Technologia ceramicznych tlenkowych materiałów narzędziowych (Al O )
2 3
Materiały spiekane (spieki) stanowią grupę tworzyw metalicznych i niemetalicznych powstających
w procesie prasowania i spiekania proszków metali, niemetali, materiałów ceramicznych lub ich
mieszanin. Spiekanie stosuje się często z powodów: technologicznych (np. bardzo wysoka,
kosztowna do uzyskania temperatura topnienia w przypadku odlewania lub niemożność nadania
kształtu przez formowanie z powodu kruchości). Poza tym spiekanie umożliwia uzyskanie
materiałów o ściśle określonym składzie chemicznym, strukturze, porowatości i wysokim stopniu
czystości. Elementy z materiałów spiekanych wykonuje się na gotowo, bez dalszej obróbki
kształtującej.
Otrzymywanie bez przechodzenia materiału przez stan ciekły nazywa się metalurgią proszków.
Oddzielne ziarna proszków łączą się ze sobą w jednolitą masę podczas wygrzewania silnie
sprasowanych kształtek w atmosferze redukującej lub obojętnej. Uzyskuje się w ten sposób materiał
o własnościach izotropowych a wyroby mogą mieć skomplikowane kształty oraz wysoką jakość
powierzchni.
Na chwilę obecną stosujemy bardzo dużo różnego rodzaju materiałów narzędziowych, informacje
przedstawione w mojej prezentacji będą dotyczyć tylko jednej z grup wchodzącej w skład tej klasy
materiałów schemat!
Rodzaj stosowanego materiału narzędziowego ma wpływ na:
 jakość obrabianego przedmiotu
 jego dokładność wykonania i cechy użytkowe
 wydajność obróbki i jej koszt
dlatego materiały powinny spełniać odpowiednie wymagania, w celu ich spełnienia powinny one
charakteryzować się następującymi właściwościami:
" dużą twardością,
" dużą wytrzymałością na ściskanie, rozciąganie, skręcanie i zginanie,
" dużą odpornością na zużycie (ścierne, adhezyjne, dyfuzyjne i chemiczne),
" dużą udarnością,
" dużą odpornością na zmęczenie mechaniczne i ścierne,
" stabilnością krawędzi skrawającej,
" dużą ciągliwością.
Żaden materiał narzędziowy nie spełnia jednocześnie wszystkich wymienionych właściwości, tym
bardziej, że niektóre z nich wzajemnie się wykluczają. Procentowy udział głównych grup
materiałów narzędziowych zawiera rysunek l.
Ogólnie czym są CERAMICZNE MATERIAA
Y NARZ
DZIOWE:
jest wytwarzana metodami metalurgii proszków, jednakże w odróżnieniu od węglików spiekanych
oraz cermetali (innych materiałów narzędziowych)- nie zawiera metalu wiążącego.
Ceramiczne materiały narzędziowe charakteryzują się:
" małą przewodnością elektryczną i cieplną,
" małą gęstością,
" dużą wytrzymałością w wysokich temperaturach,
" dużą wartością współczynnika sprężystości wzdłużnej (modułu Younga),
" dużą odpornością na ścieranie (w temperaturze otoczenia i wyższej),
" dużą odpornością na korozję,
" wysoką temperaturą topnienia.
Do podstawowych wad tych materiałów należy przede wszystkim ich duża kruchość. Ponadto
materiały te są wrażliwe na obciążenia zginające, udarowe oraz zmęczenie cieplne.
Ceramiczne tlenkowe materiały narzędziowe:
" Czysta ceramika tlenkowa Al O
2 3
" Ceramika mieszana
" Ceramika umocniona whiskerami
1) Czysta ceramika tlenkowa Al O tzw. ceramika biała : Podstawowym składnikiem tego materiału
2 3 ,
stosowanego na narzędzia skrawające jest chemicznie i cieplnie stabilny tlenek aluminium alfa-
Al O (korund), który charakteryzuje się:
2 3
- dużą twardością w temperaturze pokojowej i podwyższonej,
- dużą odpornością na zużycie ścierne,
- dużą odpornością na zużycie chemiczne,
- pasywnością na powietrzu.
Ale również:
- dużą kruchością i małą wytrzymałością (głównie na zginanie i uderzenia mechaniczne)
- małą odpornością na szoki termiczne (mała przewodność cieplna)
PO CO WPROWADZA SI
DODATKI:
+ MgO, TiO, ZrO które wpływają na zmianę właściwości materiału
2
Dopiero wprowadzenie na początku lat sześćdziesiątych nowych technologii wytwarzania
materiałów ceramicznych drobnoziarnistych (poniżej 1źm) o dużej czystości surowców
wyjściowych doprowadziło do ich praktycznego wykorzystania w obróbce odlewów.
Postępem w:
- polepszeniu ciągliwości
- odporności na pękanie
- szoki termiczne
było opracowanie ceramiki Al O z dodatkiem tlenku cyrkonu ZrO w ilości 3�15%. Maksimum
2 3 2
wytrzymałości na zginanie tych materiałów występuje przy 15% udziale objętościowym tlenku
cyrkonu.
