Название: Износостойкие покрытия режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания - учебное пособие(Табаков, В. П.) Жанр: Машиностроительный Просмотров: 1377 |
1.2. направления совершенствования режущего инструмента с износостойкими покрытиями
В современном производстве к износостойким покрытиям режущего инструмента предъявляются повышенные требования, обусловленные комплексом факторов. Эти факторы связаны с совершенствованием свойств покрытий, композиции «покрытие – инструментальный материал» и оптимизацией условий работы режущего инструмента. Оптимизация условий использования инструмента связана со снижением процесса наростообразования и интенсивности адгезионно-усталостных процессов, повышением жесткости конструкции инструмента и станочного оборудования. Большое многообразие типов покрытий, наносимых на режущий инструмент, можно классифицировать по определенному набору свойств и функций, определяющих их служебное назначение: по составу покрытия и его строению (рис. 1.10) [39]. Рассматривают следующие направления совершенствования режущего инструмента с износостойкими покрытиями [2, 3]: разработка и совершенствование конструкций многослойных покрытий, совершенствование технологии нанесения покрытий и разработка новых составов покрытий. Многослойные покрытия характеризуются плавным переходом физико- механических и теплофизических свойств покрытий от инструментальной основы к верхнему граничному слою покрытия [1, 2, 13]. Подбирая свойства и толщину каждого слоя в зависимости от его функционального назначения можно более эффективно варьировать свойства всего покрытия в целом. Кроме того, создание многослойного покрытия обеспечивает повышение сопротивления его хрупкому разрушению при воздействии переменных термомеханических нагрузок. В работах [2, 4, 7, 40, 42] рассматриваются принципы построения многослойных покрытий. Отмечается, что покрытия должно состоять из следующих слоев: верхнего – твердого, износостойкого слоя, обладающего физико-химической пассивностью по отношению к обрабатываемому материалу и высокой термодинамической устойчивостью; нижнего – обладающего максимальной кристаллохимической совместимостью с материалом основы и обеспечивающего максимальную адгезию с поверхностью инструмента; промежуточных слоев – имеющих переменные свойства и обеспечивающих адгезионную связь между верхним и нижним слоями, а также обладающих барьерными функциями. В работах [43 – 47] обосновывается структурно-энергетический подход к формированию многослойного покрытия. Согласно этому положению при
Рис. 1.10. Обобщенная классификация износостойких покрытий для режущего инструмента [2]
нанесении покрытий необходимо основываться на компромиссе между прочностью сцепления покрытия с обрабатываемым материалом и с инструментальной основой, причем, первое должно быть значительно меньше. При конструировании многослойного покрытия верхние слои должны обладать более высокой термодинамической устойчивостью и энергоемкостью, чем нижние. Нижние слои должны иметь высокую адгезию с инструментальным материалом и верхними слоями покрытия. Поэтому предлагается наносить слоистые и композиционные многослойные покрытия из тугоплавких соединений, обладающих высокой термодинамической устойчивостью, а также вводить промежуточные слои из чистых металлов (Ti, Zr, Mo) для повышения адгезионной связи и увеличения трещиностойкости всего покрытия (за счет мягкого слоя, который заполняет межзеренные пространства и микротрещины
на поверхности инструментальной основы). Как отмечается в рассмотренных выше работах, сложные многослойные покрытия показывают высокую термостабильность состава и свойств, обладают более высокой микротвердостью, чем одноэлементные. Данные покрытия лучше сопротивляются разрушению, что обуславливается их гетерофазным строением и изменением свойств по сечению. На основе анализа результатов исследований контактных процессов и теплового состояния режущей части инструмента при различных методах обработки, а также экспериментально-теоретической оценки пластической прочности инструмента в работе [48] предложены принципы