Наноструктурированная режущая керамика на основе системы Al2O3 – ZrO2 (Y2O3) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Дятлова Янина Геннадьевна

• Дятлова Янина Геннадьевна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Дятлова Янина Геннадьевна

Введение

Глава 1. Аналитический обзор

Выводы по аналитическому обзору

Глава 2 Методы исследования и обработка экспериментальных данных

2.1 Качественный рентгенофазовый анализ

2.2 Определение размера частиц методом лазерной дифракции

2.3 Определение кажущейся и относительной плотности сырых формованных заготовок

2.4 Определение кажущейся плотности, водопоглощения и открытой пористости спеченных материалов

2.5 Определение пикнометрической плотности и общей пористости образцов

2.6 Определение линейной термической усадки

2.7 Исследование микроструктуры образцов

2.8 Определение модуля Юнга

2.9 Определение предела прочности при изгибе

2.10 Определение твердости по Виккерсу

2.11 Определение коэффициента трещиностойкости индентационным методом

2.12 Дифференциальный термический анализ

2.13 Дилатометрический анализ

2.14 Обработка результатов эксперимента

Глава 3 Объекты исследования

3.1 Обоснование выбора компонентов керамической матрицы

3.2 Разработка состава керамической матрицы 45 Выводы по главе

Глава 4 Разработка технологии синтеза наноразмерных оксидных

корундоциркониевых порошков

4.1 Получение оксидных наноразмерных композиционных порошков

4.2 Оптимизация процесса получения оксидных наноразмерных

композиционных порошков

Выводы по главе

Глава 5 Получение керамики в системе АЬОз - 2гО2(У2Оз)

Выводы по главе

Глава 6 Получение керамики в системе АЬОз - ТЮК

Глава 7 Получение керамики в системе АЬОз - 2гО2(У2Оз) - ТЮК

7.1 Режущая керамика с использованием сырьевых компонентов сторонних производителей

7.2 Исследование кинетики электроимпульсного плазменного спекания порошков системы АЬОз - 2гО2(У2Оз) - ТЮК

7.3 Разработка технологии режущей керамики в системе АЬОз - 96 ггО2(У2Оз) - ТЮК на основе исходных порошков самостоятельного производства

Выводы по главе

Заключение 10з

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж 1з1

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Наноструктурированная режущая керамика на основе системы Al2O3 – ZrO2 (Y2O3)»

Введение

Актуальность темы исследования. Технический прогресс и появление новых конструкционных материалов ведет к росту требований к инструменту, используемого для разного вида лезвийной обработки, (точение, фрезерование, сверление). Это объясняет повышенный интерес к разработке инструментальной керамики, обеспечивающей, в том числе, высокоскоростную лезвийную обработку и успешно применяемой на окончательных операциях механической обработки деталей из чугунов, закаленных сталей и цветных сплавов, что позволяет значительно увеличить производительность механической обработки и повысить качество изготовленных деталей при выполнении постоянно возрастающих экологических требований.

На сегодняшний день доля инструментальной керамик инструментальной керамики и в мире достигает 10 % и имеет тенденцию к росту, в то время как в Российской Федерации сектор такого инструмента не превышает 2 %.

В режущей керамике отсутствует пластическая связующая фаза, что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве, увеличивает пластическую прочность при реальных температурах в зоне резания, что и позволяет применять высокие скорости резания по отношению к инструменту из твердого сплава. С другой стороны, снижаются хрупкая прочность, ударная вязкость, трещиностойкость. Достижение баланса характеристик и увеличение уровня физико-механических свойств керамического инструментального материала, разработка новых перспективных композиций, всесторонние их испытания в реальных условиях лезвийной обработки сталей и сплавов в сравнении с лучшими зарубежными образцами, что определяет актуальность темы настоящего диссертационного исследования.

Работа выполнена в рамках плановых НИР и ОКР предприятия ООО «Вириал».

Степень ее разработанности. Рост показателей эксплуатационных характеристик керамического режущего инструмента в настоящее время стараются обеспечивать за счет достижения высокого уровня механических свойств наноструктурных материалов высокой твердости в сочетании с повышенными для этого класса материалов трещиностойкостью, прочностью и теплостойкостью. Это позволяет при одновременном увеличении скорости резания при сохранении стойкости повысить надежность и долговечность инструмента, использовать его в более тяжелых условиях (резание с

вибрацией, прерывистое резание, резание с большими подачами и глубинами резания). В настоящее время перспективы применения нанопорошков и наноматериалов широко обсуждается, при этом объем их рынка остается небольшим.

В последние годы резко возросло количество научных исследований с использованием метода спекания в электрическом поле (Field Assisted Sintering Technology, FAST/SPS). Производство режущих пластин этим методом FAST/SPS позволяет сочетать одновременное прессование и спекание без дополнительных манипуляций, что исключает использование связующего. При этом сокращаются и длительность процесса, и трудозатраты. Технология FAST/SPS также имеет существенные преимущества в разработке новых режущих инструментов на основе нанопорошков или неравновесных композитов с улучшенными характеристиками, поскольку вследствие сокращения продолжительности спекания снижается риск роста зерна в материале изделия. Решение всех проблем заключается в изучении влияния технологических параметров для конкретно выбранного керамического материала.

Цели и задачи. Разработка составов и технологии керамического наноструктурированного материала инструментального назначения с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование химического, фазового, дисперсного составов коммерческих порошков AI2O3, ZrO2(Y2O3) разных производителей и выбор основных компонентов корундоциркониевой матрицы.

2. Разработка технологии наноразмерных оксидных и композиционных порошков в системе AbO3-ZrO2(Y2O3)

3. Разработка технологии керамики инструментального назначения в системе Al2O3-ZrO2(Y2O3).

4. Исследование физико-механических свойств разработанных составов корундоциркониевой керамики.

5. Разработка технологии горячего прессования и SPS-спекания керамики инструментального назначения в системе AbO3-TiCo.5No.5.

6. Разработка технологии горячего прессования и SPS-спекания керамики инструментального назначения в системе AbO3-ZrO2(Y2O3)-TiCo.5No.5.

7. Проведение сравнительных испытаний режущих свойств керамик, полученных методами горячего прессования и SPS-спекания.

Научная новизна.

1. Разработан состав (соотношение компонентов), дисперсность исходной шихты для обеспечения уровня свойств необходимых для получения керамики инструментального назначения.

2. Подобраны режимы консолидации для горячего прессования и SPS спекания, обеспечивающие получения необходимой структуры и свойств керамического материала.

3. Впервые применен метод SPS спекания к системе оксидных керамик с добавлением карбонитридной составляющей.

4. Установлены взаимосвязи строения и физико-механических свойств керамических оксидно-карбонитридных систем, реализующиеся в процессах горячего прессования и метода SPS-спекания.

Научная новизна работы подтверждается получением патента Российской Федерации № 2525538 «Износостойкий композиционный керамический наноструктурированный материал и способ его получения».

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что введение наноразмерной карбонитридной составляющей в двухкомпонентную оксидную систему способствует эффективному экранированию рекристаллизации при спекании.

Разработаны научно-обоснованные параметры технологии наноразмерных порошков оксидных систем AbO3-ZrO2(Y2Os), на основе которой разработана и сконструирована модульная установка синтеза наноразмерных порошков методом осаждения из растворов солей производительностью 500 кг в год.

Разработанные в диссертационном исследовании материалы на основе оксидов алюминия и частично стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония обладают комплексом физико-механических свойств, который позволяет рекомендовать их для изготовления режущего инструмента для работы в условиях высокоскоростных режимах. Определены научно-обоснованные параметры технологии инструментальной керамики на их основе, что позволило организовать их производство в ООО «Вириал» с проектной производительностью 600 кг/год.

Методология и методы исследования.

Для определения комплекса физико-механических свойств использовали методики по ГОСТ (кажущейся плотности - ГОСТ 2409-95, подготовка шлифов - ГОСТ 9з91-80, плотность спеченных материалов - ГОСТ 20018-74, предел прочности при изгибе - ГОСТ 20019-74, твердость по Виккерсу - с использованием твердомера Falcon-508 по ГОСТ 9450-76). Модуль упругости определяли динамическим методом на приборе «3вук-130» по ГОСТ 25095-82. Определение коэффициента интенсивности критических напряжений (коэффициента трещиностойкости К1с) проводили по методике № 09/0100302-2010/2012 (сертифицировано РОСНАНО, метрологический центр) при индентирования пирамидой Виккерса материалов в процессе измерения твердости. Структура материала изучалась с использованием материаловедческого микроскопа Leica-DM-2500-M с автоматическим анализатором изображения «ВидеоТест-Структура 5.2», сканирующих (растровых) электронных микроскопов JSM 6460, JSM 700^ в комплексе с рентгеновским микроанализатором EDAX, модель FP 2012/12. Рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре «Дрон-4».

Обработку результатов экспериментов осуществляли в соответствии с ГОСТ Р 8.7зб-2011.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методы получения наноразмерных порошков оксидных систем АЬОз-ггО2(У2Оз) осаждением из растворов.

