Исследование инновационных покрытий и материалов для металлорежущего инструмента при резании
М.
Ш. МиграновБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Мигранов
М.
Ш. Исследование инновационных покрытий и материалов для металлорежущего инструмента при резании // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2015. – Т. 13. – С.
1156–1160. – URL:
http://e-koncept.ru/2015/85232.htm.
Аннотация. Представлены результаты экспериментальных исследований износостойкости инструментальных материалов и многослойных композиционных покрытий для быстросменных пластин.
Ключевые слова:
самоорганизация, лезвийная обработка резанием, металлорежущий инструмент, вторичные структуры, износостойкие покрытия, наноструктура
Текст статьи
Мигранов Марс Шарифуллович,Доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО УГАТУ, г. Уфаmigmars@mail.ru
Исследование инновационныхпокрытийи материалов
для металлорежущего инструмента при резании
Аннотация.Представлены результаты экспериментальных исследований износостойкости инструментальных материалов и многослойных композиционных покрытий для быстросменных пластин.Ключевые слова:лезвийная обработка резанием, металлорежущий инструмент, самоорганизация, вторичные структуры, износостойкие покрытия, наноструктура.
В машиностроении значительную долю операций составляет такое традиционное технологическое направление, как лезвийная обработка металлов резанием. Данный процесс характеризуется исключительным многообразием различных условий обработки, причем это многообразие постоянно расширяется за счет введения в сферу практического использования новых материалов и технологических процессов. Современное техническое развитие показывает, что, несмотря на выраженную «традиционность» обработки резанием, далеко не исчерпаны возможности его совершенствования. Так, большое развитие получили в последние годы такие направления, как разработка новых инструментальных материалов и износостойких покрытий, новых конструкций режущих инструментов, оптимизация режимов обработки, автоматизация технологических процессов, широкое внедрение мехатронных систем, новых прогрессивных СОТС и т.д. Не прекращается поискновых путей повышения эффективности резания материалов, среди которых не последнее место занимают их рациональное комбинирование с учетом особенностей трения и износа режущего инструмента при резании и явлений самоорганизации[1]. При этом для каждой из операций обработки резанием важными являются трибологические параметры процесса, которые определяют энергозатраты на обработку, интенсивность износа режущего инструмента и качество обработанной поверхности детали. Значения трибологических проблем как в глобальном масштабе, так и в сфере конкретных технологических процессов трудно переоценить.В системе мероприятий по совершенствованию резания наиболее слабым звеном является режущий инструмент, существенно сдерживающий производительность обработки при наличии современных мехатронных систем, оснащенных высокоскоростным оборудованием с дорогостоящим микропроцессорным управлением (ЧПУ и АдСУ), а также и сроки их окупаемости.Поэтому основным направлением по повышению эффективности лезвийной обработки в настоящее время является совершенствование режущих инструментов путем легирования и использования современных износостойких покрытий, в сочетании с научно обоснованным применением СОТС и управляемой нестационарности элементов режима резания.Известно [2,3], что износрежущих инструментов может изменяться в широких пределах, протекать по различным механизмам, но во всех случаях он является следствием трения. Для каждой трибосистемы характерно образование на поверхностях трения вторичных структур (ВС), которые представляют собой некоторое «третье» тело, осуществляющее защитные функции, ограничивая распространение взаимодействия внутри трущихся тел. Образование ВС и изнашивание связаны с превращениями энергии при трении, которые могут рассматриваться с позиций неравновесной термодинамики и самоорганизации. При этом на первый план выступает проблема выбора контактирующих материалов, которые при принятой смазочной среде (или в отсутствии смазки) и заданном режиме трения способны приспосабливаться (адаптироваться) друг к другу в процессе взаимного перемещения, обеспечивая снижение энтропии на поверхностях трения и повышение их износостойкости.В работе рассматриваются некоторые подходы воздействия на условия трения при резании металлов путем дополнительного легирования спеченного порошкового инструментального материала (СПИМ)нового поколения на основе быстрорежущей стали. Первый подход предполагает снижение уровня величин триботехнических характеристик благодаря уменьшению коэффициента трения при рабочих температурах.Установлено, что СПИМы на основе быстрорежущей стали, легированные карбидом титана, обладают высокой износостойкостью и их можно классифицировать как новый класс самоорганизующихся инструментальных материалов. В частности, к таковым можно отнести СПИМы, содержащие в качестве твердой основы карбид титана, а быстрорежущую сталь (Р6М5) –как связующее (СПИМ + 20% TiC). При помощи ОЭС и ВИМС было обнаружено, что в процессе резания карбиды титана превращаются в тонкие поверхностные пленки в виде соединения титана с кислородом (рис. 1и 2). Это значительно улучшает фрикционные свойства при рабочих температурах резания (рис. 3) и повышает износостойкость режущего инструмента (рис. 4). Как показали исследования, износостойкость такого инструмента в 2 –3,5 раза вышеизносостойкости обычных инструментов из быстрорежущей стали.
