ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
TOOL MATERIAL BASED ON ALUMINUM OXIDE AND METHOD FOR ITS PREPARATION

Группа изобретений относится к порошковой металлургии, в частности к получению инструментальных материалов на основе оксида алюминия, которые могут быть применены в механообработке конструкционных материалов для изготовления лезвийного инструмента. При своей относительно низкой стоимости по сравнению с инструментальными материалами на основе карбидов вольфрама, титана и тантала, они применяются в меньшей степени из-за пониженной прочности.
Из материалов на основе оксида алюминия можно выделить две основные группы, содержащие 100% оксида алюминия, например ЦМ-332, и менее 100% оксида алюминия, например В013, содержащая 99% оксида алюминия и до 1% оксида магния.
Все эти материалы получают по общей технологии, состоящей в изготовлении порошков измельчением исходного сырья, прессованием порошков и спеканием при температуре ≈ 1750 C°. Применение оксида магния позволяет замедлить рост зерен оксида алюминия в процессе спекания и повысить прочность по сравнению с материалом со 100% содержанием оксида алюминия (см. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение. 1975).
В качестве аналога заявляемого инструментального материала принят инструментальный материал на основе оксида алюминия (≈ 100% оксида алюминия) марки ЦМ-332, получаемый по описанной выше технологии. Этот инструментальный материал состоит из зерен в виде неправильных многогранников размером до 4 мкм, имеет высокую твердость (91 HRA) и пониженную прочность на изгиб (300-350 МПа).
В качестве прототипа принят материал на основе оксида алюминия, BO13, имеющий структуру зерен в виде неправильных многогранников с размером до 4 мкм, с содержанием оксида алюминия 99% и оксида магния 1%. Данный материал имеет высокую твердость (92 HRA) и прочность до 450 МПа (на 30% выше, чем у аналога) (см. Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др. Справочник. Конструкционные материалы, М. Машиностроение. 1990).
Структура инструментальных материалов на основе оксида алюминия состоит из зерен оксида алюминия в виде неправильных многогранников, а у инструментальных материалов на основе оксида алюминия с добавлением оксида магния зерна оксида алюминия в структуре частично отделены друг от друга прослойкой аморфной стекловидной фазы оксида магния (см. С.Н. Иванов, Е.Н. Хазанов, А.В. Таранов и др. Характер межзеренных границ и упругие свойства керметов, полученных на основе оксида алюминия и нержавеющей стали. Физика твердого тела. 2001, Том 43, вып. 4, Рис. 1а).
Главный недостаток инструментальных материалов на основе оксида алюминия (аналога и прототипа заявляемого инструментального материала) относительно невысокая их прочность на изгиб (до 450 МПа) по сравнению с инструментальными материалами на основе карбидов вольфрама, титана и тантала, у которых прочность на изгиб ≈ 1000 МПа (см. Г.И. Грановский, В.Г. Грановский, Резание металлов. М.: Высшая школа. 1985). Повышенная хрупкость инструментальных материалов на основе оксида алюминия определяется пониженной прочностью межзеренных границ оксида алюминия и межзеренной стекловидной фазы оксида магния, а также пониженной прочностью самих зерен оксида алюминия, получаемых механическим измельчением.
При механическом измельчении зерен оксидов, неизбежно каждая частица порошка, в будущем - зерна, будет содержать микротрещины и другие дефекты, по которым при приложении нагрузки будет происходить разрушение (см. Разрушение. Т. 6. Разрушение металлов. пер. с англ. под ред. Г. Либовиц. М.: Металлургия. 1976., Разрушение. Т.7. Разрушение неметаллов и композиционных материалов. пер. с англ. под ред. Г. Либовиц. М.: Мир. 1976).
В качестве аналога заявляемого способа принята типовая технология получения инструментальных материалов механическим измельчением (Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них: Учебное пособие для вузов / Панов B.C., Чувилин A.M. - М.: МИСИС, 2001. - 432 с.).
5
В качестве прототипа принят способ получения сферических зерен инструментальных материалов, состоящий в расплавлении исходного материала в тигле, вытеснение расплавленного материала из тигля под действием центробежных сил и разбрызгивание его в виде капель, которые под действием силы поверхностного натяжения приобретают сферическую форму и кристаллизуются в полете (Авторское св-во SU №503688, приор. 07.10.1974, опубл. 25.02.1976, МПК B23K 37/00, B22D 23/08).
