Резец из металлокерамики

В фантастических рассказах о космических путешествиях землян к далеким мирам нередко можно встретить описание звездолета — чуда техники, воплощенного в металле, со сверхпрочной титано-молибденовой броней, которой не страшны ни радиация, ни метеориты, ни чудовищные давления и температуры. Сразу хочется спросить: как же обрабатываются такие покрытия — сверлятся, режутся, формуются? Ведь для этого нужны инструменты еще более прочные и твердые.

Иллюстрация Владимира Камаева

Мы пока не строим звездолетов, но и для земных механизмов постоянно создаются новые синтетические материалы и металлические сплавы. А значит, нужны режущие инструменты, обладающие высокой твердостью, теплостойкостью, износостойкостью в условиях больших давлений и температур. До недавнего времени для изготовления режущих элементов применяли углеродистые легированные стали и абразивные материалы — электрокорунд, карбиды кремния и бора, алмазы. В середине XX века появились новые сплавы, получаемые методом порошковой металлургии. Их называют металлокерамическими, или просто металлокерамикой.

Обычно мы называем керамикой изделия из обожженной глины. Производство металлокерамики весьма напоминает гончарное дело, только вместо глины используют карбиды вольфрама (WC), титана (TiC) и тантала (TaC), растворенные в металлическом кобальте (Co), а обжиг происходит при температуре около 1000°C и называется спеканием. Эта процедура позволяет сплавить несплавляющиеся металлы и получить многокомпонентные смеси. Карбиды металлов сначала измельчают до крохотных шариков диаметром не более 10 микрон (это размер эритроцита или бактерии). Из порошка под давлением формуют заготовки в виде пластинок. Затем их спекают в вакуумных печах или в защитной атмосфере водорода или оксида углерода, чтобы не допустить окисления металлов. Порошковая заготовка превращается в прочный компактный материал, которым оснащают рабочую часть металлорежущего инструмента — всевозможных резцов, сверл, фрез. Металлокерамические инструменты отлично противостоят истиранию и сохраняют режущие свойства при нагреве до 1100°C. Скорость резания — в три-четыре раза выше, чем у стального инструмента. Металлокерамикой обрабатывают твердые чугуны, цветные металлы, коррозийно-стойкие, жаропрочные, закаленные стали, сплавы титана, а также неметаллические материалы — стекло, фарфор.

Изменяя состав металлических порошков, подвергающихся спеканию, можно получить металлокерамику с новыми уникальными свойствами. Например, пористую металлокерамику, обладающую повышенной устойчивостью при продолжительном трении. Такие материалы называются антифрикционными (от англ. friction — трение). За счет пористости они хорошо держат смазку, которая, постепенно выдавливаясь, смазывает трущиеся поверхности. При добавлении в порошок графита смазка не требуется совсем. Только металлокерамику можно применять в механизмах, где недопустимо использование обычных смазочных масел, скажем в пищевой промышленности. Металлокерамические подшипники, опорные шайбы и втулки обеспечивают надежность и долговечность узлов трения механизмов и с успехом заменяют дорогие бронзовые и латунные.

Если же в порошковую смесь добавить медь или железо, то металлокерамика станет фрикционным материалом, то есть будет сохранять заданный коэффициент трения при значительном выделении тепла. А это путь к новым достижениям в производстве тормозных систем автомобилей и самолетов. Температура поверхности трения авиационного тормоза достигает 1000°C — никакой другой материал не выдержит такого теплового удара. Металлокерамические накладки для сцеплений гоночных или тюнинговых автомобилей существенно увеличивают крутящий момент, передаваемый на коробку передач, и позволяют развивать огромную скорость на старте.

Металлокерамика используется в газовых турбинах, ракетных двигателях, атомных реакторах и всегда работает в тяжелых эксплуатационных режимах, выдерживая экстремальные механические и температурные нагрузки.

Теперь отвлечемся от техники и обратимся к человеку. Наверное, каждый, кто обращался к стоматологу-протезисту — а это не только люди старшего возраста, слышал термин «металлокерамика». Да и ослепительные улыбки кинозвезд «в 32 зуба» свидетельствуют о прогрессе современного материаловедения.

В ортопедической стоматологии металлокерамикой называют зубной протез, сделанный из металла с керамической облицовкой, который выглядит как настоящий здоровый зуб и даже лучше. Давайте посмотрим на него изнутри. Искусственный зуб — это металлический каркас-коронка толщиной не более 0,5 мм, покрытый трехслойной керамической массой. В качестве металла используются сплавы: золото-платиновый, никелевый, кобальто-хромовый, серебряно-палладиевый и другие. У каждого из них есть свои достоинства и недостатки. Сплавы с золотом лучше всех «садятся» на обработанный зуб и практически исключают возможность его повторного заболевания, но они дороги и имеют ограничение на размер протеза. Никелевые сплавы могут быть сильными аллергенами. Кобальтовые сплавы не токсичны, не вызывают аллергии, позволяют изготовлять мостовидные протезы больших размеров, но их биосовместимость с организмом человека хуже, чем у золота.

Керамическую массу наносят на металлический каркас послойно: внутренний, или грунтовый слой называется опак, основной — дентин и внешний — эмаль. Такая слоистая структура в точности соответствует твердой ткани настоящего живого зуба. Цвет эмали подбирают индивидуально по таблице расцветок. Каждый слой отдельно обжигают в вакуумной печи. В результате получается прочное покрытие с постоянным коэффициентом термического расширения, а значит, на больших протезах не будет трещин. Его коэффициент жесткости почти такой же, как у здоровых зубов, поэтому при жевании не страдают зубы, находящиеся напротив. Таким образом, металлокерамический зуб можно сделать точной копией утраченного, и он будет выглядеть естественно и красиво. Немаловажно и то, что металлокерамические зубы самые долговечные. Есть повод улыбаться!