2. Технология режущей керамики АЬОз^гО2(У2Оз) из исходных оксидов и полученных методом соосаждения.

3. Получение и свойства корундовой керамики в системе АЬОз-ТЮК

4. Технология режущей керамики АЬОз^гО2(У2Оз)-Т1СК с применением горячего прессования и 8Р8-спекания.

5. Результаты экспериментов по оценке режущих свойств разработанных инструментальных керамик в сравнении с лучшими отечественными и импортными образцами.

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность результатов исследования основана на комплексном применении современных методов исследования, использовании стандартизованных методик, подтверждена их

воспроизводимостью и соответствием современному уровню знаний в исследуемой области науки.

Материалы диссертации доложены и обсуждены на Международной конференции HighMatTech-2009 (Киев, 2009 г.), International Conference on Sintering-2009 (Киев, 2009 г.), 6-й Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях» МЕЕ-2010 (Крым, 2010), II Международной Самсоновской конференции «Материаловедение тугоплавких соединений» (Киев, 2010 г.), 3 Международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий (Москва, 2010 г.), 12- International Ceramics Congress CIMTEC (Switzerland, 2010 г.), II Международной научно-технической конференции «Функциональные и конструкционные материалы» (Донецк, 2011 г.), IV Nanotechnology International Forum Rusnanotech (Moscow, 2011 г.), 1 International Conference on Nanomaterials: Application and Properties (Crimea, 2011 г.), 10 International Symposium on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications (Dresden, 2012 г.), международной конференции «Порошковая металлургия: современное состояние и будущее» (Киев, 2014 г.), 11 International Conference of High Speed Machining (Prague, 2014 г.), Международной научной конференции «Новые тенденции в керамике и стекле» (Новочеркасск, 2025 г.), а также на ежегодных конференциях в СПбГТИ(ТУ) «Традиции и инновации» (Санкт-Петербург, 2013 г.) и «Неделя науки» (Санкт-Петербург, 2011, 2012, 2025 гг.).

По результатам диссертационного исследования опубликовано 7 статей в журналах, из них 3 статьи, индексируемых международными базами данных, перечень которых определен в соответствии с рекомендациями ВАК, 4 статьи в журналах из Перечня рецензируемых научных изданий (ВАК), 1 патент РФ, 18 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка цитируемой литературы (153 наименования) и 7 приложений. Работа изложена на 131 страницах и содержит 20 таблиц и 35 рисунков.

Глава 1 Аналитический обзор 1.1 Керамические материалы для режущего инструмента

В последние 20 лет отмечается значительный прогресс в улучшении показателей свойств режущих керамических материалов: прочности, износостойкости, трещиностойкости, модуля Вейбулла, температуры эксплуатации. Современная керамика способна конкурировать с металлами в тех областях, где раньше её применение было невозможно. Прочность характеризует стойкость материала к зарождению и распространению трещин и разрушению структуры при приложении нагрузки. Трещиностойкость, износостойкость характеризуют сопротивление материала распространению трещин или нарастанию разрушения до полного отказа. Модуль Вейбулла характеризует однородность структуры и связанные с ней показатели прочности, означает более высокую надежность материала.

Большинство видов оксидной керамики отечественного производства до семидесятых годов ХХ века имело прочность при изгибе ниже 345 МПа. В настоящее время промышленность выпускает корундовую керамику с прочностью при изгибе более 345 МПа, а упроченный диоксид циркония может иметь прочность при изгибе свыше 690 МПа [1-з].

Одно из самых существенных достижений за последние 20 лет - создание керамики с повышенной трещиностойкостью, что крайне важно для успешного практического её использования. Высокий уровень трещиностойкость снижает риск отказа при установке и обслуживании инструмента, что чаще всего случалось с традиционными видами керамики. Керамика с повышенной трещиностойкостью лучше выдерживает ударные нагрузки, контактные напряжения и повреждения при работе, обеспечивая пользователям высокую надежность и долговечность, сравнимую с металлами и твердыми сплавами.

Повышенное внимание исследователей к инструментам с керамическими режущими пластинами объясняется постоянным стремлением промышленности к повышению производительности механической обработки. Высокая твердость и теплостойкость керамических режущих пластин позволяет значительно увеличить скорость резания и повысить производительность окончательных операций в

технологических процессах за счет эффективной замены пластин из твердых сплавов при чистовой обработке серых, ковких, высокопрочных и отбеленных чугунов, низко- и высоколегированных сталей, в том числе улучшенных, термообработанных (HRC до 5560), конструкционных материалов (К01-К05, Р01-Р05), а также для обработки никелевых сплавов при температурах в рабочей зоне свыше 1000 °С [4-6].

Твердые сплавы с покрытием - широко применяемые материалы, но в последние годы они становятся дорогими в производстве из-за дефицита вольфрама и его стоимости. При этом в описанных условиях они теряют существенную долю прочности, а режущая кромка начинает пластически деформироваться, что введет к быстрой утрате режущих характеристик инструмента. Экологические характеристики твердых сплавов также неблагоприятны, так как содержащийся в них кобальт при износе инструмента загрязняет окружающую среду.

Допускаемая скорость резания инструментами с керамическими режущими пластинами при обработке деталей из разных конструкционных материалов во многих случаях превышает 300 м/мин (таблица 1.1) [4].

Таблица 1.1 - Режимы обработки чугуна и некоторых видов сталей инструментом с керамическими пластинами

Обрабатываемый материал V, м/мин мм/об мм

Чугун серый (163-241 НВ) 500-800 0,2-0,5 4

Чугун ковкий (160-270 НВ) 250-400 0,25-0,4 2

Чугун отбеленный (400-650 НВ) 40-150 0,15-0,3 2

Сталь конструкционная легированная 300-700 0,3-0,5 3

Сталь улучшенная цементированная 350-600 0,25-0,3 2

Сталь закаленная (36-64 HRC) 120-300 0,1-0,15 1,5

Инструменты с керамическими режущими пластинами удовлетворяют экологическим требованиям и позволяют уменьшить негативное воздействие на окружающую среду, так как реализуют высокоскоростное резание без смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) [7]. Немаловажно также и то, что

применение этих инструментов позволяет снизить потребность в дефицитных металлах: вольфраме, кобальте, молибдене.

Керамические режущие материалы классифицируют по тугоплавкому соединению, на базе которого изготовлен материал. По этому признаку керамики разделяют на кислородсодержащие (базовые тугоплавкие соединения - оксиды) и бескислородные (базовые тугоплавкие соединения - карбиды, бориды или нитриды). В соответствии с международным стандартом ISO 513, керамику для изготовления режущих пластин классифицируют следующим образом: СА - керамика на основе оксида алюминия (белая керамика или pure ceramic); CM - керамика на основе AI2O3 с добавками других тугоплавких соединений, как правило TiC (смешанная керамика или mixed ceramic); CN - керамика на основе нитрида кремния Si3N4 (нитридная или nitrid ceramic); СС - керамика с покрытием.

В настоящее время применение инструментов с керамическими режущими пластинами на предварительных операциях механической обработки, при прерывистом резании резко снижает его эффективность вследствие высокой вероятности внезапного отказа из-за хрупкого разрушения режущей части инструмента. Повышенные подачи при резании, переменные припуски и модифицированные свойства поверхностного слоя заготовок, характерные для этих этапов обработки, создают экстремальные условия нагружения режущих пластин. Хрупкие пластины не выдерживает этих нагрузок, что приводит к росту вероятности их отказов.

Основой для решения указанных проблем является разработка инструментов нового поколения, использующих композиционные керамические материалы. Рациональный выбор основных компонентов керамики и формирование структуры определенного типа в материале позволяет управлять ее свойствами в достаточно широком диапазоне.

В качестве перспективного тугоплавкого оксидного материала могут стать композиции диоксида циркония и оксида алюминия (корундоциркониевая керамика). Известно, что корундоциркониевая керамика широко используется в том числе и для производства режущего инструмента [8, 9].

Диаграмма состояния системы AbO3-ZrO2 изучается стабильно с 1960-х годов, на сегодняшний день наибольшим доверием пользуется диаграмма, представленная в работе [10], рисунок 1.1.

2X00

2600 2400

С 2200

и

и

| 2000 L

а

е 18оо й> н

1600 1400 1200

1000

■ ■

¡4 / 2г°2

■ ■ шо^с4 63% **Ь+А12ОЭ"

V • \ Т-7.гОг ■ ■ Т7.г02 + А1203

■ 1 ш 1150"С -

— м-гнь 1 м-гг()2 + А12Оэ

гю,

20

40 60

Ми1 %

НО А1203

Рисунок 1.1 - Диаграмма состояния системы Al2Oз-ZrO2 [10]

Эвтектический характер диаграммы был установлен практически сразу, затем ряд исследователей уточнял температуру эвтектики и границы существования взаимных твердых растворов. Оксидная система ZrO2-Al2Oз является основой многих современных высокотемпературных материалов и огнеупоров.