повышения долговечности износостойких покрытий. Они предусматривают увеличение пластической прочности и жесткости режущего клина инструмента за счет формирования износостойкого комплекса, состоящего из упрочняющего (термостабилизирующего) слоя, адгезионного подслоя и износостойкого покрытия. Каждый из элементов износостойкого комплекса выполняет строго регламентированные функции: упрочняющий слой способствует росту пластической прочности и жесткости режущего клина; износостойкое покрытие повышает износостойкость контактных площадок благодаря росту их твердости, физико-химической пассивности по отношению к обрабатываемому материалу и высокой термодинамической устойчивости; адгезионный подслой увеличивает прочность адгезионной связи износостойкого комплекса с инструментальной основой благодаря своей повышенной кристаллохимической совместимости с материалами упрочняющего слоя и износостойкого покрытия. Данная схема продолжает принципы, заложенные в более ранних работах [1, 2] и предлагает обобщенный подход к конструированию многослойного покрытия, не учитывая конкретного метода и характера обработки. Анализируя известные принципы формирования многослойного покрытия можно отметить, что все они построены на основе общих требований, предъявляемых к износостойким покрытиям. Накопленный опыт и ряд исследований [3] показывают, что эффективность одних и тех же покрытий на различных операциях механической обработки не одинакова. Следовательно, при конструировании многослойного покрытия, в первую очередь, необходимо учитывать условия процесса резания того или иного метода механической обработки, определяющего характер износа режущего инструмента и разрушения покрытия на его контактных площадках. Такой подход был использован в работах [4, 41] для разработки многослойных покрытий, предназначенных для условий прерывистого резания. На основе анализа теплового и напряженного состояния режущего клина инструмента, характера разрушения покрытия и изнашивания инструмента авторами были
сформулированы требования и принцип построения многослойного покрытия для торцовых фрез. В соответствии с предложенным принципом многослойное покрытие должно иметь минимум два слоя. Верхний слой должен обеспечивать наименьший уровень контактных температур и амплитуду их колебаний за рабочий цикл инструмента, а нижний – обладать высокими адгезионно- прочностными свойствами и иметь высокий уровень сжимающих напряжений. Разработанные на основе данного принципа многослойные покрытия показали высокую эффективность при фрезеровании конструкционных сталей по сравнению с однослойными покрытиями. При этом отступление от предложенного принципа при конструировании многослойного покрытия вело к повышению износа инструмента [4]. Для повышения прочности сцепления покрытия с инструментальной основой из быстрорежущей стали в работе [2] предложено создание между ними переходного адгезионного слоя, содержащего элементы материала покрытия. Нанесение таких покрытий уменьшает градиент напряжений на границе с инструментальной основой и повышает прочность сцепления покрытия, что способствует повышению работоспособности режущего инструмента. Применение комбинированного покрытия, состоящего из нижнего слоя TiC, получаемого методом химического осаждения, мягкого промежуточного слоя из Ti, Zr или Nb и верхнего из ZrN, осаждаемого методом КИБ, способствует повышению периода стойкости инструмента при фрезеровании углеродистой стали до 2,0 – 2,5 раз [50]. Выбор промежуточного слоя осуществляется в зависимости от его плотности и модуля упругости. Разработанные конструкции многослойных покрытий TiN-TiCN-TiN и TiZrCN-TiZrN, осажденные методом КИБ увеличивают период стойкости торцевых фрез с твердосплавными пластинами МК8 в 1,5 – 3,0 раза по сравнению с режущим инструментом с покрытием TiN при обработке заготовок из сталей 5ХНМ, 18Х18Н10Т и титанового сплава ВТ22 [4, 41, 51]. В работе [4] для повышения эффективности применения многослойных покрытий, используемых на операциях торцевого фрезерования, рекомендуется конструкция, содержащая промежуточный слой повышенной трещиностойкости. В качестве материала промежуточного слоя используется нитрид титана и циркония. Разработанные покрытия TiCN-TiZrN-TiN и TiN- TiZrN-TiN увеличивают период стойкости фрез в 1,6 – 4,7 раза при обработке заготовок из сталей 45 и 5ХНМ по сравнению с режущим инструментом с покрытием TiN. Применение многослойных композиционных покрытий позволяет использовать в качестве материалов покрытий весьма хрупкие и
