CC BY
48
ю
о с^
сч о сч
оп
<
00 О
Инновационное оборудование для формирования износостойких поверхностных сплавов на обрабатывающем инструменте: научные аспекты и коммерциализация
С. В. Федоров,
к. т. н., доцент кафедры высокоэффективных технологий обработки, ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»
А. Б. Марков,
к. ф.-м. н., доцент, с. н. с., Институт сильноточной электроники СО РАН
В. С. Веснин,
генеральный директор ООО «Микрофьюжн»
Импульсные электронно-пучковые технологии, реализуемые с помощью установок «РИТМ-СП-М» (производства ООО «Микрофьюжн»), позволяют получать на поверхности инструмента из быстрорежущей стали или твердых сплавов модифицированные тугоплавкие соединения, образующиеся благодаря инициированию реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Такая обработка, рекомендуемая перед нанесением износостойкого покрытия, позволяет влиять на процессы изнашивания режущего инструмента, что позволяет повысить его ресурс.
Ключевые слова: установки «РИТМ-СП-М», режущий инструмент, поверхностное легирование, повышение износостойкости.
С каждым годом в современном автоматизированном машиностроительном производстве все более важную роль играет внедрение инновационных технологий, позволяющих значительно повышать производительность механообработки.
Одним из узких мест в технологических системах автоматизированного производства является режущий инструмент. В связи с тем, что отказ инструмента обычно происходит значительно раньше изнашивания деталей и узлов технологического оборудования (станков, приспособлений и т. д.), именно из-за инструмента, если не будет выполнена его предупредительная замена, обязательно произойдет сбой технологической системы в целом. В то же время использование современного высокопроизводительного и качественного режущего инструмента повышенной надежности, позволяет заметно увеличить эффективность автоматизированного производства и надежность его функционирования.
Большинство современных режущих инструментов снабжаются тем или иным износостойким покрытием. Такая обработка уже давно стала неотъемлемой частью инструментального производства [1, 2]. По оценке экспертов Роснано [3], мировой рынок установок для нанесения упрочняющих тонкопленочных
покрытий уже в 2012 г. составлял около 10 миллиардов долларов (доля Российского рынка была порядка 10%). А предположительный среднегодовой темп роста их потребления — около 20% в период 2012-2018 гг.
Успешному внедрению износостойких покрытий мешает то, что из-за большой разницы в физико-механических свойствах между подложкой и покрытием нередко наблюдается интенсивное разрушение рабочих поверхностей инструмента при пластической деформации основы под действием высокой нагрузки. Поэтому дальнейшее развитие технологии поверхностного упрочнения металлов и сплавов стали связывать с разработкой комбинированных процессов, включающих последовательно несколько методов модификации материала, чтобы получить сочетание свойств, которое невозможно получить при раздельном применении каждой из этих технологий [4].
Известно достаточно много способов улучшения свойств поверхности металлорежущего инструмента перед нанесением износостойкого покрытия. В частности, распространение получили методы химико-термической обработки. Альтернативой традиционным способам может служить создание легированного поверхностного слоя микронной толщины с повышенной износостойкостью на стальных или твердосплав-
ных инструментах с помощью низкоэнергетического сильноточного электронного пучка (НСЭП) [5], в чем и состоит инновационность подхода к решению задачи. В ряде случаев НСЭП кроме плавления и перемешивания поверхностных слоев мишени инициирует реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), который реализуется благодаря использованию внутренней энергии химического взаимодействия исходных реагентов. Практика резания показывает, что инструмент с подобной обработкой в комплексе с нанесенным последовательно ионно-плазменным износостойким покрытием удовлетворяет самым высоким требованиям к его качеству, надежности и производительности [6, 7].
В этой статье описываются возможности недавно выведенного на рынок оборудования «РИТМ-СП», в настоящее время производимого ООО «Микросплав» (Томск). На этих установках в МГТУ «Станкин» была реализована технология обработки металлорежущего инструмента, предшествующая операции нанесения износостойкого покрытия в составе комплексной поверхностной обработки, целью которой является создание легированного приповерхностного слоя с повышенной износостойкостью с использованием реакции СВС, инициированной НСЭП. Предварительные результаты тестирования модифицированного металлорежущего инструмента оказались настолько успешными, что была создана отдельная компания ООО «Микрофьюжн», которая занимается производством, осуществляет инжиниринг и продвижение на рынок модернизированных электронно-пучковых машин «РИТМ-СП-М».