Рис. 1. Спектры ВИМС поверхности износа инструмента из СПИМ(Р6М5 + 20% TiC) в зависимости от времени резания (точение стали 45;V= 60 м/мин; t= 0,5 мм; S= 0,28 мм/об):а –после 4 мин.; б –после 20 мин.; в –после 24 мин
Суть второго принципа легирования состоит в повышении экранирующего эффекта с помощью устойчивой высокопрочной ВС первого рода (простых и сложных кислородосодержащих фаз на основе титана и бора с аморфноподобной структурой), появляющейся на поверхности инструмента, что достигается, например, с помощью дополнительной присадки 2 % BN. Дополнительная присадка 5% Al2О3практически не повлияла на состав вторичных структур. Легирование осуществлялось не добавлением того или иного элемента, а добавлением соединений нужной плотности и устойчивости при рабочих температурах, что позволило использовать соединения в относительно небольших количествах, с минимально возможным воздействием на качество объема. Применение обоих принципов дает возможность значительного увеличения износостойкости инструмента (например, с помощью присадки 20 % TiCN(рис. 5)).Дальнейшим совершенствованием режущих инструментов является нанесение на их рабочие поверхности многослойных износостойких покрытий. При этом каждый слой такого покрытия должен формироваться с учетом изменения механизма изнашивания в периоды приработочного, нормального (устойчивого) и катастрофического износа.
Рис. 2. Ожеспектры поверхности обрабатываемого материала (сталь 45): а) –после 2 минут резания; б) –после 20 минут резания (условия резания см. рис.2)
Состояние поверхности подложки перед нанесением твердых покрытий влияет на прохождение нормальной стадии износа инструмента и на прочность сцепления с подложкой. Исследовано влияние 16ти химических элементов и четырех антифрикционных материалов, имплантированных в подложку, на износостойкость резца из быстрорежущей стали с (Ti,Cr)Nпокрытием поверхности.Установлено, что компромисс между высокой износостойкостью и надежностью достигается в многослойном покрытии, нанесенном на подложку, обогащенную индием (табл.). Индий присутствует в нижнем слое покрытия как в металлическом, так и в связанном состояниях (In–N). Положительное воздействие индия на износостойкость связано сдвумя типами явлений, возникающих на трущейся поверхности.
Рис. 3. Влияние температуры на триботехнические свойства материалов:–СПИМ (Р6М5 + 20% TiC); –Сталь 45 (НВ 180…200);–Р6М5; –Сталь 45 (HRС 30..32)
Рис. 4. Влияние времени обработки на износ режущего инструментапо задней поверхности инструмента при точении стали 45 (НВ 180…200),V = 60 м/мин; t = 0,5 мм; S = 0,2 мм/об:1 –Р6М5; 2 –Р12М3Ф2К5; 3 –СПИМ (Р6М5 + 20% TiC)
Индий при нагреве в процессе резания частично переходит в жидкое состояние и частично окисляется (о чем свидетельствуют данные металлографических исследований). Жидкая фаза как смазка ведет к уменьшению коэффициента трения. Кислородосодержащие фазы, защищающие поверхность, способствуют продлению стадии нормального износа, значительно повышая износостойкость инструментов.
Для исследования возможности снижения приработочнойстадии изнашивания быстрорежущую сталь Р6М5 упрочняли по «дуплексной» технологии (ионное азотирование, а за ним –TiN
покрытие). «Дуплексное» покрытие затем было модифицировано нанесением на поверхность ПФПЭ (перфторполиэфир ZDOL) слоя.
