Новые сверхтвёрдые пластины из режущей керамики для оснащения инструмента и их применение

 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВЫЕ СВЕРХТВЁРДЫЕ ПЛАСТИНЫ  
ИЗ РЕЖУЩЕЙ КЕРАМИКИ ДЛЯ ОСНАЩЕНИЯ  
ИНСТРУМЕНТА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 621.785.53 
ББК 34.6 
Н76 
 
 
Авторы: 
Пучкин В. Н., Алиев М. М., Лебедев В. А., Корниенко В. Г.,  
Кащеева Т. В., Моисеев Д. В. 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой  
«Технология машиностроения» Липецкого государственного 
 технического университета  
Козлов Александр Михайлович; 
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры  
«Технология машиностроения» Донского государственного  
технического университета  
Бутенко Виктор Иванович 
 
 
 
 
 
 
Н76  
Новые сверхтвёрдые пластины из режущей керамики для оснащения инструмента и их применение : монография / [Пучкин В. Н. и др.]. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 296 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-2093-8 
 
Показано физико-химическое исследование структурно-механических особенностей 
поверхностно-модифицированных слоев пластин из режущей керамики, полученных 
насыщением азотом в герметичной муфельной печи при воздействии температуры и давления. 
Для инженеров, аспирантов и студентов технических вузов. 
 
УДК 621.785.53 
ББК 34.6 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2093-8 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ  
......................................................................................................... 7 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 8 
1. Физико-механические свойства, определяющие важнейшие  
свойства пластин из режущей керамики марки ОККРК-50 
.................................... 9 
1.1. Общие положения поверхностно-пластическому деформированию  
пластин из режущей керамики новой марки .......................................................... 23 
1.1.1. Теоретические выкладки по оптимальным режимам ППД ........................ 24  
1.1.2. Экспериментальные исследования по повышению стойкости 
и экологичности РИ при резании труднообрабатываемых  
сталей методом ППД 
................................................................................................. 30 
2. Влияния и последствия перегрева на физико-химические  
свойства режущей керамики и последствия при точении  
труднообрабатываемых сталей на токарно-винторезном станке с ЧПУ 
............. 41 
2.1. Влияния перегрева на физико-химические свойства пластин  
из режущей керамики  .............................................................................................. 42 
2.2. Роль легирующих элементов в процессах  
дисперсионного твердения (старения) пластин из  
режущей керамики при термическом насыщении азотом .................................... 52 
2.3. О распределении легирующих элементов  
между неметаллическими карбидными фазами в режущей 
 керамике, подвергнутой азотированию ................................................................. 61 
2.4. Промежуточные фазы в слоях режущей керамики,  
подвергнутой горячему азотированию  .................................................................. 70 
2.5. Влияние температуры при обработке  
труднообрабатываемых сталей, резцами, оснащёнными  
пластинами из режущей керамики .......................................................................... 78 
3. Разработка и изготовление режущих пластин из  
оксидно- кремниевой карбидной режущей керамики  
новой фракции, для оснащения режущего инструмента ...................................... 85 
4. Аномалии изменения ударной вязкости и пластичности  
при резании труднообрабатываемых сталей режущей  
керамикой ВОК-60 .................................................................................................. 102 
4.1. Аномалии ударной вязкости пластин из РК  
ОККРК-50 при обработке на токарно-винторезном станке 
с ЧПУ модели 16К20-Ф3 ........................................................................................ 102 
4.2. Исследование зависимостей изменения ударной вязкости 
пластин из РК ОККРК-50 ....................................................................................... 103 
4.3. Исследование аномалий, влияющих на падение ударной 
вязкости пластин из РК ОККРК-50 ....................................................................... 108 
4.4. Повышение эффективности и качества процесса 
выглаживания инструментом, оснащённым пластинами  
из режущей керамики.............................................................................................. 115 
3 

