CC BY
151
------------------------------- © А.С. Верещака, Е.С. Сотова.,
М.Н. Лазарева, 2011
А.С. Верещака, Е.С. Сотова., М.Н. Лазарева
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОЙ РЕЖУЩЕЙ КЕРАМИКИ С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ПОКРЫТИЕМ
Рассмотрены методы разработки и изготовления инструмента из композиционной режущей керамики с функциональным покрытием.
Ключевые слова: композиционная режущая керамика, наноструктурированное покрытие.
7 Основные особенности применения инструмента
• оснащенного СМП из режущей керамики
РК весьма чувствительна к «тепловым ударам» особенно при термоциклическом нагружении, имеет высокую склонность к микро - и макрохрупкому разрушению при контактных напряжениях, превышающих 900-1100 МПа. Указанное предопределяет механизмы изнашивания керамического инструмента, определяемые высокой склонностью к отказам вследствие микро - и макроскалывания режущей кромки. В связи с этим режущие инструменты, оснащенные СМП из стандартной РК, несмотря на достаточно высокую термостабильность при нагреве до температуры 1450 0 С (оксидная керамика), а также повышенную окалиностойкость и сопротивляемость окислению при температурах до 1200 - 1350 оС, имеют весьма узкую область эффективного технологического применения.
От зависимости условий обработки различают два вида изнашивания керамического инструмента: в виде равномерного (нормального) изнашивания и в виде макро- и микросколов (рис. 1). Лезвийный инструмент из режущей керамики склонен к образованию фронта трещин, что является основной причиной последующего микро- и макроразрушения контактных площадках поверхностей инструмента [6].
Различные виды трещин, формируемые в керамических пластинах, имеют различную природу и могут возникать одновременно или дифференцировано. Возникающие виды трещин зависят от условий обработки, состояния технологической системы резания и её параметров. Области применения керамического инструмента.
Область применения ин-
Чистовая
обработка
Чугуны
ТІолучистовая ^ обработка
Труднообрабатываемые сплавы
нитрид.керам.
Нелегированные стали
Рис. 2. Области применения режущего инструмента из различных типов РК по КО 513 AMD
струментов СМП из РК
оснащенных чрезвычайно ограничена вследствие стохастического характера отказов керамических инструментов, что сдерживает его широкое использование в металлообрабатывающей промышленности .[6].
На рис. 2 представлены области применения инструмента из различных типов РК.
Инструменты из режущей керамики применяют для чистовой обработки серого чугуна, чугуна со сферическим графитом, ковкого чугуна, отбеленного чугуна, конструкционных сталей, улучшенных и закаленных сталей с твердостью до 55-60 HRC, полимерных соедине-
ний и сплавов (рис 2). Для лезвийной обработке вышеназванных материалов режущая керамика имеет существенные преимущество перед твердым сплавом. Различные типы режущей керамики имеют свои области применения (см. рис. 2).
2. Разработка концепции и технологии изготовления высокопрочного композиционного керамического инструментального материала с наноструктурированным покрытием
Разработана концепция инструментального материала с повышенными физико-механическими и режущими свойствами на основе композиционно-слоистой системы состоящей из трех основных элементов с градиентом свойств в объеме геометрического тела инструмента. В композите оптимально сочетали свойства твердого сплава (достаточная прочность и вязкость), режущей керамики (высокая твердость теплостойкость и износостойкость) и наноструктурированного покрытия (благоприятная трансформация контактных процессов при резании, «залечивание» поверхностных дефектов керамики).
1 — наноструктурировнное многослойнокомпозиционное покрытие обеспечивает:
• благоприятную трансформацию контактных напряжений при резании;
•«залечивание» поверхностных дефектов керамического слоя;
• повышает сопротивляемость изнашиванию
керамического слоя___________________________
2 - керамический слой обеспечивает повышенную износостойкость композита за счет:
• высокой твёрдости;
• повышенной теплостойкости;
• высокой сопротивляемости термодиффузии,
коррозии и высокотемпературному окислению.__________
3 - субстрат из ультрадисперсного твердого сплава обеспечивает:
• достаточную прочность инструмента в объеме геометрического тела режущего инструмента;
• снижение вариационных разбросов точностных
характеристик инструмента, повышение износостойкости и надежности инструмента.___________
На рис. 3. показана принципиальная схема архитектурыг выгсокопрочного композиционного керамического трехслойного композита
Подобный композиционный материал получил наименование «высокопрочная композиционная керамика» (ВКК) с покрытием.
Методика формирования ВКК.
Особое внимание было уделено выбору материалов керамического слоя и субстрата (твердого сплава), при этом необходимо соблюдение требований совместимости термомеханических характеристик соединяемых слоев (коэффициенты термического расширения, модули упругости и т.д.). Прочное соединение межфазных границ слоев является одним из важнейших условий нормального функционирования инструмента из ВКК. Для проведения детальных исследований были выбраны следующие сочетание элементов ВКК: субстрат (слой 1) на основе твердого сплава - WC-TaC-Co с ультрадисперсным структурой, керамический слой 2 на основе сложной композиции ^^4, ТЮ, Y2O3, А1203) и слой 3 в виде наноструктуриро-ванного многослойно-композицион-ного покрытия (см. рис. 3) на основе систем Т>(Л,АГ^-(П,Сг,А1)^ 2г-(2г,Сг^-С^ [3,
5].