кристаллохимически несовместимые с инструментальным материалом системы, обладающие наибольшей термодинамической устойчивостью. Такие системы (Al2O3, HfB2, NbB2, Si3N4) способны сохранять высокую твердость и инертность при повышенных температурах [21]. Другим направлением повышения работоспособности режущего инструмента с износостойкими покрытиями является совершенствование технологии нанесения покрытия. Структурно-фазовый состав покрытия и его свойства, а также эффективность работы инструмента с покрытием зависят от соотношения параметров вакуумно-дугового процесса нанесения износостойкого покрытия [1 – 3, 6, 13, 16, 32, 52, 53]. На работоспособность режущего инструмента с покрытием влияет физико-химическое состояние поверхности инструментальной основы в процессе нанесения покрытия, которое формируется на стадии ионной очистки [1, 3, 54, 55]. В работах [1, 3] исследовано влияние параметров очистки на повышение работоспособности режущего инструмента с покрытием. Отмечается увеличение средней прочности на (10 – 15)\% и снижение вариационных разбросов прочности на (40 – 80)\% [1]. Для ионной очистки рекомендуются катоды из титана и хрома. В то же время в работе [54] отмечается негативное влияние ионной бомбардировки, обусловленное образованием на поверхности подложки из твердого сплава хрупких интерметаллических соединений типа МеСоХ, где Ме – Ti, Cr, Mo, что приводит к снижению износостойкости режущего инструмента. Для устранения такого эффекта рекомендуется использовать катоды из никеля и железа, находящихся в одной группе таблицы периодической системы элементов с кобальтом. В работах [1, 2] рассматривается влияние основных технологических параметров процесса нанесения покрытий TiN, ZrN методом КИБ на скорость изнашивания инструмента из быстрорежущих сталей Р18, Р6М5К5, Р12Ф4К5 и твердых сплавов ВК6, Т5К10. Отмечается заметное влияние параметров процесса КИБ на относительный износ инструмента. Наибольшее влияние оказывают давление реакционного газа (азота) и напряжение на инструменте в процессе нанесения покрытия, в то время как сила тока дуги и время осаждения покрытия влияют неоднозначно. Отмечается, что для каждого типа покрытий необходимо проводить оптимизацию технологических параметров процесса. В работах [2, 3] рассмотрено влияние положения инструмента в камере установки в процессе нанесения покрытия на его структуру и работоспособность. Формирование слоистых структур при вращении упрочняемого инструмента в камере приводит к повышению его периода
стойкости вследствие лучшей сопротивляемости покрытий хрупкому разрушению. Влияние параметров процесса нанесения покрытий TiN и ZrN методом КИБ на их твердость рассматривается в работах [32, 39]. Отмечается максимальная твердость покрытия при стехиометрии состава, что достигается оптимизацией технологических параметров – давления реакционного газа, напряжения смещения, индукции магнитного поля и тока разряда. Влияние температуры конденсации в процессе нанесения покрытий рассматривается в работах [2, 3, 56]. В работе [3] предложен способ повышения работоспособности режущего инструмента путем нанесения покрытий в комбинированном температурном режиме. Температура нанесения покрытия влияет на его дефектность и, следовательно, на его прочность и твердость, а также на прочность адгезионной связи с инструментальной основой и уровень остаточных напряжений. Осаждение нижнего слоя покрытия при высокой температуре процесса способствует повышению прочности сцепления с инструментальной основой, а формирование верхнего слоя при более низкой температуре – повышению твердости и износостойкости покрытия. В работах [57, 58] рассматривается влияние сепарации плазменного потока на