Электронно-пучковое легирование
и оборудование для его реализации
Известно, что при создании СВС системы в качестве реагентов можно использовать достаточно большой спектр химически активных при высокой температуре веществ. Одновременно могут быть использованы и другие вещества в качестве наполнителей или разбавителей, в том числе принимающие участие в синтезе, как побочные продукты реакции. Главное, чтобы были обеспечены условия для эффективного взаимодействия реагентов, в частности экзотермичность. Примером могут служить реакции синтеза с образованием нитридных, карбидных или интерметаллидных фаз и реакции взаимодействия разлагающихся соединений с элементами основы. В нашем случае, как описано ниже, реакция была инициирована НСЭП.
Чтобы продемонстрировать возможности предлагаемого оборудования, приведем результаты экспериментов, в качестве материала основы в которых были использованы материалы двух типов: пластины твердого сплава Н13А (Бап^к согошап^ и пластины из быстрорежущей стали Р6М5, предварительно азотированные в двухступенчатом вакуумно-дуговом разряде на глубину порядка 50 мкм [8, 9]. На образцы при помощи магнетрона наносилась тонкая, толщиной 150-250 нм, пленка Zr в случае быстрорежущей стали с целью получения в приповерхностном слое кристаллов
ZrN и пленки сплава №ШТ1 в случае обработки твердого сплава с целью образования слоя из износостойких нестехиометрических карбидов. Затем, исключая контакт с воздушной средой, в той же технологической камере образцы были подвергнуты воздействию серии импульсов широкоапертурного НСЭП. Нагревая поверхность до высоких температур, он инициировал химические реакции в жидкой и твердой фазах, между металлической пленкой и азотом и углеродом, находящимися в составе основы, как в свободном виде, так и в составе соединений.
Обработка проводилась на установке «РИТМ-СП», которая может быть изготовлена как в лабораторном, так и в промышленном исполнении (рис. 1). Она представляет собой комбинацию источника НСЭП, и нескольких магнетронных распылительных систем, расположенных на единой вакуумной камере. Устройство позволяет осуществлять напыление пленок разных материалов на поверхность нужного изделия и последующее жидкофазное перемешивание материалов пленки и подложки НСЭП в едином вакуумном цикле. В результате такой обработки покрытие с заданным химическим составом, нанесенное на поверхность образца, вплавляется в нее. При этом резкая межфазная граница между пленкой и подложкой размывается и образуется протяженный переходный слой толщиной несколько микрометров с изменяющимся элементным составом, тем самым достигается высочайший уровень адгезии покрытия к подложке, что ранее было продемонстрировано на многочисленных металлических системах пленка-подложка, в частности, на системе нержавеющая сталь - медь [10].
Генерация НСЭП происходит путем извлечения электронов из прикатодной плазмы, образующейся благодаря взрывной электрической эмиссии на металлических микроостриях катода и их последующего ускорения в двойном электрическом слое. Далее пучок транспортируется в плазмонаполненном диоде к коллектору. Использование такой схемы генерации и транспортировки позволяет получить на коллекторе пучок микросекундной длительности с плотностью тока до 104 А/см2 и энергией электронов 15-30 кэВ. Площадь единовременной обработки мишени, равная диаметру пучка, может составлять от 50 до 100 см2.
ю
о с^
о? о N
оо
< СО
о
Рис. 1. Установки типа «РИТМ-СП»
ю о
о?
о ^
оо
< со
о
1 /
е.
Рис. 2. Дифрактограмма (СоКа) с поверхности образца азотированной стали Р6М5 после нанесения на поверхность пленки Zr и облучения НСЭП
Следует отметить, что время обработки инструмента составляет около 15 минут без учета времени вакуумирования рабочей камеры, что позволяет обеспечить полную загрузку промышленной машины для нанесения износостойких покрытий среднего размера с длительностью рабочего цикла 4-5 часов при помощи одной установки для поверхностного легирования.
Оценка температурного режима мишени, облучаемой НСЭП, показывает, что температура поверхности достигает величин, значительно превышающих температуру плавления компонентов. Появление расплава в объеме более тугоплавких частиц приводит к резкому увеличению межфазной поверхности и возрастанию скорости химической реакции между компонентами.
