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

Жанр: Машиностроительный

Просмотров: 1353

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

1          2                      3          4 a)

995

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.