Исследован процесс самоорганизации такого покрытия, который происходит во время обработки металлов резанием на стадии приработочного износа поверхности режущего инструмента. Установлено, что при этом происходят одновременно следующие явления: а –триборасщепление (распад) тонкого поверхностного слоя; б –формирование устойчивого аморфоподобного защитного слоя (типа Ti–Oи Ti–F) на инструментальной поверхности. Процессы самоорганизации способствуют улучшению износостойкости во время приработочной стадии износа, что ведет к повышению в 2 –3 раза износостойкости резцов и концевых фрез.В последнее время все большее применение в технике получают нанотехнологии, повышающие эксплуатационные качества изделий. Выявлено, что основное преимущество метода физического осаждения покрытия (ФОП) с магнитнодуговой фильтрацией (МДФ) состоит в значительном измельчении зерна, которое ведет к формированию нанокристаллических структур (с размером зерна примерно 60 –80 нм) покрытий. Данный метод позволяет повысить износостойкость покрытий из композита нитрида титана и алюминия (TiAl)Nв условиях высокоскоростной обработки (рис. 6), когда преобладает окислительный износ режущего инструмента.Образование пленок оксида алюминия на поверхности резца значительно изменяет тепловые потоки и отвод тепла в стружку, что можно проиллюстрировать на изображении поперечных сечений стружек после сканирования на электронном микроскопе, как показано на рис. 8. На этих сечениях стружки можно выделить три различные зоны. Известно, что динамическая рекристаллизация контактной области стружки происходит во время резания (зона 3). Большая часть теплового потока, которая переходит в стружку, вызывает интенсивную рекристаллизацию материала в этой зоне, что находит свое выражение в укрупнении зерен стружки внутри приконтактной зоны.
Рис. 5. Влияние времени обработки на износ концевой фрезы 12 мм по задней поверхности: 1 –СПИМ (Р6М5 + 20% TiC);2 –СПИМ (Р6М5 + 20% TiC+ 2% BN); 3 –СПИМ (Р6М5 + 15% TiC+ 5% Al2O3);4 –СПИМ (Р6М5 + 20% TiCN) (обрабатываемый материал сталь 40Х;V= 65 м/мин; Sм= 63 мм/мин; t= 3 мм; b= 10 мм)На рис. 7, а, б показана рекристаллизация зоны контакта со стружкой для инструмента с обычными (TiAl)Nпокрытиями, тогда как на рис. 7, в, г представлены подобные изображения для инструментов с фильтрованными покрытиями. Из этого рисунка видно, что более интенсивная рекристаллизация контактирующей зоны наблюдается для фильтрованных покрытий.Таблица 1Износостойкость резцов с модифицированным поверхностным слоем
ГруппаМатериалСоставэлементовКоэффициентадгезиик подложкеКоэффициентКиизносостойкостипри резанииБез СОЖс СОЖПоверхность, модифицированная ионным смешиванием1ГазыO0,250,91,25N0,412,01,83I0,7 –0,83,20,7Cl–1,8–2НеметаллыB0,61,20,65C0,61,70,83Si–0,70,63Металлы
А)ЛегкоплавкиеIn0,62,42,1Mg0,253,00,08Sn0,60,80,7Ga–2,0–Б)С гексагональнойрешеткойCo0,51,80,13В)Образующиеустойчивые оксидыAl0,40,151,3Cr0,60,21,2Г)С низкимкоэффициентомтренияCu0,551,02,5Ag0,43,12,74Поверхности, модифицированные антифрикционными сплавами(ионное смешивание)
Zn–Al–Cu9 –1,5 ГОСТ 21437 –75Zn+ Al(9%) + Cu(2%)0,441,98–Бронза 8 12Cu+ Pb(11%) + Sn(9%)0,40,95–Баббит БК 2ГОСТ 1320 –74Pb+ Sn(1,5%)0,350,6–Al –Sn –Cu AO20 –1
Al+ Sn(20%) + Cu(1%) 0,30,4–
а)
б)Рис. 6. Результаты стойкостных исследований при точении стали 40Х резцамиТТ8К6 с различными покрытиями (S= 0,11 мм/об; t= 0,5 мм): а) –влияниескорости резания на путь резания (при hз= 0,3 мм); б) влияние пути резанияна износ инструмента по задней поверхности (при V= 450 м/мин)
Рис. 7. Фотоснимки (увеличение ×3000) поперечного сечения стружкина растровом электронном микроскопе (V = 450 м/мин):а, б –обычное покрытие; в, г –фильтрованное покрытие;д –схема стружкообразования (1 –внешняя поверхность стружки;2 –расширенная зона деформации; 3 –надрезцовая зона)