Эти применения обусловлены уникальными физико-механическими свойствами корундоциркониевой керамики при относительной доступности сырья и именно эвтектическим характером системы АЬ0з^г02, что важно для оптимизации условий спекания гетерофазной керамики с регулированием структурных параметров.

В структуре керамики системы АЬ0з^г02 формируются локальные поля высоких упругих напряжений [11]. Эти напряжения образуются вблизи зерен оксида циркония при его переходе из тетрагональной модификации в моноклинную с изменением объема. При этом локальное поле напряжений становится барьером для развивающейся трещины, вызывающим её ветвление, что приводит к ее торможению или остановке.

На основе работ Клауссена [12] был создан режущий инструмент из упрочненного диоксидом циркония оксида алюминия. В настоящее время многие производители предлагают материалы, содержащие диоксид циркония в матрице оксида алюминия. Немецкий производитель инструмента фирма Widia производит промышленный режущий инструмент на основе корундоциркониевой керамики составов: 95,5 % AI2O3 - 3,5 % ZrO2 и 86 % AI2O3 - 14 % ZrO2 [13]. Материалы для производства таких изделий должны обладать мелкодисперсной структурой, относительно высокими пределом прочности при изгибе, трещиностойкостью, твердостью, высоким модулем упругости и сопротивлением к истиранию.

Многие зарубежные фирмы предлагают корундоциркониевые гранулированные нанопорошки, но номенклатура их составов ограничена.

Добавки ZrO2 позволяют использовать режущие пластины из оксидной керамики при более жестких режимах резания. Например, режущие пластины СС620 (Sandvik Coromant, Швеция), изготовленные из керамики состава 96 % AI2O3 - 4 % ZrO2, имеют стойкость 10 мин при прерывистом точении серого чугуна (скорость резания v = 800 м/мин, подача S = 0,2 мм/об, глубина резания t = 2,0 мм). Применение режущих пластин СХЗ (NTK Cutting Tools, США), изготовленных из оксидной керамики с добавками ZrO2, позволяет выполнять механическую обработку чугунных деталей со скоростью резания v = 600 м/мин, подачей S = 0,41 мм/об и глубиной резания t = 6 мм [14].

Повышению твердости, трещиностойкости и сопротивляемости тепловому удару оксидной керамики на основе AI2O3 способствует введение в ее состав карбидов и/или нитридов титана и их твердых растворов, роль которых сводится к ингибированию роста зерна AI2O3 и повышению теплопроводности композиций в целом. Механические свойства таких композиций, получаемых горячим прессованием, в основном зависят от эффекта ингибирования и образования прочных межзеренных границ. Эта эффективность в значительной степени обусловлена дисперсностью вводимой второй фазы, термодинамически сосуществующей с AI2O3 при температуре спекания [15,16]. Эффективность использования карбида титана объясняют повышенной плотностью дислокаций, закрепленных границами зерен или частицами карбида титана [17]. Действие дислокационного механизма упрочнения благоприятно влияет на свойства керамических материалов, которые зависят от количества вводимого карбида титана

[18]. Поэтому оксидно-карбидная керамика получила наибольшее распространение для изготовления режущих пластин.

Известны отечественные керамические материалы на основе оксида алюминия с добавками карбидов, нитрида титана, так называемая смешанная или «черная» керамика - ВО-13 и ВОК-60, предназначенная для чистовой, получистовой и прерывистой обработки ковких, высокопрочных, отбеленных, модифицированных чугунов, сталей, закаленных до 30-55 HRC и 56-65 ИЯС.

Традиционный способ получения композиционной керамики - горячее прессование. Гранулометрический состав её характеризуется размером зерен АЬОз менее 2 мкм, размером зерен карбидов и нитридов 1-3 мкм. Добавки карбидов, в частности ТЮ, способствуют повышению прочности, вязкости и теплопроводности режущей керамики (РК), поэтому её можно применять при прерывистом резании чугунов и сталей. Керамические режущие пластины на основе АЬОз-ТЮ устойчивы к воздействию высоких температур. Уменьшенная пластическая деформация обеспечивает широкий диапазон использования, в том числе для чистовой обработки закаленных материалов. Основная сфера применения - точение и растачивание серого чугуна, точение жаропрочных сплавов и твердых материалов (с твердостью ниже 65 ИЯС).

Твердость композиционной РК различных марок составляет 93-96 ИЯА, прочность 400-950 МПа. Такой широкий диапазон основных свойств определяется различием содержания карбидов и нитридов, а также гранулометрическим составом. Марки отечественной смешанной РК и характеристики их физико-механических свойств приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Основные марки и свойства смешанной керамики

Марка Состав Твёрдость, ИЯА Плотность, р, г/мз Прочность при изгибе, Ом, МПа

ВОК-60 АЬОз + ТЮ 94 4,2 650

В-3 АЬОз + ТЮ 9з 4,з 650

ВОК-63 АЬОз + ТЮ 94 4,2-4,з 650-750

ВОК-71 АЬОз + ТЮ 94 4,22 650

ОНТ-20 (кортинит) АЬОз + ™ 94 4,22 680

Смешанная РК типа B0K-71 и ВОК-60 широко применяется в автомобилестроении для обработки ответственных деталей из серого, высокопрочного чугунов, а также в сельхозмашиностроении при обработке валов, штоков и корпусов подшипников на станках с ЧПУ.

Для улучшения эксплуатационных свойств РК типов ВОК-63 и ВОК-71 на них наносят покрытие из TiN или композиционное покрытие на основе нитридов титана и хрома.

Добавки ZrO2 положительно влияют на эксплуатационные показатели режущих пластин из оксидной и оксидно-карбидной керамики. Обычно в инструментальную керамику добавляют до 5 % оксида циркония, однако в отдельных случаях количество этой добавки достигает 15 % [19]. В качестве примера можно привести режущие пластины SN80 (Feldmuhle, Германия), которые имеют наибольший коэффициент трещиностойкости К\с по сравнению с другими оксидными керамиками [20]. В нашей стране выдан патент № 2685604 [21] на способ получения плотной нанокерамики на основе оксида алюминия в системе AbO3-ZrO2(Y2O3). Исходные порошки подвергают механохимической активации в планетарной мельнице, из механоактивированных смесей порошков-прекурсоров прессуют изделия и спекают в интервале температур 1400-1500°С. Полученная композиционная нанокерамика характеризуется пористостью 1,5-2,5%, микротвердостью 18-19 ГПа и прочностью на изгиб 680-720 МПа.

В качестве дисперсной фазы в оксидной матрице также используют нитриды и карбонитриды титана, карбиды вольфрама и молибдена. Например, в системе AI2O3-Мо2С наибольшая стойкость при чистовой обработке конструкционных сталей зафиксирована для режущих пластин из керамики состава 60 % АЪОз - 40 % Мо2С. Эксплуатационные показатели инструментов на основе AI2O3 в условиях повышенных термоциклических нагрузок стабилизирует карбидная составляющая, представленная сочетанием WC и Мо2С [22].

Для повышения показателей свойств режущих пластин из керамики на основе AI2O3 в ее состав также добавляют диборид титана [23]. Примером усложнения состава керамики являются режущие пластины NX33 и NX55 (Mitsubishi Metall Corp., Япония) [24]. Оксидная керамика, из которой выполнены эти пластины, комбинирована с карбидом вольфрама и тантала, а также нитридом титана. В состав режущих пластин

Сег Мах 460 (Carboloy, США) входят оксид циркония и карбид вольфрама [25]. Использование этих режущих пластин при обработке деталей из никелевого сплава Inconel 718 позволяет повысить скорость резания с 24 до 137 м/мин. В качестве основной добавки в составе керамики ОНТ20 (кортинит) используется наноразмерный нитрид титана, повышающий сопротивляемость инструментов термоудару [26] и прочность до 900 МПа при твердости 93 HRA . В 2019 году получен патент № 2707216 Российской Федерации [27], в котором предлагается режущая керамика на основе системы АЬОз-TiCN. Данный композиционный материал характеризуется следующими показателями: твердость 19,95 ГПа, трещиностойкость 4,5 МПам12.

Повышению показателей свойств способствует введение в состав керамики нитевидных кристаллов. Повышение трещиностойкости керамик за счет введения в их состав нитевидных кристаллов (whiskers) из SiC и АЬОз обусловлено увеличением энергозатрат на «вырывание (вытягивание)» армирующего элемента из керамической матрицы [28].

Инструменты, оснащенные режущими пластинами из армированной керамики, эффективны при высокоскоростном резании жаропрочных сплавов [29]. Применение режущих пластин Сег Мах 490 (СагЬо1оу, США) позволило повысить скорость резания при обработке до скорости резания 250 м/мин [30]. Армирование оксидной керамики нитевидными кристаллами карбида кремния длиной 10-80 мкм и диаметром 5-6 мкм в количестве 10-15 об % увеличивает коэффициент К\с на 40 % и термостойкость на 25 % по сравнению с матричным материалом [31]. Эксплуатационные показатели режущих пластин из оксидной керамики, армированной нитевидными кристаллами карбида кремния, зависят от состава и структуры композиционного материала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дятлова Янина Геннадьевна, 2025 год

Список литературы

1. Верещака, А.С. Современные тенденции совершенствования технологической производственной среды / А.С. Верещака, А. Калдос // Производство, технология, экология - ПРОТЭК-04: Сб. тр. междунар. конф. Т.2. М.: МГТУ «Станкин». 2004. С. 517-551.

