Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

К.т.н. Митин Э.В., к.т.н Сульдин С.П.

Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, Россия

Повышение долговечности и износостойкости твердосплавного режущего инструмента на основе покрытий с кристаллической структурой из химически инертных и тугоплавких соединений

Обостряющаяся национальная и международная конкуренция обусловила превращение скорости резания в решающий фактор эффективности процесса обработки резанием. Помимо уменьшения затрат при создании новых режущих материалов ключевым фактором является так называемое “время пути к рынку”. Однако создание новых режущих материалов и новых покрытий инструментов достаточно сложно технологически и требует много времени, помимо этого существует много вариантов базового материала.

Инструментальные материалы удовлетворяют высоким требованиям современного потребителя и проходят жесткий входной контроль и проверку на каждом этапе изготовления. Большое внимание уделяется разработке и внедрению новых видов твердых сплавов с износостойкими покрытиями, геометрическим параметрам инструмента, а также вопросам качества, надежности и долговечности режущего инструмента.

Специалисты передовых компании постоянно ведут исследования новых инструментов, проводят сравнительный анализ с инструментами-аналогами предыдущих поколений. Это позволяет им быть в фарватере общемировых достижений и направлений развития инструментального производства, обоснованно определять тенденции дальнейшего развития компаний.

В современном промышленном производстве растет востребованность монолитного твердосплавного инструмента (фрез, сверл, разверток, расточных резцов, зенковок, метчиков и пр.), который изготавливается, в основном, из заготовок в виде (стержней).

Твердосплавные заготовки (стержни), предназначенные для производства сверл, некоторых типов фрез и прочих инструментов, получают путем спекания. Конструктивная сложность инструментов диктует необходимость получения заготовок специфической формы, максимально приближенной к требуемой. Она придается заготовкам до начала спекания с применением механических методов обработки. Единственным рекомендуемым способом окончательной обработки готовых заготовок является шлифование с помощью алмазных кругов.

Областями применения такого инструмента являются аэрокосмическая и автомобильная отрасли, а также предприятия, где производится обработка штампов и пресс-форм, из которых исключают операции электроэрозионной обработки.

Для улучшения свойств режущего инструмента наибольший интерес представляют покрытия с кристаллической структурой из химически инертных и тугоплавких соединений, таких как карбид титана, нитрид титана, оксид алюминия.

Широко применяют износостойкие однослойные и многослойные покрытия, которые осаждают из газовой фазы на рабочие поверхности пластин (подложку) методами CVD (метод химического осаждения – Chemical Vapour Deposition) и PVD (метод физического осаждения – Physical Vapour Deposition).

Удивительно, что даже довольно примитивное по сегодняшним меркам однослойное покрытие TiC, применявшееся на первых покрытых сменных неперетачиваемых пластинах, дало выраженный эффект в повышении производительности обработки примерно на 50%. Повышение производительности было достигнуто в основном за счет увеличения скоростей резания. Так за десять лет с 1970 по 1980 год скорости резания при снятии основного припуска при токарной обработке возросли в среднем со 100-120 до 150-200 м/мин.

Метод CVD практически не имеет ограничений по химическому составу покрытий. Состав покрытия зависит от комбинации материалов и параметров

процесса.

Для снижения негативного воздействия на свойства твердого сплава высокой температуры (до 1100 °С), при которой наносят CVD-покрытия, используют метод MT-CVD (так называемый среднетемпературный метод) нанесения покрытий при температурах около 800 °С, который обеспечивает уменьшение снижения вязкости и повышение износостойкости покрытия. Методом CVD наносят, в основном, покрытия TiN, TiCN (заменившие TiC) и Al2O3.

Выбор марки сплава, наличия покрытия, его состава и метода нанесения; геометрии, зависит главным образом от следующих факторов: обрабатываемый материал; вид обработки; тип операции; режимы резания; характеристика оборудования.

Появление износостойких покрытий совершило революцию в металлообработке. Так, благодаря износостойким покрытиям, была поставлена точка в развитии инструмента. Конструкции инструментов с износостойким покрытием имеют значительно более высокий потенциал, поскольку износостойкое покрытие легко может быть нанесено только режущую часть, и тем самым увеличить стойкость инструмента, что сразу получили решающее конкурентное преимущество. Также в этот период стала активно развиваться автоматизация металлорежущего оборудования на базе ЧПУ. Увеличение стоимости такого автоматизированного оборудования можно было оправдать только одновременным значительным ростом производительности обработки, и износостойкие покрытия оказались наиболее эффективным и сравнительно недорогим методом достижения этой цели.

Принципиально отличными от вышеописанных, но также относящихся к классу PVD, являются покрытия DLC (Diamond Like Coatings). Получаемые при этом углеродные нанопленки близки по свойствам к алмазу. Такие покрытия обладают очень высокой, превосходящей до 50 раз другие типы покрытий абразивной износостойкостью. К сожалению, их температурная стабильность и стойкость к окислению ограничены величиной 300 °С, что недостаточно для большинства случаев металлообработки, за исключением резания алюминия и силумина. Но, благодаря своей абразивной стойкости покрытия, DLC показывают хорошие результаты при обработке резанием различных композиционных материалов на основе стекло- и угле- наполненных пластиков, находящих все более широкое применение в технике.

В условиях высоких нагрузок на режущую кромку большие преимущества при производстве режущего инструмента обеспечивают наноструктурированные покрытия. Ультрадисперсные материалы с увеличенной площадью межзеренных границ имеют более сбалансированное соотношение между твердостью, оказывающей определяющее положительное влияние на износостойкость и прочностными характеристиками материала, в том числе и в условиях действия циклических термомеханических напряжений. Известно, что первопричиной разрушения материалов стандартной (микрометрической) структуры с размерами зерен свыше d > 1 мкм является формирование трещин, возникающих вследствие концентрации дислокаций у различных дефектов. В наноструктурированных материалах с размерами зерен менее d < 80...100 нм проявляется иной механизм разрушения. Для подобных материалов превалирующей причиной разрушения являются процессы на межзеренных границах, что связано с меньшим или сравнимым количеством атомов в зернах по сравнению с их количеством на границах. Материал покрытия в наноразмерных зернах практически идеален. Разрушения зерен вследствие дислокаций практически не встречаются, а если они и происходят, то они быстро и эффективно тормзятся на границах зерен. В наноматериалах наблюдается препятствование ветвлению и движению трещин вследствие упрочнения границ зерен.

Литература:

1. Кожевников Д.В., Гречишников В.А., Кирсанов С.В. Режущий инструмент. М.: Машиностроение, 2007, 528 с.

2. Маслов В.М. Инструментальные системы М.: Машиностроение, 2006