CC BY
992019, №2 : www.paradigma.science
УДК 621.9.02
Власов С. Н., Пикмирзин М. Ю., Власова А. С.
Анализ методов упрочнения металлорежущего
инструмента
Аннотация. Рассмотрены методы упрочения инструмента, их достоинства и недостатки. Проведены исследования влияния плотности мощности лазерного излучения, варианта обработки на износ режущего инструмента. Лазерная обработка обеспечивает наилучшие физико-механические свойства по сравнению с другими режимами обработки.
Ключевые слова: упрочнение режущего инструмента, лазерная обработка, методы упрочения, лазерное излучение, физико-механические свойства.
Повышение культуры производства, точности и производительности обработки резанием определяет необходимость увеличения износостойкости инструмента, и как следствие сокращение затрат на режущий инструмент. Большое число методов упрочнения режущего инструмента требует их классификации и детального анализа областей их применения [2, с. 198].
Характерные особенности процессов упрочнения инструментальных материалов позволяют разбить все методы на две группы. К первой группе относятся методы, при которых упрочнение поверхностного слоя режущего инструмента осуществляется путем изменения его структуры и (или) химического состава за счет протекания диффузионных реакций между активными элементами и элементами поверхностного слоя инструментального материала. Во вторую группу входят методы упрочнения поверхностного слоя режущего инструмента путем нанесения износостойкого покрытия, имеющего диффузионно-адгезионную или адгезионную связь с инструментальной основой.
Первую группу методов в свою очередь делят на подгруппы по энергетическим затратам на процесс упрочнения:
- методы механического упрочнения;
- методы химико-термической обработки (азотирование, цементация, цианирование, нитрооксидирование, борирование и др. в газовых, жидких средах, вакууме, тлеющем электрическом газовом разряде);
- методы физического упрочнения (электроискровое легирование, магнитное, ультразвуковое упрочнение, лазерная, электроннолучевая обработка, ионная имплантация) [3, с. 165]
Среди методов второй группы выделяют:
- методы плазменного нанесения покрытий;
- методы детонацонного нанесения покрытий;
- методы химического осаждения покрытий;
- методы физического осаждения покрытий.
Поверхностное пластическое деформирование (вибрационная, дробеструйная, упрочнение энергией взрыва, электрохимическая пластическая обработка) применяется для повышения сопротивления усталости и твердости поверхностного слоя металла, а также для формирования в этом слое направленных внутренних напряжений. Механическая обработка применяется с целью образования на поверхности механически упрочненного слоя с повышенной плотностью дефектов кристаллической структуры [4, с. 150-151].
Ограниченное применение для упрочнения инструмента нашли методы, использующие энергию взрыва при импульсном приложении нагрузки, причем эффект упрочнения увеличивается по мере роста скорости в момент удара. В приповерхностных слоях инструментального материала происходит высокий локальный нагрев, следствием чего является фазовое превращение. Одновременно происходят процессы, присущие упрочнению при обычных скоростях деформирования (двойникование, сдвиги, фрагментация и т. д.).
В результате механического упрочнения инструмента из быстрорежущей стали и твердого сплава увеличивается средняя стойкость в 1,5 - 2 раза, на 20 - 30% снижается коэффициент вариации стойкости.
Основными преимуществами химико-термической обработки (ХТО) является возможность изменения свойств поверхностного слоя варьированием химического состава, создание желаемого сочетания свойств поверхности инструмента и его сердцевины. ХТО позволяет изменять градиент свойств покрытия в направлении от поверхности к сердцевине. Это достигается за счет диффузионного насыщения поверхностного слоя каким -либо элементом, находящимся в атомарном состоянии и способным растворяться в базовом материале.
В последнее время вакуумное ХТО находит все более широкое применение из-за ряда преимуществ: получение чистой неокисленной поверхности, уменьшение припусков на чистовую обработку, уменьшение затрат на оснастку, вспомогательный материал, повышенная производительность процесса [7, с. 37]. ХТО обеспечивает повешение стойкости режущего инструмента в 1,5 - 2,5 раза.