В целом по результатам исследований установлено, что:
СПИМы на основе быстрорежущей стали, дополнительно легированные карбидом титана, обладают высокой износостойкостью и могут рассматриваться как новый класс самоорганизующихся инструментальных материалов. В процессе резания наблюдается преобразование карбидной фазы в устойчивые вторичные структуры, имеющие форму соединений из титана и кислорода, что способствует значительному улучшению фрикционных свойств при рабочих температурах и приводит к повышению износостойкости режущего инструмента в 2,0 –3,5 раза по сравнению с износостойкостью инструмента из обычных быстрорежущих сталей;
первый подход (например, за счет легирования TiC) приводит к снижению коэффициента трения прирабочих температурах контакта. Второй подход связан с повышением экранирующего эффекта с помощью устойчивых высокопрочных вторичных фаз (в виде соединений Tiи Bс кислородом и азотом), формирующихся на поверхности инструмента (например, при дополнительном легировании 2% BN). Оба подхода реализуются с помощью присадки 20% TiCN;ПятнаконтактаЗона 2Зона 3Зона 2Зона 3
оптимальное сочетание прочности и надежности (характеризующихся высокой адгезией покрытия (TiCr)Nк подложке) проявляется в многослойном покрытии с нижним слоем, обогащенным индием (имплантированным в поверхность подложки), который способствует образованию на поверхностях трения аморфоподобных структур In–Nи In–Oи продлению стадии нормального износа, повышая в 2,1 –2,4 раза износостойкость инструментов;
многослойные покрытия, включающие ионное азотирование нижнего слоя из быстрорежущей стали с последующим нанесением ФОП TiNпокрытия, верхний слой которого модифицирован с помощью с ПФПЭ (перфторполиэфира), обеспечивают высокую износостойкость режущего инструмента. На начальной стадии износа режущего инструмента ПФПЭ как смазка уменьшает фрикционный параметр и значительно уменьшает повреждение поверхности инструмента. В процессе резания нитрид титана твердого покрытия окисляется, образуя защитный экранированный слой;
основное преимущество магнитнодуговой фильтрации при нанесении покрытия методом ФОП –значительное измельчение зерен (TiAl)N, которое приводит к образованию поверхностного слоя с размером зерен около 60 –80 нм, т.е. в пределах наношкалы, иобеспечивает возможность использования режущего инструмента с таким покрытием в условиях высокоскоростной обработки резанием с увеличением износостойкости режущего инструмента в 3 –4 раза. Оксидные слои, которые образуются на поверхности нанокристаллических фильтрованных (TiAl)Nпокрытий при высокоскоростном резании, в основном состоят из защитных тонких пленок, подобных оксиду алюминия, и имеющих аморфнокристаллические структуры.
Ссылки на источники1.
КабалдинЮ.Г. Самоорганизация и нелинейная динамика в процессах трения и изнашивания инструмента. КомсомольскнаАмуре: КнАТУ.2003. –236 с.2.Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями –М: Машиностроение. 1993. –336 с.3.FoxRabinovich G.S. Nanocristaline FAD TiAlN PVD coatings for highspeed machining application. / G.S. FoxRabinovich, L.Sh. Shuster, M.Sh. Migranov and others. Surface and coating technology. 177 –178. 2004 y. –P. 800 –811.
Исследование инновационныхпокрытийи материалов
для металлорежущего инструмента при резании
Аннотация.Представлены результаты экспериментальных исследований износостойкости инструментальных материалов и многослойных композиционных покрытий для быстросменных пластин.Ключевые слова:лезвийная обработка резанием, металлорежущий инструмент, самоорганизация, вторичные структуры, износостойкие покрытия, наноструктура.
