Обработка закаленной стали с использованием керамического режущего инструмента


Керамический режущий инструмент (керамические пластины) на основе оксида алюминия является привлекательной альтернативой твердосплавным инструментам для обработки стали в закаленном состоянии. Эти керамические режущие инструменты могут обрабатывать с высокой скоростью резания и обеспечивать хорошую чистоту поверхности. Механизм износа этих керамических режущих инструментов должен быть правильно понят для большего использования. В нашем исследовании используются два типа керамических режущих инструментов, а именно керамический режущий инструмент из смешанного оксида алюминия Ti [C, N] и керамический режущий инструмент из оксида алюминия, закаленного диоксидом циркония. Обрабатываемость закаленной стали оценивали путем измерения износа инструмента, сил резания и чистоты поверхности заготовки. Эти керамические материалы для режущего инструмента на основе оксида алюминия обеспечивают хорошую чистоту поверхности при обработке закаленной стали. В этой статье сделана попытка проанализировать важные механизмы износа, такие как абразивный износ, адгезионный износ и диффузионный износ этих материалов для керамического режущего инструмента, и здесь также обсуждается производительность этих керамических режущих инструментов, связанных с чистовой обработкой поверхности.

Достижения в технологии обработки керамики привели к появлению нового поколения высокоэффективных инструментов для резки керамики, обладающих улучшенными свойствами. Улучшения были сделаны в свойствах инструмента, таких как прочность на разрыв, ударная вязкость, термостойкость, твердость и износостойкость. Эти разработки позволили использовать керамические инструменты для обработки различных типов стали, чугуна, цветных металлов и тугоплавких сплавов на основе никеля с высокой скоростью. Оксид алюминия широко используется в качестве материала для керамического режущего инструмента и укрепляется добавлением таких частиц, как оксид циркония, карбид титана и нитрид титана, для улучшения свойств. Механизмы усиления или упрочнения этих керамических композиционных материалов представляют собой упрочнение фазового превращения и усиление осаждения или дисперсии.

Оксид алюминия, упрочненный диоксидом циркония, состоит из частично стабилизированных частиц диоксида циркония, диспергированных в матрице оксида алюминия.

Цирконий существует в трех четко определенных полиморфах: кубический (с) (выше 2370 ° С), тетрагональный (т) (между 2370 и 1150 ° С) и моноклинный (м) (ниже 1150 ° С). Высокотемпературные фазы можно стабилизировать до комнатной температуры, добавляя легирующие примеси, такие как нитрат, церия и магнезия [1]. Т-фаза, которая является метастабильной фазой при низкой температуре, нуждается в энергии для преобразования в стабильную низкотемпературную м-фазу. Поскольку это преобразование t в m поглощает энергию, а способность поглощать энергию создает ударную вязкость, преобразование t в m приводит к увеличению ударной вязкости материала. Это явление известно как ужесточение трансформации. Когда диоксид циркония ужесточается легирующими веществами, такими как йиттрия, церия и магнезия, с использованием вышеупомянутого трансформационного ужесточения, это называется трансконцентрированным цирконием (ТТЗ). Введение достаточного количества диоксида циркония в традиционную матрицу оксида алюминия привело к разработке оксида алюминия, упрочненного диоксидом циркония (ZTA) с улучшенной ударной вязкостью. В ZTA диоксид циркония подвергается ограниченному превращению, ограничивающей матрицей является оксид алюминия, который имеет более высокий модуль упругости и более низкое тепловое расширение, чем TTZ. Тетрагональная моноклинная трансформация считается мартенситной в объеме и сопровождается увеличением объема. Когда чистый диоксид циркония диспергирован в глиноземной матрице, диоксид циркония удерживает метастабильные тетрагональные частицы, которые ограничены жесткой матрицей, которая препятствует увеличению объема, связанному с фазовым превращением. Когда глиноземно-тетрагональные циркониевые композиты нагружены, поле растягивающей деформации, окружающее острие трещины, трансформирует частицы диоксида циркония, которые расширяются и генерируют сжимающую деформацию в матрице, а растягивающее напряжение на острие трещины уменьшается. Это вызванное стрессом преобразование повышает вязкость разрушения глиноземных композитов, упрочненных диоксидом циркония [2]. Частицы диоксида циркония, диспергированные в глиноземной матрице, также увеличивают вязкость разрушения из-за образования высокой плотности микротрещин, поглощающих энергию вследствие их медленного распространения. Микротрещины образуются в результате расширения ZrO2 во время тетрагонального превращения в моноклинное.