структуру, физико-механические характеристики и износостойкость покрытия TiN. Снижение содержания капельной фазы, улучшение структурных характеристик приводит к повышению износостойкости таких покрытий в 1,5 – 2 раза. Необходимым условием эффективного использования однослойных и многослойных покрытий является разработка новых износостойких материалов и оптимизация их составов в зависимости от свойств обрабатываемого материала и условий резания. Одним из путей повышения работоспособности режущего инструмента является изменение состава газовой смеси в процессе конденсации покрытия. В работах [3, 53, 59] рассматривается влияние ацетилена в составе газовой смеси при конденсации карбонитридных покрытий TiCN, TiZrCN, TiCrCN, TiMoCN на их свойства и работоспособность инструмента. Оптимальное содержание ацетилена позволяет повысить период стойкости режущего инструмента с карбонитридными покрытиями по сравнению с аналогичными нитридными покрытиями за счет изменения механических свойств. Так, период стойкости режущего инструмента с покрытием TiCN повысился в 2,2 раза по сравнению с покрытием TiN при точении заготовок из стали 30ХГСА. Максимальное увеличение периода стойкости режущего инструмента с покрытием соответствует содержанию ацетилена в газовой смеси (25 – 40)\%. Применение покрытий TiCN, нанесенных методом КИБ на быстрорежущий инструмент
позволяет увеличить его период стойкости по сравнению с покрытием TiN по мнению авторов [60, 61] за счет снижения трения и создания теплового барьера при нанесении карбонитридного покрытия. Большие возможности по изменению свойств покрытий появляются при модифицировании материала покрытий путем его легирования. Отмечается [2], что введение в покрытие NbN в качестве легирующего элемента Zr увеличивает термодинамическую устойчивость покрытия и его адгезионную прочность. В результате период стойкости инструмента из твердых сплавов и быстрорежущих сталей с данным покрытием повышается в 2 – 5 раз. В работе [62] сравнивали период стойкости режущего инструмента со сложными покрытиями TiZrN, TiNbN и ZrNbN с одноэлементными покрытиями TiN, NbN и ZrN. Применение покрытий сложного состава позволяет увеличить период стойкости твердосплавного и быстрорежущего инструмента дополнительно в 1,5 – 1,8 раза по сравнению с одноэлементными покрытиями. В мировой практике наибольшее распространение получили покрытия на основе модифицированного нитрида титана. При этом в качестве легирующих элементов используются цирконий, алюминий, молибден, хром, железо и кремний. Влияние легирующих элементов проявляется в улучшении физико- механических свойств покрытий, в изменении условий контактного взаимодействия покрытия с обрабатываемым материалом и прочности сцепления его с инструментальной основой. В работах [3, 53, 63, 64] рассматривается влияние составов покрытий на основе нитридов систем Ti – Zr, Ti – Al, Ti – Fe, полученных методом КИБ, на структурные и механические свойства, и износ режущего инструмента. Покрытия наносились с использованием составных и интерметаллидных катодов. Отмечается, что покрытия имеют более высокую микротвердость по сравнению с покрытием TiN, обусловленную упрочнением материала покрытия при его легировании. Применение в качестве легирующих элементов циркония и алюминия повышает остаточные сжимающие напряжения по сравнению с покрытием TiN (табл. 1.2). Для покрытия TiZrN наблюдается рост коэффициента отслоения, что свидетельствует о снижении прочности адгезионной связи покрытия с инструментальной основой; для покрытия TiAlN – прочность адгезионной связи увеличивается. Легирование железом ведет к снижению остаточных сжимающих напряжений и повышению прочности сцепления покрытия и инструментальной основы. Авторами работ отмечается, что улучшение физико-механических свойств покрытий сложного состава на основе нитридов способствует сдерживанию процессов образования и развития трещин. Применение разработанных покрытий сложного состава повышает
период стойкости режущего инструмента при токарной обработке заготовок из сталей 30ХГСА и 12Х18Н10Т в 1,3 – 2,3 раза по сравнению с покрытием TiN.