В машиностроении значительную долю операций составляет такое традиционное технологическое направление, как лезвийная обработка металлов резанием. Данный процесс характеризуется исключительным многообразием различных условий обработки, причем это многообразие постоянно расширяется за счет введения в сферу практического использования новых материалов и технологических процессов. Современное техническое развитие показывает, что, несмотря на выраженную «традиционность» обработки резанием, далеко не исчерпаны возможности его совершенствования. Так, большое развитие получили в последние годы такие направления, как разработка новых инструментальных материалов и износостойких покрытий, новых конструкций режущих инструментов, оптимизация режимов обработки, автоматизация технологических процессов, широкое внедрение мехатронных систем, новых прогрессивных СОТС и т.д. Не прекращается поискновых путей повышения эффективности резания материалов, среди которых не последнее место занимают их рациональное комбинирование с учетом особенностей трения и износа режущего инструмента при резании и явлений самоорганизации[1]. При этом для каждой из операций обработки резанием важными являются трибологические параметры процесса, которые определяют энергозатраты на обработку, интенсивность износа режущего инструмента и качество обработанной поверхности детали. Значения трибологических проблем как в глобальном масштабе, так и в сфере конкретных технологических процессов трудно переоценить.В системе мероприятий по совершенствованию резания наиболее слабым звеном является режущий инструмент, существенно сдерживающий производительность обработки при наличии современных мехатронных систем, оснащенных высокоскоростным оборудованием с дорогостоящим микропроцессорным управлением (ЧПУ и АдСУ), а также и сроки их окупаемости.Поэтому основным направлением по повышению эффективности лезвийной обработки в настоящее время является совершенствование режущих инструментов путем легирования и использования современных износостойких покрытий, в сочетании с научно обоснованным применением СОТС и управляемой нестационарности элементов режима резания.Известно [2,3], что износрежущих инструментов может изменяться в широких пределах, протекать по различным механизмам, но во всех случаях он является следствием трения. Для каждой трибосистемы характерно образование на поверхностях трения вторичных структур (ВС), которые представляют собой некоторое «третье» тело, осуществляющее защитные функции, ограничивая распространение взаимодействия внутри трущихся тел. Образование ВС и изнашивание связаны с превращениями энергии при трении, которые могут рассматриваться с позиций неравновесной термодинамики и самоорганизации. При этом на первый план выступает проблема выбора контактирующих материалов, которые при принятой смазочной среде (или в отсутствии смазки) и заданном режиме трения способны приспосабливаться (адаптироваться) друг к другу в процессе взаимного перемещения, обеспечивая снижение энтропии на поверхностях трения и повышение их износостойкости.В работе рассматриваются некоторые подходы воздействия на условия трения при резании металлов путем дополнительного легирования спеченного порошкового инструментального материала (СПИМ)нового поколения на основе быстрорежущей стали. Первый подход предполагает снижение уровня величин триботехнических характеристик благодаря уменьшению коэффициента трения при рабочих температурах.Установлено, что СПИМы на основе быстрорежущей стали, легированные карбидом титана, обладают высокой износостойкостью и их можно классифицировать как новый класс самоорганизующихся инструментальных материалов. В частности, к таковым можно отнести СПИМы, содержащие в качестве твердой основы карбид титана, а быстрорежущую сталь (Р6М5) –как связующее (СПИМ + 20% TiC). При помощи ОЭС и ВИМС было обнаружено, что в процессе резания карбиды титана превращаются в тонкие поверхностные пленки в виде соединения титана с кислородом (рис. 1и 2). Это значительно улучшает фрикционные свойства при рабочих температурах резания (рис. 3) и повышает износостойкость режущего инструмента (рис. 4). Как показали исследования, износостойкость такого инструмента в 2 –3,5 раза вышеизносостойкости обычных инструментов из быстрорежущей стали.
Рис. 1. Спектры ВИМС поверхности износа инструмента из СПИМ(Р6М5 + 20% TiC) в зависимости от времени резания (точение стали 45;V= 60 м/мин; t= 0,5 мм; S= 0,28 мм/об):а –после 4 мин.; б –после 20 мин.; в –после 24 мин
Суть второго принципа легирования состоит в повышении экранирующего эффекта с помощью устойчивой высокопрочной ВС первого рода (простых и сложных кислородосодержащих фаз на основе титана и бора с аморфноподобной структурой), появляющейся на поверхности инструмента, что достигается, например, с помощью дополнительной присадки 2 % BN. Дополнительная присадка 5% Al2О3практически не повлияла на состав вторичных структур. Легирование осуществлялось не добавлением того или иного элемента, а добавлением соединений нужной плотности и устойчивости при рабочих температурах, что позволило использовать соединения в относительно небольших количествах, с минимально возможным воздействием на качество объема. Применение обоих принципов дает возможность значительного увеличения износостойкости инструмента (например, с помощью присадки 20 % TiCN(рис. 5)).Дальнейшим совершенствованием режущих инструментов является нанесение на их рабочие поверхности многослойных износостойких покрытий. При этом каждый слой такого покрытия должен формироваться с учетом изменения механизма изнашивания в периоды приработочного, нормального (устойчивого) и катастрофического износа.
