Название: Износостойкие покрытия режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания - учебное пособие(Табаков, В. П.)

Жанр: Машиностроительный

Просмотров: 1365


2.1. структурные параметры и механические свойства однослойных покрытий

 

Покрытие

TiN

TiCN

TiZrN

TiZrCN

Фаза

Ti

Ti

Ti

Zr

Ti

Zr

Период

кристаллической решетки а, нм

 

 

0,4243

 

 

0,4292

 

 

0,4291

 

 

0,4570

 

 

0,4291

 

 

0,4587

Текстура J111/J200

50

44

67

101

118

186

Полуширина

рентгеновской линии β111, град

 

 

0,55

 

 

0,78

 

 

1,20

 

 

1,25

 

 

1,20

 

 

1,30

Остаточные

напряжения σ0,

МПа

 

 

–720

 

 

–2890

 

 

–2660

 

 

–3250

Коэффициент

отслоения Ко

 

0,8

 

1,5

 

1,2

 

1,7

Микротвердость

Hμ, ГПа

 

21,1

 

29,4

 

33,2

 

37,6

 

 

Исследованиями установлено, что разрушение покрытия на контактных площадках инструмента происходит в результате образования в них трещин. Первые мелкие трещины возникают на участке упругого контакта стружки с передней поверхностью на расстоянии примерно (0,5 – 0,6) от длины контакта стружки с передней поверхностью C. Параллельно образуется фаска износа на задней поверхности. По мере работы инструмента количество трещин увеличивается,  происходит  их  распространение,  как  в  сторону  режущей

 

 

кромки, так и от нее, и, таким образом, возникает сетка трещин (рис. 2.1,а). Дальнейшее увеличение времени работы инструмента ведет к образованию поперечных трещин, расположенных на участке пластического контакта параллельно режущей кромке (рис. 2.1,б), имеющих более значительные размеры. Рост количества поперечных трещин вдоль режущей кромки и мелких трещин   на   участке  упругого  контакта  приводит  сначала  к   скалыванию покрытия по краям трещин, а затем к ослаблению отдельных объемов покрытия и удалению их сходящей стружкой с обнажением инструментальной основы. В

дальнейшем образуется лунка износа по передней поверхности.

 

Рис. 2.1. Вид контактных площадок на передней поверхности пластин

с покрытием TiN на участках упругого (а) и пластического (б) контакта

 

Разрушение покрытий различного состава имеет одинаковый характер, однако динамика изнашивания зависит от его состава и режима резания. Для инструмента с покрытиями сложного состава характерна     меньшая интенсивность трещинообразования на контактных площадках за одно и тоже время работы инструмента.

Время начала образования трещин зависит как от состава покрытия, так и режима резания. Так при резании на скорости V = 210 м/мин и подаче S = 0,1 мм/об (рис. 2.2) время до образования трещин на участке упругого контакта составило  для  инструмента  с  покрытием  TiN  5,1  мин.  При  использовании

 

 

покрытий TiCN, TiZrN и TiZrCN оно увеличивается в 1,5, 2,0 и 1,9 раз соответственно. Снижение скорости резания V и подачи S ведет к повышению времени до образования трещин и уменьшению разницы в данном показателе

для инструментов с различными покрытиями.

 

Рис. 2.2. Влияние состава покрытия на время работы инструмента до образования трещин на участке упругого Т1 (а) и пластического Т2 (б) контакта стружки при точении заготовок из стали 30ХГСА: V = 210 м/мин, S = 0,1 мм/об;

1 – TiN; 2 – TiСN; 3 – TiZrN; 4 – TiZrCN

 

Образование сетки трещин на участке упругого контакта вызвано адгезионно-усталостными процессами. Для снижения интенсивности процесса образования и развития таких трещин покрытие должно иметь высокую прочность и трещиностойкость,  которая может быть обеспечена либо за счет высоких  остаточных  напряжений  в  покрытии,  либо  за  счет  его микрослоистости. Многоэлементные покрытия и одноэлементные на основе карбонитридов имеют большую микротвердость и более высокий уровень остаточных напряжений сжатия (табл. 2.1) по сравнению с одноэлементными покрытиями TiN, что позволяет им лучше сдерживает процессы образования и развития трещин.

