УДК 621.91
Верба І.І., Задерей О.М., Гончар С.В.
Національний технічний університет України
„Київський політехнічний інститут імені Ігоря
Сікорського“
Інструментальні
покриття: характеристика типів.
Вибір
найпридатнішого інструменту є важливою задачею підготовки виробництва. У сучасному виробництві застосовують
як традиційні інструменти і інструментальні матеріали, так і сучасне
інструментальне забезпечення й інноваційні
інструментальні матеріали. Інформація про розробки у застосуванні
сучасного інструменту (щодо інструментальних матеріалів, конструктивних
особливостей, геометричних параметрів) не завжди є достатньою для користувача і
навіть за її наявності (наприклад, у каталогах фірм-виробників) вона не
структурована й погано придатна для порівняльного оцінювання.
Ні
один з інструментальних матеріалів не відповідає всім вимогам, які висувають
умови обробки. Розширити можливості інструменту можна скерованою модифікацією
поверхневих шарів шляхом нанесення на робочі поверхні функціонального покриття.
На даний момент 80-90% ринку пластин для ріжучих інструментів займає твердий
сплав з покриттями [3], біля 70 % всіх типів інструментів з швидкоріжучої сталі
мають зносостійкі покриття [1, 4]. Інструменти з покриттям домінують у
токарній обробці (75% загального обсягу споживання). Розроблюють та виготовляють
інструментальні матеріали з покриттями такі провідні виробники ріжучого інструменту як Sandvik
Coromant (Швеция), Hertel (Германия), Kennametal Hertel (США), Iscar (Ізраїль), Walter
(Германия), Seco, Tiger-Tec, Mitsubishi, Sumitomo (Японія), Arno (Німеччина) та інші. Користувач повинен знати загальні
принципи застосування інструменту зі зносостійкими покриттями, орієнтуватися у
їхніх характеристиках і можливостях.
Застосування покриттів дають значний економічний ефект за
рахунок: підвищення режимів різання; підвищеної зносостійкості й зменшеного наростоутворення – збільшується час служби
інструменту до 1,5-10 разів при обробці
конструкційних сталей, до 4 разів – при різанні корозійностійких і жароміцних
сталей, в 1,5-2,5 рази – при обробці титанових і нікелевих сплавів; зменшуються витрати часу на
заміну інструменту; зменшення витрат МОР, вартість якої може досягати 15 %
від загальних виробничих втрат [5]. Тож за вартіснішого інструменту витрати споживача на обробку одиниці продукції
зменшуються завдяки підвищенню швидкості різання або стійкості інструменту.
З
точки зору властивостей ріжучого інструмента найпридатнішими є покриття
кристалічної структури з хімічно нейтральних та твердих з’єднань типу карбіду
титану, оксиду алюмінію тощо. Плівкове
покриття має товщину 2-12 мкм і збільшувати її не рекомендується. Покриття може
мати кілька шарів різного складу, що накладаються на основу (на поверхню загостреного й доведеного інструменту
або на змінну ріжучу частину) і забезпечують різні властивості. Покриття
утворює хімічний і термічний бар’єр між інструментом та оброблюваною поверхнею.
Зниження сил і температур різання на 20-40 % дозволяє підвищити стійкість
ріжучого інструменту у 2 й більше разів або збільшити швидкість різання на
20-60 % і одночасно покращити шорсткість обробки [5]. Найбільший ефект
досягається при різанні з малими значеннями товщини зрізу (менше за 0,05 мм) та
середніми (0,1-0,25 мм). При товщинах 0,05-0,1 мм та більших за 0,3 мм покриття
інтенсивно руйнується з боку задньої поверхні чи з боку передньої поверхні
відповідно [2].
Вимоги
до зносостійкого покриття інструменту: мікротвердість у 1,5-2 рази вища за
твердість інструментального матеріалу; значний опір поверхневому втомному
руйнуванню; низька схильність до адгезії (хімічної взаємодії) з оброблюваним
матеріалом, сталість щодо корозії й окислення та збереження властивостей за
високих температур; мінімальна здатність до дифузійного розчинення в
оброблюваному матеріалі; міцність з’єднання із інструментальним матеріалом.
