(nitridická) řezná keramika

Keramika

� Keramika spolu s dřevem, kostmi, kůží a kameny patřila mezi první
materiály, které pravěký člověk zpracovával.
� Chceme – li definovat pojem keramika, můžeme říci, že je to
materiál převážně krystalický, složený především z anorganických
sloučenin nekovového charakteru.
� Keramika má některé velmi dobré a v praxi využitelné vlastnosti.
� Většina keramik jsou výbornými izolátory (ale na druhé straně
vysokoteplotní supravodiče mají rovněž strukturu keramik).
� Mají poměrně malou hustotu (cihly ~ 2.10 3 kg.m -3 , beton ~ 3.10 3
kg.m -3 , ale hliník ~ 2,5.10 3 kg.m -3 a ocel ~ 7,8 .10 -3 kg.m -3 ) a patří
k vůbec nejtvrdším látkám.
� Jsou velmi dobrým konstrukčním materiálem ve stavebnictví
a ve strojírenství.
Zdroj: [1]
2 / 36

� Keramika má většinou vysoký bod tání a poměrně nízkou hustotu.
� Proto jsou předurčena pro využití v automobilovém, leteckém
a kosmickém průmyslu.
� Vyšší pracovní teplota spalovacího motoru totiž zvyšuje jeho
účinnost a nižší hmotnost motoru ještě dále tento trend podporuje.
Takové moderní motory, založené na bázi keramik Si 3N 4, SiC, Al 2O 3
a ZrO 2 mají navíc další výhodu – jsou otěruvzdorné [1].
� Keramika v automobilovém průmyslu – písty, ventily, stěny válců,
výfuková potrubí, izolátory v zapalovacích svíčkách (hlavními
matriály jsou korund (α - Al 2O 3), Si 3N 4 , SiC, částečně stabilizovaný
ZrO 2, thialit a perspektivně také sialony [2].
3 / 36

Keramika
�Výrobky tradiční keramiky jsou dobře známé a setkáváme se s nimi každodenně.
Jedná se především o následující sortiment: porcelánové předměty, obkládačky,
dlaždice, zdravotnická keramika, kamenina, tenkostěnné a silnostěnné cihlářské
výrobky atd. [2].
� Řezná keramika, keramická vlákna, šamot
� Biokeramika – se živou tkání nevyvolává zánětlivé reakce, je založena na
bázi oxidů α -Al 2 O 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , TiO 2 . Jedná se především o zubní
implantáty, klouby a kostní náhrady [2].
4 / 36

� Keramické materiály mají buď amorfní strukturu (skla na bázi
křemíku) nebo jsou krystalické.
� V krystalické keramice je buď tzv. stechiometrické zastoupení
složek (odpovídá zastoupení jednotlivých prvků v krystalické
mřížce), nebo častěji nestechiometrický obsah složek.
� Na rozdíl od kovů, kde je typická kovová vazba, jsou u keramiky
běžné vazby iontové (elektrická přitažlivost kationtů a aniontů),
případně vazby kovalentní.
� Typická vysoká pevnost a křehkost je dána právě krystalickou
mřížkou, která má odolnost vůči dislokačnímu pohybu.
Zdroj: [3]
5 / 36

Suroviny
� oxidy jako je oxid křemičitý, zvaný „silica“ (SiO 2 ), kysličník hlinitý
označovaný „alumina“ (Al 2 O 3 ) a zirkoničitý (ZrO 2 )
� Směsi oxidů jako je „mullite“ (3Al 2 O 3 +2SiO 2 ) a „spinel“
(MgO+Al 2 O 3 )
� karbidy jako je karbid křemíku (SiC), bóru (B 4 C) a titanu (TiC)
� nitridy jako je nitrid křemíku (Si 3 N 4 ) a bóru (BN)
� prvky jako je uhlík (C) a bór (B)
Zdroj: [3]
6 / 36

materiál
měrná
hmotnost
[kg/m 3 ]
bod tání
[ 0 C]
modul
pružnosti
[GPa]
Al 2 O 3 3900 2050 380
SiC 3200 – 420
Si 3 N 4 3100 – 310
Mullite 3200 1850 140
Zdroj: [3]
7 / 36