2. Инструментальное обеспечение высокоскоростной обработки резанием / В.В. Кузин, С.И. Досько, В.Ф. Понов и др. // Вестник машиностроения. - 2005. - № 9. - С. 46-50.

3. Komanduri, R. Substitution of ceramics for conventional tools / R. Komanduri // Ceram. Eng. and Sci. Prad. - 1984. - Vol. 5. No 7/8. - P. 450-459.

4. Режущие инструменты, оснащенные сверхтвердыми и керамическими материалами и их применение: Справочник / В.П. Жедь, Г.В. Боровский, Я.А. Музыкант и др. Москва : Машиностроение. -1987. - 320 с.

5. Шведков, Е.Л. Материалы для режущего инструмента / Е.Л. Шведков // Киев : ИПМ АН УССР. - 1983. - 126 с.

6. Музыкант, Я.А. Металлорежущий инструмент: Номенклатурный каталог. В 4-х ч. Ч. 1. Токарный инструмент. / Я.А. Музыкант // Москва : Машиностроение. - 1995. -416 с.

7. Экологические аспекты высокоскоростной лезвийной обработки / В.В. Кузин, С.Ю. Федоров, С.И. Досько и др. // Производство, технология, экология - ПР0ТЭК-04: Сб. тр. междунар. конф. Т.1. ММосква : МГТУ «Станкин». - 2004. - С. 265-268.

8. Senthil Kumar, А. Machinability of hardened steel using alumina based ceramic cutting tools / A Senthil Kumar, A Raja Durai, T. Sornakumar // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. - 2003. - Vol. 21, № 3-4. - P. 109-117.

9. Grzesik, W. Wear behavior og mixed ceramic tools and deterioration of surface finish in the machining of an AISI 5140 hardened alloy steel / W. Grzesik // International Journal of Machining and Machinability of Materials. - 2008. - Vol. 4, №1. - P. 51-62.

10. Lakiza, S.M. Stable and metastable phase relations in the system alumina-zirconia-yttria / S.M. Lakiza, L.M. Lopato // Journal of the American Ceramic Society. - 1997. - № 80(4). - Р. 893-902.

11. Green, D.J. Microstructure development and fracture toughness of calcia stabilized zirconia / D.J. Green, P.S. Nicholson, J.D. Embury // Fracture mechanics of ceramics. - 1974.

- Vol. 2.- P. 541-554.

12. Claussen, N. Fracture Toughness of АЬОз with an Unstabilized ZrO2 Dispersed Phase / Nils Claussen // Journal of The American Ceramic Society. - 1976. - Vol. 59, No. 1-2.

- P. 49-51.

13. Бриггс Дж. Промышленная керамика в Европе и США. - UK-Worchster, WR6 6UB. - Энкерам, 2003 / Пер. с англ. -СПб.: ООО «Вириал», 2005 - 169 с.

14. Hatschek, R. L. New ceramics rev up cutting speeds // American Machinist. 1983. -V. 127, № 1. - P. 110-112.

15. Вильк, Ю.Н. Исследование свойств горячепрессованных композиционных материалов в системе TiN-АЬОз, полученных при использовании порошков тонкодисперсной окиси алюминия и плазмохимического нитрида титана / Ю.Н. Вильк, Е.Д. Мнацаканян, С.С. Орданянн // Порошковая металлургия. - 1981. - №7. - С.61-64.

16. Кабалдин, Ю.Г. Механизмы изнашивания рабочей части инструмента из режущей керамики / Ю.Г. Кабалдин // Вестник машиностроения. - 1991. - № 2. - С. 4043.

17. Крылов, Ю. И. Карбидно-оксидные системы: Справочник / Ю.И. Крылов, Э.А. Балакир. -М.: Металлургия, 1976. - 232 с.

18. Пилянкевич, Л.Н. Структура керамики на основе АЬОз с добавкой TiC / Л.Н. Пилянкевич, В.А. Мельникова, А.И. Кулик // Порошковая металлургия. - 1987. - №11. -С. 84-88.

19. Laugier, M.T. Toughness determination of some ceramic tool materials using the method of Hertzian identation fracture / M.T. Laugier // Journal of Materials Science Letters. -1985. - № 4. - P. 1542-1544.

20. Кузин, В.В. Оценка надежности керамических инструментов при ограниченном объеме испытаний на основе установленных критериев износа / В.В. Кузин, С.Н. Григорьев, С.Ю. Фёдоров // Новые огнеупоры. - 2018. - № 7. - С. 66-70.

21. Патент № 2685604 Российская Федерация, МПК C04B 35/119 (2006.01), C04B 35/626 (2006.01), B82Y 30/00 (2011.01). Способ получения плотной нанокерамики на основе оксида алюминия в системе AhO3-ZrO2(Y2O3) : № 2018115370 : заявл. 24.04.2018 : опубл. 22.04.2019 / Морозова Л. В. - 17 с.

22. Агте, К. Минералокерамические режущие материалы / К. Агте, Р. Колерманн, Э. Хеймел. - М.: Машгиз, 1962. - 192 с.

23. Vigneau, J. Influence of the microstructure of the composite ceramic tools on their performance when machining nikel alloys / J. Vigneau, P. Bordel, A. Leonard // Annals of the CIRP. - 1987. - V. 36 (1). - Р. 13-16.

24. Кузин, В.В. Разработка режущих пластин из нитридной керамики для предварительной механической обработки деталей : специальность 05.03.01 «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки» : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Кузин Валерий Викторович; Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

- Москва, 2007. - 414 с.

25. Development of ceramic cutting tools for future application on dry machining / Silva O.M.M. et al // Materials Science Forum (Trans Tech Publications, Switzerland). - 2010.

- V. 660-661. - P. 724-729.

26. Новая оксидно-нитридная керамика и области ее применения: Методические рекомендации. - Л.: ВНИИАШ, 1985. - 41 с.

27. Патент № 2707216 Российская Федерация, МПК C01G 23/00 (2006.01), C01B 32/921 (2017.01), C01B 21/072 (2006.01), C01B 21/076 (2006.01), C30B 29/38 (2006.01), C01F 7/02 (2006.01). Способ получения композиционного материала на основе AI2O3-TiCN : № 2019130481 : заявл. 27.09.2019 : опубл. 25.11.2019 / Веселов С. В., Янпольский В. В., Тюрин А. Г. И др. - 12 с.

28. Эванс, А.Г. Конструкционная керамика / А.Г. Эванс, Т.Г. Лэнгдон. - М.: Металлургия. - 1980. -256 с.

29. Syed, S. A. A critical review on self-lubricating ceramic-composite cutting tools / Syed Sohail Akhtar // Ceramics International. - 2021. - V. 47, Iss. 15. - P. 20745-20767.

30. Hatschek, R.L. New ceramics rev up cutting speeds / R.L. Hatschek // American Machinist. - 1983. - V. 127. - № 1. - P. 110-112.

31. Bergstrom, R.P. Getting a grip on cutting tools // Manufacturing Engineering. -1986. - № 2. - P. 57-59.

32. Лукин, Е.С. О проблемах получения оксидной керамики с регулируемой структурой / Е.С. Лукин, Н.Т. Андрианов, Н.Б. Мамаева и др. // Огнеупоры. - 1993. -№5. - С. 11-15.

33. Нешпор, B.C. Кинетика уплотнения и структурообразование при спекании под высоким давлением порошковых композиций / B.C. Нешпор, Г.А. Барашков, Л.Ф. Никитюк // Порошковая металлургия. - 1986. - № 4. - С. 23-26.

34. Galakhov, A.V. Effect of compaction pressure on the sinterability of submicron powders of tetragonal zirconium dioxide // A.V. Galakhov, S.V. Kutsev, V.A. Kryuchkov et al. // Refractories and Industrial Ceramics. - 1993, V. 34. - P. 70-81.

35. Мосин, Ю.М. Некоторые проблемы развития технологии и материаловедения керамики и огнеупоров / Ю.М. Мосин // Огнеупоры и техническая керамика. - 1998. -№ 4. - С. 8-12.

36. Балкевич, В.Л. Керамика нового поколения / В.Л. Балкевич // Стекло и керамика. - 1988. - № 6. - С. 17-20.

37. D'Errico, G.E. Wear of Advanced Ceramics for Tool Materials / G.E. D'Errico, S. Bugliosi, R. Calzavarini, D. Cuppini // Wear. - 1999. V. 225-229. - P. 267-272.

38. Hsu, S.M. Wear prediction of ceramics / S.M. Hsu, M. Shen // Wear. - 2004. - V. 256. - P. 867-878.

39. Luo, S.Y. Wear characteristics in turning high hardness alloy steel by ceramic and CBN tools / S.Y. Luo, Y.S. Liao, Y.Y. Tsai // Journal of Materials Processing Technology. -1999. - V. 88. - P. 114 -121.