Другим важным типом керамического режущего инструмента на основе оксида алюминия является композитный инструмент на основе оксида алюминия, смешанный с Ti [C, N]. При добавлении этих неоксидных частиц, таких как TiC и TiN, в матрицу оксида алюминия повышается теплопроводность, термостойкость и твердость. Эти композитные керамические режущие инструменты сохраняют свою твердость даже при повышенной температуре. Добавление таких частиц, как TiC и TiN, увеличивает поперечную прочность на разрыв композита по сравнению с режущими инструментами из белой глиноземной керамики. В режущем инструменте из композитного керамического оксида алюминия, смешанного с Ti [C, N], зерна TiC, TiN фиксируют трещину, возникающую в матрице. Это связано с тем, что для распространения трещины вокруг частиц требуются дополнительные затраты энергии [3]. В этом типе керамического композитного режущего инструмента частицы TiC и TiN действуют для закрепления вызванного напряжением дислокационного движения в матрице из оксида алюминия. Механизм закалки для этого типа смешанных керамических режущих инструментов известен как усиление осадка или дисперсии. В материалах, упрочненных осадком или дисперсией, когда дислокация сталкивается с осадками, она, как правило, не сможет прорезать их, поскольку осадки более прочные, чем матрица. Следовательно, дислокации придется изгибаться между осадками и вокруг них, оставляя дислокационную петлю вокруг частицы. Таким образом, движению дислокации препятствуют частицы TiC и TiN, диспергированные в глиноземной матрице, и для движения дислокации требуются дополнительные затраты энергии [4].

Обзор литературы

Благодаря разработке этих керамических композитных инструментов с улучшенными свойствами обработка стали в закаленном состоянии с использованием керамических режущих инструментов на основе оксида алюминия стала привлекательной. Керамические режущие инструменты, такие как керамические режущие инструменты на основе оксида алюминия, упрочненного диоксидом циркония, называются керамическими инструментами на основе оксида алюминия, а керамические режущие инструменты на основе оксида алюминия на основе TiC и TiN называются керамическими режущими инструментами на основе оксида алюминия. Эти керамические инструменты можно использовать для высокоскоростной обработки, что способствует эффективному использованию высокоскоростных станков, сокращая время обработки. Производительность повышается за счет более короткого времени цикла и высокоскоростной обработки стали с использованием керамических режущих инструментов, что снижает стоимость производства. Поведение при износе этих керамических материалов для режущего инструмента является сложным, и требуется дополнительная информация о механизмах износа и улучшенных материалах для режущего инструмента, чтобы предсказать производительность при заданных условиях обработки. Эти керамические композитные материалы для режущего инструмента в основном используются для обработки твердых материалов, таких как чугун, сталь, нержавеющая сталь в закаленных условиях, тугоплавких металлов, таких как сплавы на основе никеля и композитные материалы. Потребность в чистовой обработке, такой как шлифование, может быть устранена с помощью этих керамических композитных режущих инструментов. Сообщалось, что переход от твердосплавных инструментов с покрытием к композитным керамическим инструментам привел к увеличению срока службы инструмента в 2,5 раза плюс более высокая скорость удаления металла при обработке втулок автомобильных осей, изготовленных из ковкого чугуна [5]. Используя керамические вставки, скорость резания может быть увеличена с 183 до 381 м / мин. Другие параметры обработки, такие как скорость подачи 0,20 мм / об и глубина резания 0,38 мм, остались прежними. Механическая обработка закаленной стали проводилась с использованием керамического режущего инструмента из глинозема, закаленного диоксидом циркония, и керамического режущего инструмента из смешанного глинозема Ti [C, N]. Хун Сяо [6] провел исследования износа различных керамических инструментов и обнаружил, что оксидные и смешанные керамические инструменты более пригодны для обработки закаленной стали, чем другие керамические инструменты, из-за их превосходной стойкости к износу. Брандт [7] заметил, что смешанный глиноземный керамический инструмент обладает лучшей устойчивостью к истиранию из-за более высокой горячей твердости и большей теплопроводности, чем оксидно-глиноземный керамический инструмент, при обработке закаленной стали. Брандт и Микус [8] отметили, что износ кратера керамических инструментов на основе оксида алюминия при обработке стали преимущественно зависел от поверхностной пластической деформации, и на эту деформацию сильно влияла химическая реакция с материалом заготовки. Бхаттачарья и соавт. [9] обнаружили, что инструменты на основе смешанной керамики дают лучшую производительность, чем инструменты на основе оксидной и нитридной керамики при обработке чугуна. Ричардс и Аспинволл [10] отметили, что срок службы инструмента из смешанного глиноземного керамического инструмента был сильно ограничен из-за чрезмерной глубины надреза при резке при обработке сплавов на основе никеля. Уэйн и Бульян [11] отметили, что глубина надреза при резании была уменьшена с добавлением усов SiC и в меньшей степени с частицами TiC при обработке Inconel 718.

