IMG05

118

33. Spieki ceramiczne

Postępy w technologii spieków ceramicznych umożliwiły uzyskanie materiałów narzędziowych o specyficznych właściwościach użytkowych. Charakteryzują się one wysoką twardością i odpornością na ścieranie w szerokim zakresie temperatur skrawania, są stabilne w atmosferze obojętnej i utleniającej i nie wymagają do ich produkcji drogich surowców strategicznych. Ustępują jednak wyraźnie węglikom spiekanym pod względem ciągfiwości j wytrzymałości na zginanie (tabl. 3.1), choć tu postęp jest widoczny. Produkowane są w postaci płytek na ostrza, przy czym w celu uniknięcia ewentualnych wy kruszeń krawędzi mają fazki o ujemnym kącie natarcia i szerokości zwykle 0,2 + 0,3 mm. Pozwalają na stosowanie wysokich prędkości skrawania oraz obróbkę stali i stopów o podwyższonej twardości.

W krajach wysoko rozwiniętych udział spieków ceramicznych w obróbce skrawaniem osiągnął ok. 5% objętości zeskrawanych wiórów.

Spieki ceramiczne z uwagi na skład chemiczny można podzielić ogólnie na S grup:

1    - spieki oparte na tlenku glinu (tzw. ceramika biała lub tlenkowa),

2    - mieszane spieki tłenkowo-węglikowe (tzw. ceramika czarna),

3    - spieki oparte na azotku krzemu (tzw. ceramika szara lub azotkowa),

4    - sialony,

5    - spieki z whiskerami węglika krzemu.

Najdłużej znane są spieki tlenkowe AJ2O3. Odznaczają się one znakomitą odpornością na działanie podwyższonych temperatur i wysoką twardością, niestety są kruche i mało odporne na uderzenia i zmęczenie cieplne. Zwiększenie lej odporności uzyskuje się przez stosowanie tlenków drobnoziarnistych (poniżej 1 pm), prasowanie izostatyczne na gorąco, jak też dodatek tlenku cyrkonu Zr02.

Optymalna - z uwagi na zmniejszenie kruchości spieku - jest zawartość Zr02 w granicach 3 ♦ 15%. Stosowane bywają też domieszki tlenków itru YjOj. wapnia CaO lub magnezu MgO. Przy skrawaniu spiekami tlenkowymi nie należy stosować cieczy obróbkowych. Spieki tej grupy produkowane są w kraju.

Mieszane spieki ceramiczne tlenkowo-węglikowe zawierają obok AI2O3 zwykle 30 + 40% TiC, a czasem także TiN. Pozwala to na uzyskanie w porównaniu z czystą ceramiką tlenkową większej twardości i wytrzymałości na zginanie oraz mniejszej kruchości, co w efekcie zmniejsza zużycie ścierne i erozyjne. Dzięki małej rozszerzalności cieplnej i dobrej przewodności cieplnej wykazują dobrą odporność na szoki termiczne, co umożliwia obróbkę

i użyciem cieczy obróbkowych. Podatność węglika tytanu na utlenianie ogranicza jednak stosowanie dużych prędkości skrawania związanych z wysoką temperaturą skrawania.

Obróbka wiórowatymi spiekami może zastąpić szlifowanie. Czarny kolor spieki te zawdzięczają obecności węglika tytanu TiC.

W latach osiemdziesiątych kilkanaście firm wprowadziło na rynek spieki oparte na azotku krzemu Siibb. Materiał ten charakteryzuje się dużą przewodnością cieplną 30 ♦ 36 W/mK i bardzo małą rozszerzalnością cieplną, co zwiększa odporność na szoki termiczne i powala na zastosowanie cieczy obróbkowych. Szczególnie dobrze nadaje się do toczenia i frezowania tdiwa szarego, sferoidalnego i stopowego oraz stopów na osnowie niklu. W wysokich lenąieraturach skrawania 1000 ♦ 1200°C jest jednak podatny na oddziaływanie chemiczne materiału skrawanego i na utlenianie. Polepszenie właściwości skrawnych tej grupy spieków uzyskuje się przez dodatki tlenków: itru YjOj, magnezu MgO. glinu AljOj, cyrkonu Z1O2 > hafnu HfOi. a także węglika tytanu TiC. Pokrycie tych spieków cienką warstwą AljOj o grubości 1 pm opóźnia zużycie dyfuzyjne i utlenianie w czasie obróbki z dużymi prędkościami skrawania przy wysokiej temperaturze skrawania.

Kolejnym krokiem w rozwoju spieków ceramicznych było opracowanie technologii otrzymywania sialonu o wzorze sumarycznym SisAION? (sialon 0‘), który posiada właściwości fizyczne i mechaniczne zbliżone do odpowiednich właściwości S13N4. zaś chemiczne do AljOj* Rozwala on przy obróbce żeliw i stopów niklu na istotne zwiększenie prędkości skrawania (do 1000 m/min) przy posuwach w zakresie 0.25 * 1 mm/obr.

Postępy inżynierii materiałowej doprowadziły w połowie lat osiemdziesiątych do wytworzenia spieków ceramicznych wzmocnionych whiskerami węglika krzemu SiC. Whiskerami nazywa się nitkowate monokryształy metali lub niemetali, odznaczające się prawie bezdefektową budową krystaliczną, co powoduje, że ich wytrzymałość mechaniczna jest znacznie większa niż normalnych kryształów tego materiału. Whiskery SiC stosowane w spiekach ceramicznych posiadają grubość d = 0,1 ♦ 1,0 pm i długość I • 5 ♦ 50 pm. Optymalna zawartość whiskerów w spieku ceramicznym dochodzi do < 20%. Jako materiał bazowy służy AI2O3 względnie SijN^

Domieszka whiskerów powoduje umocnienie ceramiki na skutek zmniejszenia propagacji pęknięć (rys. 3.9) przez rozwidlenia i zmiany kierunku ich przebiegu oraz mostkowanie lub wprowadzenie wstępnych naprężeń ściskających.