На рис. 2 продемонстрированы данные, иллюстрирующие результат воздействия серии из нескольких импульсов НСЭП на поверхность азотированного образца из стали Р6М5. Облучение предварительно нанесенной на образец при помощи магнетронного распыления тонкой пленки Zr толщиной 0,2 мкм, приводит к инициированию химической реакции образования тугоплавкого ZrN в приповерхностном слое толщиной около 2 мкм. Это происходит поскольку электронно-пучковая обработка вызывает диссоциацию нитридов железа, особенно £-фазы, что подтверждается данными рентгеноструктурного анализа, которые представлены на рис. 2. На дифрактограмме наряду с фазами а- и у-железа отчетливо видны пики нитрида циркония.
На рис. 3 проиллюстрировано воздействие НСЭП на пластину из твердого сплава Н13А. На изломе четко различимы два различных слоя — поверхностный и промежуточный. Концентрации №, Ш и W в промежуточном слое свидетельствует о перемешивании твердого сплава с легирующим покрытием в результате реакции высокотемпературного синтеза. Толщина, в пределах которой удается получить модифицированную СВС структуру, составляет 3-4 мкм. Многократное инициирование процесса НСЭП практически не изменяет первоначальную микроструктуру. Чтобы превращение прошло полностью, как правило, бывает достаточно серии из пяти-шести импульсов НЭСП.
Мощное тепловое воздействие НЭСП с длительностью импульса около 5 мкс на поверхность твердого сплава с нанесенной на нее пленкой сплава толщиной около 200 нм приводит к образованию ГЦК
Рис. 3. Изображение легированной электронным пучком
пластины твердого сплава Н13А (Sandvik coromant) с нанесенным сверху покрытием (^А1)К во вторичных электронах (косой шлиф) — а, распределение химических элементов в приповерхностном слое (снизу вверх) — б
карбидной фазы, идентифицированной, как (№НШ) ОХ. При этом удается избежать накопления свободного углерода и предотвратить растрескивание поверхности из-за остаточных термических напряжений. Внешний слой обогащается тугоплавкими карбидными фазами типа МС, которые, благодаря экстремально высокой скорости охлаждения, в конечном продукте остаются мелкими и гомогенно распределенными.
На рис. 4 представлены изображения режущей кромки изношенных в процессе операции чистового продольного точения стали ШХ-15 (твердость 4347 HRC, £=0,25 мм, 5=0,1 мм, »=200 м/мин) пластин Н13А. На пластине, на которой использовалось только износостойкое покрытие (^А1)^ идет активное лункообразование, а режущая кромка покрывается трещинами и быстро скалывается (рис. 4, а). На пластине, где перед нанесением износостойкого покрытия было проведено электронно-пучковое легирование, образование лунки происходит гораздо медленнее, а режущая кромка способна противостоять высокой силе резания, что сильно замедляет наступление стадии катастрофического износа. Трещины на режущей кромке не образуются. А если и наблюдается ее частичное скалывание, то она быстро самозатачивается. Этот эффект проиллюстрирован на рис. 4, б.
Приповерхностный модифицированный слой, сформированный при электронно-лучевом легировании, обладает химической пассивностью и снижает адгезионное взаимодействие с обрабатываемым
Рис. 4. Изнашивание пластин Н13А: а — режущая кромка пластины с износостойким покрытием, б — режущая кромка пластины с предварительным электронно-пучковым легированием
материалом. Кроме того, слой, формируемый под покрытием, обладает повышенной твердостью в сочетании с высокой теплостойкостью и имеет высокое сопротивление микропластическим деформациям. Это приводит к существенному снижению мощности основного источника теплоты для режущего клина инструмента.
Заключение
Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о возможности получения, при помощи представляемых на рынок установок серии «РИТМ-СП-М», на поверхности инструментальных материалов модифицированных электронно-пучковым легированием слоев. Такие слои получались, благодаря инициированию химических реакций СВС между основой и нанесенной на нее тонкой пленкой, в продуктах которой было возможно образование новых карбидных, нитридных или интерметаллидных фаз, при помощи воздействия такого инструмента, как НСЭП. При таком воздействии возможно протекание реакции синтеза новых соединений при высоких температурах, как в жидкой, так и в твердой фазах.