При реализации заявляемой группы изобретений решается техническая проблема преодоления пониженной прочности и повышенной хрупкости инструментальных материалов на основе оксида алюминия.
Технический результат состоит в повышении прочности мелкозернистой структуры заявляемого инструментального материала за счет повышения прочности сферических зерен и межзеренных границ формообразуемых никелем.
Заявляемый инструментальный материал на основе оксида алюминия имеет структуру, состоящую из зерен оксида алюминия и прослойки материала между зернами. От прототипа материал отличается тем, что зерна оксида алюминия имеют сферическую форму размером от 0,01 до 0,4 мкм с прослойкой между зернами оксида в виде тонкой пленки никеля на поверхности каждого зерна оксида толщиной 0,1÷0,4 от наибольшего размера зерна.
Оптимальные размеры зерна и толщины связки определены по математическим моделям (см. Артамонов Е.В., Полигалова Т.Е., Тверяков A.M. и др. Механика разрушения и прочность сменных режущих пластин из твердого сплава. Тюмень. ТюмГНТУ. 2013).
От прототипа способ отличается тем, что получают зерна оксида алюминия сферической формы их конденсацией из паровой фазы оксида алюминия путем ее охлаждения потоком воздуха до температуры 1400-1300C°, а тонкую пленку никеля на поверхности зерен оксида алюминия получают конденсацией никеля из паровой фазы дальнейшим транспортированием зерен оксида алюминия потоком воздуха.
Таким образом, сущность заявляемого инструментального материала на основе оксида алюминия и способа его получения состоит в том, что зерна оксида алюминия имеют сферическую форму и их получают не механическим измельчением, а конденсацией из паровой фазы оксида алюминия, что исключает в получаемом нанопорошке оксида алюминия дефекты, неизбежные при механическом измельчении порошка. Прослойкой между зернами оксида алюминия в структуре материала, обеспечивающей более прочное соединение зерен оксида при спекании, является никель, который наносится в виде тонкой пленки 0,1÷0,4 от наибольшего размера зерна оксида алюминия до прессования и спекания из паровой фазы. Процесс нанесения тонкой пленки никеля на нанопорошок оксида алюминия происходит в транспортной струе воздуха (см. В.В. Осипов, В.В. Лисенков, B.В. Платонов и др. Журнал технической физики. 2014, т. 84, вып. 5., Рис. 5 и Рис. 6).
Технический результат базируется на следующем:
- сферические зерна оксидов, в том числе и оксида алюминия можно получить охлаждением и кристаллизацией их из паровой фазы с величиной зерна 10÷400 нм (0,01÷0,4 мкм) без дефектов строения (см. В.В. Осипов, В.В. Лисенков, В.В. Платонов и др. Журнал технической физики. 2014, т. 84, вып. 5);
- получение пленки никеля на зернах оксида алюминия происходит транспортированием охлажденных до температуры 1400÷1300°C зерен оксида алюминия через паровую фазу никеля.
Каждое зерно оксида алюминия сферической формы и покрытое слоем никеля при температуре 1300°C приобретает новые свойства из-за того, что коэффициент температурного расширения никеля значительно превышает коэффициент температурного расширения оксида алюминия (см. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С. Григорьева, Е.С. Мелихова. М.: Энергоатомиздат. 1991). Так при охлаждении каждое зерно сплава приобретает, по отношению действующих сил резания на материал инструмента, повышение прочности. Зерна оксида алюминия находятся в сжатом состоянии, а пленка никеля в растянутом состоянии (см. Артемонов Е.В., Полигалова Т.Е., Тверяков A.M. и др. Механика разрушения и прочность сменных режущих пластин из твердых сплавов. Тюмень. ТюмГНТУ. 2013). При действии сжимающих напряжений в режущем инструменте от сил резания прочность инструмента повышается на величину растягивающих напряжений в прослойке никеля, и из-за более высокой прочности никеля по отношению к стекловидной прослойке в прототипе.
Реализация заявляемой группы изобретений подтверждается изготовлением и испытанием опытной партии сплава на основе оксида алюминия, полученным по заявляемому способу. Результаты испытаний показали, что при той же твердости сплава что и прототипа - 92 HRA, прочность на растяжение составила 850÷870 МПа, что в 1,8 раза выше, чем у прототипа (450 МПа).