40. Бакунов, B.C. Керамика из высокоогнеупорных окислов / B.C. Бакунов, В.Л. Балкевич, А.С. Власов и др. - М.: Металлургия, 1977. - 304 с.

41. Стрелов, К.К. Структура и свойства огнеупоров / К.К. Стрелов. - М.: Металлургия, 1972. - 216 с.

42. Кузин, В.В. Технологические аспекты создания керамических инструментов для высокоскоростного резания / В.В. Кузин, С.И. Досько, С.Ю. Федоров и др. // Конструкторско-технологическая информатика. Тр. междунар. конгресса, М.: МГТУ «Станкин». - 2005. - С. 189-193.

43. Мержанов, А. Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорганических соединений / А.Г. Мержанов, И.П. Боровинская // Доклады Академии наук СССР. - 1972. - T. 204, № 2. - 3 с.

44 Морозова, Л. В. Механохимическая активация порошков-прекурсоров в технологии получения плотной нанокерамики в системе AhO3-ZrO2(Y2O3) / Л. В. Морозова // Неорганические материалы. - 2019. - Т. 55, № 3. - С. 322-329.

45. Гусева, А.Ф. Методы получения наноразмерных материалов: учебное пособие / А.Ф. Гусева, А.Я. Нейман, С.С. Нохрин. - Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2008. - 87 с.

46. Попов, В.В. Исследование закономерностей синтеза нанокристаллических порошков ZrO2(Y2O3)-AbO3 и керамических композиционных материалов на их основе / В.В. Попов, В.Ф. Петрунин, С.А. Коровин // Ядерная физика и инжиниринг. - 2013. - Т. 4, № 6. - С. 514-522.

47. Sarkar, D. Nanostructured AbO3-ZrO2 composite synthesized by sol-gel technique: powder processing and microstructure // D. Sarkar, D. Mohapatr, S. Ray, S. Bhattacharyya, S. Adak, N. Mitra // J. Mater. Sci. - 2007. - 42:1847-1855.

48. Методы получения дисперсных порошков на основе ZrO2 / Е.В. Дудник, З.А. Зайцева, А.В. Шевченко // Порошковая металлургия.- 1993.- № 7.- С.24-30.

49. Алымов, М.И. Механические свойства нанокристаллических материалов / М.И. Алымов. - М.: МИФИ, 2004. - 32 с.

50. Алымов, М.И. Методы получения и физико-механические свойства объемных нанокристаллических материалов / М.И. Алымов, В.А. Зеленский. - М.: МИФИ, 2005. -52 с.

51. Клевцова, Е.В. Структура и свойства порошков ZrO2-Y2O3, полученных химическим осаждением с ультразвуковым воздействием, и керамик на их основе ; специальность 05.16.09 «Материаловедение (машиностроение)» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Клевцова Екатерина Владимировна ; Национальный исследовательский Томский государственный университет. - Томск, 2020. - 171 с.

52. Горбань, О.А. Влияние природы аниона на структурообразование в растворах солей циркония / О.А. Горбань, Ф.С. Радченко, Н.А. Пещерова // Научный вестник ДонНТУ. Серия химия и химическая технология. - 2010. С. 8-11.

53. Полисадова, В.В. Ультразвуковое и коллекторное компактирование / В.В. Полисадова. - Томск: ТПУ, 2009. - 175 с.

54. Шевченко, В.Я. Техническая керамика / В.Я. Шевченко, С.М. Баринов. - М.: Наука, 1993 - 165 с.

55. Альмяшева, О.В. Гидротермальный синтез наночастиц и нанокомпозитов в системе ZrO2-AbO3-H2O / О.В. Альмяшева, В.В. Гусаров // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». - 2007. - №1(45). - С. 113-114.

56. Третьяков Ю.Д. Основы криохимической технологии / Ю.Д. Третьяков, Н.Н. Олейников, А.П. Можаев. - М.: Высш. школа, 1987. - 142 с.

57. Лопато, Л.М. Применение криохимического метода получения порошков в системе AbO3-ZrO2-MgO / Л.М. Лопато, Е.В. Дудник, З.А. Зайцев и др. // Порошковая металлургия. - 1992. - №6. - С.51-53.

58. Дудник, Е.В. Физико-химические основы разработки материалов в системе на основе ZrO2. Диссертация на соискание ученой степени доктора химических наук. ИПМ им. Францевича НАН Украины. - Киев. - 2010.

59. Khasanov, O. L. Plotting of Compaction Curves of Ceramic Powders on the Basis of One-parameter Pressing Equations / O.L. Khasanov, E.S. Dvilis, V.M. Sokolov. -Refractories and Industrial Ceramics. - 2001. - V.42, №1. - Р. 37-40.

60. Хасанов, О.Л. Субмикроструктура и свойства конструкционной, пьезо- и сегнетокерамики, изготовленной методом сухого ультразвукового компактирования нанопорошков / О.Л. Хасанов // Конструкции из композиционных материалов. - 2001. -№4. - С. 3-10.

61. Хасанов, О.Л. Ультразвуковая технология изготовления конструкционной и функциональной нанокерамики / О.Л. Хасанов, В.М. Соколов, Э.С. Двилис, Ю.П. Похолков // Физика и химия обработки материалов. - 2001. - №.5. - С. 24-30.

62. Шевченко, В.Я. Наблюдение особенностей структуры ультрадисперсного состояния диоксида циркония методом дифракции синхротронного излучения / В.Я. Шевченко, О.Л. Хасанов, Г.С. Юрьев, Ю.П. Похолков // Доклады РАН. - 2001. - Т.377, № 4. - С. 121 - 124.

63. Шевченко, В.Я. Сосуществование кубической и тетрагональной структур в наночастице иттрий-стабилизированного диоксида циркония / В.Я. Шевченко, О.Л. Хасанов, Г.С. Юрьев, Ю.Ф. Иванов // Неорганические материалы. - 2001. - Т. 37, №9. -С. 1117-1119.

64. Шевченко, В.Я. Исследование методом электронной микроскопии высокого разрешения структуры наночастиц диоксида циркония / В.Я. Шевченко, О.Л. Хасанов, А.Е. Мадисон, Дж.Й. Ли // Физика и химия стекла. - 2002. - Т.28, №5. - С. 459 - 464.

65. Karban, O.V. Investigation of Zirconia Nanoceramics Microstructure / O.V. Karban, O.L. Khasanov // Physics of Low-Dimensional Structures. - 2003. - № 3/4. - Р. 297-308.

66. Гусев, А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А.И. Гусев. -М.: Физматлит. - 2007. - 416 с.

67. Khasanov, O.L. Effect of Ultrasonic Compaction of Nanopowder on Structure and Fracture Character of Zirconia Nanoceramics / O.L. Khasanov, Yu.P. Pokholkov, Yu.F. Ivanov et al // In: Fracture Mechanics of Ceramics. V.13. Kluwer Academic / Plenum Publishers. - 2002. - Р. 503 - 512.

68. Марголин, В.И. Основы нанотехнологии. Учебное пособие. / В.И. Марголин. -СПб: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004 - 24 с.

69. Добров, С.В. Моделирование магнитно-импульсного прессования длинномерных изделий из порошков / С.В. Добров, В.В. Иванов // Журнал технической физики. - 2004. - Т. 74, вып. 4. - С. 35-41.

70. Жарныльская, А.Л. Синтез прекурсоров композиции системы AhO3- ZrO2 с повышенной степенью стабилизации тетрагональной модификации диоксида циркония / А.Л. Жарныльская // Автореферат на соискание ученой степени кандидата химических наук. - Пермь: ПГПУ, 2010. - 17 с.

71. Gutknecht, D. Key role of processing to avoid low temperature ageing in alumina zirconia composites for orthopaedic application / Dan Gutknecht, Jirome Chevalier, Vincent Garnier, Gilbert Fantozzi // Journal of the European Ceramic Society. - 2007. - V. 27. -P.1547 - 1552.

72. Дятлова, Я.Г. Керамика на основе системы AbO3-ZrO2 для режущего инструмента / Я.Г. Дятлова, С.С. Орданьян, В.И. Румянцев, В.Н. Фищев // Тезисы Международной конференции HighMatTech-2009. - Киев, 2009. - С. 260.

73. Дятлова, Я.Г. Влияние режима консолидации наноразмерных порошков на структуру и механические свойства AhO3-ZrO2(Y2O3) / Я.Г. Дятлова, С.С. Орданьян, А.С. Осмаков, В.И. Румянцев // Труды II Международной Самсоновской конференции «Материаловедение тугоплавких соединений». - Киев, 2010. - С. 178.

74. Ивенсен, В.А. Феноменология спекания и некоторые вопросы теории / В. А. Ивенсен. - Москва : Металлургия, 1985. - 246 с.

75. Скороход, В.В. Химические, диффузионные и реологические процессы в технологии порошковых материалов / В.В. Скороход, Ю.М. Солонин, И.В. Уварова. -Киев: Наукова думка. - 1990. - 159 с.