Процесс электронно-пучкового легирования приповерхностного слоя проводится перед нанесением износостойкого покрытия на инструмент PVD-методом. Можно выделить ряд особенностей работы инструмента с подобной обработкой. Так, его приработка происходит быстрее и значения шероховатости обработанной поверхности остаются стабильными дольше. Изменяется место формирования лунки износа. Уменьшается радиус округления режущей кромки, образующийся при взаимодействии обрабатываемой и производящей поверхностей и являющийся одним из существенных факторов процесса резания [11] особенно на переменных режимах [12]. Существенно падает сила резания, что благоприятно сказывается на износостойкости и позволяет значительно интенсифицировать процесс обработки резанием.
* * *
Данная работа финансировалась из средств Российского Научного Фонда (соглашение №14-2900297 от 06.08.2014 г.).
Список использованных источников
1. Верещака А. С., Григорьев С. Н., Верещака А. А., Лыткин Д. Н., Савушкин Д. Ю., Сивенков А. С., Повышение работоспособности лезвийных инструментов за счет направленной модификации свойств их рабочих поверхностей при нанесении наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий, Вестник МГТУ «Станкин», № 4 (31), 2014, 45-51.
2. М. А. Волосова. О выборе оптимального метода модификации поверхности режущего инструмента, исходя из его служебного
назначения, Упрочняющие технологии и покрытия, 2012, № 12 (96), с. 12-16.
3. www.rusnano.com/ about/press-centre/news/75748.
4. М. А. Волосова, А. А. Туманов. Систематизация методов нанесения покрытий и модификации рабочих поверхностей режущего инструмента и алгоритм их выбора: Вестник МГТУ «Станкин», № 3, 2011, 78-83.
5. А. Б. Марков, А. В. Миков, Г. Е. Озур, А. Г. Падей. Установка РИТМ-СП для формирования поверхностных сплавов//При-боры и техника эксперимента, № 6. 2011, с. 122-126.
6. S. V. Fedorov, M. D. Pavlov, A. A. Okunkova. Effect of structural and phase transformations in alloyed subsurface layer of hard-alloy tools on their wear resistance during cutting of high temperature alloys, Journal of friction and wear, Vol. 34, No. 3, 2013, pp. 190-198.
7. В. И. Кокарев, С. В. Федоров, А. К. Велис, Йе Мин Со. Исследование процесса сверления синтеграна твердосплавными сверлами с комплексным модифицированием режущей части, Вестник МГТУ «Станкин», №3. 2013, 45-49.
8. Филатов П. Н. Повышение стойкости протяжного инструмента из порошковой быстрорежущей стали при обработке жаропрочных никелевых сплавов/Вестник МГТУ «Станкин», - № 4, 2008, 44-50.
9. Карпачев А. Д., Климов В. Н., Маслов А. Р. Повышение износостойкости инструментальных конусов: Вестник МГТУ «Станкин», № 1 (23), 2013, 82-86.
10. Markov, Alexey B.; Yakovlev, Evgeny V.; Petrov, Vsevolod I. Formation of Surface Alloys with a Low-Energy High-Current Electron Beam for Improving High-Voltage Hold-Off of Copper Electrodes//IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, 41 (2013), pp. 2177-2182.
11. В. Д. Гурин, М. В. Терешин, А. А. Туманов, С. В. Федоров, Представление радиуса округления режущих кромок как возмущающего фактора процесса резания: Вестник МГТУ «Станкин», № 4 (27), 2013.
12. М. В. Терешин, Влияние переменных режимов резания на износ быстрорежущих сверл: Вестник МГТУ «Станкин», № 2 (25), 2013, 47-49.
Equipment for the formation of wear resistance surface alloys for cutting tools: scientific aspects and commercialization
S. V. Fedorov, PhD of Technics, Associate professor of the sub-department «High effective machining technologies», MSTU «STANKIN»
A. B. Markov, PhD of Physical & Mathematical Sciences, associate professor, Senior researcher of Institute of High Current Electronics, Tomsk
V. S. Vesnin, CEO in «Microfusion», Ltd, Tomsk Pulsed electron-beam technologies, implemented with the help of plants «RITM-SP-M» (produced by «Mikrofusion»), allows producing on the surface of the cutting tool of high speed steel or hard alloys modified refractory compounds formed by initiating the reaction of self-propagating high-temperature synthesis. This treatment is recommended before applying the wear-resistant coating and makes it possible to influence on the processes of wear of the cutting ю tool, thus enhancing their resource. ^
Keywords: «RITM-SP-M» installations, cutting tools, surface alloying, increasing of wear resistance.
о n
oo
J <
CQ О