4.5. Особенности формирования поверхностного слоя  
при выглаживании инструментом, оснащённым режущей керамикой 
............. 118 
4.6. Исследования динамики процесса выглаживания  
инструментом, оснащённым режущей керамикой .............................................. 123 
4.7. Исследование механических свойств и технологии легирования  
режущей керамики при неполной прокаливаемости 
........................................... 128 
5. Методы повышения износостойкости режущей  
керамики при обработке труднообрабатываемых сталей ................................... 137 
5.1. Методы повышения стойкости пластин из режущей  
керамики 
................................................................................................................... 137 
5.2. Термомагнитный эффект при химико-термическом  
методе упрочнения азотом поверхностного слоя пластин из РК 
....................... 145 
5.3. Осаждение наноразмерных покрытий на пластинах из  
режущей керамики ОККРК-50 
............................................................................... 152 
5.4. Диффузионные процессы, возникающие в муфельной печи  
при азотировании режущей керамики .................................................................. 158 
5.5. Исследование температурной зависимости  
коэффициента диффузии РК ОККРК-50 
............................................................... 165 
5.6. Метод, осуществления измерения электропроводности  
и влияния её на работоспособность режущей керамики  
.................................... 169 
5.6.1. Структура поверхностных слоёв из режущей  
керамики и рабочей пары плунжер-цилиндр из материалов  
с эффектом памяти формы, методом магнетронного напыления,  
на диэлектрических подложках ............................................................................. 174 
5.7. Методы подхода к решению технологического  
процесса обработки отверстий свёрлами, оснащёнными  
пластинами из режущей керамики ОККРК-50 
..................................................... 184 
5.7.1. Исследование структурной основы пластин  
режущей керамики .................................................................................................. 190 
5.7.2. Исследование основы дополнительного легирования  
пластин из режущей керамики 
............................................................................... 192 
5.7.3. Исследование последствий дополнительного  
легирования пластин из режущей керамики ........................................................ 195 
5.7.4. Исследование гетерогенного структурного состава  
новой режущей керамики ОККРК-50 ................................................................... 198 
5.7.5. Технологии повышения износостойкости  
режущей керамики при резании труднообрабатываемых сталей ...................... 202 
5.7.6. Водородоустойчивые пластины из режущей керамики  
нового состава, применяющиеся для оснащения  
режущего инструмента ........................................................................................... 205 
5.7.7. Влияние карбида молибдена и оксида кобальта на 
режущие свойства инструмента, оснащённого пластинами  
из режущей керамики.............................................................................................. 209 
 
4 

5.7.8. Исследование пластин из режущей керамики на 
основе оксида кремния и карбидов, обладающие  
высокой прочностью и жаропрочностью ............................................................. 213 
5.7.9. Исследование анизотропности механических  
свойств режущей керамики .................................................................................... 217 
6. Влияние теплопроводного слоя на температурное 
удлинение резца, оснащённого режущей керамикой .......................................... 221 
6.1. Статистическая обработка результатов  
исследования температурного удлинения.  
Построение вариационного ряда данных ............................................................. 224 
6.2. Неметаллические фазы в режущей керамики ............................................... 225 
6.3. Твёрдые растворы в фазах, в пластинах из  
режущей керамики .................................................................................................. 228 
6.4. Исследование влияния легирующих элементов на 
физико-механические свойства режущей керамики 
нового химического состава 
................................................................................... 231 
6.5. Исследование путей предотвращения образования  
флокенов в режущей керамики 
.............................................................................. 233 
6.6. Разработка и расчет конструктивных элементов  
пресс-формы для прессования пластин из  
режущей керамики марки ОККРК-50 ................................................................... 236 
6.6.1. Разработка пресс-формы для прессования 
пластин из режущей керамики ОККРК-50 ........................................................... 236 
6.6.2. Расчет главных конструктивных элементов 
пресс-формы ............................................................................................................ 238 
6.6.3. Расчёт оформляющих размеров 
................................................................... 238 
6.6.4. Расчёт объёма и массы загружаемого материала....................................... 239 
6.6.5. Расчет обогрева пресс-формы 
...................................................................... 240 
6.6.6. Расчёт обогрева верхней плиты  .................................................................. 241 
6.6.7. Расчёт обогрева нижней плиты  
................................................................... 242 
6.6.8. Расчет режимов прессования ....................................................................... 243 
6.6.9. Методика разработки и проектирование муфельной печи  
для спекания пластин из режущей керамики ....................................................... 244 
6.6.10. Тепловой расчет муфельной печи  ............................................................ 245 
6.6.11. Расчет полезной мощности муфельной печи  .......................................... 247 
6.6.12. Определение установленной мощности  .................................................. 249 
6.6.13. Расчет тепловых потерь в муфельной печи  
............................................. 249 
6.6.14. Расчет футеровок муфельной печи  .......................................................... 250 
6.6.15. Расчет и конструирование нагревательных элементов  .......................... 253 
6.6.16. Конструирование металлических нагревателей ...................................... 253 
7. Исследование температурных характеристик  
твердых сплавов, режущей керамики при трении ............................................... 255 
7.1. Эволюция и устойчивость термодинамической системы 
трения при резании и производстве энтропии ..................................................... 259 
5 