0 0
Примечание: инструментальный материал – МК8
В работах [2, 64, 65] отмечается, что применение покрытия TiCrN по сравнению с покрытием TiN повышает период стойкости инструмента из быстрорежущей стали Р6М5К5 в 1,2 – 1,7 раза. Изучение влияние состава покрытия TiMoN, полученного из раздельных катодов, на физико-механические свойства и работоспособность режущего инструмента с покрытием проводилось в работе [66]. Исследуемые покрытия имеют микротвердость в 1,5 – 1,6 раза выше, чем у покрытия TiN. При этом для покрытия на основе нитрида титана и молибдена наблюдается снижение прочности связи с инструментальным материалом. Применение покрытия TiMoN позволило повысить период стойкости твердосплавных пластин при точении заготовок из сталей 30ХГСА и 12Х18Н10Т в 1,2 – 2,2 раза по сравнению с одноэлементным покрытием TiN. Использование в качестве легирующего элемента кремния имеет ряд преимуществ. Нитриды кремния отличаются высокими твердостью при повышенных температурах, химической инертностью, теплостойкостью [8, 11]. Нанесение покрытия TiSiN позволяет увеличить период стойкости режущего инструмента в 2 – 4 раза при точении заготовок из сталей 30ХГСА и 12Х18Н10Т и чугуна СЧ32 [3].
Проведенные исследования физико-механических свойств покрытий TiN, легированных молибденом, хромом и кремнием [67], показали, что легирование данными элементами увеличивает микротвердость покрытий на (18 – 25) \%, остаточных сжимающих напряжений – в 1,3 – 1,9 раза; в то же время снижается прочность сцепления с инструментальной основой, о чем свидетельствует повышение коэффициента отслоения на (35 – 80) \% (табл. 1.2). Из данных работ [3, 16] следует, что разрушение износостойкого покрытия в процессе эксплуатации режущего инструмента происходит в результате его хрупкого разрушения с образованием трещин на участке контакта стружки с передней поверхностью. Предпосылкой образования трещин в покрытии является упругопластическая деформация режущего клина инструмента в результате действия контактных нагрузок и протекания явлений ползучести в материале инструментальной основы. Известно, что ползучесть резко интенсифицируется при увеличении температур и напряжений, действующих в режущем клине инструмента [68]. Следовательно, повысить сопротивляемость покрытий хрупкому разрушению можно в первую очередь снижая температуру и напряжения в режущем клине инструмента. В работах [3, 63] исследовано влияние покрытий TIAlN, TiZrN, TiFeN на контактные и тепловые процессы. На рис. 1.11,а показано влияние легирующих элементов на длину контакта стружки с передней поверхностью режущего клина инструмента из твердого сплава МК8. Как видно для покрытий TiAlN и TiFeN длина контакта увеличилась на 42 \%, а для покрытия TiZrN – на 36 \%. Увеличение длины контакта стружки с передней поверхностью резца приводит к снижению удельных нормальных и касательных нагрузок (рис. 1.11,б), контактных напряжений и интенсивности теплового источника по передней поверхности. При этом увеличение длины контакта ведет к смещению максимальной контактной температуры на передней поверхности в сторону, противоположную задней поверхности, что благоприятно сказывается на тепловой напряженности режущего клина. Другой возможностью снижения процессов трещинообразования в покрытии является повышение сопротивляемости хрупкому разрушению (повышению трещиностойкости) покрытий. В работе [4] показано, что легирование покрытия на основе нитрида титана железом, алюминием, молибденом и цирконием приводит к повышению критического коэффициента интенсивности напряжений KIC на (15 – 50) \% (рис. 1.12). При этом наибольшее повышение величины KIC вызывает использование в качестве легирующего элемента циркония, молибдена и алюминия. Повышение критического коэффициента интенсивности напряжений KIC износостойких покрытий сложного состава и снижение теплового и напряженного состояния в режущем
0,8
MM
0,6
0,4
C y 0,3
0,2
0,1
0 0,75
1000 / 932 Mila / / 735 756 rL--
l 700 ... - 800 / 667 "'---
- - 632 qN(D) 600 500 / / 522 529
- - qF(C]) 400 - - 300 / - -
100 / - 0 / 1 2 3 4 6)
клине инструмента с такими покрытиями увеличивают время работы до образования трещин в 1,4 – 2,3 раза по сравнению с покрытием TiN. Следует отметить, что использование в качестве критерия оценки величины критического коэффициента интенсивности напряжений KIC не всегда оправдано. Величина KIC оценивает способность материала сопротивляться разрушению только при абсолютно хрупком разрушении. В то же время такое разрушение возможно только при абсолютном нуле температуры. Для остальных случаев наблюдается так называемое квазихрупкое разрушение, характеризуемое проявлением пластических свойств материала, чаще всего наблюдаемое в вершине трещины. При этом оценкой сопротивления разрушению служит величина вязкости разрушения KICП. Так по данным работы [69] для самого хрупкого материала – алмаза – величина KICП (6 МПа·м½) в 2,6 раза больше, чем KIC (2,3 МПа·м½).