Важной задачей разработки архитектуры и технологии производства ВКК являлось установление оптимального соотношению толщины керамического и твердосплавного слоев. Эксперименты проводили при изменении соотношения слов в диапазоне от 10/90 до 50/50. Критерием оценки оптимальности соотношения служило значение предела прочности при поперечном изгибе.
При разработке требований к покрытию для нанесения на ВКК, учитывали необходимость «залечивания» поверхностных дефектов и положительной трансформации контактных процессов. Разработанные покрытия для осаждения на ВКК имело трёхслойную архитектуру, в частности, покрытие на основе системы Ть (Л,А1^-(П,Сг,А1^ включало [5].
Для получения наноструктурированных покрытий использовали процессы фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО), которые реализовывали на установке ВИТ-2 конструкции СТАН-КИН-ЭКОТЕК, оснащенной устройствами для фильтрации пароионного потока, гашения микродуг, динамического смешивания газов, получения высокоэнергетических ионов [3, 5]. Формирование наноструктуры многослойных покрытий для использования в технологиях сухой обработки осуществляли
3. Постановка задач и методики исследования
Система сухого резания с компенсацией физических функций СОТС.
Анализ исследования основных аспектов сухого резания с повышенной термической напряженностью практически всех элементов системы резания, позволил разработать рабочие гипотезы и сформулировать научные задачи создания инновационной технологии сухого резания, в которой повышенная термическая напряженность системы снижается за счет применения элементов, компенсирующих основные физические эффекты СОТС.
Разрабатываемая технология сухого резания характеризуется следующими особенностями[1-4]:
• интенсификацией конвекционных процессов отвода тепла из области обработки (компенсация охлаждающей функции жидких СОТС);
• уменьшением мощности фрикционных источников тепла (компенсация смазочной функции жидких СОТС);
Инструментальный материал Н%, МПа МПа Кст Фазовый состав
Стандартная РК ^3^, ТіСД2Оз А12Оз) 3,76 2300 650 1 Р- Si3N4,TiC,Y2O3, SiO2, Y5Si3Al7, Y5Si3, Ті2№С АТГ
ВК6-М 15,2 1600 1350 0,6 WС-TaC- Со
ВКК" - - 1230 1,7*** -
ВОК-200 4,25 2450 700 1,2 А12О3
ВОКС-300 (слоистый композит) - - 950 1,2 -
Кст* - коэффициент стойкости инструмента при точении стали 45 (НЕС 45) с V = 270 м/мин; S = 0,2 мм/об; t = 0,5 мм определяли как отношение стойкости СМП из стандартной (нитридной) керамики к стойкости СМП из ВКК и других типов инструментальных материалов. фазовый состав керамического слоя 2 ВКК и состав наноструктурированного покрытия указаны выше. - данные по стойкости СМП с покрытием получены при использовании технологии ЭЧР
• снижением поверхностной энергии локальных поверхност-
ных объемов формируемой стружки (компенсация пластифицирующих эффектов жидких СОТС).
4. Исследования и анализ результатов
Проведены широкие исследования различных свойств ВКК с наноструктурированным покрытием, результаты которых показаны ниже.
Исследование физико-механических и режущих свойств ВКК. Результаты исследований различных свойств СМП из разрабатываемой ВКК с покрытием и без покрытия в сравнении со свойствами СМП из стандартных твердых сплавов и РК, представлены в таблице.
Сравнительные результаты оценки свойств различных типов инструментальных материалов и ВКК.
Анализ данных таблицы позволяет отметить следующее:
Экспериментальные данные по оценке физико-механических свойств показали, что прочность разработанного ВКК значительно выше прочности стандартной
Инструменты, оснащенные СМП из ВКК с наноструктуриро-ванным покрытием обеспечивали существенное повышение стойкости (более 2-х раз) по отношению к стойкости СМП из ВКК без покрытия не только при использовании системы с компенсацией физических функций СОТС (ЭЧР), но и при сухом резании (см. табл. 2).
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Верещака А.С., Хаустова О.Ю. Дюбнер Л.Г. Исследование характеристик качества поверхностного слоя при использовании экологически дружественной технологии сухой обработки. В кн: Современные технологии в машиностроении. Сборник научных трудов по редакцией А.И. Грабченко. - Том 2. Харьков:НТУ «ХПИ», 2006. С. 306-319.
2. Кириллов А.К. Создание системы сухого резания с компенсацией эффектов смазочно-охлаждающих технологических сред при точении конструкционных материалов //Автоматизация и современные технологи.-2006.- №1.-С.9-16.
3. Верещака А.С. Некоторые методологические принципы создания функциональных покрытий для режущего инструмента. Сб. научн. статей к юбилею Ф. Якубова. ISBN 978-966-593-535-3. - НТУ «ХПИ», 2007. С.210-232.
4. Кириллов А.К., Верещака А.С., Козлов А.А., Робакидзе З.Ю. Разработка и исследование технологии сухого резания труднообрабатываемых материалов с компенсацией физических функций СОТС // СТИН.- 2009. -№1. С.35-40.
5. Верещака А.С., Верещака А.А. Методология создания функциональных покрытий для режущего инструмента. Современные технологии машиностроения: Сб. научн. статей. ISBN 978-966-384-059-8. - НТУ «ХПИ», 2007. С. 192-235.
6. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями - М.: Машиностроение , 1993. 336 с. шгд=1
Верещака А.С. - Московский Государственный Технологический Университет «Станкин»
Сотов Е.С. - Московский Государственный Технологический Университет «Стан-кин»
Лазарева М.Н. - Московский Государственный Технологический Университет «Станкин»