Řezná keramika
8 / 36

Zdroj: [4] 9 / 36

Požadavky kladené
na nástrojové materiály
� Vývoj a neustálé zlepšování vlastností řezné keramiky umožňuje
její všestranné využití jako řezného materiálu.
� Dominantní postavení v oblasti obrábění zaujímá celosvětově
slinutý karbid, a řezná keramika je nasazována pouze v oblastech,
kde nelze produktivně využít slinutý karbid [5].
� V dnešní době se klade největší důraz na zkracování výrobních
časů a zvyšující se jakost výrobků. Největší vliv na celkový výrobní
čas při obrábění mají řezné podmínky a samozřejmě jejich
zvyšováním se tento čas zkracuje. K tomu je třeba, aby řezný
materiál splňoval hlavní požadavky [6]:
b) odolnost proti opotřebení
c) houževnatost nástrojového materiálu
d) tvrdost za tepla
e) odolnost vůči tepelnému šoku
f) tepelná roztažnost
g) tepelná vodivost
10 / 36

� Brusný otěr
� Adhezní otěr
� Difúzní otěr
A) Odolnost proti opotřebení [6]
� Chemický otěr
Příčiny opotřebení řezných nástrojů
11 / 36

B) Houževnatost nástrojového materiálu [6]
� Z důvodu vyšších nároků na operace obrábění, vysoké řezné
rychlosti, obrábění tvrdých materiálů, přerušovaného řezu
atd. je snaha, aby houževnatost nástrojového materiálu byla
co nejvyšší, z důvodu porušení břitu nástroje křehkým lomem
atd, ale zároveň je potřeba, aby řezný materiál měl
dostatečnou tvrdost, která by zajišťovala odolnost proti
opotřebení.
� Tento problém částečně vyřešila depozice tenkých vrstev.
Depozicí zůstane jádro u určitých materiálu houževnaté a povrch
tvrdý a odolný proti jednotlivým druhům opotřebení.
12 / 36

Porovnání odolnosti proti opotřebení a houževnatosti řezných materiálu [6]. 13 / 36

C) Tvrdost za tepla
Během obráběcího procesu se téměř veškerá práce řezání transformuje
v teplo. Teplo řezného procesu, vzniklé při odebrání určitého množství
materiálu, je přibližně rovné práci řezného procesu. Vzniklé teplo výrazně
ovlivňuje řezný proces, protože:
• negativně působí na řezné vlastnosti nástroje
• ovlivňuje mechanické vlastnosti obráběného materiálu
• ovlivňuje pěchování a zpevňování obráběného materiálu
• ovlivňuje podmínky tření na čele i hřbetě nástroje
D) Odolnost vůči tepelnému šoku
Vyskytuje se při frézování nebo při jiném druhu přerušovaného řezu např.
soustružení nerotačních součástí.
I) Tepelná roztažnost
Tato vlastnost ovlivňuje budoucí přesnost obrobené plochy. Vysoká tepelná
roztažnost může způsobit vznik mikrotrhlin, které pak značně sníží trvanlivost
nástroje.
M) Tepelná vodivost
Zvláště při zvýšených pracovních podmínkách (řezná rychlost, posuv) může
docházet v oblasti špičky nástroje ke zvýšené koncentraci tepla. Důsledkem nízké
tepelné vodivosti nástrojového materiálu může dojít k rychlému plastickému
opotřebení břitu nástroje, které může dosáhnout až lavinového otěru.
Zdroj: [6]
14 / 36

Řezná keramika [5]
� Řezná keramika patří mezi anorganické, nekovové převážně
krystalické materiály.
� Přestože neexistuje normou stanovené rozdělení řezné
keramiky, lze ji podle chemického složení rozdělit na dva
základní typy:
� oxidickou a neoxidickou řeznou keramiku.
Řezná keramika
oxidická keramika nitridová keramika
čistá
polosměsná
směsná
99,5% Al 2 O 3
Si 3 N 4 , Si 3 N 4 + Y 2 O 3 , Si 3 N 4 + TiN
Al 2 O 3 + ZrO 2 , Al 2 O 3 + ZrO 2 + CoO
Al 2 O 3 + TiC, Al 2 O 3 + ZrO 2 + TiC, Al 2 O 3 + TiC + TiN
15 / 36

� Všechny druhy řezné keramiky mohou být vyztuženy pomocí
tenkých vláken submikronového průměru – whiskerů
(např. SiC), které značně zvyšují řezné vlastnosti.
� Řezná keramika je charakterizována [5]:
– nízkou měrnou hmotností
– vysokou tvrdostí i za vysokých teplot
– tepelnou odolností
– chemickou stálostí
– odolností proti opotřebení
které zaručují při správném použití vysokou trvanlivost břitu
nástroje i při vysokých řezných rychlostech.
16 / 36