На участке пластического контакта трещин имеют большие размеры и расположены они вдоль режущей кромки, перпендикулярно направлению схода стружки. Как видно из рис. 2.2,б, состав покрытия оказывает существенное

 

 

влияние на время до образования данных трещин. Наименьшее время характерно для инструмента с покрытием TiN. При нанесении покрытий TiCN, TiZrN и TiZrCN оно возрастает. При этом по увеличению времени до образования поперечных трещин покрытия выстраиваются в следующий ряд: TiN, TiCN, TiZrCN, TiZrN. На высокой скорости резания и малой подаче время работы инструмента до образования поперечных трещин по сравнению с покрытием TiN возросло для покрытия TiCN в 1,1 раза, а для TiZrN и TiZrCN – соответственно в 2,2 и 1,9 раза. Снижение скорости резания и подачи увеличивает время до образования трещин на участке пластического контакта, а разница по времени между покрытиями различного состава уменьшается.

Причиной образования поперечных трещин является упругопластическая деформация режущего клина инструмента в процессе резания. Нанесение одноэлементных покрытий, например TiN, ведет к уменьшению составляющих силы  резания.  При  этом  снижается  и  полная  длина  контакта  стружки  с передней  поверхностью  инструмента.  Это,  в  свою  очередь,  вызывает повышение нормальных контактных напряжений, снижение запаса пластической прочности и сопротивления режущего клина инструмента упругопластическим деформациям в процессе резания. Нанесение многоэлементных покрытий увеличивает полную длину контакта стружки C по сравнению с одноэлементными покрытиями. Тем самым уменьшаются нормальные контактные напряжения, незначительно повышается контактная температура на передней поверхности, максимальное значение которой сдвигается в сторону от режущей кромки в направлении движения стружки. Все это вместе взятое повышает запас пластической прочности режущего клина и сопротивляемость его упругопластическим деформациям. Подтверждением повышения формоустойчивости режущего клина инструмента при использовании покрытий многоэлементного типа является снижение величины опускания вершины режущего клина h  по сравнению с покрытием TiN (рис.

2.3). По увеличению величины опускания вершины режущего клина покрытия

можно расставить в следующий ряд: TiZrCN, TiZrN, TiN, TiCN.

Покрытие,  ослабленное  сеткой  трещин,  разрушается  и  уносится сходящей стружкой. На интенсивность процесса изнашивания и разрушения покрытия немаловажное влияние оказывает прочность его сцепления с инструментальной основой, характеризуемая коэффициентом отслоения Ко. Как видно из табл. 2.1, наименьшим коэффициентом Ко обладают покрытия на основе нитридов по отношению к карбонитридным (например, TiN и TiCN; TiZrN и TiZrCN), а также одноэлементные по отношению к многоэлементным (например,  TiN  и  TiZrN;  TiCN и  TiZrCN).  По  возрастанию  коэффициента

 

 

 

10  ------ ------           ------ -------.

 

MKM

 

I

hy   4

 

2

4

 

0

90        110      130      M/MHH           170

V -  ----

 

 
a)

 

MKM

 

2

 

0

0          0,15

 

0,3

s           -

6)

 

MM/06            0,6

 

 

Анализируя полученные результаты можно отметить следующее. Разрушение покрытия происходит в результате возникновения в них трещин, причиной образования которых являются упругопластические деформации режущего  клина  и  адгезионно-усталостные процессы, протекающие на передней поверхности инструмента. Динамика образования трещин зависит от состава покрытия и режима резания. Нанесение покрытий значительно снижает упругопластическую  деформацию  режущего  клина,  при  этом  в  большей степени это обеспечивают многоэлементные покрытия, для которых характерна наименьшая интенсивность процессов трещинообразования. Последнее связано с их высокими физико-механическими свойствами, уровнем сжимающих остаточных напряжений и микрослоистостью.

Исходя из вышесказанного, покрытия, работающие в условиях непрерывного резания, должны, в первую очередь, обеспечивать высокую сопротивляемость процессам образования и развития трещин, с другой стороны

– иметь высокую прочность сцепления с инструментальной основой. Высокая сопротивляемость материала покрытия процессам трещинообразования будет определяться условиями контактного взаимодействия, их высокой трещиностойкостью и уровнем сжимающих остаточных напряжений, а прочность сцепления – хорошей адгезионной связью на границе «покрытие – инструментальная основа».