76. Мальцев, О.С. Эффективность применения пластин из керамических материалов / О.С. Мальцев, Т.И. Мамкин, А.Ф. Семкин // Технология и оборудование обработки металлов резанием. Отеч. опыт. - М.: ВНИИТЭМР, 1988. - Вып. 6. - С.5-8.

77. Производство и применение в промышленности режущего инструмента из керамики / В.И. Вепринцев, А.И. Власов, А.А. Максимов и др. // Сер. Производство твердых сплавов. - М.: ЦНИИ информации и техникоэкономических исследований в цветной металлургии. - 1978. - 31 с.

78. Rowcliffe, D.L. Hardness anisotropy, deformation and brittle-to-ductile transition in carbides / D.L. Rowcliffe, G.E. Hollox // J. Mat. Sci. - 1971. - V. 6, № 10. - P. 1270-1276.

79. Wills, R. Hot isostatic pressing con form ceramics / R. Wills // Industr. week. -1982. - V. 212.- № 2. - P. 29.

80. Yen, Him С. Consolidation of Si3N4 by hot isostatic pressing / Yen Him С, Sikora Paul. P. // Amer. Ceram. Soc. Bull. - 1979. - V. 58. - № 4.- P. 444-447.

81. Форостяный, А.В. Стабильность свойств режущей керамики оксидно-карбидного типа при различных режимах горячего прессования / А.В. Форостяный, А.И. Кулик // Тез. докл. XV Всесоюз. науч.-техн. конф. Киев: ИПМ АН УССР, 1985. - С. 364.

82. Kessel, H.U. Aspects concerning the super fast sintering of powder metallic and ceramic materials / H.U. Kessel, J. Hennicke // Interceram. - 2007. - 56. - Р. 164-166.

83. Hennicke, J. Field Assisted Sintering Technology („FAST") for the Consolidation of Innovative Materials / J. Hennicke, H.U. Kessel // CFI/Ber.DKG. - 2004. - 81.- Р.14-16.

84.: Nygren, M. Novel assemblies via spark plasma sintering / M. Nygren, Z. Shen // Silic. Ind. Spec. - 2004. -V. 69. - Р. 211- 218.

85. Shen, Z. Spark plasma sintering of ceramics with tailored microstructures / Z. Shen, M. Nygren // Seminar IKTS Dresden, 2004. - Р. 719-724.

86. Basu, B. Development of nanocrystalline wear-resistant Y-TZP ceramics / B. Basu, J.H. Lee, D.Y. Kim // Journal of the American Ceramic Society. - 2004, V. 87(9). - P. 17711774.

87. Unconventional Materials Processing Using Spark Plasma Sintering / A. Nisar, C. Zhang, B. Boesl, A. Agarwal // Ceramics/ - 2021, V. 4. - P. 20-39.

88. Hennicke, J. Field Assisted Sintering Technology ("FAST") for the consolidation of innovative materials / J. Hennicke, H.U. Kessel // CFI/Ber.DKG. - 2004. - 81. - Р. 14-16.

89. Sastry, K.Y. Effect of porosity on thermal conductivity of Al-Si-Fe-X alloy powder compacts / K.Y. Sastry, L. Froyen, J. Vleugels, E.H. Bentefour and C. Glorieux // International Journal of Thermophysics. - 2004. - 25. - Р. 1611-1622.

90. Болдин, М.С. Исследование кинетики электроимпульсного Плазменного спекания порошков Системы Al2O3/ZrO2/Ti(C,N) / М.С. Болдин, А.В. Нохрин, В.Н. Чувильдеев, Я.Г. Дятлова, В.И. Румянцев // Тезисы докладов международной конференции «Порошковая металлургия: современное состояние и будущее». - Киев. -2014. - С. 65

91. Szutkowska, М. Properties of TiC and TiN Reinforced Alumina-Zirconia Composites Sintered with Spark Plasma Technique / M. Szutkowska, S.Cygan, M. Podsiadlo, J. Laszkiewicz-Lukasik, J. Cyboron, A. Kalinka // Metals. -2009. -9. - Р. 1220.

92. Wang, L. Novel Fabrication Route to AhO3-TiN Nanocomposites Via Spark Plasma Sintering // L. Wang, T.Wu, W. Jiang, J. Li, I. Chen // J. American Ceramic Society. -2006. - 89. - Р. 1540-1543.

93. Верещака, А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями / А.С. Верещака. - М.: Машиностроение, 1993. - 336 с.

94. Лоладзе, Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента / Т.Н. Лоладзе. - М.: Машиностроение, 1982. - 320 с.

95. Талантов, Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента / Н.В. Талантов. - М.: Машиностроение, 1992. - 240 с.

96. Макаров, А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов / А.Д. Макаров. -М.: Машиностроение, 1978. - 264 с.

97. Фадеев, B.C. Изнашивание и разрушение оксидной керамики при обработке конструкционных материалов // B.C. Фадеев, В.Н. Аникин, А.А. Максимов // Цветные металлы. - 1989. - № 9. - С. 97-100.

98. Остафьев, В.А. Расчет динамической прочности режущего инструмента // В.А. Остафьев. - М.: Машиностроение, 1979. - 168 с.

99. Остафьев, В.А. Изнашивание при ударе // В.Н. Виноградов, Г.М. Сорокин, А.Ю. Албагачиев. - М.: Машиностроение, 1982. - 192 с.

100. Синопальников, В.А. Изменение структуры и свойств режущей части инструментов из быстрорежущих сталей в процессе непрерывного точения / В.А. Синопальников, Л.С. Кремнев // Вестник машиностроения. - 1974. - № 5. - С. 63-67.

101. Физико-химические свойства окислов / Под ред. Г.В.Самсонова. - М.: Металлургия, 1978. - 471 с.

102. Баринов, СМ. Докритический рост трещины в хрупких материалах в условиях микрорастрескивания / С.М. Баринов, Ю.Л. Красулин // Проблемы прочности. 1982. - № 9. - С. 84-87.

103. Бакунов, B.C. К вопросу об анализе структуры керамики / B.C. Бакунов, А.В. Беляков // Известия РАН. Неорганические материалы. - 1996. - Т. 32, № 2. - С. 243-248.

104. Бакунов, B.C. Прочность и структура керамики / B.C. Бакунов, А.В. Беляков // Огнеупоры и техническая керамика. - 1998. - № 3. - С. 11-15.

105. Гнесин, Г.Г. Износостойкость керамических материалов на основе карбида и нитрида кремния / Г.Г. Гнесин // Порошковая металлургия. - 1993.- № 5. - С. 3-8.

106. Волков-Гусович, Т.Д. Взаимосвязь параметра сопротивления разрушению и критических величин разности температур для керамических материалов / Т.Д. Волков-Гусович, P.M. Янич // Огнеупоры и техническая керамика. - 1997. - № 2.- С. 22-24.

107. Абрайтис, Р.Й., Исследование теплопроводности конструкционных керамических материалов. Часть 1. Состояние исследований теплопроводности конструкционных керамических материалов / Р.Й. Абрайтис, А.К. Даргис, А.А. Русяцкас и др. // Огнеупоры и техническая керамика. - 1999. - № 8. - С. 22-29.

108. Писаренко, Г.С. Прочность материалов при высоких температурах / Г.С. Писаренко, В.П. Руденко, Г.П. Третьяченко и др. - Киев : Наукова думка, 1966. - 736 с.

109. Нотт, Дж. Ф. Основы механики разрушения / Дж. Ф. Нотт - М.: Металлургия, 1978. - 256 с.

110. Прикладные вопросы вязкости разрушения: Пер. с англ. под ред. Б.А. Дроздовского, Я.Б. Фридмана. - М.: Мир, 1968. - 552 с.

111. Hubner, H. Sub-critical crack extension and crack resistance in polycrystalline alumina / H. Hubner, W. Jillek // Journal of Materials Science. - 1977. - V. 12. - № 1. - P. 117-125.

112. Mah, Tai IL. Fracture toughness and strength of Si3N4 - TiC composites / Tai IL Mah, M.G. Mendiratta, H.A. Lipsitt // American Ceramic Society Bulletin. - 1981, V. 60, № 11. - P. 1229-1240.

113. Красулин, Ю.Л. Структура и разрушение материалов из порошков тугоплавких соединений / Ю.Л. Красулин, С.М. Баринов, B.C. Иванов. - М.: Наука, 1985. - 149 с.

114. Гнесин, Г.Г. Керамические инструментальные материалы / Г.Г. Гнесин, И.И. Осипова, Г.Д. Ронталь и др. - Киев: Техника, 1991. - 392 с.

115. Wear of advanced ceramics for tool materials / D'Errico G.E. et al. // Wear. - 1999. - V. 225, № 1. - P. 267-272.

116. Hsu, S.M. Wear prediction of ceramics / S.M. Hsu, Ming Shen // Wear. - 2004. -V. 256. - P. 867-878.

117. Luo, S.Y. Wear characteristics in turning high hardness alloy steel by ceramic and CBN tools / S.Y. Luo, Y.S. Liao, Y.Y. Tsai // Journal of Materials Processing Technology. -1999. - V. 88. - P. 114-121.

