ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
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.
Бабаев Артём Сергеевич
Савченко Николай Леонидович
Козлов Виктор Николаевич
Семёнов Артём Романович
Григорьев Михаил Владимирович
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/www.scientific.net/KEM.769.284.
Работа выполнена в рамках государственного задания № FSWM-2025-0010 «Физико-химические закономерности формирования структурно-фазового состояния и физико-механических свойств композиционных керамических материалов, стойких к интенсивным термомеханическим воздействиям и износу».
Работоспособность композиционной керамики Y-TZP-Al2O3 при сухом высокоскоростном точении термически упрочнённой стали марки 40Х / А.С. Бабаев, Н.Л. Савченко, В.Н. Козлов, А.Р. Семёнов, М.В. Григорьев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 2. – С. 159–173. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.2-159-173.
Babaev A.S., Savchenko N.L., Kozlov V.N., Semenov A.R., Grigoriev M.V. Performance of Y-TZP-Al2O3 composite ceramics in dry high-speed turning of thermally hardened steel 0.4 C-Cr (AISI 5135). Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2025, vol. 27, no. 2, pp. 159–173. DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.2-159-173. (In Russian).
