CC BY
24
УДК 539.197; 674.055:621.934(043.3)
В. В. Чаевский1, П. В. Рудак1, А. К. Кулешов2
1 Белорусский государственный технологический университет 2Белорусский государственный университет
ИЗНОС ЛЕЗВИЙ НОЖЕЙ ДЕРЕВОРЕЖУЩЕГО ФРЕЗЕРНОГО ИНСТРУМЕНТА
С ZrC-, ZrC-Ni-УДА-ПОКРЫТИЯМИ
Показан износ лезвий с ZrC-, ZrC-Ni-УДА-покрытиями ножей из карбида вольфрама твердых сплавов фрезерного инструмента при резании ламинированных древесностружечных плит (ДСтП). ZrC-покрытия формировались методом конденсации с ионной бомбардировкой. Композиционные Ni-УДА-покрытия были осаждены из сульфатно-хлоридных электролитов на лезвия ножей фрез. Комбинированные ZrC-Ni-УДА-покрытия содержат отдельные фазы никеля, Ni-УДА, графитоподобные фазы ультрадисперсных алмазов, а также фазы ZrC.
Установлено, что в условиях производства при резании модифицированными фрезами с покрытиями лезвий ножей ламинированных ДСтП наблюдается интенсивный абразивный износ лезвий ножей. Лезвия ножей с ZrC-покрытиями являются более износостойкими, чем с комбинированными ZrC-Ni-УДА-покрытиями. Рассчитанный износ лезвий ножей с ZrC-покрытием в 1,3 раза меньше по сравнению с необработанным инструментом.
Ключевые слова: износ, покрытие, лезвие ножа, режущий инструмент, ультрадисперсные алмазы, никель.
V. V. Chayeuski1, P. V. Rudak1, A. K. Kuleshov2
1Belarusian State Technological University 2Belarusian State University
KNIFE BLADES WEAR OF WOOD-CUTTING TOOL WITH THE ZrC-, ZrC-Ni-UDD-COATINGS
Laminated chipboards milled by a tool with tungsten carbide hard alloy knives were coated with ZrC, ZrC-Ni-UDD. The wear of knives blades is shown. ZrC-coatings were formed by the method of plasma vacuum deposition. Composite Ni-UDD-coatings were platted on knife blades of milling tools from sulfate-chloride electrolytes. The combined ZrC-Ni-UDD-coatings consist of separate phases of nickel, Ni-UDD, ultradisperse diamonds phases similar to the graphite phase and ZrC-phase.
Intensive abrasive wear of knife blades occurred when cutting laminated chipboard with a modified cutting tool in a production environment. Knife blades with ZrC-coatings are more wear resistant than cutter edge coated with combined ZrC-Ni-UDD. The value of wear of knife blades with coatings was calculated. If compared with bare tool, the wear of ZrC-coated blade is 1.3 times less.
Key words: wear, coating, knife blade, cutting tool, ultradisperse diamonds, nickel.
Введение. Стойкость и надежность режущего инструмента современного оборудования на деревообрабатывающих производствах является одним из основных условий эффективности его работы. Уровень показателей стойкости и надежности режущего инструмента определяется, в первую очередь, характеристиками физико-механических свойств инструментального материала. При резании композиционных материалов на древесной основе (ДСтП, слоистые пластики, стеклотекстолит и др.) действие входящих в их состав абразивосодержащих частиц, имеющих твердость, соизмеримую с твердостью инструментального материала, приводит к возрастанию сил трения на задней поверхности резца и к более интенсивному абразивному износу контактных поверхностей инструмента [1]. Повышение износостойкости поверхностей с помощью специальных покры-
тий, в том числе композиционных электролитических покрытий (КЭП), показывающих высокие физико-механические и электрохимические свойства [2], по-прежнему представляет собой один из наиболее эффективных методов улучшения функционально-эксплуатационных характеристик изделий и деталей различного назначения. Использование ультрадисперсных алмазов (УДА), получаемых детонацией взрывчатых веществ, в качестве композиционного материала в электрохимических и химических металл-алмазных покрытиях приводит также к повышению их износостойкости, существенной адгезии, резкому снижению коэффициента трения [3]. Установлено, что сформированные гальваническим методом и методом конденсации с ионно-плазменной бомбардировкой (КИБ) комбинированные ZrN-Ni-Со-покрытия на лезвиях стальных ножей хвостовых фрез
обеспечивают при резании материалов из ламинированных ДСтП и хвойных пород древесины повышение периода стойкости режущего инструмента [4].
