku stosowane jest izostatyczne spiekanie na gorąco HIP (hot isostatic pressing)
Mikrostruktura
Skład chemiczny i gatunki
W porównaniu z konwencjonalnymi węglikami spiekanymi na bazie WC-Co lub WC- TiC-TaC-NbC-Co cermetale mają mniejszą gęstość, mieszczącą się w zasadzie w granicach od 6 do 6,5g/cm3. Oprócz tego wykazują one większą odporność chemiczną, odporność na utlenianie oraz lepszą wytrzymałość cieplną.
Zalecane zastosowania ostrzy cermetalowych Ostrza cermetalowe przy licznych zaletach w stosunku do ostrzy z węglików spiekanych - są stosowane do obróbki przedmiotów ze stali niestopowych i wysokostopowych (w tym nierdzewnych i kwasoodpornych) oraz żeliw sferoidalnych (żeliwo z grafitem kulkowym) oraz żeliwa ciągliwego. Żeliwa szare obrabiane z zasady ostrzami z ceramiki narzędziowej, są mniej polecane do kształtowania cermetalami Mało przydatne lub nie zalecane są cermetale do obróbki materiałów nieżelaznych (aluminium, mosiądz itp.), żarowytrzymałych stopów, tytanu i stali hartowanych
Podział: Ceramika tlenkowa Ceramika mieszana (tlenkowo- węglikowa) Ceramika umocniona whiskerami Ceramika azotkowa SiAlON
Surowcami wyjściowymi do wytwarzania ceramicznych materiałów narzędziowych są: jednofazowy tlenek aluminium (Al2O3), azotek krzemu (Si3N4) oraz wielofazowe mieszaniny tych faz z twardymi tlenkami, azotkami i/lub węglikami.
Ceramika narzędziowa jest wytwarzana metodami metalurgii proszków, jednakże - w odróżnieniu od węglików spiekanych i cermetali nie zawiera metalu wiążącego. W celu zwiększenia wytrzymałości na zginanie ceramiczne materiały są poddawane izostatycznemu prasowaniu na gorąco HIP.
Ogólne właściwości narzędziowych materiałów ceramicznych: Mała przewodność cieplna i elektryczna Mała gęstość Duża wytrzymałość w wysokich temperaturach Duża wartość współczynnika sprężystości wzdłużnej Duża odporność na ścieranie (w temperaturze otoczenia i wysokiej) Duża odporność na korozję Wysoka temperatura topnienia
Czysta ceramika tlenkowa Al2O3 tzw. ceramika biała Podstawowym składnikiem tego materiału jest chemicznie i cieplnie stabilny tlenek aluminium -Al2O3 (korund), do którego w celu ograniczenia rozrostu ziarna dodaje się w śladowych udziałach inne tlenki, np. MgO, TiO Rys. Mikrostruktura ceramiki tlenkowej Al2O3
Tlenek aluminium charakteryzuje się: dużą twardością w temperaturze pokojowej (ok.2100hv) i podwyższonej, dużą odpornością na zużycie ścierne, dużą odpornością na zużycie chemiczne Ale również: dużą kruchością i małą wytrzymałością (głównie na zginanie) oraz małą odpornością na szoki termiczne! (mała przewodność cieplna) Dopiero wprowadzenie na początku lat sześćdziesiątych nowych technologii wytwarzania materiałów ceramicznych drobnoziarnistych (poniżej 1μm) o dużej czystości surowców wyjściowych doprowadziło do ich praktycznego wykorzystania w obróbce odlewów.
Postępem w polepszeniu ciągliwości i odporności na pękanie oraz szoki termiczne było opracowanie ceramiki Al2O3 z dodatkiem tlenku cyrkonu ZrO2 w ilości 3 15%. Maksimum wytrzymałości na zginanie tych materiałów występuje przy 15% udziale objętościowym tlenku cyrkonu. Polimorfizm tlenku cyrkonu:
Dodatek tlenku cyrkonu powoduje umocnienie wywołane jego przemianą fazową. Tlenek cyrkonu podczas chłodzenia ulega przemianie martenzytycznej z sieci tetragonalnej w jednoskośną. Przemianie tej towarzyszy zwiększenie objętości właściwej o ok. 3-5%. Na skutek zachodzącej podczas chłodzenia przemiany powstają wokół cząstek mikropęknięcia, które zmniejszają odporność na ścieranie. Mikropęknięcia oddziałują natomiast korzystnie na właściwości osnowy absorbując energię pękania przy obciążeniu mechanicznym i cieplnym, co wpływa na polepszenie odporności na kruche pękanie.
