CC BY
18
УДК 621.762.
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ
ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА РЕЗЬБОВЫЕ ФРЕЗЫ
ИЗ СТАЛИ Р18 Якимкин Алексей Игоревич, студент (е-mail: alex.yakimkin2013@yandex.ru) Лавро Виктор Николаевич, доцент (е-mail: lavro7@mail.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В работе выполнены исследования по влиянию технологических параметров напыления на свойства покрытий и разработана технология нанесения ионно-плазменных покрытий TiN на резьбовые фрезы из стали Р18.
Ключевые слова: инструмент, покрытие, свойства, резьбовые фрезы, технология.
Одним из путей повышения стойкости, производительности и других характеристик является поверхностное упрочнение режущего инструмента.
Наиболее эффективным методом поверхностного упрочнения является метод нанесения ионно-плазменных покрытий.
Широкое распространение в нашей стране получил метод конденсации покрытий в условиях ионной бомбардировки (КИБ) (конденсация и ионная бомбардировка) [1].
Резьбовые фрезы используются для нарезки резьбы на специализированном оборудовании. Для повышения работоспособности инструменты нами были проведены исследования и разработана технология нанесения ионно-плазменного покрытия TiN по методу КИБ.
Методика исследования.
Исследования были выполнены на образцах диаметром 15 мм, толщиной 5 мм из быстрорежущей стали Р18, прошедшей термическую обработку -закалку при Тз=1250иС и отпуск Тотп=560 С. Твердость после термообработки HRCo=63.
Высокие показатели прочности и теплостойкости, равной 6200С, приобретаются в результате двойного упрочнения: мартенситного при закалке и дисперсионного твердения при высоком отпуске 5600С, вызывающего выделения упрочняющих фаз.
Нанесения покрытий выполнены на плазменной установке "Юнион" (рис. 1), в которой все технологические параметры: низкотемпературной очистки ионами аргона, исключающими перегрев режущих кромок инструмента, контроль температуры на всех стадиях нанесения покрытий, поддержание давления реакционного газа на заданном уровне полностью автоматизировано. Это позволяет получать покрытия с заданными свойства-
182 СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №2 (23), 2019 ми.
Рисунок 1 - Внешний вид установки "Юнион"
Конструкция фрезы и технологической оснастки приведены на рисунках 2 и 3.
Конус Морзе N2
Л.
I
68
М5
50 ст Р-18
Ст45
-а.
•ъ.
' Ы5°
-77/7//////////^ |
238
Рисунок 2 - Конструкция резьбовой фрезы под покрытие
а} &>
Рисунок 3 -Инструмент резьбофреза с оснасткой, размещенной на планетарной системе
а) Фреза с оснасткой в планетарной системе; б) конструкция оснастки
Технологические оптимизированные параметры нанесения покрытий с использованием модуля низкотемпературной очистки приведены в таблице
1.
Таблица 1
_Технологические параметры нанесения покрытийТ1Ы_
1. Н.Т.О. (низкотемпературная очистка)
ир(Напряжение разряда)=118 В !н(Ток нагрева и эмиттера электронов)=19,6 А Т(Время очистки)=7мин
1р(Ток разряда)=1,69 А Гэн(Ток электромагнитной катушки)=3,4 А Раг(Давление аргона)= 2*10-4тор (6,7*10-2 Па)
2. И.О. (ионная очистка)
IД (Ток дуги испарите-ля)=90А и ОП (Напряжение на подложке )=1000 В т (Время нагрева и очистки изделия )=10мин
IФ (Ток фиксирующей катушки) = 2,7 А К(Ионный ток плазмы) =1,5А Т(Температура нагрева из-делия)=5000С
Iст (Ток стабилизирующей катушки) = 0,5 А Рост(Давление азота в камере) = 2*10-5тор (б,7*10-3 Па)
3. Конденсация TiN
IД =90 А иОП = 160 В т (Время конденсации покрытия) =30мин
IФ =0.5 А И =0.5 А Т= 5000С
I= 2.6 А Р 1 N2 (Давление азота в камере) =4 10-3тор (5,3*10-1Па)
Резьбовая фреза с покрытием ТлМтриведена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Резьбовая фреза с покрытием TiN
Элементный анализ полученного покрытия, проведенный с помощью анализатора JED-2300 и микроскопа JEOL JSM-6390A, показал наличие двух элементов титана и азота. Результаты исследований структуры, элементного состава и свойства покрытия приведены на рисунках 5 и 6.