В связи с этим целью данной работы было сформировать методами КИБ и электрохимического осаждения градиентные ионно-плазмен-ные и гальванические (на основе УДА) покрытия на поверхности твердосплавных лезвий ножей из карбида вольфрама дереворежущего инструмента и исследовать физико-механические свойства (фазовый и элементный состав, износостойкость) режущих элементов инструмента и сформированных слоев.
Основная часть. Гальванические Ni-УДА-КЭП наносили на кафедре химии, технологии электрохимических производств и материалов электронной техники (Х,ТЭПиМЭТ) БГТУ на подготовленную поверхность лезвий ножей на экспериментальной установке с применением источника постоянного тока марки DC POWER SUPPLY HY3005-3 при плотностях тока 1-24 А/дм2 в гальваностатическом и импульсном режимах электролиза из электролитов, состав которых представлен в табл. 1. Толщина покрытий не превышала 10 мкм.
Таблица 1 Состав используемых электролитов при 50°С и рН 4,5
Кислотность (рН) электролита измерялась рН-метром рН-150 с точностью ±0,05%. Уровень рН до нужного значения корректировался концентрированным раствором серной кислоты. Перед осаждением покрытий проводилась подготовка образцов, которая представляла собой химическое обезжиривание при температуре 60-80°С на протяжении 5-10 мин, промывку в горячей (при температуре 40-60°С) и холодной (при температуре 18-25°С) воде, травление (в растворе И2804 (300 г/л) при температуре 18-25°С в течение 3 мин) и холодную промывку, активацию, промывку.
В качестве дисперсной фазы использовали УДА (ТУ РБ 28619110.001-95), являющиеся продуктом детонационного превращения взрывчатых веществ с размерами 3-5 нм, развитой
удельной поверхностью 200-450 м2/г. Процесс электроосаждения КЭП проводили при повышенной температуре 40-5 0°С и постоянном перемешивании электролита-суспензии для поддержания частиц УДА во взвешенном состоянии. Режимы электролиза для осаждения №-УДА-покрытий и полученные результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2
Условия и результаты синтеза Ni-УДА-покрытий
t, мин mнач, г ВТ, % I, А 5, мкм ткон г
30 1,106 80,27 0,16 4,3 1,176
30 1,214 95,18 0,16 6,2 1,297
15 1,172 97,50 0,32 6,2 1,258
Ионно-плазменные ZrC-покрытия осаждались методом КИБ на поверхность ножей хвостовых фрез и поверхность ножей с Ni-УДА -покрытием на установке ВУ-1Б «Булат» по стандартной методике [5]: с предварительной обработкой ионами циркония подложки в вакууме 10-3 Па при потенциале подложки, равном -1 кВ, и последующим нанесением покрытий при токах горения дуги катода 80-100 А и опорном напряжении, равном -100 В, в атмосфере углеводорода СН при давлении 10-1 Па. Температура при осаждении соответствовала 400-450°C. Толщина ZrC-покрытий не превышала 1,5 мкм.
Для формирования комбинированных ZrC-Ni-УДА-покрытий предварительно на поверхность твердосплавных ножей фирмы Leiz (Германия) осаждались Ni-УДА-КЭП с последующим напылением ZrC-покрытия.
Фазовый состав полученных покрытий исследовался методом рентгеноструктурного анализа (РСА) при помощи дифрактометра Ultima IV (Rugaku, Япония) в Cu-Ka излучении.
Морфология поверхности образцов изучалась методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с использованием микроскопа LEO-1455 VP, который также применялся для определения элементного состава полученных покрытий методами СЭМ и рентгено-спектрального микроанализа (РСМА).
Опытно-промышленные испытания на период стойкости модифицированных ножей сборной фрезы диаметром 21 мм при резании ламинированных ДСтП толщиной 16 мм проводили на станке с ЧПУ RANC-330AE при следующих режимах: число ножей на фрезе - 1; частота вращения фрезы - 12 000 мин1; скорость подачи - 4 м/мин. Рассчитанная длина
Компоненты, г/дм3 Электролит № 1 Электролит № 2
NÍSO4 • 7H2O 300 300
NiCl2 • 6H2O 40 40
Н3ВО3 30 30
УДА 1 2-5
Додецилсульфат натрия 0,1
резания ДСтП составила 9000-10 000 п. м с точностью ±1000 п. м. Критерием потери режущей способности резца являлось появление сколов отделки плиты.