Рис. 1.12. Влияние состава покрытия на rритический коэффициент интенсивности напряжений [140]: 1 – TiN; 2 – TiAlN; 3 – TiZrN; 4 – TiFeN; 5 – TiMoN
Из анализа литературных данных видно, что модифицирование материала покрытия путем легирования улучшает его физико-механические свойства. В связи с этим вызывает интерес исследование модифицирования покрытий путем введения в их состав двух легирующих элементов и влияние состава полученных износостойких покрытий на их свойства.
Для приближенной оценки свойств сложнолегированных сплавов в материаловедении применяют соотношения типа [70]:
Y K 0 Y0 K1X1 K 2 X 2 ... K i X i (1.7)
где Y – свойство сплава; Y0 – свойство основы сплава; K0 – коэффициент упрочнения основы сплава; K1, K2, Ki – коэффициент упрочнения от введения 1\% (по массе) легирующих элементов; X1, X2, Xi – содержание легирующего элемента в сплаве. Следует отметить, что упрочнение сложнолегированных сплавов не складывается аддитивно из упрочнения, обусловленного введением отдельных элементов; появляется еще дополнительное упрочнение, обусловленное взаимодействием легирующих элементов между собой в твердом растворе. Поэтому линейная модель упрочнения является сильно упрощенной. Нельзя на основании частных зависимостей упрочнения отдельными легирующими элементами получить общую зависимость упрочнения сплава от действия нескольких легирующих элементов. В работах [16, 70, 71] предлагаются новые многоэлементные покрытия. Так фирмой Pramet Sumperk разработаны режущие пластины с покрытием TiAlSiN, полученным методом физического осаждения, для операций фрезерования и точения. Пластины с таким покрытием обеспечивают повышение периода стойкости в 2,6 – 3,5 раза по сравнению с покрытиями TiN [71]. В работе [10] отмечается, что большой интерес представляют тройные нитриды тугоплавких металлов, которые образуют в результате полной растворимости трехфазные системы, состоящие из тесно переплетенных между собой областей – доменов с самой различной последовательностью упаковки атомных слоев, а не из четко ограниченных кристаллов с кубической или гексагональной структурой. Такие системы обладают очень высокой термодинамической устойчивостью в сочетании с достаточной прочностью и вязкостью. Исследование работоспособности твердосплавного режущего инструмента с покрытиями ZrHfCrN и TiNbCrN показало повышение периода стойкости пластин ВК6 в 2,2 – 3,6 раза по сравнению с покрытиями СrN и TiN и в 1,4 – 2,0 раза по сравнению с покрытием TiCrN при обработке стали 45, жаропрочного деформируемого сплава ХН77ТЮР и титанового сплава ВТ20 [2]. Проведенные в работе [49] исследования показывают, что дополнительное введение в покрытие на основе нитрида титана и циркония в качестве легирующего элемента железа приводит к снижению остаточных сжимающих напряжений и повышению прочности сцепления с инструментальной основой. При этом микротвердость покрытия возрастает в 1,3 раза по сравнению с покрытием TiZrN. Установлено, что применение покрытия TiZrFeN снижает интенсивность изнашивания пластин из быстрорежущей стали Р6М5К5 в 1,30 раза при обработке заготовок из стали 30ХГСА и в 1,26 раза – из стали 12Х18Н10Т по сравнению с пластинами с покрытием TiZrN. Анализ рассмотренных выше работ показывает перспективность дальнейшей разработки новых составов многослойных и многоэлементных покрытий для повышения эффективности работы режущего инструмента.
|
|