Минералокерамические инструменты

В процессе поиска возможных материалов для режущих инструментов было исследовано много разных веществ, имеющих высокую твердость и температуру плавления, и среди них тугоплавкие окислы. Единственным из них, имевшим успех при обработке резанием в промышленных условиях, оказалась окись алюминия, экспериментальное исследование которой началось в конце 1930-х годов. Неперетачиваемые пластинки, состоящие в основном из Аl2О3 (корунда), были коммерчески доступны на протяжении более 20 лет и применялись во многих странах для обработки стали и чугуна.

Оказавшийся пригодным инструментальный материал состоит из мелкозернистого (менее 5 мкм) Аl2O3 высокой относительной плотности, т. е. с пористостью менее 2%. При изготовлении пластинок для режущая инструментов, сочетающих эти два существенных структурных свойства, было применено несколько различным методов, среди которых: 1) прессование и спекание отдельных пластинок за счет процесса, аналогичного для изготовления пластинок из твердого сплава; 2) горячее прессование больших цилиндров корунда в графитовых формах с последующим разрезанием на отдельные пластинки алмазным отрезным кругом.

Была исследована возможность "цементирования" частиц корунда металлической связкой аналогично связыванию частиц карбидов кобальтом, но удовлетворительной металлической связки не было найдено. Однако для обеспечения плотности и предотвращения роста кристаллов корунда применяются многие присадки, как, например, MgO и TiO. Обычный инструментальный материал содержит приблизительно 50% карбидов и 50% корунда. Исходное сырье — корунд является дешевым и имеющимся в изобилии материалом, однако технологический процесс изготовления инструмента оказался дорогостоящим, и поэтому такие пластинки не дешевле твердосплавных.

Твердость при комнатной температуре минералокерамических инструментов находится в том же диапазоне, что и твердых сплавов, HV 1550—1700. Их основными преимуществами являются: 1) сохранение твердости и предела прочности на сжатие при более высоких температурах, чем у твердых сплавов; 2) меньшая растворимость в стали, чем у любого твердого сплава, — они практически остаются инертными к стали вплоть до ее температуры плавления. Эти преимущества сводятся на нет гораздо меньшей ударной вязкостью и пределом прочности на растяжение. К сожалению, не существует методов испытания, которые позволили бы количественно сравнить ударную вязкость материалов этой группы с твердосплавными. Предел прочности на изгиб не соответствует ударной вязкости, однако, по опубликованным данным, его значения находятся в диапазоне от 390 до 780 Н/мм2, что втрое меньше, чем для твердого сплава. Корунд по своей природе неметаллический материал скорее с ионной, чем c металлической связью, и, следовательно, является изоляционным материалом с плохой удельной теплопроводностью. Фактически это керамика; чистый корунд является белым полупрозрачным материалом, напоминающим фарфор. Поэтому неудивительна его низкая ударная вязкость, и трудно предположить, что существуют условия, при которых он может выдерживать температуру и напряжения, возникающие при резании.

Минералокерамические инструменты могут применяться для обработки стали со скоростями резания, значительно превышающими скорости, допускаемые при обработке обычными твердыми сплавами или сплавами на основе TiC. Почти всегда применяются неперетачиваемые пластинки с отрицательными передними углами, позволяющие работать со скоростью резания 600—750 м/мин при подаче 0,25 мм/об в течение длительного времени без чрезмерного износа при обработке чугуна и многих марок сталей. Это примерно в 2—4 раза превышает скорости резания, с которыми обычно ведут обработку твердосплавными инструментами, и характеризует увеличение скорости съема металла столь же значительное, как и то, которое было достигнуто после появления быстрорежущих сталей и твердых сплавов. Однако несмотря на усилия энтузиастов широко внедрить эти инструменты в промышленной практике, их область применения очень незначительна по сравнению с применением твердосплавных инструментов. Основное и постоянное применение они находят при обработке серого чугуна, там, где требуется очень хорошее качество обработанной поверхности. При обработке поверхностей муфт сцепления и тормозов для автомобилей минералокерамика применяется со скоростями резания до 600 м/мин, обеспечивая достаточно хорошую чистоту поверхности, что позволяет исключить последующее шлифование.

Трудно понять, почему минералокерамические инструменты не получили более широкое распространение в течение последних 20 лет. Известно несколько случаев, когда концентрированные усилия привели к применению минералокерамических инструментов на отдельных заводах на многих операциях обработки как стали, так и чугуна. Однако за длительный промежуток времени эти инструменты применялись непостоянно, за исключением отдельных операций, главным образом при обработке чугуна. Наиболее вероятным объяснением является их недостаточная ударная вязкость, приводящая к ненадежной работе инструмента в заводских условиях, а также то, что требуется быть очень внимательны для предупреждения преждевременного поврежден инструмента. Остановки производства и поврежден деталей, вызванные случайным разрушением инструмента, способны свести на нет экономию, достигаемую за счет положительных характеристик инструмента Большая экономия, достигаемая за счет применена быстрорежущей стали и твердых сплавов, явилась стимулом для следующего этапа повышения скорости в том же масштабе. Однако, очевидно, что потенциальные преимущества, которые могут быть получены за счет повышения скорости резания, выше той, которая достигнута на твердосплавных инструментах, будут незначительны по двум причинам. Во-первых, при высоких скоростях резания, например 200 м/мин, время, необходимое для закрепления и снятия заготовки, может составлять большую часть цикла, и дальнейшее повышение скорости резания не достигает пропорционального уменьшения общего времени обработки. Во-вторых, при очень высоких скоростях резания возникают определенные трудности, как, например, удаление стружки, сходящей с высокой скоростью и затрудняющей работу оператора. Меньшие трудности, связанные с уборкой стружки при обработке серого чугуна, явились одной из причин успешного применения минералокерамических инструментов для его обработки.

Представляется сомнительным, получат ли широкое распространение минералокерамические инструменты или они смогут заменить твердые сплавы только в небольшой области применения. Будущие пути развития инструментальных материалов могут быть направлены скорее на обеспечение более стабильных характеристик, повышение ударной вязкости и надежности, чем на значительное увеличение скорости резания по сравнению со скоростями резания, обеспечиваемыми пластинками из твердого сплава с покрытием. Однако имеется возможность использования повышенной износостойкости корунда за счет нанесения на пластинки из твердого сплава тонкого слоя корунда, а не TiC, и инструменты этого типа уже изготовляются в нескольких странах.