118. Sarcar, D. Nanostructured AbO3 - ZrO2 composite synthesized by sol-gel technique: powder processing and microstructure / D. Sarcar, D. Mohapatra // Journal of material science. - 2007. - V. 42, № 5. - Р. 470.

119. Дудник, Е.В. Синтез и свойства нанокристаллического порошка состава 90 мас. % ZrO2(Y2O3,CeO2) - 10 мас. % AI2O3 / Дудник Е.В., Шевченко А.В., Рубан А.К. // Неорганические материалы. - 2008. - Т. 44, № 4. - С. 477-481.

120. Зубехин, А.П. Физико-химические методы исследования тугоплавких неметаллических и силикатных материалов: учебное пособие / А.П. Зубехин, В.И. Страхов, В.Г. Чеховский. - Санкт-Петербург: Издательская компания "Синтез", 1995. -189 с.

121. Камаев, Д.Н. Исследование системы AhO3-ZrO2 при высоких температурах / Д.Н. Камаев, С.А. Арчугов, Г.Г. Михайлов // ЖПХ. - 2005. - Т. 78, № 3. - С. 353-356.

122. Орданьян, С.С. Эвтектики в системах с участием тугоплавких соединений и их модели спеченные композиции / С.С. Орданьян, В.И. Унрод // Новые огнеупоры. 2005. - № 7. - С. 42-48.

123. Кораблева, Н.Ю. Структура и свойства керамики в системе AbO3-ZrO2, полученной с использованием импортных порошков / Н.Ю. Кораблева, Н.В. Белых, В.И.

Румянцев, Я.Г. Дятлова, С.С. Орданьян // Огнеупоры и техническая керамика. - 2008. -№ 10. - С.12-17.

124. Синтез высокодисперсного тугоплавкого оксида циркония-гафния-иттрия с использованием золь-гель техники / В.Г. Севастьянов, Е.П. Симоненко, Н.П. Симоненко, Н.Т. Кузнецов // Журнал неорганической химии. - 2012. - Т. 57, № 3. - С. 355-361

125. Подзорова, Л.И. Прочностные свойства керамики на основе АЬОз и t-ZrO2 при смене матрицы / Л.И. Подзорова, А.А. Ильичева, Н.А. Михайлина, О.И. Пенькова, Л.И. Шворнева, Г.В. Таланова // Огнеупоры и техническая керамика. - 2007. - № 2.- С. 6-9.

126. А. с. СССР 1096915. Способ получения порошков плавленых оксидных материалов / С.С. Семенов, И.Ю. Волкова, Л.В. Козловский, С.С. Орданьян // Бюллетень изобретений. - 1984. - № 5.

127. Дятлова, Я.Г. Керамические композиты АЬОэ - ZrO2(Y2O3) из наноразмерных порошков. Структурные изменения и стабильность // Третий Международный конкурс научных работ молодых ученых в области нанотехнологий, 1 -3 ноября 2010, Москва. - 2010.

128. Dyatlova, Ya. Structure evolution in AbO3-ZrO2(Y2Os) ceramic composites during sintering / Ya. Dyatlova, S. Ordanyan, А. Osmakov, V. Pesin, V. Rumyantsev // Advances in Science and Technology (Proceedings of the 12th International Ceramics Congress, part of CIMTEC 2010, published on CD, ISBN 978-3-908158-61-5). - 2010. - V. 65. - P. 11-15.

129. Ingel, R.P. Lattice parameters and density for Y2O3-stabilized ZrO2 / R.P. Ingel, D. Lewis // Journal of American Ceramic Society. - 1986. -69. -Р. 325-332.

130. Дятлова, Я.Г. Керамика на основе системы AbO3-ZrO2 для режущего инструмента / Я.Г. Дятлова, С.С. Орданьян, В.И. Румянцев, В.Н. Фищев // Тезисы Международной конференции HighMatTech-2009. - Киев, 2009. - С. 260.

131. Дятлова, Я.Г. Структурные изменения в корундоциркониевых композитах при механических и гидротермальных воздействиях / Я.Г. Дятлова, С.С. Орданьян, А.С. Осмаков, В.А. Песин, В.И. Румянцев // Тезисы докладов Шестой Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий» (МЕЕ-2010). - Большая Ялта, Понизовка, Автономная республика Крым, 2010. - С. 229.

132. Дятлова, Я.Г. Влияние режима консолидации наноразмерных порошков на структуру и механические свойства AhO3-ZrO2(Y2O3) / Я.Г. Дятлова, С.С. Орданьян, А.С. Осмаков, В.И. Румянцев // Труды II-й Международной Самсоновской конференции «Материаловедение тугоплавких соединений». - Киев, 2010. - С. 178.

133. Дятлова, Я.Г. Синтез нанопорошков в системе AbO3-ZrO2-Y2O3, получение и характеризация керамики на их основе / Я.Г. Дятлова, С.С. Орданьян // Сборник тезисов научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки - 2011» Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). - СПб., 2011. - С. 48.

134. Дятлова, Я.Г. Использование метода магнитно-импульсного прессования нанопорошков AL2O3-Zr02(Y2O3) для получения керамики инструментального назначения / Я.Г. Дятлова, В.И. Румянцев, С.С. Орданьян, А.С. Осмаков, С.В. Заяц, В.В. Иванов, С.Н. Паранин // Тезисы докладов II Международной научно-технической конференции «Функциональные и конструкционные материалы». - Донецк, 2011. - С. 62.

135. Новая оксидно-нитридная минералокерамика и области ее применения. Метод. рекомендации. - Л.: НПО ВНИИАШ, 1985. - 41 с. ил.

136. Дятлова, Я.Г. Оксидно-карбонитридная керамика в системе AbO3-TiCN для режущего инструмента / Я.Г. Дятлова, В.И. Румянцев. // Международная научная конференция «Новые тенденции в керамике и стекле», посвященная памяти академика РАН Шевченко В. Я. - 29 сентября - 3 октября 2025 г. (г. Новочеркасск).

137. Дятлова, Я.Г. Перспективы получения сменных многогранных пластин методом SPS / Я.Г. Дятлова, В.И. Румянцев, С.С. Орданьян, А.С. Осмаков, Ю.С. Площанский // 10-й Международный Симпозиум по керамическим материалам и изделиям для энергетики и экологии. - 20-23 мая 2012 г. - г. Дрезден, Германия. - 1 с.

138. Dyatlova, Y. Processing of indexable faceted cutting inserts by promising SPS technique / Y. Dyatlova, S. Ordanyan, A. Osmakov, Y. Ploschansky, V. Rumyantsev // Program and Abstracts of the 10th International Symposium on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications. - Dresden, 2012. - С. 86.

139. Дятлова, Я.Г. Консолидированная керамика инструментального назначения на основе AbO3-TiCN // Сборник тезисов Второй научно-технической конференции

молодых ученых «Неделя науки - 2012» Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). - СПб., 2012.

140. Dyatlova, Ya. Consolidated Al2O3-TiCN-based ceramics for tool applications / Ya. Dyatlova, Yu. Ploschansky, S. Boykov, S. Ordanyan, V. Rumyantsev // Proceedings of the IV Nanotechnology International Forum Rusnanotech 2011, published on CD-ROM «Abstracts of the Rusnanotech participants and international competition of scientific papers in nanotechnology for young researches», ISBN 978-5-9902492-2-6, 26-28 October 2011, Moscow, Russia. - 2011.

141. Jayaseelan, D.D. Formation of Environmental Barrier Coating on SI3N4 by Gas-Pressure Sintering / D.D. Jayaseelan, S. Ueno, T. Ohji, S. Kanzaki // J. Am. Ceram. Soc. -2004. - 87. - Р. 159-161.

142. Дятлова, Я.Г. Керамика на основе системы AbO3-ZrO2-TiCN с добавками наноразмерных порошков / Я.Г. Дятлова, А.С. Осмаков, С.С. Орданьян, И.М. Гембицкая // Огнеупоры и техническая керамика. - 2013. - № 9. - С. 15-19.

143. Дятлова, Я.Г. Консолидация керамики с добавками наноразмерных порошков в системе AbO3-ZrO2(Y2Os)-TICN методами горячего прессования и SPS спекания / Я.Г. Дятлова, С.С. Орданьян // Материалы научной конференции, посвященной 185-й годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). - СПб., 2013 - С. 154-155.

144. Groza, J.R. Nanostructured bulk solids by field activated sintering / J.R. Groza, A. Zavaliangos // J. Review of Advanced Material Science. - 2003. - № 5. - Р. 24-33.

145. Ohji, T. Strengthening and Toughening Mechanisms of Ceramic Nanocomposites / T. Ohji, Y.K. Jeong, Y.H. Choa, K. Niihara // J. Am. Ceram. Soc. - 1998. - 60. Р. 1453-1460.

146. Дятлова, Я.Г. Новая режущая керамика в системе AbO3/ZrO2/Ti(C,N) / Я.Г. Дятлова, Н.Ю. Ковеленов, В.И. Румянцев, С.С. Орданьян // Металлообработка. - 2014, № 1.- С.31-35.