7.2. Теоретические исследования характеристик  
изнашивания инструмента при трении и резании 
по титановому сплаву ВТЗ-1 
.................................................................................. 263 
8. Организация и экономическая эффективность внедрения режущего  
инструмента, оснащённого пластинами из режущей керамики 
......................... 269 
8.1. Определение календарной длительности и длительности  
в рабочих днях  ........................................................................................................ 271 
8.2. Построение сетевого графика  ........................................................................ 272 
8.3. Анализ и организация сетевого графика ....................................................... 273 
8.4. Экономическая эффективность внедрения  
режущего инструмента  .......................................................................................... 275 
8.5. Технологическая себестоимость единицы изделия ...................................... 276 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 284 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 288 
 
6 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Стратегическим направлением современного машиностроения является 
создание перспективных материалов и технологий специального назначения, к 
числу которых относятся сплавы из режущей керамики на основе оксиднокарбидной керамики и нитрида кремния. Уникальное сочетание функциональных свойств режущей керамики с высокими механическими характеристиками 
нашли широкое практическое применение при механической обработке конструкционных и высоколегированных аустенитных сталей на станках с ЧПУ.  
В машиностроении использование режущего инструмента, оснащённого 
режущей керамики, является экономически целесообразным. Значительное снижение стоимости при одновременном обеспечении функционально-механических 
свойств режущей керамики может быть достигнуто за счет формирования поверхностных наноструктурированных слоев методом химико-термической обработкой пластин азотом в герметичной муфельной печи.  
В проблеме получения наноструктурированных покрытий пластин есть 
свои существенные сложности как структурные, технологические, так и связанные с изменением функционально-механического поведения режущей керамики при обработке высоколегированных аустенитных сталей. Одним из перспективных методов обработки поверхности пластин из РК, как с точки зрения 
формирования требуемой структуры и свойств, так и специальных возможностей является химико-термическая обработка пластин азотом в герметичной 
муфельной печи.  
Поэтому интерес представляет физико-химическое исследование структурно-механических особенностей поверхностно-модифицированных слоев 
пластин из режущей керамики, полученных насыщением азотом в герметичной 
муфельной печи при воздействии температуры и давления. Монография написана для инженеров, аспирантов и студентов технических вузов. Материал изложен в русле системной методологии при определении рациональных режимов резания на станках с ЧПУ.  


7 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
 
       Наука состоит в отыскании общего. 
 