Объемный износ лезвия ножа после опытно-промышленных испытаний рассчитывался по методике определения поперечных размеров кромки лезвия по всей ее длине с помощью оптического микроскопа МюгоуеП (холдинг «Пла-нар», Республика Беларусь) в 2 этапа с учетом первоначального неизношенного угла заточки лезвия [6]. Для оценки износа лезвия ножей с учетом крупных участков разрушения лезвия
проводилась математическая обработка оптических снимков этих участков.
Процесс резания модифицированными фрезами с покрытиями лезвий ножей ламинированных ДСтП в промышленных условиях сопровождался интенсивным абразивным износом ножей фрезерного инструмента. При этом на лезвиях ножей наблюдались многочисленные разного размера участки разрушения лезвий в виде оставшихся после вырывания материала основы (в том числе с покрытиями) углублений, пустот, сколов (рис. 1-3), а также истирания покрытий лезвия (рис. 3).
;
«5
50 мкм
Рис. 1. Оптические снимки изношенного лезвия ножа без покрытия (а, б) и крупного участка разрушения ножа с ZrC-покрытием (в)
б
Рис. 2. РЭМ-снимки разрушенного участка лезвия ножа с покрытием (а) и скола лезвия (б)
б
а
в
а
Рис. 3. РЭМ-снимки разрушенного участка лезвия ножа с вырыванием покрытия с основой, истиранием покрытия (а) и выделенного фрагмента полосы истирания покрытия (б, в) с РСМА-определения элементов на полосе (г)
Для ггС-покрытий, осажденных на твердосплавное лезвие ножа из карбида вольфрама, наблюдается достаточно четкая граница истирания на расстояниях до ~50 мкм от острия
лезвия (рис. 4) в отличие от ггС-№-УДА-по-крытий, для которых характерна переходная область истирания (до ~100 мкм), связанная с наличием переходного №-УДА-слоя (рис. 5).
80 60
8 40
20 0
А
л
(N1 Вес.% С Вес.% О Вес.% гг Вес.% W Вес.%
10
20
30
40
50
60
б
70
80
И 1711
90
100
110
120
Рис. 4. РЭМ-снимок изношенного участка лезвия ножа с ггС-покрытием (а) и распределение концентрации элементов вдоль линии А В (б)
а
0
мкм
г
Рис. 5. РЭМ-снимки морфологии изношенного участка лезвия ножа с ZrC-Ni-УДА-покрытием (а, в), суммарный спектр (б) и распределение концентрации элементов вдоль линии АВ (г)
Выполненные расчетные оценки объемного износа лезвия ножей после опытно-промышленных испытаний модифицированных фрез (табл. 3) свидетельствуют, что объемный износ лезвия с ZrC-покрытием уменьшается более чем в 1,3 раза по сравнению с лезвием без покрытия. Объемный износ лезвия с ZrC-Ni-УДА-покрытием незначительно снижается по сравнению с необработанным инструментом.
Оптические снимки изношенной кромки лезвия ножа с ZrC- и ZrC-Ni-УДА-покрытиями подтверждают расчеты объемного износа и показывают, что степень износа лезвия ножей с ZrC-покрытием меньше, чем в случае лезвия ножей с ZrC-Ni-УДА-покрытием.
Заключение. Подобраны режимы осаждения и получены Ni-УДА-КЭП и комбинированные ZrC-Ni-УДА-покрытия на ножах твердосплавного дереворежущего фрезерного инструмента. Показано, что при резании ламинированных ДСтП в условиях производства необработанные лезвия ножей фрез и лезвия с покрытиями испытывают интенсивный абразивный износ. Однако износ лезвий ножей с ZrC-покрытием уменьшается в 1,3 раза по сравнению с необработанным инструментом.
Таблица 3
Результаты расчета объемного износа лезвия ножей после резания ламинированной ДСтП
Вид обработки Объемный износ, х107 мкм3
Без покрытия 129,9 ± 0,9
ZrC-покрытие 93,6 ± 0,6
ZrC-Ni-УДА-покрытие 115,2 ± 0,8
Литература
1. Абразумов В. В., Котенко В. Д. Анализ явлений на контактных поверхностях режущего клина при резании плитных древесных композиционных материалов на минеральных вяжущих // Вестник Московского государственного университета леса. Лесной вестник. 2006. № 6. С. 138-141.
