CC BY
13
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ УПРОЧНЯЮЩИХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ЛЕЗВИЙНОГО ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСРУМЕНТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Хамин Олег Николаевич, к.т.н., доцент
(e-mail: out87@mail.ru) Евманов Сергей Батырович, студент (e-mail: Evmanoff@yandex.ru) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
В работе проведен сравнительный анализ наиболее распространенных ионно-плазменных покрытий (TiN, CrN, (Ti,Al)N) для упрочнения лезвийного твердосплавного инструмента группы ВК (вольфрамокобальтовые) при обработке высокопрочных титановых сплавов. Исследованы свойства покрытий в лабораторных условиях (толщина, пористость, адгезионная прочность). Проведены опытные испытания по определению износа рабочей поверхности монолитных концевых фрез при фрезеровании сплава ВТ22.
Ключевые слова: высокопрочные титановые сплавы, фрезерование, вольфрамокобальтовые твердые сплавы, ионно-плазменные покрытия, свойства покрытий, фрезы, износ рабочей поверхности.
Обрабатываемость материалов резанием характеризуется следующими основными факторами: качество обработки (шероховатость поверхности и точность размеров); стойкость режущего инструмента; сопротивление резанию (скорость и сила резания); вид стружки. Обрабатываемость материалов определяют сравнительными испытаниями путем обтачивания образцов из испытываемого материала и из стали 45 (эталон) [1].
По указанным выше показателям титан и титановые сплавы относятся к материалам, которые плохо или удовлетворительно обрабатываются резанием. Титан плохо обрабатывается резанием. Налипает на режущий инструмент, что резко снижает стойкость последнего. Титан и титановые сплавы обладают низкой теплопроводностью, что также существенно влияет на стойкость режущего инструмента [2, 3].
Титановые сплавы с а-структурой (ВТ5, ВТ5-1) обладают удовлетворительной обрабатываемостью резанием.
Из псевдо-а-сплавов (ОТ-4, ВТ20 и т.п) резанием лучше обрабатывается сплав марки ВТ20 за счет легирования ванадием, молибденом, цирконием.
Двухфазные (а+в)-сплавы (ВТ6, ВТ 14, ВТ 16, ВТ22) обладают наиболее высокой обрабатываемостью резанием из титановых сплавов за счет лучшего сочетания механических свойств.
Псевдо-в-сплавы (ВТ 15) удовлетворительно обрабатываются резанием.
При обработке титана требуется режущий инструмент из быстрорежущей стали или твердого сплава с упрочняющими покрытиями, малые скорости резания при большой подаче и глубине резания, интенсивное охлаждение.
В настоящее время при обработке резанием высокопрочных титановых сплавов (ВТ22, ВТ23 и другие) лезвийным режущим инструментом (сверление, фрезерование) преимущественно используются вольфрамокобаль-товые твердые сплавы марок ВК6, ВК8 и т.п. [4]. При этом инструменты подвергаются упрочнению ионно-плазменными покрытиями. Предлагается широкий спектр покрытий: однослойные; многослойные; композиционные
[5, 6].
Вместе с тем следует отметить, что с технологической точки зрения многослойные и композиционные покрытия при преимуществах по увеличению стойкости лезвийного режущего инструмента по сравнению с однослойными покрытиями, имеют существенный для практики недостаток: сложность изготовления катодов для их нанесения и нестабильность работы катодов. Практика показывает, что наиболее качественные ионно-плазменные покрытия обеспечивают катоды, структура которых формируется в условиях горячей пластической деформации, например горячая прокатка, ковка с перепутываем волокон и т.п. Эти условия эффективно реализуется для технически чистых металлов, или сплавов в однофазном состоянии (горячая деформация). Для материалов сложного химического состава, включающего кроме металлов различные химические соединения (карбиды, нитриды, интерметаллиды и т.п.) эти условия выполнить зачастую сложнее. И как бы заманчиво не выглядел химический состав катода, возможны следующие негативные случаи: формируется покрытие с низким качеством по его основным показателям; катод не обеспечивает необходимого ресурса работы при низком качестве покрытия; катод разрушается при эксплуатации при малой наработке. Так, например, катоды состава алюминий+титан+кремний, полученные методом СВС-прессование в ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет», имели весьма ограниченный ресурс работы на вакуумной установке 01НИ-6-008 (ЮНИОН) при нанесении покрытий методом КИБ (конденсация ионной бомбардировкой). При переходе к обработке инструмента больших размеров (вакуумная установка ННВ-6,6-И1) процесс принципиально не мог быть реализован с использованием этих катодов (разрушение катодов).
Также следует отметить, что при изготовлении катода из никеля методом литья с последующей токарной доработкой, процесс нанесения никелевого покрытия методом КИБ также не мог быть реализован.
Исходя из выше изложенного в настоящей работе проведен сравнительный анализ качества традиционных однослойных покрытий на режущем инструменте из вольфрамокобальтовых твердых сплавов, полученных ме-
тодом КИБ с использованием катодов, полученных из горячекатанных заготовок.
