Технические науки/2

Технические науки/2. Обработка материалов в машиностроениио

К.т.н. Бруяка О.О., Коноз Д.Н.

Горловский автомобильно-дорожный институт

Донецкого национального технического университета, Украина

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОКРЫТИЙ НА РИ

ПРИ ОБРАБОТКЕ СТАЛЕЙ

Показано, что для наиболее эффективного использования покрытий необходимо учитывать их адгезионное взаимодействие с обрабатываемым материалом, требуется обеспечение его минимума и в тоже время более высокой твердости покрытий, что в совокупности обеспечит максимальную работоспособность РИ с покрытием.

Адгезия влияет на работоспособность покрытия: при нанесении покрытий необходимо стремиться к максимуму адгезии и материала РИ; при обработке РИ с покрытием необходимо обеспечивать минимум адгезионного взаимодействия покрытия и обрабатываемого материала, а также основного материала РИ и обрабатываемого материала. Высокая адгезия материала РИ и обрабатываемого материала существенно увеличит скорость роста лунки в покрытии и в основном материале РИ за счет съема материала РИ совместно с материалом покрытия [1-2]. Все это объясняет неоднозначные результаты использования покрытий. Так, зачастую на предприятиях используют покрытия и материалы РИ для обработки, которые обладают высоким адгезионным взаимодействием (схватыванием), например при обработке титановых сплавов используют покрытие TiN на РИ, при обработке быстрорежущих сталей − твердые сплавы группы ВК или покрытия WC. Таких примеров очень много и они дискредитируют идею применения покрытий и эффективных режущих инструментов из твердых сплавов и быстрорежущих сталей, поэтому научно обосновано применение тех или иных покрытий и режущего инструмента твердых сплавов (ТС) и быстрорежущих сталей (БС)

Поэтому были проведены исследования влияния адгезионного взаимодействия материала РИ из твердых сплавов с различной зернистостью и содержанием кобальта с покрытиями, обладающими низким адгезионным взаимодействием с обрабатываемыми сталями и сплавами. В ходе исследования получены зависимости износа по задней поверхности h₃ от времени для сплавов ВК с содержанием кобальта от 4 до 10% (по весу) при точении стали 38ХГСА.

Обобщенные результаты этих исследований в виде зависимости коэффициента сравнительной стойкости от содержания Со показаны на рис. 1 для покрытий Мo₂N, TiN, 0,5TiN+0,5HfN. Анализ результатов, приведенных на рис. 1, показывает, что наиболее приемлемо считать 6%-ное содержание Со по весу. В этом случае достигается максимальное повышение стойкости для твердосплавных пластин с покрытиями Мo₂N, TiN, 0,5TiN+0,5HfN, 0,2HfN+0,8ZrN. Причем максимальная стойкость реализовывалась для последнего покрытия.

Аналогичные зависимости для стали 35ХГСА при различной зернистости сплава ВК показаны на рис. 2. Здесь хорошо видна тенденция увеличения коэффициента относительной стойкости К с уменьшением зернистости сплава ВК. Наибольший коэффициент относительной стойкости имеет особо мелкозернистый сплав ВК60М (К = 3.2 − 6.2 с покрытием 0,2HfN+0,8ZrN).

Стойкость в обоих случаях определялась как время до износа по задней поверхности h₃, равные 0,4 мм. Коэффициент сравнительной стойкости определяется следующим образом: К = Т_П/ Т, (1)

где, Т_П – стойкость пластин, с покрытием, мин; Т – стойкость пластин без покрытия, мин. В то же время это покрытие имеет высокую твердость, что также снижает износ РИ.

Рисунок 1 − Влияние содержание Со на коэффициент сравнительной стойкости для пары: 1 − ВК-38ХГСА с покрытием

2 − Мо₂N; 3 − 0,5TiN+0,5AlN; 4 − 0,2HfN+0,8ZrN;

Рисунок 2 − Зависимость износа задней поверхности от времени (35ХГСА). Инструментальный материал: 1 − ВК60М; с покрытием:

2 − Мо₂N; 3 − TiN;

4 − 0,5TiN+0,5HfN; 5 − 0,2HfN+0,8ZrN;

Приведенные диаграммы подтверждают - наибольший эффект имеют покрытия, наносимые на инструментальную твердосплавную подложку, имеющую особо зернистую структуру и 6% содержание Со (рис.3).. Влияние покрытий связано с двояким эффектом: как покрытие 0,2HfN+0,8ZrN снижает адгезионное взаимодействие с обрабатываемым материалом, снижая силы резания и коэффициент стружки, что способствует снижению износа.

Рисунок 3 − Влияние содержания кобальта на коэффициент сравнительной стойкости при обработке стали: 1 − 38ХС при V=60м/мин с покрытием: 2 − Мо₂N; 3 − TiN;4 − 0,5TiN+0,5AlN; 5 − 0,2HfN+0,8AlN

Особый интерес представляли исследования по выявлению возможностей покрытий Мо₂N, TiN, 0,5TiN+0,5AlN, 0,2HfN+0,8ZrN при обработке жаропрочных сталей и сплавов.

Так, износ РИ из ВК60М при обработке сплава ЭИ654 с теми же покрытиями представлен на рис. 4. Наблюдается существенное снижение износа при применении покрытий, особенно 0,2HfN+0,8ZrN.

Рисунок 4 − Зависимость износа задней поверхности от времени. Инструментальный материал: 1 − ВК60М (ЭИ654) с покрытием: 2 − Мо₂N; 3 − TiN; 4 − 0,5TiN+0,5AlN; 5 − 0,2HfN+0,8AlN

Влияние покрытий на износ связан с адгезионным взаимодействием титанового сплава с материалом покрытий. Так, в этом случае не использовались покрытия с наличием титана, чтобы снизить адгезионное взаимодействие, а применялись Мo₂N, Al₂O₃, HfN, 0,2HfN+0,8ZrN, которые кроме низкого адгезионного взаимодействия с ВТ14 имеют высокую твердость (35 ГПа), что существенно выше, чем HfN и Al₂O₃ (хотя последние с точки зрения адгезионного взаимодействия более приемлемы).

Литература:

1. Костюк Г.И. Физические процессы плазменно-ионных, ионно-лучевых, плазменных, светолучевых и комбинированных технологий. Физико-технические основы нанесения покрытий, ионной имплантации и ионного легирования, лазерной обработки и упрочнения, комбинированных технологий: моногр. / Г.И. Костюк. − К.: Изд-во АИНУ, 2002. − Кн. 1. − 587 с.

2. Костюк Г.И. Эффективный режущий инструмент: моногр. /Г.И. Костюк. − Х.: Харьк. авиац. ин-т, 2007. − 610 с.

3. Костюк Г.И. Научные основы создания современных технологий: учеб. пособие / Г.И. Костюк. − Х.: Харьк. авиац. ин-т, 2008. − 601 с.

4. Kostyuk G. The effective cutting tools having the coating and hardened layers: Monograph-referance book / G. Kostyuk. - Kharkov, «KhAI», 2007. - 633 p.