Метод электроискрового легирования применяют только для упрочнения РИ из быстрорежущей стали. Упрочнение производится под действием электрического разряда малой мощности на воздухе с применением стандартных твердых сплавов групп ВК и ТК, карбидов и нитридов тугоплавких металлов, в результате чего образуются закалочные структуры и сложные химические соединения. Полученные после легирования слои отличаются высокой твердостью и значительной толщиной слоя (до 120 мкм). Ограниченное применение метода ЭИЛ связано
в основном с увеличением шероховатости поверхностного слоя после упрочнения, что заставляет дополнительно обрабатывать поверхность РИ.
Сущность ионной имплантации состоит в бомбардировке поверхности инструментального материала высокоскоростными ионами, в результате чего происходит внедрение ионов атомов легирующего элемента в повеохностный слой инструментального материала. Несмотря на малую величину внедрения ионов при бомбардировке (около 1 мкм) ионная имплантация вызывает значительные изменения физикомеханических свойств - повышение плотности дефектов, изменение периода кристаллической решетки. Ионная имплантация позволяет существенно изменить износостойкость, твердость, фрикционные свойства поверхностного слоя [6, с. 7-8]. В качестве имплантирующих элементов чаще всего используются инертные газы, углерод, азот, и др. Достоинством этого метода является возможность варьирования свойств поверхностного слоя режущего инструмента, а также проведения процесса при низких температурах, что исключает возможность деформации длинноразмерного инструмента и позволяет упрочнять режущие инструменты, изготовленные из низкотеплостойких инструментальных материалов и мелкоразмерный инструмент. Ионная имплантация не получила пока широкого применения вследствие сложности применяемого оборудования и высокой его стоимости.
Обработка инструмента высокоэнергетическими пучками (лазерная, электронно-лучевая) позволяет получить мелкодисперсные закалочные структуры с высокой твердостью. Преимуществом этих методов является отсутствие деформаций и возможность контроля структуры и свойств инструментального материала, возможность автоматизации процесса. Повышение стойкости режущего инструмента достигается в 2 - 2,5 раза при обработке конструкционных и низколегированных сталей.
К недостаткам метода плазменного нанесения покрытий можно отнести высокие требования к качеству обрабатываемой поверхности, высокая пористость покрытий, повышенный уровень шума оборудования.
Методы детонацонного нанесения покрытий не нашли широкого применения вследствие низкой производительности, повышенным требованиям техники безопасности и высокого уровеня шума при нанесении покрытий.
Методы химического осаждения покрытий основаны на конденсации газообразных соединений на поверхности РИ с последующим образованием твердых осадков и позволяет получить высокопрочные слои из карбидов, оксидов, нитридов и других высокотвердых соединений, что обеспечивает повышение периода стойкости до 4 раз. Методы реализуются при высокой температуре, поэтому его применяют для нанесения покрытий на твердосплавный инструмент. К недостаткам метода следует отнести
образование хрупкой ^-фазы на границе покрытия и инструментального материала.
Методы физического осаждения покрытий основаны на испарении вещества в вакууме с подачей реакционного газа (азот, метан и др.). Различие методов физического осаждения покрытий состоит в принципах физического испарения вещества, различной степени ионизации ионного потока, конструктивных особенностях установок.
Широкие возможности варьирования температуры в зонах нанесения покрытий позволяют использовать методы физического осаждения покрытий как универсальные для нанесения покрытий на режущий инструмент из быстрорежущей стали и твердого сплава. Применение методов физического осаждения покрытий для получения покрытий на режущем инструменте существенно расширяет его технологические возможности благодаря более эффективному управлению процессами получения покрытий.
В нашей стране и за рубежом широко применяется метод КИБ, обладающий рядом преимуществ по сравнению с другими методами нанесения покрытий [1, с. 134]. Возможность регулирования температуры осаждения покрытия позволяет использовать его для нанесения покрытий как на твердосплавный инструмент, так и на режущий инструмент из быстрорежущей стали. К достоинствам метода следует отнести возможность нанесения покрытия различного состава и конструкции, высокую производительность процесса и качество покрытий.