Выводы

Проанализирована обрабатываемость закаленной стали с использованием керамического режущего инструмента на основе оксида алюминия. Установлено, что абразивный износ является основным механизмом износа в керамических материалах для режущего инструмента на основе оксида алюминия при обработке закаленной стали. Оба типа керамического режущего инструмента подвергаются постепенному постепенному абразивному износу с увеличением скорости резания. Клеевой износ выше при обработке более твердого материала. Материал керамического режущего инструмента из смешанного глинозема Ti [C, N] в большей степени подвержен износу адгезивом. Химически активированный диффузионный износ выше у материалов из керамического режущего инструмента, смешанного с Ti [C, N], но глиноземный керамический инструмент, закаленный диоксидом циркония, не подвержен диффузионному износу. Поверхностная обработка улучшается с увеличением скорости резания для обоих типов материалов для режущих керамических инструментов. Характеристики материала режущего инструмента из керамики из смешанного оксида алюминия Ti [C, N] лучше в отношении чистоты поверхности, чем у инструмента для резки керамики из оксида алюминия, упрочненного диоксидом циркония. Производительность керамического режущего инструмента оказалась хорошей при обработке стали. Ti [C, N] керамический режущий инструмент из смешанного глинозема обеспечивает наилучшую чистоту поверхности.

Использованные источники

[1] Sornakumar T, Krishnamurthy R, Gokularatnam CV. Machining performance of phase transformation toughened alumina and partially stabilised zirconia composite cutting tools. J Eur Ceram Soc 1993;12:445–60.

[2] Lo Casto S, Lo Valvo E, Lucchini E, Maschio S, Piacentini M, Ruisi VF. Machining of steel with advanced ceramic cutting tools. Key Eng Mater 1996;114:105–34.

[3] Sornakumar T. Advanced ceramic composite tool materials for metal cutting applications. Key Eng Mater 1996;114:173–88.

[4] Dow Whitney E, Vaidyanathan N. Engineered ceramics for high speed machining. ASM International Conference Proceedings 1987:77–82.

[5] Charles  W. Ceramic  cutting  tools update. Manufact  Eng  1988; 100(April):81–6.

[6] Hong X. Wear behaviour and wear mechanism of ceramic tools in machining hardened alloy steel. Wear 1990;139:439–51.

[7] Brandt G. Flank and crater wear mechanisms of alumina based cutting tools when machining steel. Wear 1986;112:39–56.

[8] Brandt G, Mikus M. An electron microprobe and cathodoluminescence study of chemical reactions between tool and work piece when turning steel with alumina-based ceramics. Wear 1987;115: 243–63.

[9] Bhattacharyya SK, Ezugwuand EO, Jawaid A. The performance of ceramic tool materials for the machining cast iron. Wear 1989;135:147–59.

[10] Richards N, Aspinwall D. Use of ceramic tools for machining nickel based alloys. Int J Mach Tools Manufact 1989;29:575– 88.

[11] Wayne SF, Buljan ST. Wear of ceramic cutting tools in Ni-based super alloy machining. Tribol Trans 1990;33:618–26.

[12] Stachowiak GW, Stachowiak GB. Wear behaviour of ceramic cutting tools. Key Eng Mater 1994;96:137–64.

[13] Chandrasekaran N, Johansson JO. Chip flow and notch wear mechanisms during the machining of high austenitic stainless steels. Ann CIRP 1994;43:101–5.

[14] Kilmenko SA, Mukovoz YuA, Polonsky LG. Cutting tools of superhard materials. Key Eng Mater 1996;114:1–66.

[15] Bhattacharyya A. In: Metal cutting theory and practice. Calcutta, India: New Central Book Agencies (P) Ltd.; 2000. p. 386–91.

[16] Narutaki N, Yamane Y, Hayashi K, Hoshi T. Cutting performance and wear characteristics of an alumina–zirconia ceramic tool in high-speed face milling. Ann CIRP 1991;40:49–52.

[17] Sornakumar T, Gopalakrishnan MV, Krishnamurthy R, Gokularatnam CV. Development of alumina and Ce-TTZ ceramic composite (ZTA) cutting tool. Int J Refract Metals Hard Mater 1995;8:375–8.

[18] Chen W. Cutting forces and surface finish when machining medium hardness steel  using CBN tools. Int J Mach Tools Manufact 2000;40:455–66.

[19] Chakraborty A, Ray KK, Bhaduri SB. Comparative wear behavior of ceramic and carbide tools during high speed machining of steel. Mater Manufact Process 2000;15:269–300.


Machinability of hardened steel using alumina based ceramic cutting tools
A. Senthil Kumar, A. Raja Durai, T. Sornakumar



Авторизация
Забыли свой пароль?