Dodatek tlenku cyrkonu powoduje umocnienie wywołane jego przemianą fazową: polimorfizm
tlenku cyrkonu
f. jednoskośna (1170 stopni) f. Tetragonalna (2370) f. Regularna (2680) stop
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 ZrO i jest tym niższa im drobniejsze są
2
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
Al O z dodatkiem ZrO może nastąpić w wyniku wymuszenia przemiany na cząstkach ZrO o
2 3 2 2
strukturze tetragonalnej znajdujących się na powierzchni narzędzia, np. przez szlifowanie i
wywołania wokół nich naprężeń ściskających.
Przez dokładne dozowanie dodatku ZrO o określonej średnicy cząstek oraz/lub częściową
2
stabilizację dodatkami Co, MgO, lub Y O można otrzymać ceramikę tlenkową o polepszonej o ok.
2 3
40% odporności na pękanie i wytrzymałości na zginanie, w porównaniu z ceramiką nie umocnioną
(czystą ceramiką Al O ) w wyniku przemiany fazowej, przy zachowaniu dużej odporności na
2 3
zużycie ścierne. W celu ograniczenia rozrostu ziarna dodaje się w śladowych udziałach inne tlenki,
np. MgO, TiO.
2) Ceramika mieszana
Przez udział w strukturze ceramiki Al O dodatków TiC oraz/lub TiN (30-40%) otrzymuje się tzw.
2 3
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 (równomiernie rozmieszczone węglik i azotek w
osnowie wpływają na zablokowanie ruchu dyslokacji ziarna TiC TiN zatrzymują pęknięcia
inicjowane w osnowie). Jednocześnie dzięki dużej twardości domieszek TiC i TiN następuje wzrost
twardości ceramiki mieszanej o ok. 10% w porównaniu z twardością ceramiki tlenkowej.
Zwiększona w porównaniu z czysta ceramiką Al O twardość ma szczególnie duże znaczenie przy
2 3
termicznym obciążaniu ostrza w zakresie od temperatury otoczenia do 1070 K, ponieważ przy
dobrej ciągliwości prowadzi to do dalszego wzrostu odporności na zużycie ścierne i erozyjne.
Powyżej tej temperatury TiC ulega utlenianiu, co powoduje pogorszenie właściwości użytkowych
ceramiki mieszanej.
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.
3) Ceramika umocniona whiskerami
wytwarzanie ceramiki narzędziowej umocnionej whiskerami jest oparte na zmodyfikowanej
technologii metalurgii proszków.
W wyniku badań stwierdzono, że wysokowytrzymałe whiskery SiC wbudowane w osnowę Al O ,
2 3
zwiększają przede wszystkim twardość, wytrzymałość na zginanie i odporność na pękanie tych
materiałów, przy czym wpływ ten jest dodatkowo wzmocniony udziałem domieszek ZrO . Ponadto
2
mała rozszerzalność cieplna i dobra przewodność cieplna whiskerów sprawia, że ceramika
umocniona whiskerami charakteryzuje się dużą odpornością na szoki termiczne.
Whiskery - są to monokryształy w kształcie włosków o małym stężeniu defektów, których
wytrzymałość mechaniczna jest wielokrotnie większa od tych samych materiałów występujących w
postaci polikrystalicznej.
Zastosowanie ostrzy z ceramiki tlenkowej i mieszanej
" Płytki z gatunku tzw. ceramiki białej, której podstawowym składnikiem jest tlenek glinu
Al O z dodatkiem tlenku cyrkonu ZrO przeznaczone są do obróbki zgrubnej
2 3 2
i średnio dokładnej (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; zastosowanie w superstopach żaroodpornych
Narzędzia z ostrzami ceramicznymi (whiskerami) są coraz częściej stosowane do obróbki
nadstopów niklu. Odznaczają się wysoką twardością, odpornością na wysoką temperaturę, lepszą
stabilnością i odpornością na utlenianie w porównaniu do węglików spiekanych. Mają jednak
mniejszą odporność na obciążenia dynamiczne, wymagają stosowania stabilnych obrabiarek o dużej
sztywności i mocy umożliwiającej obróbkę z dużymi prędkościami.
=> Ceramiczne gatunki płytek wieloostrzowych mogą być stosowane w szerokim zakresie technik
skrawania i materiałów obrabianych. Najczęściej w operacjach toczenia z dużymi prędkościami,
lecz również w operacjach toczenia rowków i frezowania.
Poprawnie zastosowane, wszystkie ceramiczne gatunki płytek umożliwiają osiągnięcie wysokiej
produktywności obróbki. Wiedza o tym, kiedy i jak użyć odpowiednich gatunków ceramicznych
jest ważna dla odniesienia sukcesu.Wszystkie ceramiczne narzędzia skrawające posiadają bardzo
dobrą odporność na wysokie temperatury i starcie występujące przy stosowaniu dużych prędkości
skrawania.