Рисунок 5 - Результаты исследований структуры покрытия
4S00-A40U 4СМ 3-600 -3.30U-280111400-?то-ьио-:2оо-ш-
4UU-0
С^СиШ®
*
t
ы [U
1 ■М
J
1 J ]
Title : IMG 2
Instrument
Volt : 20.00 kv
Mag. ; x 100
Dace : 2019/02/01
Pixel : £2 B0 x 9-60
Acquisition parameter
1пэ 1ГШЛЁ Д t : 63&DH1-AJ
Acc. Voltage ; 20.С Itv
Prcbe current: t.QOOQQ r.A.
PEA ni&de : T2
Real Tioe : 47.95 s&c
Live Time ' 41.14 : < -Dead ripe : %
cauntiiiq Rate: 11D40 dps
Energy Range : 0 - 20 jcev
1)Ш LOC 2.00 !.'Л) 4 «О 5 Ш 6.1X1 7. ID ш
kev
IAF HettiM {Standardly s Guantitative Analysis Pitting Coefficient : 0.fii99 EleiMr.t (lav] liajgi Eircri At<m
И К 0.332 П.56 2.23 i2.il
1i К 4_зОЁ $2 U 1.11 57.И
Total lflO.OC тв. DO
ilDmpij'ur.d Jtessi Cation
E
J 7,3® 1 ь 54. W
Рисунок 6 - Результаты исследований элементного состава
и свойства покрытия
Элементный анализ показал, что в полученном износостойком покрытии массовое содержание азота 17.66%, титана 82.34% соответственно.
Хорошо видно, что покрытие повторяет рельеф поверхности подложки. В покрытие наблюдается наличие капельной фазы, размером примерно 1 до 6 мкм. Изменяя температуру подложки и, соответственно, скорость миграции атомов, можно реализовать различные механизмы роста и получать различные типы структур покрытия. В целом покрытие нанесено без явных дефектов.
Для количественной оценки качества покрытий по методу АПИД (анод-но-поляризационного инициирования дефектов) использовался интегральный параметр качества К1, который определяется по формуле:
к 0210п (1)
1 Qo
где Qo и Qn - количество электричества, прошедшее через электролитическую ячейку в процессе поляризации поверхности образца без покрытия и с покрытием.
Результаты интегрального параметра качества К1приведены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты измерения интегрального параметра качества К1 инструмента _из стали Р18 с покрытием TiN "Поток"_
Материал катода Тип покрытия Изме] ряемые параметры качества
Q0*10-6 (Кл) Qoср Qn*10-6 (Кл) Qnср К1
ВТ 1-00 TiN 880, 856, 882, 870, 875 872,6 250,244,232,241,2 35 240,4 0,72
По данным результатам параметра качества К1=0,72 можно прогнозировать повышение стойкости инструмента в 2,5-3 раза.
Выводы: В работе были проведены исследования структуры и физико-механических свойств ионно-плазменных покрытий TiN, определены оптимальные параметры упрочнения на плазменной установке "Юнион". По результатам исследований была разработана технология нанесения покрытия TiN и специализированная оснастка. Промышленные испытания резь-бофрез с покрытием TiN показали повышение стойкости инструмента в 2,8 раза (по сравнению с инструментом без покрытия). Список литературы
1. Григорьев С.Н. Метод повышения стойкости режущего инструмента: учебник для студентов вузов/ Григорьев С.Н. - М.: Машиностроение, 2011. - 368 с.
2. Лавро В.Н Определение свойств вакуумно-плазменных покрытий методом АПИД. - Самара: Самарский гос. Технический университет, 2013. - 12с.
Lavro Vicktor Nikolaevich, associate professor (е-mail: lavro7@mail.ru) Yakimkin Aleksei Igorevich, student (e-mail: alex.yakimkin2013@yandex.ru) Samara state technical university, Samara, Russia
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY OF DRAWING IONPLASMA COATINGS ON THREAD MILLS FROM STEEL R18
Abstract. In this article, studies have been carried out on the influence of the technological parameters of spraying on the properties of coatings, and a technology has been developed for applying TiN ion-plasma coatings on threaded mills made of steel R18. Keywords: tool, coating, properties, threaded mills, technology.