 
 
 
       Д.И. Менделеев 
 
 
Постоянное повышение требований к качеству изделий современного машиностроения заставляет более широко использовать конструкционные материалы, обладающие высокими эксплуатационными свойствами – жаропрочностью 
коррозионной стойкостью, значительной удельной прочностью, ударной вязкостью, а также другими специальными свойствами. 
Такие конструкционные материалы обладают низкой обрабатываемостью 
зависящей от особенностей их физико-механических и химических свойств, что 
существенно повышает износ режущих инструментов и приводит к снижению 
производительности и качества обработки. 
Актуальность проблемы повышения износостойкости режущих инструментов, особенно велика при широком использовании на станках с ЧПУ сборных инструментов. оснащённых сменными многогранными неперетачиваемыми 
пластинами из РК, подвергнутых химико-термической обработки.  
Значительный вклад в изучение физической сути сложнейших явлений 
при резании материалов внесли и отечественные, и зарубежные ученые. Наиболее интенсивно эти исследования проводились в XX столетии. В числе выдающихся ученых, посвятивших свою жизнь решению данной проблемы особые заслуги принадлежат таким ученым как А.А. Аваков, В.Ф. Бобров, Г.И. Грановский, А.Д. Макаров, М.Н. Клушин, Н.Н. Рыкалин, А.Н. Резников, Т.Н. Лоладзе, 
Э.И. Фельдштейн, П.И. Ящерицын, Н.В. Талантов, В.Н. Подураев, М.Ф. Полетика, В.А. Остафьев, С.С. Силин, А.С. Верещака, С.А. Васин, Н.С. Колев,  
А.А. Рыжкин, В.Ф. Безъязычный, В.К. Старков, В.Г. Грановский, Ф.Я. Якубов, 
Ю.Г. Кабалдин, В.Г. Солоненко, В.М. Ким и др. 
Наиболее перспективными при обработке на станках с ЧПУ в настоящее 
время являются сборные резцы с механическим креплением сменных многогранных пластин (СМП), устанавливаемые на опорные пластины (ОП). Однако 
низкая теплопроводность контакта между режущей и опорной пластиной приводит к нарушению теплового режима работы инструмента, повышению поверхностных и объемных температур и, как следствие – к снижению работоспособности инструмента и уменьшению точности, качества и производительности механической лезвийной обработки. 

8 

1. Физико-механические свойства, определяющие важнейшие свойства 
пластин из режущей керамики марки ОККРК-50 
 
Ключевые слова: ХРУПКОСТЬ, ВЯЗКОСТЬ, ПЛАСТИНА, РЕЖУЩАЯ 
КЕРАМИКА, ТЕМПЕРАТУРА, ФАЗА, ТВЁРДОСТЬ, СТОЙКОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, ГЕРМЕТИЧНАЯ МУФЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ, ЗАГОТОВКА, ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМАЯ СТАЛЬ. 
Физико-механические свойства, определяющие важнейшие свойства относятся только к пластинам из режущей керамики нового химического состава 
и стандартной РК выпускаемой нашей отечественной промышленностью.  
К стандартной режущей керамики относятся, в частности, и механические 
свойства, которым в последние соды начали придавать большое значение, так 
как большое количество инструментов, оснащённых пластинами из режущей 
керамики особенно стандартными, преждевременно выходит из строя из-за их 
поломки (слома пластин, скола и образования на них трещин), так как в стандартную режущую керамику не входят укрепляющие легирующие элементы и 
сплавы, такие как молибден, хром, никель. Особенность стандартной режущей 
керамики марок ВОК-60, ВОК-63, ВО-13, содержащих в составе, как правило 
до 60 % карбидов, после кратковременного отпуска, заключается в том, что они 
имеют низкое сопротивление отрыву и при жестких видах нагружения, например при резании труднообрабатываемых сталей марок 12Х18Н9Т и 14Х17Н2 и 
возникающих в процессе резания знакопеременных нагрузках, при этом пластины из РК разрушаются хрупко, без заметной пластической деформации. Но 
и при действии более незначительных сил резания несколько меньшую, роль 
играет хрупкая прочность, значение которой в известной степени может также 
характеризовать чувствительность к трещенообразованию на пластинах, при 
статическом нагружении. 
Очень важное значение, особенно для режущих инструментов, оснащённых пластинами из режущей керамики нового состава марки ОККРК-50 имеют 
пластичность и вязкость. Если эти свойства невысоки, то режущая кромка, чаще всего уже в начале резания, выкрашивается, и инструмент выходит из строя. 
Однако остаточная деформация в процессе резания для многих инструментов, 
оснащённых пластинами из режущей керамики нового состава марки ОККРК50, также недопустима. В этом случае роль фактора надежности, т. е. функцию, 
обычно выполняемую пластичностью и вязкостью, принимает на себя предел 
пропорциональности, который должен быть по возможности высоким. 
Предлагались различные методы определения пластичности и вязкости,  
в частности ударный изгиб пластин неразрушенных образцов. По-видимому, 
наиболее универсальным и удобным методам выявления влияния различных 
факторов является статический изгиб, тем более что он дает несколько характеристик, а ударный изгиб только одну. При этом у пластин из режущей керамики, предназначенных для оснащения инструментов, не допускающих остаточных деформаций, основными характеристиками будут предел пропорциональ9 