Zdroj: [4] 17 / 36

Mechanické vlastnosti jsou z hlediska struktury
ovlivněny zejména [6] :
� charakterem chemické vazby, která je převážně iontová nebo
kovalentní (na rozdíl od kovových materiálů, kde je vazba
kovová) a ovlivňuje tím výrazně pohyblivost dislokací a je
důsledkem křehkosti keramiky.
� složitá krystalická struktura v porovnání s kovovými materiály
� prostorové uspořádání částic různých tvarů, rozměrů, fází
� množství trhlin, defektů a pórů
18 / 36

Oxidická keramika [6]
� Čistá oxidická řezná keramika - s obsahem 99,5 % Al 2 O 3
vyznačuje se vysokou tvrdostí, otěruvzdorností a výbornou
chemickou odolností a stabilitou při vysokých teplotách.
• Nízká odolnost proti mechanickému a tepelnému rázovému
zatížení a ohybové pevnosti a je vhodná jen pro operace
jemného dokončování.
� Polosměsná oxidická keramika - s obsahem ZrO 2 15-20 %, může
obsahovat i jiné složky např. CoO. Oproti čisté keramice má vyšší
pevnost. Přísada ZrO 2 a zdokonalení technologie výroby snižuje
náchylnost proti lomu a zvyšuje houževnatost.
19 / 36

� Směsná oxidická keramika (CM) - s přísadami TiN, TiC je
charakterizována vyšší odolností proti tepelným rázům, kterou
zabezpečuje přísada TiC. Přísada TiN vylepšuje odolnost
proti tepelným rázům a zároveň zvyšuje pevnostní vlastnosti.
Dále tyto přísady zabezpečují stabilitu mechanických
vlastností při vysokých teplotách.
� Kompozitní oxidická keramika - zpevněná monokrystaly
křemíku SiC, tzv. whiskery v matrici Al 2 O 3 , která má
rovnoměrnou jemnozrnnou strukturu. Úlohou SiC vláken je
bránit šíření mikrotrhlin v základní matrici. Vlákna SiC mají
průměr 0,1-1 μm a délku 5 -100 μm, pevnost v tahu 7 GPa
a modul pružnosti 550 GPa a zvyšují tvrdost za tepla,
ohybovou pevnost.
20 / 36

Výroba oxidické keramiky [6]
� Postup výroby řezné keramiky je srovnatelný v dílčích oblastech
s výrobní technologií práškové metalurgie.
� Skládá se z těchto etap
• příprava hmoty přesného složení, tj. mletí surovin,
homogenizace, sušení atd.
• tvarování
• lisování
• finální opracování
� Technologický proces výroby oxidické keramiky může být dvojí:
� lisování za studena (proces podobný konvenční práškové
metalurgii)
� lisování za vysokých teplot (HP Hot Pressing) a izostatické
lisování za vysokých teplot (HIP Hot Isostatic Pressing)
� Lisování za studena se používá při výrobě čisté oxidické keramiky.
Polosměsná a směsná keramika se nejčastěji vyrábí lisováním
za tepla.
21 / 36

� Jemný prášek Al 2 O 3 se získává rozkladem hliníkových solí, nejčastěji
bauxitu a následným jemným mletím.
� Upravený prášek s aditivami pojiva je před lisováním předspékaný při
teplotě 1350-1520 °C.
� Lisování probíhá při tlaku 20 MPa a teplotách 1500-1700 °C. Proces
HIP probíhá při tlaku 160 MPa a teplotě 1450 °C.
� Směsná keramika se vyrábí smícháním jemného prášku Al 2O 3 s TiC,
TiN práškem a následným lisováním při teplotách 1500-1800 °C a tlaku
20-40 MPa.
� Konečný tvar získávají vyměnitelné břitové destičky řezáním, pokud
jsou polotovarem tyče a následným broušením a honováním, kdy jsou
vytvořeny typické úpravy řezné hrany, pro zvýšení pevnosti a odolnosti
proti vylamování břitu.
22 / 36

Neoxidická (nitridická) řezná keramika [6]
� Nitridická keramika na bázi nitridu křemíku Si 3 N 4 existuje ve dvou
modifikacích α a β. Modifikace α Si 3 N 4 je tvrdší než β Si 3 N 4 , ale
v porovnání s oxidickou keramikou má nižší tvrdost a vyšší pevnost,
tepelnou vodivost, dobrou houževnatost a odolnost proti tepelným
rázům.
Podle složení se nitridická řezná keramika dělí na:
� nitrid křemíku s různými přísadami např. MgO, Al 2 O 3 , Y 2 O 3
orientovaný na β- Si 3 N 4 tzv. sialon
� nitrid křemíku s přísadou TiN
� nitrid křemíku zpevněný tenkými vlákny SiC „whiskery“
23 / 36

