CC BY
54
УДК 621.762
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ Лавро Виктор Николаевич, доцент (e-mail: lavro7@mail.ru) Самарский государственный технический университет, Россия
В данной работе на основании проведенных исследований была разработана технология нанесения ионно-плазменных покрытий (TiCr)N на фрезы из стали Р6М5 и проведены их опытно-промышленные испытания, показавшие повышение работоспособности инструмента от 6 до 10 раз.
Ключевые слова: плазма, температура, покрытие, сталь, фреза, свойства, технология
Развитие методов нанесения и расширение масштабов использования износостойких упрочняющих покрытий на металлообрабатывающий инструмент различного назначения является важнейшим средством повышения работоспособности инструмента, служит основной для внедрения высокоинтенсивных режимов обработки современных конструкционных материалов. Вместе с тем даже существенное повышение стойкости упрочненного инструмента не снимает проблемы совершенствования технологии нанесения и повышения качества покрытий в связи с многофакторностью процесса, необходимостью учета индивидуальных характеристик инструмента и особенностей его эксплуатации.
Анализ причин нестабильного качества быстрорежущего инструмента с износостойкими покрытиями приводит к выводу о том, что температурное состояние подложки является одной из важнейших характеристик технологического процесса нанесения покрытий методом КИБ, оптимальное поддержание которой обеспечивает высокую работоспособность инструмента. Естественно, это утверждение предусматривает высокое качество предварительной очистки инструмента, соблюдение вакуумной гигиены, а также отсутствие отклонений по чистоте реакционного газа и нарушений технологических инструкций.
Для быстрорежущего инструмента оптимальные температурные условия при вакуумно-плазменном нанесении покрытия находятся в узком интервале. Верхнее значение температуры ограничено явлениями разупрочнения быстрорежущей стали, т. е. температурами отпуска 550 °С, а нижнее - качеством очистки и термоактивации подложки, позволяющей формировать покрытие с хорошим уровнем сцепляемости и совершенством структуры.
Условия, в которых протекает начальный этап, имеют определяющее значение для структуры полученной пленки, прочности ее сцепления с подложкой, времени формирования пленки.
Оптимальные температурные условия нанесения покрытий на быстрорежущий инструмент представлены на рисунке 1. На этапе ионной очистки и термоактивации поверхности подложки важнейшими параметрами процесса являются температура и время достижения этой температуры. Температура ограничена значениями примерно 500 - 540 °С, а время очистки и термоактивации принимают в пределах 5 - 10 мин. Такой узкий интервал времени очистки обусловлен, с одной стороны, необходимостью обеспечения качественной очистки, а с другой, сохранением размеров радиусов округления режущих кромок от увеличения (растравливания).
На этапе осаждение покрытия оптимальными являются условия поддержания температуры подложки на уровне 520 ± 10 °С. При такой температуре обеспечивается формирование покрытия с наилучшей структурой.
На этапе охлаждение инструмента с покрытием производят в камере установки «Юнион» до температуры 120 °С, предотвращающей окисление износостойких пленок на воздухе и отслаивания покрытий в следствии быстрого охлаждения поверхности изделия.
I цикл II III П
Рисунок 1 - Схема оптимального циклического плазменного нагрева режущего инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 на установке
«Юнион»
Несмотря на очевидность необходимости поддержания температурных условий на уровне, приведенном на рисунке 1, осуществлять технологический процесс по этой схеме достаточно трудно. В первую очередь это связано с большим разнообразием типоразмеров быстрорежущего инструмента, на который наносится покрытие. В этих случаях при одинаковых условиях работы плазменного источника температура подложки на инструментах различных по форме и размерам будет разной. При этом для поддер-
жания оптимальных температурных условий необходимо значительно изменять электрические режимы технологического процесса КИБ, что в свою очередь может оказывать влияние на качество и структуру наносимых пленок.
Анализ технологических процессов вакуумно-плазменного нанесения упрочняющих покрытий позволяет выявить основные направления их совершенствования.
Проводимые нами исследования по отработке технологических процессов нанесения ионно-плазменных износостойких покрытий указывают, что наиболее полно возможности поверхностного упрочнения инструмента могут быть реализованы путем совершенствования:
- стабильности электрических параметров плазмотрона;
- средств контроля и измерения температур на всех этапах процесса;
- подача реакционного газа в вакуумную камеру;
- условий ионной очистки поверхности инструмента;
- диагностики качества покрытий.
С целью реализации указанного подхода разработаны качественно новые элементы и системы плазменного оборудования, включающие:
1. модуль низкотемпературной газовой активации поверхности изделий "Поток";
2. автоматическую подачу и поддержание на заданном уровне реакционного газа на всех стадиях технологического процесса;
3. автоматический контроль и измерение температуры изделия, как в режиме очистки, так и в режиме конденсации поверхности;
4. экспресс диагностику качества получаемых ионно-плазменных покрытий по методу, основанному на анализе динамики микро разрушений покрытия под действием локальной анодной поляризации в растворах электролитов специального состава, на приборе ЭИД (электрохимический инициатор дефектов).
Оптимальная толщина покрытий, наносимых методом КИБ 3 -5 мкр.
Для оценки эффективности предлагаемого в данной работе решения, были выполнены исследования по оценке стойкости характеристик режущего инструмента с покрытием, с учетом совершенствования оборудования и технологии их нанесения.