Temperatura tej przemiany zależy od wielkości cząstek ZrO2 i jest tym niższa im drobniejsze są cząstki. Dla cząstek mniejszych od pewnej wielkości krytycznej przemiana martenzytyczna nie zachodzi i utrzymują one strukturę tetragonalną nawet w temperaturze pokojowej. W tym przypadku umacnianie i zwiększanie odporności na pękanie materiałów ceramicznych na osnowie Al2O3 z dodatkiem ZrO2 może nastąpić w wyniku wymuszenia przemiany na cząstkach ZrO2 o strukturze tetragonalnej znajdujących się na powierzchni narzędzia, np. przez szlifowanie, i wywołania wokół nich naprężeń ściskających.
Rys. Zależność ciągliwości materiałów ceramicznych na osnowie Al2O3 od udziału ZrO2
Przez dokładne dozowanie dodatku ZrO2 o określonej średnicy cząstek oraz/lub częściową stabilizację dodatkami Co, MgO, lub Y2O3 można otrzymać ceramikę tlenkową o polepszonej o ok. 40% odporności na pękanie i wytrzymałości na zginanie, w porównaniu z ceramiką nie umocnioną (czystą ceramiką Al2O3) w wyniku przemiany fazowej, przy zachowaniu dużej odporności na zużycie ścierne
Rys. Mikrostruktura ceramiki białej z profilem pęknięcia Vickersa Rys. Mikrostruktura kompozytu tlenkowo-cyrkonowego z profilem pęknięcia Vickersa
Ceramika mieszana Przez udział w strukturze ceramiki Al2O3 dodatków TiC oraz/lubtin (30-40%) otrzymuje się tzw. ceramikę mieszaną o kolorze czarnym, uzyskanym dzięki węglikowi tytanu. Dyspersyjne umocnienie ceramiki tlenkowej poprzez dodatki TiC i TiN ma na celu przede wszystkim zwiększenie ciągliwości tego materiału. Jednocześnie dzięki dużej twardości domieszek TiC i TiN następuje wzrost twardości ceramiki mieszanej o około 10% w porównaniu z twardością ceramiki tlenkowej. Cząstki TiC i TiN powodują umocnienie dyspersyjne, - równomiernie rozmieszczone w osnowie wpływają na zablokowanie ruchu dyslokacji. Ziarna TiC TiN zatrzymują pęknięcia inicjowane w osnowie.
Ceramika mieszana Ceramika mieszana, dzięki dużej stabilności termodynamicznej, dużej twardości i wytrzymałości na ściskanie dodatków TiC/TiN ma lepsze właściwości skrawne od ceramiki tlenkowej. Dzięki małej rozszerzalności cieplnej, a także dobrej przewodności cieplnej ceramika mieszana wykazuje lepszą odporność na szoki termiczne.
Ceramika tlenkowa umocniona whiskerami SiC Szczególnie dobre wyniki w badaniach nad dalszym rozwojem właściwości użytkowych ceramicznych materiałów narzędziowych uzyskano przez zastosowanie dodatku bardzo wytrzymałych whiskerów SiC od ok.15-30%wag) do ceramiki Al2O3 najczęściej z domieszką ZrO2. Rys. Whiskery SiC w stanie dostarczenia, a) L, b) H, SEM
Tabela. Porównanie właściwości fizycznych i mechanicznych whiskerów SiC i stali St3 Parametry Whiskery Stal St3 Średnica whiskerów d, μm 0,1 1,0 Długość whiskerów L, μm 5 50 Gęstość, g/cm^3 3,19 7,85 Wytrzymałość Rm, MPa 14 000 370 Moduł Younga E, MPa 700 000 210 000
Stwierdzono, że wysokowytrzymałe whiskery SiC wbudowane w osnowę Al2O3 zwiększają przede wszystkim twardość, wytrzymałość na zginanie i odporność na pękanie, przy czym wpływ ten jest dodatkowo wzmacniany udziałem domieszek ZrO2. Ponadto mała rozszerzalność cieplna i dobra przewodność cieplna whiskerów sprawiają, że ceramika umocniona whiskerami charakteryzuje się dużą odpornością na szoki termiczne.
