Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Были сформулированы требования к геометрическим характеристикам сменных многогранных пластин (СМП), относящиеся к СМП формы SNGN090308T02020 (ГОСТ 25003–81). Были изготовлены экспериментальные образцы сменных многогранных пластин формы SNGN090308T02020 методами проволочно-вырезной электроэрозионной и финишной абразивной обработок из спеченных заготовок, полученных из трех разработанных материалов: 1) керамическая система 16,74 Al2O3–63,44 TiB2–19,82 TiC (мас.%), именуемая как АТВ-2024; 2) скорректированная система АТВ-2024 с металлической связки Ni и Mo, именуемая как ATB-2024-Ni-Mo-1; 3) уточненная система АТВ-2024 с металлической связки Ni и Mo, именуемая как ATB-2024-Ni-Mo-2. Были проведены комплексные эксплуатационные испытания СМП из смеси АТВ-2024 при точении закаленной стали ШХ15 при разных режимах обработки. Были исследованы характер и механизм изнашивания рабочих поверхностей. Для сравнения результатов испытаний всех образцов СМП проводились испытания СМП из режущей керамики Al2O3-Ti (C, N) на тех же материалах и режимах. На основе полученных результатов было решено упрочнять керамическую систему АТВ-2024 за счет введения в нее металлической связки. Был проведен аналитический обзор в области «Применения связующих к системе Al2O3-TiB2-TiC для повышения прочности режущей керамики» по более чем 40 источникам и установлено: 1) для системы АТВ-2024 наилучшая металлическая связка – смесь Ni и Mo в соотношении 60:40 мас.%, соответственно; 2) количество металлической связки не должно превышать 10 мас.% от сухого содержания системы АТВ-2024; 3) смесь Ni и Mo способствует образованию соединения интерметаллида Ni3Mo, который дополнительно повышает механические свойства (предел текучести, прочность на изгиб и твердость) системы АТВ-2024; 4) необходимо использовать процесс механического легирования на планетарной мельнице для равномерного введения и распределения Ni и Mo в системе АТВ-2024. В связи с введением металлической связки в систему АТВ-2024 «Технология подготовки порошковых шихт» была сначала скорректирована, а затем уточнена для достижения требуемых соотношений всех компонентов, а также для минимизации инородных примесей из-за загрязнения при подготовке порошковых шихт. Введенное уточнение «Технологии подготовки порошковых шихт» заключается в проведении перед операцией «мокрое измельчение и смешивание исходного порошка» двух дополнительных технологических операций: 1) «механического легирования» только металлических компонентов Ni и Mo в среде аргона с металлическими мелющими шарами при частоте вращения 450 об/мин стакан и 2) «измельчения частиц карбида титана (TiC) на аттриторе» в стакане из Al2O3 с мелющими шарами того же материала при частоте вращения 600 об/мин в течении 4 часов. Кроме того, была уточнена операция «мокрое измельчение и смешивание материалов», в которой порошок TiB2 засыпается совместно с механически легированным материалом Ni-Mo и измельченной на аттриторе смесью TiC-Al2O3 в полиэтиленовую тару. В связи с введением металлических элементов в систему АТВ-2024 были уточнены и технологические режимы гибридного искрового плазменного спекания (ГИПС) для новых материалов: температура спекания – 1400°С, механическое давление – 40 МПа, время выдержки – 5 мин. Новые образцы СМП из ATB-2024-Ni-Mo-1 и ATB-2024-Ni-Mo-2 были испытаны, в первую очередь при точении закаленной стали ШХ15. При этом, было установлено, что образцы СМП из ATB-2024-Ni-Mo-1 обладают самой низкой износостойкостью из всех образцов и сразу были исключены из дальнейших испытаний. С другой стороны, образцы из ATB-2024-Ni-Mo-2 показали схожую тенденцию и стойкость сравнимую со стойкостью коммерческого материала Al2O3-Ti (C, N) при разных режимах резания. Было установлено, что главный характер изнашивания образцов из ATB-2024-Ni-Mo-1 – механический износ в виде образования больших сколов как на передней, так и на задней поверхностях режущего инструмента. С другой стороны, образцы из ATB-2024-Ni-Mo-2 являются более устойчивыми к механическому износу, а на передней поверхности преобладают абразивный и адгезионный износы. У этих образцов наблюдается появление больших трещин в зоне лункообразования вблизи режущей кромки, а по задней поверхности наблюдались только абразивный и адгезионный износы. Образцы из ATB-2024-Ni-Mo-2 дополнительно испытаны при обработке закаленной инструментальной стали 12Х1МФ и жаростойкого чугуна ЧХ28. На основании полученных результатов было сделано следующее заключение: образцы СМП из ATB-2024-Ni-Mo-2 хорошо подходят для обработки материалов со свойствами схожими с закаленной сталью ШХ15 (σ0,2 - 1960-2200 МПа; σв - 2160-2550 МПа; HRC - 61-63; E – 211 ГПа) при Vc – 120-150 м/мин, s – 0.075-0.1 мм/об, t – 0.05-0.2 мм. Кроме того, эта режущая керамика подходит и для обработки закаленной инструментальной стали 12Х1МФ (σ0,2 - 255 МПа; σв - 470 МПа; HB - 217; E – 175 ГПа) при Vc = 150 м/мин, s = 0.1 мм/об, t = 0.4 мм. Однако, данная режущая керамика не подходит для обработки материалов со свойствами схожими жаростойкому чугуну ЧХ28. Проведенный аналитический обзор в области «применения упрочняющих фаз для повышения прочности режущих керамик» показал, что фазы SiC, Cr3С2, VC и TiN предпочтительны для упрочнения керамических композиций, так как они больше всего вносят вклад в улучшение механических свойств материалов на основе TiB2, Al2O3 и TiC. Кроме того, были сформулированы требования к выбранным упрочняющим фазам. Проводился рентгенофазовый анализ упрочняющих фаз и полученных порошковых смесей ATBNM-2024-2- (SiC; Cr3С2; VC; TiN). Было установлено, что в них отсутствуют какие-либо другие примеси и/или фазы. Химический состав упрочняющих фаз и порошковых композиций показал, что элементы во всех материалах и композитах были равномерно распределены. Из полученных изображений видно, что в порошковых композициях ATBNM-2024-2- (SiC; Cr3С2; VC; TiN) обнаружены все основные элементы B, C, O, Al, Ti, Ni, Mo, помимо них обнаружены элементы введенных упрочняющих фаз и следы железа: N, Si, V, Cr, Fe. Дилатометрические исследования показали, что температура спекания керамических композиций ATBNM-2024-2- (SiC; Cr3С2; VC; TiN) соответствует значениям 1375°С, 1300°С, 1390°С и 1250°С, соответственно. Уточненная температура спекания для каждой композиции будет установлена после получения результатов исследования их механических свойств. Была разработана методика спекания порошковых керамических композиций на основе системы Al2O3-TiB2-TiC посредством ГИПС при различных его технологических параметрах. Методика полностью приведена в файле с дополнительными материалами. Была разработана методика изготовления экспериментальных образцов СМП методами проволочно-вырезной электроэрозионной и финишной абразивной обработок из новой режущей керамики, обладающей наилучшим комплексом свойств. Методика полностью приведена в файле с дополнительными материалами.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Изготовлены 4 различные порошковые шихты на основе разработанного композита ATB-2024-Ni-Mo-2 (далее именован ATBNM). Каждая шихта отличалась между собой включением одной упрочняющей фазы: SiC, Cr3С2, VC, TiN. Состав полученных порошковых шихт: ATBNM – 6,5 SiC (ATBNM-S); ATBNM – 2,5 Cr3С2 (ATBNM-C); ATBNM – 3,5 VC (ATBNM-V); ATBNM – 6 TiN (ATBNM-T). Из каждой порошковой шихты были спечены диски методом ГИПС на следующих технологических режимах: скорость нагрева – 100°С/мин, время выдержки – 5 минут, давление – 50 МПа и температура спекания 1450°С. Проведен комплекс исследований спеченных материалов ATBNM-S, ATBNM-C, ATBNM-V, ATBNM-T. Анализ физико-механических свойств спеченных образцов (относительной плотности, предела прочности на изгиб, твердости и трещиностойкости) позволил систематизировать их результаты и определить какой из изготовленных материалов обладает необходимыми характеристиками для их дальнейшего исследования. Установлено, что образцы ATBNM-S и ATBNM-V обладают достаточными характеристиками для их использования в качестве материала для режущего инструмента. Было предложено изучить еще один вариант состава, который включал в себя одновременную добавку SiC и VC (ATBNM – 6.5 SiC – 3.5 VC (ATBNM-SV), так как включение фаз SiC и VC по отдельности в систему ATBNM позволило улучшить его свойства. Анализ элементного состава образцов ATBNM-S, ATBNM-V показал равномерное распределение элементов. Однако, у ATBNM-SV были обнаружены агломераты Al2O3 в структуре. Исследование микроструктуры образца ATBNM-SV также показало присутствие дефектов в его структуре. На основе результатов, спеченные материалы ATBNM-S, ATBNM-V были выбраны для дальнейшего исследования и изготовления сменных многогранных пластин (СМП). Кроме того, режимы их спекания были уточнены: добавилась выдержка при температуре 700°С в течение 5 минут, а давление 50 МПа было приложено при достижении температуры 1450°С. Изготовлены СМП SNGN090308T02020 из ATBNM-S и ATBNM-V. Проведены стойкостные испытания изготовленных СМП при точении закаленной стали 4Х5МФС (51 HRC), а для сравнения результатов использовались СМП ATBNM и коммерческие Al2O3-Ti(C,N). Установлены рациональные режимы точения стали 4Х5МФС (51 HRC) для СМП из выбранных материалов с помощью робастного планирования экспериментов (метод Тагути) совместно с серым реляционным анализом (СРА). В качестве факторов эксперимента использовались: скорость резания (V, м/мин), подача (s, мм/об) и глубина резания (t, мм). Эксперименты по выявлению рациональных режимов резания проводились с использованием СМП ATBNM. СРА применялся для многоцелевой оптимизации параметров отклика эксперимента (шероховатости поверхности (Ra, мкм), износа инструмента (hз, мкм), времени изнашивания инструмента (t, сек) и объема снимаемого материала (ОСМ, мм3). Результаты СРА выявили следующие рациональные режимы: V – 100 м/мин, s – 0,15 мм/об, t – 1,2 мм. Далее, все СМП испытывались без смазочно-охлаждающих жидкостей и с использованием интервалов пути резания: 85, 170, 255, 340, 425, 850, и 1275 метров. Критерий износа (hз) был принят равным 0,4 мм. По итогам стойкостных испытаний было определено, что образцы СМП ATBNM-V не обладают достаточной стойкостью по сравнению с материалом ATBNM. СМП ATBNM-V достиг hз ≥ 0,4 мм спустя 418 м обработки, а СМП ATBNM достиг hз ≥ 0,4 мм при 580 м обработки. Этот результат показывает, что введение VC ухудшает исходный материал ATBNM. СМП ATBNM-S достиг hз ≥ 0,4 мм после 818 м обработки. Это в ~ 2 раза больше, чем ATBNM-V и в ~ 1,5 раза больше, чем ATBNM. Это показывает, что введение SiC улучшает эксплуатационные свойства материала ATBNM. СМП Al2O3-Ti(C,N) достиг hз ≥ 0,4 после 837 м обработки. Это значение очень близкое к результату СМП из ATBNM-S и указывает, на перспективность последнего. Установлено, что у СМП ATBNM-V и ATBNM происходит повышенное разрушение их поверхностей в следствии присутствия нескольких механизмов разрушения. У СМП ATBNM-V механический износ внес наибольший вклад в его разрушение в виде образования больших сколов, а адгезионный износ имел место в формировании лунок и канавок в зоне выхода стружки. В зоне абразивного износа на задней поверхности наблюдаются большие трещины, которые являются очагами для последующей механической деградации СМП. Абразивный износ внес большой вклад в деградацию СМП ATBNM в виде образовавшейся лунки. Детальный анализ показал, что образование лунки связано с локальным механическим разрушением совместно с адгезионным износом. Однако, в отличии от образца ATBNM-V, это разрушение происходит менее выраженно. Характер износа СМП ATBNM-S – абразивный и адгезионный, из-за которых образуются в основном небольшие лунки на передней поверхности. На задней поверхности образца присутствует зона с классическим абразивным износом. Из этого можно заключить, что введение SiC в ATBNM упрочняет его и увеличивает срок службы, поэтому этот инструмент проработал больше, по сравнению с СМП ATBNM-V и ATBNM. Характер износа СМП Al2O3-Ti(C,N) включает в себя механический износ в виде больших сколов (что не наблюдалось в образце ATBNM-S), а также абразивный износ в виде образовавшихся лунок. На задней поверхности наблюдается следующий характер износа: образование большого скола от механического разрушения и лунки от совместных абразивного и адгезионного износов. Визуально СМП Al2O3-Ti(C,N) выглядят более изношенными, чем СМП ATBNM-S, но, несмотря на это, СМП Al2O3-Ti(C,N) проработали дольше, чем СМП ATBNM-S. Несмотря на то, что критический износ СМП Al2O3-Ti(C,N) был достигнут спустя ~ 837 м, а износ СМП ATBNM-S спустя ~ 818 м, эта небольшая разница может свидетельствовать о большом потенциале нового материала. Различия между этими двумя материалами не такие значительные, их можно считать сопоставимыми, что является отличным показателем разработанного материала. Несмотря на эту разницу коммерческая пластина все же немного превосходит СМП ATBNM-S по результатам стойкостных испытаний. Коммерческая пластина, вероятно, имеет тщательно проработанную геометрию режущей кромки и допуски, что позволяет ей более эффективно управлять тепловыделением и снижать износ. Дальнейшая оптимизация геометрии СМП ATBNM-S, уточнение режимов обработки и/или нанесение покрытий позволит значительно увеличить ее стойкость. Кроме того, можно рассмотреть вариант замены металлической связки на керамическую из системы AlN-SiC, которая образует твердый раствор компонентов и обладает достаточно высокой твердостью (17,5 ГПа). Полученные результаты указывают на то, что у СМП ATBNM-S есть прочная основа для дальнейших НИОКР, а ее перспективы для коммерческого использования высоки. За отчетный период опубликованы 4 статьи, принято участие в 2 конференциях, поданы 2 заявки на изобретения, а также разработана одна методика. Была опубликована одна новостная статья по теме проекта: https://www.stankin.ru/news/v-stankine-idut-ispytaniya-instrumentov-novogo-klassa-rezhushchey-keramiki/