Vlastnosti nitridické keramiky [6]
� Nitridická keramika se v porovnání s oxidickou keramikou
vyznačuje vyšší houževnatostí, pevností v ohybu, odolností
vůči cyklickému a tepelnému namáhání.
� Chemická stabilita a odolnost proti opotřebení je u nitridické
keramiky nižší, než u oxidické keramiky.
� Při vysokých teplotách má nitridická keramika určité přednosti:
� odolnost proti oxidaci
� mechanickou pevnost a chemickou odolnost
� vysokou tvrdost a odolnost proti tepelným šokům
Tyto vlastnosti zabezpečují dostatečnou pevnost řezné hrany
a zároveň odolnost proti náhlému porušení křehkým lomem
a umožňují tedy použití nitridické keramiky při dokončovacích
i hrubovacích operacích i v oblastech přerušovaného řezu
a s použitím řezné kapaliny. 24 / 36

� Nitridická keramika je vhodná k obrábění šedých litin,
tvárných litin, kalených ocelí, žáruvzdorných slitin, niklových
slitin typu Inconel a titanových slitin.
� Stejně jako i oxidické keramiky jsou řezné vlastnosti
zlepšovány tenkými vlákny SiC wiskery a aplikací tenkých
otěruvzdorných vrstev typu Al 2 O 3 nebo TiN.
� Z některých zdrojů je zřejmé, že tenká vrstva Al 2 O 3 má
zabránit difůznímu opotřebení a trvanlivost břitu zvyšuje, na
druhé straně je takový názor, že se tenká vrstva vlivem
vysokého mechanického a tepelného namáhání z vysoce
namáhaných míst řezné destičky „strhne“ a je tedy neúčinná.
25 / 36

Zdroj: [4]
26 / 36

Využití řezné keramiky
v oblasti obrábění [4]
� Řezná keramika patří do skupiny netradičních řezných
materiálů a její použití přestavuje cca 4–5 % z celkového
objemu řezných materiálů.
� Řezná keramika nemá nahradit doposud používané řezné
materiály, ale má rozšířit možnosti volby pro hospodárnější
úběr materiálu.
� Existují ale specifické oblasti průmyslu jako letecký, kosmický
a automobilový, kde je toto procento daleko vyšší a řezná
keramika zde přispěla k celkové intenzifikaci řezného procesu,
protože díky svým vlastnostem umožňuje dosahovat i řezných
rychlostí vyšších než 1000 m/min.
� Pro efektivní využití řezné keramiky jsou ale kladeny nároky
na dodržení určitých zásad popsaných výše. Většina druhů
řezných keramik má jen úzkou specifickou oblast využití.viz.
tab.
27 / 36

Druh řezné
keramiky
Al 2 O 3
Al 2 O 3 + ZrO 2
Al 2 O 3 + TiC
Al 2 O 3 +
whiskery SiC
keramiky na
bázi Si3N4 Zdroj: [4]
Charakteristické použití řezné
keramiky
obrábění šedé litiny a konstrukčních ocelí
nepřerušovaným řezem vysokými rychlostmi
za sucha
obrábění šedé, tvárné a temperované litiny,
konstrukčních i zušlechtěných ocelí za sucha
obrábění kalených ocelí a těžko obrobitelných
materiálů s částečně přerušovaným řezem za
sucha i s chlazením obrábění šedé litiny a
tvrzených litin
obrábění žáruvzdorných a žárupevných
materiálů a kalené oceli
obrábění všech druhů litin, slitin na bázi Ni za
sucha i s chlazením
Charakter řezu
dokončovací operace
střední a dokončovací
operace, částečně
přerušovaný řez
střední a dokončovací
operace včetně středního
a dokončovacího
frézování
hrubovací i dokončovací
operace při soustružení i
frézování
hrubovací i dokončovací
operace při soustružení i
frézování
28 / 36

Keramické
Keramick
whiskery
� Whiskery jsou monokrystalická krátká vlákna, kde je v maximální
míře využito pevnosti výchozí chemické sloučeniny.
� Jejich pevnost se blíží teoretické pevnosti materiálů, protože zde
prakticky neexistují poruchy krystalické mřížky a slabá místa na
hranicích krystalitů (typická pro polykrystalické systémy).
� Typický whisker má průměr několika µm a délku několika milimetrů.
Jejich poměr
AR = délka / průměr
se pohybuje od 50–10000.
� Hodí se speciálně jako zesílení do kompozitních struktur.
� Pro růst monokrystalů se používá techniky růstu z parní fáze.
Zdroj: [3]
29 / 36