Zastosowanie ostrzy z ceramiki tlenkowej i mieszanej Płytki z gatunku tzw. ceramiki białej, której podstawowym składnikiem jest tlenek glinu Al2O3 z dodatkiem tlenku cyrkonu ZrO2 przeznaczone są do obróbki zgrubnej i średniodokładnej (przede wszystkim toczenia) stali węglowej i niskostopowej oraz żeliwa o twardości do 350HB Płytki gatunku ceramiki mieszanej poszerzyło zakres zastosowań tych materiałów głównie o toczenie wykańczające i frezowanie dokładnie stali hartowanych, stopowych i żeliw utwardzonych. W wielu przypadkach zastąpiono obróbkę szlifowaniem Ceramika umocniona whiskerami znalazła szczególne zastosowanie przy obróbce trudno skrawalnych stopów niklu
Spiekany azotek krzemu Si3N4 Spiekany azotek krzemu Si3N4 o barwie szarej coraz częściej zastępuje węgliki spiekane. Si3N4 charakteryzuje się: wysoką wytrzymałością, dużą twardością i odpornością na utlenianie, dobrą przewodnością cieplną i odpornością na szoki termiczne. Wysokie właściwości azotku krzemu, które zachowuje w wysokich temperaturach, ulegają znacznemu ograniczeniu na skutek dodatków niezbędnych w procesie spiekania (MgO lub Y2O3). Dodatki te w połączeniu z warstewką tlenków SiO2 pokrywających cząstki Si3N4 prowadzą do utworzenia tzw. fazy szklistej. Faza ta ułatwia spiekanie i przyczynia się do otrzymania dobrze zagęszczonych spieków ale również oddziałuje niekorzystnie na właściwości ceramiki azotkowej prowadząc w efekcie do szybkiego stępienia ostrza.
SiALON Silicon Aluminium Oxy-Nitride To materiał który jest roztworem stałym tlenku aluminium w azotku krzemu o strukturze tetragonalnej. Obszar składu chemicznego ujęty jest wzorem: Si6-zAlzOzN8-z gdzie z mieści się od 0 do 4 oznacza to, że w sieci tetragonalnej odmiany alotropowej azotku krzemu Si3N4 rozpuszcza się do 60% Al2O3. Właściwości sialonów: a) dzięki zachowaniu podstawowych wiązań atomowych sialony mają wysokie właściwości mechaniczne zbliżone do Si3N4 b) Właściwości fizyczne zbliżone do Si3N4 ale: - niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej - większa odporność na wstrząsy termiczne c) Właściwości chemiczne są bardziej zbliżone do Al2O3 - większa odporność na utlenianie niż Si3N4
Ze względów technologicznych do SiAlON-u jest dodawany tlenek itru Y2O3 lub/oraz tlenek magnezu MgO (jako tzw. zagęszczacze), które powodują tworzenie się fazy szklistej, która zmniejsza odporność na utlenianie. W celu uniknięcia szkodliwego oddziaływania fazy szklistej należy po spiekaniu prowadzić kontrolowane chłodzenie lub dokonać powtórnej obróbki cieplnej w temperaturze 1400 C w czasie której pomiędzy fazą szklistą i sialonem zachodzi skomplikowana reakcja, prowadząca do otrzymania związku YAG (garnet itrowo-aluminiowy) zapewniającego dużą odporność na utlenianie i pełzanie:
Zastosowanie ceramiki azotkowej: Do obróbki masowej żeliw szarych SiAlON natomiast dodatkowo w operacjach toczenia stopów żarowytrzymałych na osnowie żelaza i niklu
Materiały supertwarde Do materiałów supertwardych, stosowanych w obróbce skrawaniem, zalicza się diament i regularny azotek boru.
Materiały supertwarde to ciała stałe o bardzo dużej twardości wynoszącej 9-10 w skali Mosha (HV=3.2M 3 ) (ich twardośd jest porównywalna do twardości diamentu.lub ich twardośd przewyższa twardośd naturalnego korundu 20GPa. )
Diament Diament naturalny: - duża twardość i odporność na ścieranie monokrystaliczny właściwości anizotropowe: formowanie ostrza monokryształu przez szlifowanie, jak i usytuowanie monokryształu w narzędziu skrawającym musi uwzględniać anizotropowe właściwości (głównie twardości) tego tworzywa. Oznacza to, że w praktyce szlifowanie powinno przebiegać w płaszczyźnie najmniejszej twardości monokrystalicznego diamentu, a jego usytuowanie w narzędziu skrawającym powinno być takie aby siły skrawania były skierowane w płaszczyźnie maksymalnej twardości monokryształu.
Diament syntetyczny polikrystaliczny (PKD) właściwości izotropowe skrawność materiału jest jednakowa we wszystkich kierunkach W celu uzyskania diamentu polikrystalicznego, monokrystaliczny diament syntetyczny z udziałem kobaltu jako fazy wiążącej, jest spiekany pod ciśnieniem. Diament polikrystaliczny w postaci warstwy o grubości rzędu 0,5 1,0mm jest łączony bezpośrednio z płytką (jako podłożem z węglików spiekanych) o grubości od 1 do kilku mm lub przez warstwę pośrednią, którą stanowi materiał o małym współczynniku sprężystości wzdłużnej (mniejszym od węglików spiekanych i diamentu). Zadaniem warstwy pośredniej jest wyrównanie naprężeń między polikrystalicznym diamentem a węglikami spiekanymi.