Метод КИБ основан на генерации вещества катодным пятном вакуумной дуги, развивающейся в парах материала катода. Подача в камеру реагирующих газов в условиях ионной бомбардировки приводит к конденсации покрытия на поверхности инструмента благодаря протеканию плазмохимических реакций. Метод КИБ является совокупностью двух последовательно протекающих процессов - ионной бомбардировки поверхности инструментального материала и конденсации покрытия. Ионная бомбардировка позволяет добиться химической чистоты и активации поверхности инструментального материала непосредственно перед нанесением покрытия.
Основные направления совершенствования режущего инструмента в плане повышения его износостойкости и сопротивляемости пластическому разрушению с покрытием определяются комплексом факторов, которые связаны с совершенствованием свойств упрочненного слоя, а также с оптимизацией условий использования инструмента.
С целью расширения возможностей варьирования свойств инструментальных материалов в результате совершенствования различных процессов упрочнения в последнее время создаются комбинированные технологии, включающие в себя предварительную основную упрочняющую
www.paradigma.science
операцию (например, вакуумное ХТО) и дополнительную (например, лазерную обработку). Дополнительная обработка инструмента с покрытием, имеющим значительное число дефектов или низкую прочность адгезионной связи с инструментальным материалом, позволяет воздействовать на структуру покрытия, устранять ее дефекты, увеличивать прочность сцепления покрытия и матрицы [1, с. 165].
Так, например, в работе [5, с. 113] указывается на эффективность применения алмазного выглаживания нитридотитанового покрытия инструментом, имеющим радиус при вершине 2,5 мм. Дополнительное деформирование покрытия снижает число дефектов покрытия, вызывает структурные изменения в поверхностном слое инструментального материала.
Инструменты после комбинированной упрочняющей обработки имеют период стойкости в 2,5 раз выше периода стойкости инструмента с обычными покрытиями, что обеспечивается повышением износостойкости инструментальной композиции, более благоприятным распределением остаточных напряжений в покрытии, снижением градиента напряжений на границе "покрытие - инструментальный материал", оптимизацией структуры покрытия, залечиванием дефектов покрытий [1, с. 177].
Для определения технологических параметров КУО были проведены исследования влияния плотности мощности лазерного излучения, толщины и состава покрытий, варианта КУО на интенсивность износа РИ. Установлено, что кривые, отражающие изменение интенсивности износа от плотности мощности лазерного излучения и толщины покрытия (рисунок), имеют минимум, координаты которого определяют технологические параметры КУО (плотность мощности лазерного излучения и толщину покрытия), обеспечивающие минимальную интенсивность износа РИ. При увеличении плотности мощности лазерного излучения до значений 3,6-104 -
4 2
3,9-10 Вт/см (в зависимости от типа покрытия и материала инструментальной основы) интенсивность износа уменьшается вследствие повышения микротвердости покрытия и прочности его сцепления с инструментальной основой. Дальнейший рост плотности мощности лазерного излучения ведет к снижению микротвердости покрытия и прочности адгезионной связи основы и покрытия и вызывает увеличение интенсивности износа РИ. Степень снижения интенсивности износа РИ определяется материалом инструментальной основы, типом покрытия и вариантом КУО. При обработке заготовок из стали 30ХГСА интенсивность износа РИ, прошедшего КУО, снизилась в 1,5 - 2 раза, из стали 12Х18Н10Т - в 1,3 - 1,5 раза.