Keramické Keramick whiskery
� Typická je příprava SiC whiskerů z odpadu po mletí rýže. Tento
odpad obsahuje celulózu a kysličník křemičitý ve vhodném poměru
pro přípravu SiC.
� Tato surovina se zahřívá bez přítomnosti kyslíku na teplotu cca
7000ºC a pak v atmosféře dusíku při 1500 –16 000º C. Vzniká
karbid křemíku jak ve formě částic, tak i whiskeru (AR≈75).
� Pro přípravu SiC whiskerů s délkou kolem 10 mm a tloušťkou 6 µm
se volí tzv. VSL metoda (vapour-liquid-solid).
� Používá se par jednotlivých.složek (SiO 2 a CO) ve vhodné
atmosféře (CH 4 ), které se rozpouštějí v kapalném katalyzátoru
(železná kapka) na přesycenou taveninu. Z ní vyrůstá monokrystal.
� Takto připravené whiskery mají průměrnou pevnost 8,6 GPa
a počáteční modul 581 GPa.
Zdroj: [3]
30 / 36

Keramické Keramick whiskery
� Existuje také řada možností jak připravit monokrystaly na bázi
Al 2 O 3 (safírové monokrystaly).
� Při použití metody EFG (edge defined film feed) se kapilárou
z molybdenu dodává roztavený Al 2 O 3 k mezipovrchu, kde roste
monokrystal. Na hraně kapiláry je vytvořen film roztavené
keramiky. Jak zárodečný krystal se používá zrno safíru.
� Tvar monokrystalu lze ovlivnit tvarem hrany a otvoru kapiláry.
Rychlost růstu mono krystalu je až 200 µm/min.
� Další možností je využití laseru k lokálnímu tání keramiky v místě,
kde se tvoří monokrystal.
Zdroj: [3]
31 / 36

Zdroj: [7]
32 / 36

Zdroj: [7]
33 / 36

Šamot
� Šamot je žáruvzdorná hmota, používaná pro vyzdívky kamen, pecí
a dalších výrobků a staveb, které musejí odolávat vysokému žáru.
� Vyrábí se z lupku. Dodává se ve formě cihel nebo malty.
� Moderní celolitinové krbové vložky mají topeniště vyložené 2-3 cm
vrstvou šamotu, což umožňuje docílit vysokou a stálou teplotu při
hoření. Ta je důležitá pro kvalitní spalován.
� Při vysokých teplotách totiž zůstává jen velice malé množství
nedopalků. Palivo je efektivněji využívané a úspora spotřeby činí až
75%.
� Účinnost spalování přesahuje 80% a obsah CO ve spalinách klesne
pod požadovaných 0,1%. Tím tyto šamotové celolitinové krbové
vložky splňují nejpřísnější ekologické normy.
� Šamot se také vyznačuje dlouhou životností a schopností
dlouhodobě odolávat teplotám do 1300 ºC má vynikající akumulační
a vyzařovací vlastnosti.
� Krbová vložka s šamotovým topeništěm má tedy delší životnost
a můžeme tedy poskytnout záruku podle typu od 7 do 10 let.
Zdroj: [8]
34 / 36

Vlastnost
Žáruvzdornost
Obsah Al 2 O 3
Objemová hmotnost
Pevnost v tlaku
Zdroj: [9] 35 / 36
Garanční hodnota
min. 1630°C
min. 30%
min.1850 kg/m 3
min. 15MPa

LITERATURA
[1] http://www.ped.muni.cz/wphy/FyzVla/FMkomplet3.htm
[2] Kratochvíl B., Švorčík V., Vojtěch D. Úvod do studia materiálů.
1. vydání. ISBN 80-7080-568-4. 2005.
[3] www.skripta.ft.tul.cz
[4] Česánek J.: Vývojové trendy a nasazení řezné keramiky.
[5] Matějka J., Kapinus. V., Česánek J.: Vliv přerušovaného
a nepřerušovaného řezu na řezivost řezné keramiky při obrábění
kalených ocelí.
[6] Matějka J.: Řezné materiály. KKS. ZČU Plzeň.
[7] Tomková B.: Vláknové kompozity. Vlastnosti vyztužujících vláken
I. Katedra textilních materiálů. www.ft.vslib.cz
[8] http://www.krby-blanzek.cz
[9] http://www.mkz.cz
36 / 36