Основний метод створення функціонального
покриття на інструментах для точіння, фрезерування й свердління – CVD
(Chemical Vapor Deposition: хімічне осадження з
парової фази). В основі методу – хімічні реакції різних газів за
температури 700-1050° C. Реакція
осадження покриття відбувається за високих температур, тож цим методом покриття
можна нанести лише на інструменти з твердого сплаву або ріжучої кераміки. Твердий сплав з покриттям CVD може мати одношарове
покриття з карбіду, нітриду, карбонітриду титану (відповідно, TiC, TiN, TiCN) або з оксиду алюмінію (Al2O3,
дозволяє досягти швидкість різання 250-300 м/хв). Ефективним є багатошарове CVD-покриття: поверх шару карбіду титану ТiC наносять шари оксиду алюмінію Al2O3 та нітриду титану TiN.
Недолік
CVD – протиріччя між підвищенням зносостійкості
та зменшенням міцності основи, збільшення швидкості хімічного осадження, тобто
й товщини шару покриття, саме на крайці інструменту. Зменшити негативні наслідки
цього явища можна заокругленням крайки перед нанесенням покриття. Типове
заокруглення для сучасних пластин – 35-50 мкм. Підготовку крайки здійснюють для
пластин для чорнової й напівчистової токарної й фрезерної обробки. Забезпечити
необхідну гостроту крайки для тонкого фінішного точіння й розточування та для всіх
типів цільного кінцевого інструменту неможливо (наприклад, для твердосплавних
фрез типова товщина стружки 20-40 мкм є нижче за можливу для CVD-крайки)
[2].
З середини 90-х років
провідні світові виробники твердосплавних пластин застосовують модифікований процес МТ-CVD, коли перший шар наносять за
знижених до 700° С
температур і не виникає умов для дифузії компонентів основи у покриття.
Пластини за технологією МТ-CVD є індустріальним стандартом, можуть мати
багатошарові покриття з загальною товщиною до 22-25 мкм, що має значення для важких умов обробки та для застосування
для твердосплавних пластин, які перезагострюються. У сучасних покриттях CVD
комбінуються шари MT-Ti (C,N), Al2O3 і TiN.
Для
попередження утворення тріщин та втомного руйнування на поверхні покриття, зумовлених
внутрішніми напруженнями через різницю у температурних коефіцієнтах лінійного
розширення основи й покриття, абразивним поліруванням видаляють верхні шари
покриття, товщину якого заздалегідь збільшують. Це дозволяє забезпечити швидкості
різання у діапазоні 80 – 400 м/хв.
Область
застосування сплавів з покриттям CVD:
точіння й розточування отворів у деталях із сталі, обробка деталей із корозійностійких
сталей, фрезерування, свердління – там, де важлива зносостійкість.
Обмеження у використанні: CVD-покриття
зміщують область використання твердих сплавів у бік високих швидкостей різання
і погіршують характеристики міцності [2]. Обладнання
CVD має значні габарити (площа щонайменше 50 м2)
й складну систему підведення газів, деякі з яких є токсичними й потребують
забезпечення безпеки експлуатації. Спосіб вартісний, придатний лише для
спеціалізованих інструментальних виробництв. Для дрібносерійного виготовлення
або відновлення інструмента перезагостренням технологія не придатна.
Зараз все більше розповсюдження як основний метод
нанесення покриттів не лише на поверхні інструменту, а й на різні вироби,
отримують методи фізичного осадження у вакуумі –
PVD (Physical Vapor
Deposition: Конденсація з парової фази) або MEVVA (Metal Vapor Vacuum Arc – вакуумно-дуговий синтез; у
російськомовній літературі – КИБ: конденсація з іонним бомбардуванням, часто
зустрічається під назвою „Булат“ як для покриттів, так і для обладнання, що
мало використання на машинобудівних підприємствах СРСР, а пізніше й СНД).
Покриття утворюється у вакуумі при дещо нижчих температурах (400-600°C):
передбачає випаровування металу або сплаву у середовищі реакційного газу,
наприклад, покриття TiN утворюють випаровуванням титану у середовищі азоту, у
результаті плазмохімічної
реакції на поверхні ріжучого інструменту утворюється (осаджується) тверде нітридне покриття.
Шар цього покриття тонший, тож зберігається гострота ріжучої крайки. Покриття
PVD не мають недоліків CVD, вони не впливають на міцність інструментального
матеріалу, створюють стискаючі напруження у поверхневому шарі (зменшується
тріщиноутворення).
