CC BY
162019, №2 : www.paradigma.science
УДК 621.9.02
Власов С. Н., Пикмирзин М. Ю.
Работоспособность инструмента с многослойным покрытием после лазерной обработки
Аннотация. В работе изучено влияние воздействия лазерного излучения на режущий инструмент с двухслойными покрытиями. В исследованиях использовали неперетачиваемые твердосплавные пластины, которые были взяты из одной партии. Лазерная обработка покрытий, обеспечивает максимальное снижение износа режущего инструмента.
Ключевые слова: двухслойные покрытия, твердосплавные пластины, лазерная обработка, интенсивность износа.
Одним из эффективных методов повышения работоспособности режущих инструментов (РИ) является применение износостойких покрытий. Известно, что нанесение многослойных покрытий различного состава позволяет повысить работоспособность режущего инструмента в несколько раз по сравнению с однослойными покрытиями. Несмотря на существенный вклад покрытий в уменьшение износа РИ, их эффективность в ряде случаев недостаточна. Известно [1], что разрушение износостойкого покрытия носит хрупкий характер и происходит в результате образования и развития трещин на контактных площадках РИ. В свою очередь, процесс трещинообразования определяется способностью режущего клина РИ сопротивляться упругопластическим деформациям_под действием термомеханических нагрузок, возникающих в процессе резания, прочностью адгезионной связи покрытия с инструментальной основой и прочностью материала покрытия.
Для дальнейшего повышения работоспособности РИ с покрытиями применяют методы комплексной поверхностной обработки [2, 3], сочетающие процессы ионно-плазменного нанесения покрытий и поверхностной упрочняющей обработки. В качестве последней наибольшее применение получило ионное азотирование. Предварительная поверхностная обработка способствует росту сопротивляемости режущего клина РИ упругим прогибам и формоустойчивости, что приводит к повышению работоспособности РИ [2]. В то же время такая предварительная поверхностная обработка не оказывает влияния на свойства материала покрытия и прочность адгезионной связи покрытия с инструментальной основой, которые, как было сказано выше, существенно влияют на процесс разрушения покрытия. Повышение указанных характеристик может быть достигнуто
2019, №2 : www.paradigma.science
путем дополнительной, после нанесения покрытия, упрочняющей обработки. [4]
В работе изучено влияние воздействия лазерного излучения на РИ с двухслойными покрытиями. В исследованиях использовали неперетачиваемые твердосплавные пластины формы 031 11 -120408 (ГОСТ 19049-80) из сплава Т5К10 производства СП MMKTC-HERTELM и МС146, которые были взяты из одной партии. Износостойкие покрытия системы TiN - TiCN суммарной толщиной 6 мкм наносили на установке "Булат-6М". Лазерную обработку покрытий и быстрорежущей основы проводили на импульсной лазерной установке "Квант-15" при плотности мощности лазерного луча q = 2,4-104 - 4,8-104 Вт/см2, длительности импульса излучения тИ = 4 мс, диаметре пятна лазерного излучения d = 1 мм. Структурные параметры (период кристаллической решетки - а, показатель текстурированности - отношение интенсивностей рентгеновских линий J111/J200, ширина рентгеновской линии - р111, остаточные напряжения - а0), механические свойства покрытий (микротвердость - Иц и прочность сцепления покрытия с инструментальной основой - К0) определяли по методикам, изложенным в работах [4 - 6]. Работоспособность РИ оценивали по интенсивности К
износа: J = — -103 (где Ьз - размер площадки износа по задней
поверхности, мм; L - путь резания, м), а при стойкостных испытаниях -по периоду стойкости при достижении износа по задней поверхности. Исследования работоспособности проводили в условиях торцового фрезерования на вертикально-фрезерном станке мод. 6Р12 однозубыми торцовыми фрезами. В экспериментах использовали торцовые фрезы с механическим креплением режущих пластин 2214-0273 ГОСТ 22085-76. Геометрия режущей части: передний угол у=-11 главный задний угол а = 11 °, главный угол в плане ф = 67 °.