Объектом исследований являлись монолитные концевые фрезы диаметром 12 мм из твердого сплава марки ВК8 для обработки высокопрочного титанового сплава ВТ22.
Исследованы следующие варианты химического состава (системы) ионно-плазменных покрытий:
- система «нитрид титана» (Т1К), как базовое покрытие. Для получения этого покрытия использовали катоды из титана марки ВТ 1-00;
- система «нитрид хрома» (СгЫ). Использовали катоды из хрома марки ВХ-1-Н;
- система «нитрид титана-алюминия» (Т1,Л1)К. Использовали два варианта катодов: одновременная работа раздельных катодов из титана марки ВТ1-00 и алюминия марки АД00; катод из титанового сплава ОТ4.
Ионно-плазменные покрытия наносили методом КИБ на вакуумной установке ННВ-6,6-И1. Технологические режимы нанесения покрытий представлены в таблицах 1-3.
Таблица 1 - Технологические параметры этапов нанесения покрытия Т1К
1. И. О. (ионная очистка)
1 ^ (ток дуги испарителя) = 100 А и ОП (напряжение на подложке) = 1000 В т Ми» (время очистки) = 5-7 мин
1Ф (ток фокусирующей катушки) = 0,7 А 1* (ионный ток) = 0,5 А Т (температура нагрева изделия) = 600 0С
1СТ (ток стабилизирующей катушки) = 2,8 А р ОСТ (остаточное давление в камере) = 5-10-5 Па
2. Конденсация Т1К
1 ^ (ток дуги испарителя) = 100 Л и ОП (напряжение на подложке) = 100 В т (время конденсации покрытия) = 40 мин
1Ф (ток фокусирующей катушки) = 0,7 А 1* (ионный ток) = 0,5 А Т (температура нагрева изделия) = 600 °С
1СТ (ток стабилизирующей катушки) = 2,8 А р ост (давление азота в камере) = 5 10 Па
28 СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №5 (38), 2021 Таблица 2 - Технологические параметры этапов нанесения покрытия СгЫ
1. И. О. (ионная очистка)
1д (ток дуги испарителя) = 140 А иОП (напряжение на подложке) = 1000 В т мин (время очистки) = 5-7 мин
/ф (ток фокусирующей катушки) = 0,2 А I1 (ионный ток) = 0,5 А Т (температура нагрева изделия) = 600 0С
1ст (ток стабилизирующей катушки) = 2,8 А РОСТ (остаточное давление в камере) = 5-10-5 Па
2. Конденсация СгК
1д (ток дуги испарителя) = 140 А иОП (напряжение на подложке) = 100 В т (время конденсации покрытия) = 40 мин
1Ф (ток фокусирующей катушки) = 0,3 А /( (ионный ток) = 0,5 А Т (температура нагрева изделия) = 600 °С
1ст (ток стабилизирующей катушки) = 2,8 А Рост (давление азота в камере) = 5 10 Па
Таблица 3 - Технологические параметры этапов нанесения покрытия (Т1,А1)К
1. И. О. (ионная очистка)
1д (ток дуги испарителя) = 90 А иОП (напряжение на подложке) = 1000 В т мин (время очистки) = 5-7 мин
1Ф (ток фокусирующей катушки) = 0,5 А I1 (ионный ток) = 0,5 А Т (температура нагрева изделия) = 300-3500С
1ст (ток стабилизирующей катушки) = 2,8 А РОСТ (остаточное давление в камере) = 5-10-5 Па
2. Конденсация (Т1А1)К
1д (ток дуги испарителя) = 75 А иОП (напряжение на подложке) = 120 В т (время конденсации покрытия) = 40 мин
1Ф (ток фокусирующей катушки) = 0,5 А /( (ионный ток) = 0,5 А Т (температура нагрева изделия) = 300-350 °С
1ст (ток стабилизирующей катушки) = 2,8 А РОСТ (давление азота в -3 камере) = 5 10 Па
На рис. 1 представлены фрезы с исследуемыми покрытиями.
ПК (Т1,А1)К (Т1,А1)К ок (катод ОТ4) ' (катоды АД00+ВТ1-00) Рисунок 1 - Фрезы с ионно-плазменными покрытиями
Качество покрытий оценивали следующими характеристиками: толщина, пористость и прочность сцепления с поверхностью (адгезионная прочность) [7].
Для определения толщины покрытий использовался метод прямого измерения толщины покрытий, заключающийся в измерении размера ступени, образованной покрытием с гладкой частью поверхности фрезы. Для измерения использовалась головка измерительная рычажно-пружинная (миникатор) с ценой деления в 1 мкм.
Измерение данным методом показало, что толщина всех покрытий находится в пределах 8-10 мкм.
При определении пористости покрытий был использован метод погружения. Фрезы погружали в раствор, содержащий калий железосинероди-
3 3
стый (3 г/дм ) и натрий хлористый (10 г/дм ).
Выдержка в указанном растворе составляла 5 мин при температуре 2025 0С.
Среднее число пор (АСР) определяли по формуле
где Ыобщ - общее число пор на гладкой поверхности фрезы; £ - площадь контролируемой поверхности, см2.