В результате проведенных исследований определены технологические параметры КУО, которые представлены в таблице.
www.paradigma.science
А 4,2
J-10-5 3,2
2,2
24 32 40 кВт/см 2 56
q
Рисунок. Зависимость интенсивности изнашивания инструмента из твердого сплава МК8 от плотности мощности лазерного излучения q и толщины покрытия Ь.П при точении стали 30ХГСА: V = 170 м/мин, б = 0,3 мм/об, t = 0,75 мм; покрытие - Т1К
Таблица. Рекомендуемые режимы комбинированной упрочняющей обработки
Инструментальный материал Обрабатываемый материал
30ХГСА 12Х18Н10Т
q, кВт/см2 h^ мкм q, кВт/см2 h^ мкм
Р6М5К5+ЛО+т 36 4,5 36 4,0
Р6М5К5+т+ЛО 39 5,5 39 5,0
Р6М5К5+ЛО+(Г^Г^ 36 5,0 36 4,5
Р6М5К5+(П^г)№ЛО 38 6,0 37 5,0
Р6М5К5+ЛО+(Ti,Zr)CN 36 5,0 36 4,5
Р6М5К5+(Ti,Zr)CN+ЛО 37 5,5 36 5,0
МК8+т+ЛО 34 6,0 33 5,0
МКВ+^^г^+ЛО 32 6,0 32 5,5
МО+^^г^+ЛО 32 6,0 31 5,0
В целом, анализируя материалы проведенной работы, можно отметить следующее. Установлено влияние лазерной обработки многослойного покрытия на его механические свойства, в результате чего показано, что микротвёрдость многослойного покрытия определяется толщинами слоев в покрытии и их свойствами. Выявлено, что лазерная обработка многослойного покрытия увеличивает прочность связи покрытия с инструментальной основой и когезионную прочность покрытия. Лазерная обработка покрытия при плотности мощности излучения 2,4 Вт/см обеспечивает наилучшие физико-механические свойства покрытия по сравнению с другими режимами лазерной обработки. Для двухслойных
покрытий TiN-TiCN и TiCN-TiN минимальный износ режущего инструмента обеспечивают конструкции с толщиной внутреннего твердого слоя, составляющей 75% от общей толщины покрытия и прошедшие лазерную обработку при плотности мощности лазерного излучения около 2,4 Вт/см . Увеличение плотности мощности лазерного излучения позволяет повысить работоспособность режущего инструмента с покрытием. Верхнее значение этой величины ограничено физическими свойствами (теплостойкостью) инструментальной основы. Наибольшее повышение стойкости режущего инструмента наблюдалось с покрытием TiCN-TiN после лазерной обработки, и это повышение составило 3,67 по сравнению с покрытием ТМ
Библиографический список
1. Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями / А.С. Верещака, И.П. Третьяков. \ М.: Машиностроение, 1986. - 196 с.
2. Верхотуров А. Д., Муха И.М. Техника электроискрового легирования металлических поверхностей / А.Д. Верхотуров, И.М. Муха. - Киев.: Техника, 1982. - 181 с.
3. Гусева М.И. Ионная имплантация в металлах // Поверхность. Физика, химия, механика / М.И. Гусева. - 1982. - № 4. - С. 27-56.
4. Коваленко В.С. Прогрессивные методы лазерной обработки материалов / В.С. Коваленко. - Киев.: Вища школа, 1985. - 88 с.
5. Лахтин Ю.М., Коган Ю.Д. Азотирование стали / Ю.М. Лахтин, Ю.Д. Коган. - М.: Машиностроение, 1976. - 256 с.
6. Тарасов А.Н. Вакумная нитроцементация мелкоразмерного инструмента // Металловедение и термическая обработка металлов / А.Н. Тарасов. - 1994. - №4. - С. 6-9.
7. Хворостухин А.Л., Белых Л.И., Куксенова А.И. Исследование структурных изменений в покрытии нитрида титана при алмазном выглаживании // Физика и химия обработки материалов / А.Л. Хворостухин, Л.И. Белых, А.И. Куксенова. - 1986. - №5 -6. -С.111-114.
Власов Станислав Николаевич
к.т.н., доцент, Димитровградский инженерно-технологический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Россия, г. Димитровград
Пикмирзин Максим Юрьевич
магистрант, Димитровградский инженерно-технологический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Россия, г. Димитровград
Власова Анастасия Станиславовна
студентка, Ульяновский государственный университет
Россия,г.Ульяновск