Некоторые результаты исследований структурных параметров покрытий представлены в таблице 1.
Таблица - 1. Влияние лазерной обработки на структурные параметры покрытий_
Покрытие а, нм ßiii, град J111/J200 отн.ед. о0, МПа
TiCN(1,5 мкм) - TiN (4,5 мкм) 0,4236/0,4232 0,34/0,36 33,4/26 -(280±180)/ -(530±110)
TiCN (3,0 мкм) - TiN (3,0 мкм) 0,4231/0,4241 0,37/0,39 23/14 -(240±80)/ -(870±100)
TiCN (4,5 мкм) - TiN (1,5 мкм) 0,4247/0,4242 0,49/0,46 16/26 -(610±160)/ -(1260±110)
TiN (1,5 мкм) - TiCN (4,5 мкм) 0,4248/0,4255 0,51/0,47 18/21 -(750±60)/ -(1340±120)
TiN (3,0 мкм) - TiCN (3,0 мкм) 0,4241/0,4248 0,51/0,53 12/23 -(800±110)/ -(1110±80)
TiN (4,5 мкм) - TiCN (1,5 мкм) 0,4237/0,4242 0,47/0,51 19/35 -(440±30)/ -(770±60)
Исследования показали, что для двухслойных покрытий сложного состава TiCN-TiN и TiN-TiCN после лазерной обработки, по сравнению с покрытиями TiN-TiCN и TiCN-TiN также после обработки лазерным излучением, происходит уменьшение периода кристаллической решётки и полуширины рентгеновской линии, что говорит об уменьшении степени искажения кристаллической решетки материала покрытия. Например, для покрытий TiCN (3,0 мкм) - TiN (3,0 мкм) с лазерной обработкой и без нее величина периода кристаллической решётки составила соответственно 4,231 А и 4,241 А, полуширина рентгеновской линии - 0,37 град. и 0,39 град., а для покрытия TiN (3,0 мкм) - ТЮК (3,0 мкм) - 4,241 А, 0,51 град. и 4,248 А, 0,53 град. соответственно. Ре -зультаты исследования текстуры J щ/^оо показывают, что при переходе к лазерной обработке данный параметр увеличивается, свидетельствуя об увеличение доли кристаллитов с ориентацией в плоскости. При лазерной обработке покрытий наблюдается также снижение уровня остаточных сжимающих напряжений. Уменьшение остаточных сжимающих напряжений может способствовать уменьшению трещиностойкости покрытия.
Таблица - 2. Влияние лазерной обработки на микротвердость покрытий
Покрытие Н, ГПа без ЛО Н, ГПа с ЛО (1,6Вт/см2) Н, ГПа с ЛО (2,1 Вт/см2) Н, ГПа с ЛО (2,4Вт/см2)
TiCN(1,5 MKM)-TiN (4,5 мкм) 21,2±1,5 22,7±1,1 23,4±1,2 23,8±1,4
TiCN (3,0 мкм) - TiN (3,0 мкм) 23,3±1,0 24,5±1,2 25,9±1,4 26,3±1,2
TiCN (4,5 мкм) - TiN (1,5 мкм) 25,6±1,2 26,7±1,5 27,0±1,5 27,6±1,4
TiN (1,5 мкм) - TiCN (4,5 мкм) 26,0±0,9 27,4±2,2 27,8±1,7 28,1±1,7
TiN (3,0 мкм) - TiCN (3,0 мкм) 24,5±1,1 26,0±1,7 26,7±1,6 27,0±1,5
TiN (4,5 мкм) - TiCN (1,5 мкм) 22,2±1,2 23,8±1,6 24,8± 1,5 25,1±1,6
Как видно из таблицы 2, для двухслойных покрытий TiN-TiCN и TiN с увеличением толщины более твердого слоя из карбонитрида титана наблюдается рост микротвердости покрытия. В то же время для покрытий TiN-TiCN величина микротвердости Нц выше, чем для покрытий TiCN-TiN с такими же значениями толщин слоя ^СЫ, что хорошо согласуется с изменением периода кристаллической решетки, полуширины рентгеновской линии и величины остаточных напряжений. Например, для покрытий TiCN и TiCN-TiN с толщиной каждого из слоев 3 мкм микротвердость составила соответственно 24,5 ГПа и 23,3 ГПа. Для покрытий после лазерной обработки характерны более высокие значения микротвердости, чем для обычных покрытий при той же толщине слоя ^СМ Также отмечено, что с ростом плотности мощности лазерного излучения от 1,6 до 2,4 Вт/см микротвердость покрытий увеличивается.