Исследования проводились на концевых фрезах 0 20 мм, Z=5, из стали Р6М5 с покрытием (TiCr)N, нанесенной по комплексной технологии на модернизированной плазменной установке "Юнион", при фрезеровании изделий из стали 30ХГСА, на станке фирмы "TOS", без охлаждения с режимами резания: n=500 об/мин; V=31,4 м/мин; S=80 мм/мин; 1=2мм.
Рисунок 2 - Внешний вид концевой фрезы из стали Р6М5 с покрытием
(Жг^
В качестве критерия затупления был принят износ по задней поверхности фрезы Ьз=0,3 мм. Износ задней поверхности измеряется на микроскопе МБС-2, с точностью ± 0,01 мм. Контроль качества покрытий выполняется на приборе ЭИД, определялся интегральный параметр качества К1.
К^о-Оп/Оо
где, О0 и Оп - количества электричества, прошедшее через электролитическую ячейку при поляризации поверхности образца без покрытия и с покрытием. На рисунке 4 представлены результаты напыления концевых фрез без покрытия (1-2) и с покрытием (^Сг^ (3-7). На рисунке 3 представлено влияние факторов, определяющих кинетику износа инструмента с покрытием.
параметры и Дефекты , определяющие износостойкость покрытий
1 ТОЛЩИНА
2 НАПРЯЖЕННО С01Л0ННИЬ
3 ПОРИСТОСТЬ
4 МИКРОТРЕЩИНЫ
5 КАПЕЛЬНАЯ ФАЗА
б ВКЛЮЧЕНИЯ
7 8 НОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТИ (ШЕРОХОВАТОСТЬ* ТЕКСТУРА
9 АДГЕЗИЯ
Рисунок 3 - Факторы, определяющие кинетику износа инструмента
с покрытием
____ 1-2 4 £
" 5 Г4 7
0 100 200 300 400 500 600 700 300 900 1000
Т, мин
Рисунок 4 - Влияние времени работы концевой фрезы с покрытием (Т1Сг)К на её износ: 1-2 - фрезы без покрытия, 3-7 - фрезы с покрытием (ТЮг)К полученные при различных технологических параметрах
Результаты интегрального параметра качества К1 рассчитанного для фрез (3-7) представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты оценки интегрального параметра качества
Параметры Номер фрезы
1,2 3 4 5 6 7
К1 — 0,65 0,68 0,72 0,77 0,86
Т(мин) 95 630 675 725 750 940
г — 0.94 0.91 0.9 0.91 0.93
К1 - интегральный параметр качества определенный на приборе ЭИД.
Т(мин) - время работы фрезы до износа Из = 0,3 мм.
г - коэффициент корреляции.
В результате математической обработки экспериментальных данных и натурных испытаний концевых фрез с покрытием полученных при варьировании технологических параметров нанесения покрытий, была получена устойчивая корреляция между параметром качества покрытий К1 и параметром износа фрезы Из.
ЭИД может быть использован для текущего контроля качества ионно-плазменных покрытий на производственных участках в заводских и научно-исследовательских лабораториях, а также при разработке новых технологий и прогнозирования работоспособности режущего инструмента с покрытием.
Показано, что предлагаемый в данной работе подход совершенствования оборудования и технологии позволил увеличить стойкость режущего инструмента с покрытием (Т1Сг)К при обработке изделий из стали 30ХГСА в 6-10 раз.
Проанализирована возможность контроля качества покрытий с помощью прибора АПИД. Высочайшая точность, простота и эффективность данного метода была подтверждена натурными испытаниями, коэффициент корреляции составил 0,9 - 0,95 что позволяет говорить не только о контроле качества покрытий в лабораторных условиях но и о возможности с помощью данного метода прогнозировать работоспособность режущего инструмента и твердосплавных пластин в реальных условиях.
На основании приведенных исследований, была разработана технология нанесения ионно-плазменных покрытий (TiCr)N на быстрорежущую сталь Р6М5. Полученные результаты показали повышение работоспособности инструмента от 6 до 10 раз, что говорит о высокой эффективности предложенных научно-технических решений и целесообразности их применения в производстве.
Список литературы
1. Лавро В.Н Совершенствование технологии нанесения ионно-плазменных покрытий на режущий инструмент из быстрорежущей стали // Сборник научных трудов 2-й Международной научно-технической конференции, посвященной 50-ю летию Юго-запалного государственного университета «Качество в производственных социально-экономических системах»..Курск, 2014.
2. Лавро В.Н. Анализ причин снижения качества ионно-плазменных покрытий при нанесении на быстрорежущий инструмент // Материалы Всероссийской научно-техничсекой конференции «Высокие технологии в машиностроении». СамГТУ, Самара, 2015.
Lavro Victor Nikolayevich, associate Professor
Samara state technical University, Samara, Russia
(e-mail: lavro7@mail.ru)
THE RESEARCH AND DEVELOPMENT OF APPLICATION TECHNOLOGY OF WEAR-RESISTANT ION-PLASMA COATINGS FOR CUTTING TOOLS OF HIGH SPEED STEEL
Abstract. In this paper, on the basis of the conducted research was developed the technology of applying ion-plasma coatings (TiCr)N on cutters of steel R6M5 and conducted their pilot tests showed increased efficiency from 3 to 10 times.
Keywords: plasma, temperature, coating, steel, mill, properties, technology
