Работоспособность композиционной керамики Y-TZP-Al2O3 при сухом высокоскоростном точении термически упрочнённой стали марки 40Х

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Анализ современных данных в области материаловедения и применения керамических режущих инструментов для механической обработки труднообрабатываемых сплавов на основе железа и никеля показал, что в весьма малом количестве представлены экспериментальные данные об использовании перспективной керамики Y-TPZ-Al2O3, в которой основой является субмикронный диоксид циркония, частично стабилизированный оксидом иттрия и армированный оксидом алюминия. Цель работы. Изучение поведения сменных режущих пластин формы RNGN 120400-01 из керамики Y-TZP-A12O3 в условиях сухого высокоскоростного (200 м/мин) резания стали 40Х (HRC 43–48). Методы исследования. Изучение исходных порошков, а также спечённой керамики до и после испытаний при резании выполняли с применением рентгенофлуоресцентного и рентгеноструктурного анализа, а также на сканирующем электронном микроскопе в режиме BSE. Физико-механические свойства спечённой керамики были определены с использованием метода гидростатического взвешивания, трёхточечного изгиба, а также при оценке микротвёрдости и трещиностойкости по Виккерсу. Испытания при резании проводили на токарном станке повышенной жёсткости в условиях производственного цеха при высокоскоростном сухом точении закаленной стали 40Х (HRC 43–48) в два этапа. На первом этапе испытаний были установлены границы допускаемого варьирования режимами резания (скорость резания и подача), а также проведено изучение особенностей изнашивания и разрушения рабочих площадок режущих пластин. На втором этапе использовали керамические режущие пластины со сформированной на кромке фаской. Результаты и обсуждение. Установлено, что для керамики Y-TZP-A12O3 режимы V > 200 м/мин; S > 0,4 мм/об; t > 0,2 мм являются нецелесообразным в виду кратковременной работы кромки режущей пластины, при этом необходимо обеспечивать принудительное притупление режущих кромок фаской. Наблюдаемый износ и анализ участков разрушения указывают на доминирующий механизм хрупкого усталостного разрушения, вызванного тепловым влиянием высокоскоростного трения в сочетании с касательными напряжениями от сходящей стружки. Сделан вывод, что керамическая композиция Y-TZP-Al2O3 является перспективным инструментальным материалом, предназначенным для сухого высокоскоростного точения как твёрдых сталей, так и, возможно, износостойких чугунов. На основании проведённых исследований и описанных наблюдений сформированы рекомендации по использованию керамики Y-TPZ-Al2O3 в дальнейших работах.

Об авторах

А. С. Бабаев

Email: temkams@mail.ru
канд. техн. наук, Национальный исследовательский Томский государственный университет, пр. Ленина, 36, г. Томск, 634050, Россия, temkams@mail.ru

Н. Л. Савченко

Email: savnick@ispms.tsc.ru
доктор техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия, savnick@ispms.tsc.ru

В. Н. Козлов

Email: kozlov-viktor@bk.ru
канд. техн. наук, доцент, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия, kozlov-viktor@bk.ru

А. Р. Семёнов

Email: asemenov2102@gmail.com
Национальный исследовательский Томский государственный университет, пр. Ленина, 36, г. Томск, 634050, Россия, asemenov2102@gmail.com

М. В. Григорьев

Email: mvgrigoriev@yandex.ru
канд. техн. наук, Национальный исследовательский Томский государственный университет, пр. Ленина, 36, г. Томск, 634050, Россия, mvgrigoriev@yandex.ru