Таким образом, установлено, что микротвёрдость покрытия зависит от объёмной доли более твёрдого слоя в покрытии. Наибольшая микротвёрдость свойственна для покрытий после лазерной обработки при плотности мощности лазерного излучения 2,4 Вт/см . Для покрытий TiCN (4,5 мкм) - TiN (1,5 мкм) после лазерной обработки характерен более низкий коэффициент отслоения К0, что свидетельствует о большой прочности связи покрытия с инструментальной основой и большой когезионной прочности покрытия.
Зависимость интенсивности износа исследуемых покрытий после лазерной обработки является эквидистантой зависимости интенсивности износа покрытий аналогичного состава и толщины без лазерной обработки, отличаясь меньшими их значениями. Установлено, что минимальная
интенсивность износа J для покрытия TiCN-TiN имеет место при толщине внешнего слоя TiN 1,5 мкм. Сравнение данных исследований двухслойных покрытий TiN-TiCN и TiCN-TiN показало, что для обоих вариантов снижение интенсивности износа J связано с увеличением толщины более твердого слоя TiCN. Также установлено, что для режущего инструмента с покрытиями TiN-TiCN величина интенсивности износа J выше, чем с покрытием TiCN-TiN. Выявленное поведение инструментальных композиций объясняется следующим. Во-первых, наличие в покрытии TiCN-TiN верхнего слоя TiN приводит к возникновению более низких температур на задней поверхности РИ.
Во-вторых, в покрытии TiCN-TiN слой TiCN на задней поверхности инструмента вступает в контакт с обрабатываемым материалом раньше, чем слой TiN, и находится в области более высоких контактных напряжений. В покрытии TiN-TiCN первым вступает в контакт с заготовкой слой TiN, который в меньшей степени сопротивляется абразивному и адгезионно-усталостному износу, чем TiCN. Интенсивность износа по задней поверхности J инструмента с покрытием после лазерной обработки также зависит от расположения более твердого слоя TiCN.
При этом минимальное значение интенсивности износа J соответствуют одним и тем же соотношениям толщин слоев, как это имело место для покрытий без лазерной обработки. Установлено, что интенсивность износа покрытий после лазерной обработки интенсивность износа меньше по сравнению с аналогичными покрытиями на 20-50%. Причем плотность мощности лазерного излучения существенно влияет на интенсивность износа. Следует сказать, что увеличение плотности мощности лазерного излучения выше 2,6 Вт/см приводило к оплавлению инструментальной композиции, что отрицательно сказывалось на работоспособности инструмента.
ВЫВОДЫ
1. Установлено влияние лазерной обработки многослойного покрытия на его механические свойства. 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.
2. Лазерная обработка покрытий, обеспечивает максимальное снижение износа режущего инструмента как по передней, так и по задней поверхностям по сравнению с покрытиями, не прошедшими лазерною обработку.
3. 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 .
4. Увеличение плотности мощности лазерного излучения позволяет повысить работоспособность режущего инструмента с покрытием. Верхнее значение этой величины ограничено физическими свойствами (теплостойкостью) инструментальной основы.
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. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания / А.Д. Макаров. - М.: Машиностроение, 1976. - 278 с.
3. Коваленко В.С. Прогрессивные методы лазерной обработки материалов / В.С. Коваленко. - Киев.: Вища школа, 1985. - 88 с.
4. Мигранов М.Ш. Минимизация износа режущего инструмента при нестационарном точении: Новые материалы и технологии в машиностроении / М.Ш. Мигранов . - 2013. - № 18. - С. 94-96.
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