Методи PVD покращують властивості тих інструментів, для яких
методи CVD неефективні. Принципово нижча температура реалізації методу дає
можливість наносити покриття на інструменти з швидкоріжучих сталей та
безпосередньо на деталі машин. Методи PVD передбачають керування нанесенням
покриття і його властивостями (товщина, структура, склад) варіюванням
температури в зонах нанесення покриттів. Можуть бути нанесені моношарові,
багатошарові (товщина порядку пів мікрону)
та композиційні покриття: PVD-TiN – має універсальні властивості; PVD-Ti(C,N)
–-твердіший і збільшує стійкість до
зношування по задній поверхні тощо. Використовують також (Tі,Al)N, AlCrN, оксиди Аl2О3 и
(AICr)2О3, нові матеріали типу TiAlSіСrN.
Область застосування PVD: обробка з високими
вимогами до гостроти крайок: нарізування різьби, відрізування, обробка канавок,
свердління, фрезерування кінцевою фрезою тощо а також для обробки матеріалів,
схильних до утворення наросту. З покриттям PVD виготовляють всі цільні кінцеві
фрези і свердла, особливо дрібнорозмірні, де не можна отримати переваги від
збільшення швидкості різання, бо вона обмежена можливостями верстату. Стало працюють на швидкостях
200-250 м/хв. Може досягатися швидкість 500 м/хв і навіть
1000 м/хв, але не завдяки покриттю, а в основному за рахунок вибору
технології з мінімальним часом (мілісекунди) контакту ріжучої крайки з оброблюваним матеріалом. Ефективні при обробці
важкооброблюваних матеріалів: титану, жароміцних сплавів, корозійностійких сталей.
Можна здійснювати обробку без МОР
або з дуже малою кількістю.
Технологія покриття PVD доступна, її
можуть застосувати невеликі підприємства та окремі цехи, її просувають
фірми-виробники. Останнім часом покриття PVD на різні вироби, зокрема й на ріжучий
інструмент, починає превалювати над покриттями (CVD) завдяки високій
надійності, універсальності, екологічності, можливості отримати покриття
будь-якої структури й складу.
Одним з перспективних
напрямків удосконалення є реалізація багатошарових та комбінованих покриттів з
нанорозмірними зернами й товщинами шарів. Наноструктуровані покриття зумовлюють збільшення
стійкості інструменту й опору зношуванню, тож і ефективність
в умовах високих навантажень на ріжучу крайку, які характерні для обробки
титана й жароміцних сплавів, що використовуються, наприклад, у авіаційній
промисловості. За
досвідом фірми Sandvik Coromant
багатошарові наноструктуровані покриття TiN-TiN / Al2O3-TiCN, (пластини
GC 2025) при обробці в’язких
матеріалів (наприклад, корозійностійких сталей)
мають стійкість у 2-2,5 рази вищу за стійкість
пластин із стандартним багатошаровим покриттям [1].
Провідними
розробниками PVD-покриттів (Balzers,
Cemicon, Metaplas, Leybold, Platit та ін.) запропоновано
гаму покриттів для широкого вжитку, серед яких найбільш поширені наноградієнтні
покриття (Ti,Al)N, створено PVD-покриття
кінцевого й розмірного інструменту для високошвидкісної обробки без МОР (для
твердосплавних пластин в умовах високошвидкісної обробки це вирішується
покриттями MT-CVD).
До класу PVD належить
покриття DLC
(Diamond Like Coatings). Отримувані вуглецеві наноплівки за властивостями
наближені до алмазів: мають високу абразивну зносостійкість (вищу за інші
покриття у 50 разів), що дає можливість результативно оброблювати різанням
композиційні матеріали на основі скло- й вугленаповнених пластиків, але
температурна стабільність і стійкість до окислювання обмежені 300° С, що недостатньо для більшості
випадків металообробки, за винятком алюмінію й силуміну.
Література
1. Верещака А.А., Верещака А.С.,
Зинченко Г.В. та ін. Инновационные функциональные покрытия для режущего
инструмента. – ИКТИ РАН, МГТУ „СТАНКИН“. – Режим доступу: http://www.ma– mi.ru/science/autotr2009/scientific/article/s07/s07_44.pdf
2. Максимов
М.
Износостойкие покрытия как движитель инновационного процесса в технологии
инструментальных материалов и современной металлообработке. – Режим доступу: http://www.nanonewsnet.ru/
3. http://www.sandvik.coromant.com/ru
4. Кировградский
завод твердых сплавов (компанія РИТС) – Режим доступу: http://www.ritscomp.ru/TV_SP/material/material_06.htm
5. Курочкин А. В. Оптимизация архитектуры многослойных износостойких
наноструктурированных покрытий. // Электронный журнал „Труды МАИ“.– Выпуск № 68
– Режим доступу: www.mai.ru/science/trudy/