Zastosowanie Do obróbki stopów metali nieżelaznych a przede wszystkim stopów Al o dużej zawartości krzemu
Regularny azotek boru CBN (borazon) Azotek boru o strukturze regularnej (CBN) jest drugim po diamencie najtwardszym materiałem narzędziowym. Jest odporny na utlenianie do temperatury 2000 C podczas gdy diament w temperaturze 897 C ulega grafityzacji. Podstawową zaletą regularnego azotku boru jest możliwośd obróbki stali, w tym zahartowanych, do twardości 70HRC, żeliw utwardzonych oraz stopów kobaltu Narzędzia z regularnego azotku boru sa wykonywane w postaci płytek o grubości 0.5-1mm połączonych dyfuzyjnie z płytką nośną z węglików spiekanych.
Materiały na bazie regularnego azotku boru CBN + faza wiążąca Do obróbki zgrubnej stopów żelaza toczeniem, wierceniem i frezowaniem CBN +węgliki TiC + faza wiążąca Wykańczająca obróbka stali zahartowanych CBN +heksagonalny azotek boru o strukturze rombowej + faza wiążąca Do obróbki zgrubnej i wykańczającej stali i odlewów także stali zahartowanych
Twarde warstwy wytwarzane na węglikach spiekanych i cermetalach Do wytwarzania twardych warstw stosuje się związki nazywane twardymi (ceramicznymi) Podział materiałów twardych na podstawie dominującego typu wiązania: -Materiały jonowe (twarde tlenki Al, Zr, Be) -Materiały kowalencyjne (borki, węgliki, azotki Al, Si i diament) -Materiały metaliczne (borki, węgliki, azotki metali przejściowych)
Wymagania dotyczące materiałów na pokrycia Twarda warstwa Małe tendencje do wzajemnego oddziaływania (warstwa- materiał obrabiany): - odpornośd na oddziaływanie chemiczne Dobre właściwości wytrzymałościowe Charakter wiązao różny od materiału obrabianego Podłoże Duża twardośd i ciągliwośd: - Duża wytrzymałośd mechaniczna i zmęczeniowa - Duża odpornośd na uderzenia - Duża odpornośd na wysokie temperatury i szok termiczny - Mała przewodnośd cieplna Dobra przyczepnośd: Identyczny lub zbliżony charakter wiązaowarstwy i podłoża Zbliżone wartości współczynników rozszerzalności cieplnej
Właściwości fizyczne i mechaniczne materiałów stosowanych na pokrycia Materiały z grupy kowalencyjnych: duża twardośd w wysokiej temperaturze ale mała stabilnośd i zła przyczepnośd Materiały z grupy jonowej duża stabilnośd i mała skłonnośd do wzajemnego oddziaływania. Mniejsza twardośd ale za to mniejsza kruchośd. Zaleca się głównie do stosowania na warstwy zewnętrzne, narażone na bezpośredni kontakt z materiałem obrabianym Twarde materiały metaliczne dobra przyczepnośd do podłoża, dobra ciągliwośd ale duża reaktywnośd z materiałem współpracującym
Klasyfikacja twardych warstw przeciwściernych: Proste np. Węglik tytanu TiC Wieloskładnikowe typu (Ti(C,N) Spośród wielu związków stosowanych na pokrycia wieloskładnikowe na pokrycia tribologiczne (duża twardośd i odpornośd na ścieranie) wykazuje węglikoazotek tytanu Ti(C,N) oraz azotek stopu tytanu i aluminium (Ti,Al)N Kompozytowe np. typu TiC+TiN
Pokrycia gradientowe Bezpośrednio do podłoża (warstwa wewnętrzna) przylega warstwa składająca się z materiału o dobrej przyczepności ze względnie dużym udziałem wiązao metalicznych, która homogenicznie przechodzi w warstwę zewnętrzną o dużej stabilności i małej reaktywności
Pokrycia wielowarstwowe
CVD chemiczne osadzanie z fazy gazowej
Metoda PVD
Literatura: 1. Wysiecki M.:Nowoczesne Materiały Narzędziowe, Warszawa, WNT, 1997 2. Burakowski T., Wierzchoo T.: Inżynieria powierzchni metali, Warszawa, WNT, 1998 3. Dobrzaoski L. i inni: Metaloznawstwo i obróbka cieplna materiałów narzędziowych. WNT, Warszawa, 1990 4. Żmihorski E.: Stale narzędziowe i obróbka cieplna narzędzi. WNT, Warszawa 1978 5. Żmichorski A. R.: Ceramika supertwarda. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2001 6. Dobrzaoski L.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, WNT, 2006