Пористость всех покрытий составила не более 2-х пор на кв. мм.
Для определения адгезионной прочности было использована два метода: метод полирования; метод нагрева фрез с покрытием.
Полирование осуществлялось на специализированной полировальной установке, разработанной на кафедре «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» ФГБОУ ВО «Самарский государственный
технический университет для полирований плоских поверхностей и тел вращения.
Для полирования использовались тканевые круги, пропитанные пастой ГОИ N 1 для тонкого полирования (состав: 81 % окиси хрома; 10 % стеарина; 5 % жиров; 2 % селикогеля; 2 % керосина).
Время полирования составляло 20 с, скорость полирования - 30 м/с.
После полирования гладкой цилиндрической поверхности фрез с покрытиями на контролируемых поверхностях вздутий или отслаиваний покрытий не наблюдалось.
При использовании метода нагрева образца с покрытием фрезы с покрытиями нагревались в сушильном шкафу ЕБ-4620 до температуры 350 С, выдерживались при данной температуре в течении 1 часа и охлаждались на воздухе.
Результаты эксперимента показали следующее: на контролируемых поверхностях вздутий или отслаиваний для всех систем покрытий не наблюдалось.
Таким образом, лабораторные исследования качества покрытий по указанным выше параметрам показали, что все системы покрытий, исследуемые в настоящей работе, являются качественными и могут анализироваться в условиях опытно-промышленных испытаний.
Опытно-промышленные испытания фрез с указанными системами покрытий были осуществлены при фрезеровании высокопрочного титанового сплава матки ВТ22. Скорость резания при испытаниях составляла 40 м/мин. Оценивали износ по рабочей поверхности фрез без покрытия и с исследованными в настоящей работе системами покрытий после их эксплуатации в течении 40 минут. Результаты испытаний показали следующее результаты (на одну контрольную точку испытывалось не менее 3-фрез). Износ рабочей поверхности фрез составил:
- 0,16 мм для фрез без покрытия;
- 0,1 мм для фрез с покрытием
- 0,08 мм для фрез с покрытием (Т1,А1^ (катод из сплава ОТ4);
- 0,05 мм для фрез с покрытием
- 0,03 мм для фрез с покрытием (Т1,А1^ (одновременная работа катодов из АД00 и ВТ 1-00).
Различие в износе фрез с покрытиями (Т1,А1^ связано со значительно большим содержанием титана (до 94 %) в покрытии, выполненным из катода ОТ4 по сравнению с покрытием , выполненным из одновременно работающих катодов АД00 и ВТ 1-00 (до 50 % титана).
Таким образом, в настоящей работе получены результаты сравнительного анализа износа твердосплавного лезвийного инструмента на примере монолитных концевых фрез из сплава ВК8 с различными ионно-плазменными покрытиями, полученными методом КИБ, при обработке высокопрочных титановых сплавов.
Список литературы
1. Гапонкин, В. А., Лукашев, Л.К., Суворова, Т.Г. Обработка резанием, металлорежущий инструмент и станки. - М.: Машиностроение, 1990. - 448 с.
2. Гуляев А.П. Металловедение / А. П. Гуляев, А. А. Гуляев. - 7-е изд., перераб. и доп. - М.: Альянс, 2012. - 643 с.
3. Арзамасов Б.Н. и др. Материаловедение: учебник для высших технических учебных заведений. - М.: Машиностроение, 2005. - 481 с.
4. Дальский, А.М. Технология конструкционных материалов: Учеб. / Под общ. ред. А.М.Дальского. - М.: Машиностроение, 2004. - 512 с.
5. Верещака, А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1993. 336 с.
6. Григорьев С.Н., Волосова М.А. Нанесение покрытий и поверхностная модификация инструмента. Учебное пособие. М.: ИЦ МГТУ «СТАНКИН», Янус-К, 2007. - 324 с.
7. ГОСТ 9.302-79. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Правила приемки и методы контроля. - Введ. 1984-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 1984. - 59 с.
Khamin Oleg Nikolaevich, candidate of technical Sciences, associate Professor Samara State Technical University, Samara, Russian Federation(E-mail: out87@mail.ru) Evmanov Sergei Batirovich, student Samara State Technical University, Samara, Russian Federation(E-mail: Evmanoff@yandex.ru)
COMPARATIVE ANALYSIS OF HARDENING ION-PLASMA COATINGS OF BLADE CARBIDE TOOLS FOR PROCESSING HIGH - STRENGTH TITANIUM ALLOYS
Abstract. The paper presents a comparative analysis of the most common ion-plasma coatings (Tin, CrN, (Ti,Al)N) for hardening of blade carbide tools of VK group (tungsten-cobalt) when processing high-strength titanium alloys. The properties of coatings under laboratory conditions (thickness, porosity, adhesive strength) have been studied. Experimental tests were carried out to determine the wear of the working surface of monolithic end mills when milling VT22 alloy.
Keywords: high-strength titanium alloys, milling, tungsten-cobalt hard alloys, ion-plasma coatings, coating properties, milling cutters, wear of the working surface.