Список литературы

  1. Basu B. Toughening of yttria-stabilised tetragonal zirconia ceramics // International Materials Reviews. – 2005. – Vol. 50 (4). – P. 239–256. – doi: 10.1179/174328005X41113.
  2. Patel H., Patil H. Tribological performance based machinability investigations of Al2O3-ZrO2 ceramic cutting tool in dry machining of Ti-6Al-4V alloy // Tribology International. – 2022. – Vol. 176. – P. 107776. – doi: 10.1016/j.triboint.2022.107776.
  3. Perry C., Liu D., Ingel R.P. Phase characterization of partially stabilized zirconia by Raman spectroscopy // Journal of the American Ceramic Society. – 1985. – Vol. 68 (8). – P. C-184–C-187. – doi: 10.1111/j.1151-2916.1985.tb10176.x.
  4. Nettleship I., Stevens R. Tetragonal zirconia polycrystal (TZP) – A review // International Journal of High Technology Ceramics. – 1987. – Vol. 3. – P. 1–32. – doi: 10.1016/0267-3762(87)90060-9.
  5. Production and characterization of ZrO2 ceramics and composites to be used for hip prosthesis / M. Arin, G. Goller, J. Vleugels, K. Vanmeensel // Journal of Materials Science. – 2008. – Vol. 43 (5). – P. 1599–1611. – doi: 10.1007/s10853-007-2343-x.
  6. Comparison of different 3Y-TZP substrates for the manufacture of all-ceramic micro end mills with respect to the cutting edge radius and the tool wear / T. Mayer, S. Kieren-Ehses, B. Kirsch, J.C. Aurich // Manufacturing Letters. – 2023. – Vol. 38. – P. 44–46. – doi: 10.1016/j.mfglet.2023.09.001.
  7. Новая режущая керамика в системе Al2O3–ZrО2(Y2O3)–Ti(C,N) / Я.Г. Дятлова, Н.Ю. Ковеленов, В.И. Румянцев, С.С. Орданьян // Металообработка. – 2014. – № 1 (79). – C. 32–36.
  8. Senthil Kumar A., Raja Durai A., Sornakumar T. Machinability of hardened steel using alumina based ceramic cutting tools // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2003. – Vol. 21 (3–4). – P. 109–117. – doi: 10.1016/S0263-4368(03)00004-0.
  9. A review on synthesis of zirconia toughened alumina (ZTA) for cutting tool applications / M.M. Basha, S.M. Basha, B.K. Singh, N. Mandal, M.R. Sankar // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 26, pt. 2. – P. 534–541. – doi: 10.1016/j.matpr.2019.12.134.
  10. Smuk B., Szutkowska M., Walter J. Alumina ceramics with partially stabilized zirconia for cutting tools // Journal of Materials Processing Technology. – 2003. – Vol. 133. – P. 195–198. – doi: 10.1016/S0924-0136(02)00232-7.
  11. Sustainability assessment of dry turning Ti-6Al-4V employing uncoated cemented carbide tools as clean manufacturing process / X. Liang, Z. Liu, W. Liu, X. Li // Journal of Cleaner Production. – 2019. – Vol. 214. – P. 279–289. – doi: 10.1016/j.jclepro.2018.12.196.
  12. Cutting performance and wear mechanism of zirconia toughened alumina ceramic cutting tools formed by vat photopolymerization-based 3D printing / W. Liu, H. Wu, Y. Xu, L. Lin, Y. Li, S. Wu // Ceramics International. – 2023. – Vol. 49 (14), pt. A. – P. 23238–23247. – doi: 10.1016/j.ceramint.2023.04.153.
  13. Optimizing woodcutting with zirconia-toughened alumina: processing, performance, and industrial insights / T. Thakur, S. Heinen, B. Ehrle, G. Blugan // Heliyon. – 2025. – Vol. 11 (2). – P. e41785. – doi: 10.1016/j.heliyon.2025.e41785.
  14. Cutting performance, failure mechanisms and tribological properties of MWCNT-reinforced ZTA-MgO ceramic inserts in high-speed machining of hardened AISI-4340 steel / P.K. Prajapati, C.O. Bapanapalle, P. Biswas, K. Kumar Sadhu, R. Ranjan Sahoo, N. Mandal // Diamond & Related Materials. – 2024. – Vol. 153. – P. 112094. – doi: 10.1016/j.diamond.2025.112094.
  15. Pressure-less sintering of molybdenum-reinforced ceramic cutting inserts with improved tool life / K. Ghosh, S. Goswami, P. Kumar Prajapati, P. Roy, N. Mandal // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2024. – Vol. 120. – P. 106619. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2024.106619.
  16. Performance evaluation of self lubricating CuO added ZTA ceramic inserts in dry turning application / B.K. Singh, S. Goswami, K. Ghosh, H. Roy, N. Mandal // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2021. – Vol. 98. – P. 105551. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2021.105551.
  17. Wang B., Liu Z. Influences of tool structure, tool material and tool wear on machined surface integrity during turning and milling of titanium and nickel alloys: a review // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 98 (5–8). – P. 1925–1975. – doi: 10.1007/s00170-018-2314-1.
  18. Wang Z.G., Wong Y.S., Rahman M. High-speed milling of titanium alloys using binderless CBN tools // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2005. – Vol. 45. – P. 105–114. – doi: 10.1016/j.ijmachtools.2004.06.021.
  19. Effects of cutting parameters on dry machining Ti-6Al-4V alloy with ultra-hard tools / F.J. Sun, S.G. Qu, Y.X. Pan, X.Q. Li, F.L. Li // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2015. – Vol. 79 (1–4). – P. 351–360. – doi: 10.1007/s00170-014-6717-3.
  20. Flash sintering incubation in Al2O3/TZP composites / E. Bichaud, J.M. Chaix, C. Carry, M. Kleitz, M.C. Steil // Journal of the European Ceramic Society. – 2015. – Vol. 35 (9). – P. 2587–2592. – doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.02.033.
  21. Muccillo R., Muccillo E.N.S. Electric field-assisted flash sintering of tin dioxide // Journal of the European Ceramic Society. – 2014. – Vol. 34 (4). – P. 915–923. – doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2013.09.017.
  22. Densification behaviour and microstructural development in undoped yttria prepared by flash-sintering / H. Yoshida, Y. Sakka, T. Yamamoto, J.-M. Lebrun, R. Raj // Journal of the European Ceramic Society. – 2014. – Vol. 34 (4). – P. 991–1000. – doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2013.10.031.
  23. Srdic V.V., Winterer M., Hahn H. Sintering behavior of nanocrystalline zirconia doped with alumina prepared by chemical vapor synthesis // Journal of the American Ceramic Society. – 2000. – Vol. 83. – P. 1853. – doi: 10.1111/j.1151-2916.2000.tb01481.x.
  24. Colloidal processing and superplastic properties of zirconia-and alumina-based nanocomposites / Y. Sakka, T.S. Suzuki, K. Morita, K. Nakano, K. Hiraga // Scripta Materialia. – 2001. – Vol. 44. – P. 2075. – doi: 10.1016/S1359-6462(01)00889-2.
  25. Rana R.P., Pratihar S.K., Bhattacharyya S. Powder processing and densification behaviour of alumina–high zirconia nanocomposites using chloride precursor // Journal of Materials Processing Technology. – 2007. – Vol. 190 (1–3). – P. 350–357. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2007.02.009.
  26. Research of contact stresses distribution on plunge-cutting into a steel workpiece / V. Kozlov, J.Y. Zhang, Y.B. Guo, S.K. Sabavath // Key Engineering Materials. – 2018. – Vol. 769. – P. 284–289. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.769.284' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.769.284.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».