147. Dyatlova, Ya. Consolidated materials based on Al2O3-ZrO2-TiCN system for tool applications / Ya. Dyatlova, V. Rumyantsev, S. Ordanyan, S. Boykov // 1st International Conference on Nanomaterials: Application and Properties (NAP 2011). - 27th to 30th September 2011, Alushta, Crimea, Ukraine. - Sumy State University, Sumy, Ukraine. - 2011, v.21. - P. 9.

148. Bolotskikh, S. Optimization of design, processing, and cutting performance diagnostics of the cutting inserts based on ceramic composite materials / S. Bolotskikh, Ya. Diatlova, N. Kovelenov, S. Mikhailov // Proceedings of the 11th International Conference on High Speed Machining, published on CD, ISBN 978-80-904077-7-0. - 2014. - HSM2014-14055. September 11-12, 2014, Prague, Czech Republic.

149. Галицкий, Г.Е. Получение корундовой керамики с добавками соединений титана и марганца / Галицкий Г.Е., Андреева Н.А., Дятлова Я.Г., Пантелеев И.Б. // Известия СПбГТИ(ТУ). - 2025. - № 73 (99). - С. 12-20.

150. Gumbatalieva, E.E. Aspects of formation of hollow spherical ceramic products by centrifugal casting / E.E. Gumbatalieva, Ya. G. Dyatlova // Refractories and Industrial Ceramics. - 2023. - V. 63, №. 5. - P. 507-511.

151. Dyatlova, Ya. Al2O3-ZrO2-TiCN-based tool ceramics / Ya. Dyatlova, S. Agafonov, S. Boykov, S.S. Ordanyan, V.I. Rumyantsev // Conference program, Abstract book of the International Conference on Sintering-2009. - Kiev, 2009. - P. 56.

152. Dyatlova, Ya. G. Tool ceramics based on Al2O3-ZrO2-TiCN composite / Ya. G. Dyatlova, S. V. Agafonov, S. Yu. Boikov, S. S. Ordanian, V. I. Rumyantsev // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. - 2011. - V. 49, № 11-12. - Р. 675-681.

153. Патент № 2525538 Российская Федерация, МПК C04B 35/119 (2006.01), C04B 35/645 (2006.01), B82Y 30/00 (2011.01). Износостойкий композиционный керамический наноструктурированный материал и способ его получения : № 2013136730/03 : заявл. 02.08.2013 : опубл. 20.08.2014 / Дятлова Я.Г., Осмаков А.С., Орданьян С.С., Фищев В.Н. А.С. - 12 с.

российская федерация

(19)

ни

(11)

2 525 538(13) С1

о

оо о ю ю см ю см

а:

(51) МПК

С04В 35/119 (2006.01) С04В 35/645 (2006.01) В82У 30/00 (2011.01)

федеральная служба по интеллектуальной собственности

("2) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(21>(22) Заявка: 2013136730/03 , 02.08.2013

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 02.08.2013

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 02.08.2013

(45) Опубликовано: 20.08.2014 Бюл. № 23

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 7097255 А, 11.04.1995. Я и 2424088 С2, 20.07.2011. ви 63983 4 А, 30.12.1978. 1Р 2007-084352 А, 05.04.2007. \УО 1990/09969 А1, 07.09.1990

Адрес для переписки:

194156, Санкт-Петербург, пр. Энгельса, 27, а/я 52, ООО "Вириал"

(72) Автор(ы):

Дятлова Янина Геннадьевна (1Ш), Осмаков Андрей Сергеевич (Яи), Орданьян Сукяс Семенович (1Ш), Фищев Валентин Николаевич (1Ш)

(73) Патентообладатель(и):

Общество с ограниченной ответственностью "Вириал" (1Ш)

со

(54) ИЗНОСОСТОЙКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЙ 00 МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области технической керамики, в частности к износостойкому композиционному керамическому

ианоструктурированному материалу на основе оксида алюминия, который может быть использован для изготовления режущего инструмента и износостойких деталей для машиностроения. Предложенный керамический материал на основе оксида алюминия с объёмным содержанием компонентов: АЬОз 63-82%, ТСЫ 16-34%, ТлО2 2-3%, содержит фазу карбонитрида титана Т1СЫ на границах зерен оксида алюминия и наноразмерпые частицы диоксида циркония внутри зерен оксида алюминия. Фаза карбонитрида титана представлена

наноразмерпыми частицами и частицами субмикронного размера. Дополнительно

наноразмерные частицы ЛСК и ТхОт. присутствуют на границах зерен оксида алюминия и частиц фазы ТКГЫ субмикронного размера. Предложенный способ получения керамического материала, включает стадии помола, смешения компонентов после помола и спекания полученной смеси, причём скорость нагрева смеси до температуры спекания поддерживают постоянной в диапазоне 50-400 град/мин, а спекание осуществляют при температурах от 1450 до 1600°С, при воздействии электрических и/или электромагнитных полей под давлением. Технический результат изобретения - высокие показатели прочности, твердости,

износостойкости материала, в том числе при повышенных температурах. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 11 пр., 2 табл., 1 ил.

Стр.: 1

ООО «Вириал»

УТВЕРЖДАЮ

КОНФИДЕНЦИАЛЬНО

Генеральный директор ООО «Шфиал»

/ [Я, В.И. Румянцев

«30» II ¿к. 2010 г.

Разовый технологический регламент на производство керамических заготовок неперетачиваемых сменных пластин на основе наноразмерных композиционных порошков в системе А120з-2г02-¥20з

ВРЛ000026Р-10

Срок действия регламента до « » 'А 2015 г.

УТВЕРЖДАЮ

Акт испытания

токарных керамических пластин производства ООО «Вириал»(РФ)

В июне 2018г. вЦШиП ИШЗ были проведены испытания токарных керамических пластин ТЫвЫ 160408-Т02020 материал УСБ45 и TNGN 160408-Т02020 материал УСБЗО на токарно-винторезном станке ГС526У инвентарный номер №4251455. Всего на опробование поставлено 3 шт. вышеуказанных пластин (1М}Ы 160408-Т02020 материал УСБ45 -1шт. и ТШИ 160408-Т02020 материал УСБЗО - 2шт.).

Были проведены испытания указанных токарных пластин на образцах из стали марки Р6М5 ( 0 36-045мм) с твердостью 56. ,62НЯС, обработка производилась без СОЖ, на следующих режимах резания: частота вращения детали п=1000 об/мин., подача 8=0,08 мм/об ., глубина резания 1=0,2-1мм.

Также были проведены испытания данных токарных пластин на образцах из стали XI2М (0 50мм) с твердостью 56НЯС. обработка производилась без СОЖ, на следующих режимах резания: частота вращения детали п=1000 об/мин., подача Б=0,08 мм/об., глубина резания 1=0,2-1мм.

Критерием выхода пластин из строя служили следующий фактор: не соответствие качества обработанной поверхности параметрам

конструкторской документации.

Обе пластины обрабатывают образцы удовлетворительно, однако качество обработанной поверхности после обработки пластинами ТЫОЫ 160408-Т02020 материал УС830 не соответствует требуемому в чертеже.

По результатам сделан вывод, что керамические пластины TNGN 160408-Т02020 УСЯ45 полностью соответств;

Начальник ТО ИШЗ

Начальник бюро ЦШиП

Зам. начальника ТО ИШЗ

нсп. Шуляк А.В т.91-35

Настоящие технические условия распространяются на изделия из инструментальных керамик (далее - изделия), предназначенные для обработки резанием различного вида чугунов, закаленных и жаропрочных сталей.

Изделия, в зависимости от метода их изготовления, выпускаются в следующем ассортименте:

- сменные многогранные пластины для токарной обработки (режущие пластины различных типоразмеров, устанавливаемые в державки станков);

- сменные многогранные пластины для фрезерной обработки (режущие пластины различных типоразмеров, устанавливаемые в державки станков).

Области применения изделий приведены в приложении А.

В конструкторской документации указывать ссылку в технических требованиях на данное ТУ:

Остальные технические требования по ТУ 1976- 023 -23042805-2012.

В конструкторской документации в графе «Материал» указывать марку материала и номер данного ТУ, например:

УСБ20 ТУ 1976- 023 -23042805-2012.

При заказе указывать код пластины согласно каталогу предприятия -изготовителя, например: Пластина Б^МЫ 120408-Т02020 УС845

$ N М N 12 04 08 - Т 020 20 УСБ45

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И

I

1. Форма пластины

2. Задний угол

3. Класс допуска

4. Конструктивные особенности пластины

5. Размер пластины

6. Рабочая толщина пластины

7. Форма вершины режущей кромки

8. Исполнение режущей кромки

9. Ширина фаски

10. Угол фаски

11. Марка инструментальной керамики

I

I

Иэн

Зам.

Лист

ВРМ057-21

№ докум.

Подп.

07.06.21

Дата

ТУ 1976-023-230^2805-2012

Лист

Копировал