ности (и предел прочности), для других также пластический прогиб и составляющая работы разрушения при изгибе [см. 187–197]. 
Таким образом, можно ожидать, что влияние различных факторов на 
прочность пластин из режущей керамики, должно определяться общими закономерностями для сопротивления отрыву, которое в значительно большей степени, чем другие характеристики прочности, определяется непосредственно 
прочностью межатомной связи. Как было показано в [187–197] применительно 
к пластинам из режущей керамики нового состава, наименьшим сопротивлением отрыву и притом тем меньшим, чем больше в нем растворено углерода, обладает мартенсит, так как углерод уменьшает прочность межатомной связи в 
кристаллической решетке режущей керамики. Поэтому кратковременный отпуск пластин из режущей керамики сильно повышает сопротивление отрыву, 
но, начиная с интервала температуры 1200...1250 °С отпуска, оно снова понижается. Наконец, расположение низкопрочной фазы и уменьшение степени 
атомного порядка в граничном слое зерен сильно понижают сопротивление отрыву. 
Эти закономерности в основном подтверждаются и для пластин из режущей керамики нового состава марки ОККРК-50, прочность которой с повышением температуры отпуска до 800 °С сильно увеличивается, а начиная с температуры 1200...1250 °С понижается. Эта температура у легированной режущей 
керамики нового состава ОККРК-50 выше, так как в ней позже начинает сказываться фактор коагуляции и уменьшения суммарной протяженности граничных 
слоев. Пластичность же с повышением температуры отпуска, как и следует 
ожидать, все время увеличивается. 
Вследствие хрупкого в основном разрушения большое отрицательное 
влияние на механические свойства пластин из режущей керамики нового состава марки ОККРК-50 оказывает укрупнение зерна (см. рисунок 1.1) в случае даже небольшого ее перегрева при обработки труднообрабатываемых сталей марок 12Х18Н9Т и 14Х17Н2 с повышенными режимами резания (t = 0,8…1,5 мм;  
V = 150…175 м/мин; S = 0,14…0,28 мин-1).  
Отдых, т. е. вылеживание между нагревами инструмента, оснащённого 
пластин из режущей керамики нового состава марки ОККРК-50 на операции, 
при обработке труднообрабатываемых сталей марок 12Х18Н9Т и 14Х17Н2, 
значительно увеличивает сопротивление отрыву (что приводит к повышению 
одновременно прочности и пластичности) пластин, не влияя на их твердость, 
как это наблюдается также у легированной режущей керамики нового состава 
марки ОККРК-50 [см. 1, 2, 3, 4, 5]. С увеличением же скорости охлаждения при 
обработке деталей из труднообрабатываемых сталей марок 12Х18Н9Т и 
14Х17Н2 и с применением новой СОТС с присадками по патенту КубГТУ  
№ 2101333, со следующим массовым составом: муравьиная кислота 12…13 %; 
малеиновая кислота 8…9 %; фумаровая кислота 7…8 %; янтарная кислота  
8…9 %; фураноны 35…36 % – остальное вода, [193] прочность, наоборот, понижается. Как можно видеть из рисунка 1.1, укрупнения зерна, а также из [187–
197], между этими двумя явлениями имеется внутренняя связь. Чем больше 
10