2. Чаевский В. В., Дроздович В. Б. Изучение состава и структуры Ni- и Cr-композиционных электролитических покрытий, содержащих углеродные наноматериалы на стали // Труды БГТУ. 2010. № 6: Физ.-мат. науки и информатика. С. 96-98.
3. Долматов В. Ю. Ультрадисперсные алмазы детанационного синтеза: свойства и применение // Успехи химии. 2001. Т. 70, № 7. C. 687-708.
4. Физико-механические свойства ZrN-Ni-Co-покрытий на лезвиях стальных ножей дереворежущего инструмента / В. В. Чаевский [и др.] // Труды БГТУ. 2015. № 6: Физ.-мат. науки и информатика. С. 97-101.
5. Эффективность применения TiN-, ZrN-, Ti-Zr-N- и Ti-покрытий на твердосплавных резцах при обработке ламинированных древесно-стружечных плит концевыми фрезами / А. А. Гришкевич [и др.] // Труды БГТУ. Сер. VI, Физ.-мат. науки и информатика. 2008. Вып. XVI. С. 52-54.
6. Influence of high energy treatment on wear of edges knives of wood-cutting tool / V. Chayeuski [et al.] // MM (Modern Machinery) Science Journal. 2016. No. 6. P. 1519-1523.
References
1. Abrazumov V. V., Kotenko V. D. The analusis of the phenomena on contact surfaces of a cutting at cutting board wood composite materials. VestnikMoskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa. Lesnoy vestnik [Forestry Bulletin], 2006, no. 6, pp. 138-141 (In Russian).
2. Chayeuski V. V., Drozdovich V. B. The study of the composition and structure of Ni- and Cr-composite electrolytic coatings containing carbon nanomaterials on steel. Trudy BGTU [Proceedings of BSTU], 2010, no. 6: Physical-mathematical sciences and informatics, pp. 96-98 (In Russian).
3. Dolmatov V. Yu. Detonation synthesis ultradispersed diamonds: properties and applications. Uspekhi khimii [Russian Chemical Reviews], 2001, vol. 70, no. 7, pp. 687-708 (In Russian).
4. Chayeuski V. V., Grishkevich A. A., Zhylinskiy V. V., Cernashejus O. Physical and mechanical properties of ZrN-Ni-Co-coatings on the edges of steel knives of wood-cutting tools. Trudy BGTU [Proceedings of BSTU], 2015, no. 6: Physical-mathematical sciences and informatics, pp. 97-101 (In Russian).
5. Grishkevich A. A., Chayeuski V. V., Uglov V. V., Kuleshov A. K. Efficiency of use of TiN-, ZrN-, Ti-Zr-N-, and Ti-coatings on hard alloy during machining of laminated woodchip board using tail cutters. Trudy BGTU [Proceedings of BSTU], seriеs VI, Physical-mathematical sciences and informatics, 2008, issue XVI, pp. 52-54 (In Russian).
6. Chayeuski V., Zhylinskiy V., Grishkevich A., Rudak P., Barcik S. Influence of high energy treatment on wear of edges knives of wood-cutting tool. MM (Modern Machinery) Science Journal, 2016, no.6, pp.1519-1523.
Информация об авторах
Чаевский Вадим Витальевич - кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры физики. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: tchaievsky@tut.by
Рудак Павел Викторович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры материаловедения и технологии металлов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: RudakPV@belstu.by
Кулешов Андрей Константинович - кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией кафедры физики твердого тела. Белорусский государственный университет (220030, г. Минск, пр-т Независимости, 4, Республика Беларусь). E-mail: kuleshak@bsu.by
Information about the authors
Chayeuski Vadzim Vitalievich - PhD (Physics and Mathematics), Associate Professor, Assistant Professor, the Department of Physics. Belarusian State Technological University (13а, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: chayeuski@belstu.by
Rudak Pavel Viktorovich - PhD (Engineering), Associate Professor, Assistant Professor, the Department of Material Science and Metal Technology. Belarusian State Technological University (13а, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: RudakPV@belstu.by
Kuleshov Andrey Konstantinovich - PhD (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory of the Department of Solid State Physics. Belarusian State University (4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: kuleshak@bsu.by
Поступила 15.12.2016