Рис. 2. Ожеспектры поверхности обрабатываемого материала (сталь 45): а) –после 2 минут резания; б) –после 20 минут резания (условия резания см. рис.2)
Состояние поверхности подложки перед нанесением твердых покрытий влияет на прохождение нормальной стадии износа инструмента и на прочность сцепления с подложкой. Исследовано влияние 16ти химических элементов и четырех антифрикционных материалов, имплантированных в подложку, на износостойкость резца из быстрорежущей стали с (Ti,Cr)Nпокрытием поверхности.Установлено, что компромисс между высокой износостойкостью и надежностью достигается в многослойном покрытии, нанесенном на подложку, обогащенную индием (табл.). Индий присутствует в нижнем слое покрытия как в металлическом, так и в связанном состояниях (In–N). Положительное воздействие индия на износостойкость связано сдвумя типами явлений, возникающих на трущейся поверхности.
Рис. 3. Влияние температуры на триботехнические свойства материалов:–СПИМ (Р6М5 + 20% TiC); –Сталь 45 (НВ 180…200);–Р6М5; –Сталь 45 (HRС 30..32)
Рис. 4. Влияние времени обработки на износ режущего инструментапо задней поверхности инструмента при точении стали 45 (НВ 180…200),V = 60 м/мин; t = 0,5 мм; S = 0,2 мм/об:1 –Р6М5; 2 –Р12М3Ф2К5; 3 –СПИМ (Р6М5 + 20% TiC)
Индий при нагреве в процессе резания частично переходит в жидкое состояние и частично окисляется (о чем свидетельствуют данные металлографических исследований). Жидкая фаза как смазка ведет к уменьшению коэффициента трения. Кислородосодержащие фазы, защищающие поверхность, способствуют продлению стадии нормального износа, значительно повышая износостойкость инструментов.
Для исследования возможности снижения приработочнойстадии изнашивания быстрорежущую сталь Р6М5 упрочняли по «дуплексной» технологии (ионное азотирование, а за ним –TiN
покрытие). «Дуплексное» покрытие затем было модифицировано нанесением на поверхность ПФПЭ (перфторполиэфир ZDOL) слоя.
Исследован процесс самоорганизации такого покрытия, который происходит во время обработки металлов резанием на стадии приработочного износа поверхности режущего инструмента. Установлено, что при этом происходят одновременно следующие явления: а –триборасщепление (распад) тонкого поверхностного слоя; б –формирование устойчивого аморфоподобного защитного слоя (типа Ti–Oи Ti–F) на инструментальной поверхности. Процессы самоорганизации способствуют улучшению износостойкости во время приработочной стадии износа, что ведет к повышению в 2 –3 раза износостойкости резцов и концевых фрез.В последнее время все большее применение в технике получают нанотехнологии, повышающие эксплуатационные качества изделий. Выявлено, что основное преимущество метода физического осаждения покрытия (ФОП) с магнитнодуговой фильтрацией (МДФ) состоит в значительном измельчении зерна, которое ведет к формированию нанокристаллических структур (с размером зерна примерно 60 –80 нм) покрытий. Данный метод позволяет повысить износостойкость покрытий из композита нитрида титана и алюминия (TiAl)Nв условиях высокоскоростной обработки (рис. 6), когда преобладает окислительный износ режущего инструмента.Образование пленок оксида алюминия на поверхности резца значительно изменяет тепловые потоки и отвод тепла в стружку, что можно проиллюстрировать на изображении поперечных сечений стружек после сканирования на электронном микроскопе, как показано на рис. 8. На этих сечениях стружки можно выделить три различные зоны. Известно, что динамическая рекристаллизация контактной области стружки происходит во время резания (зона 3). Большая часть теплового потока, которая переходит в стружку, вызывает интенсивную рекристаллизацию материала в этой зоне, что находит свое выражение в укрупнении зерен стружки внутри приконтактной зоны.
Рис. 5. Влияние времени обработки на износ концевой фрезы 12 мм по задней поверхности: 1 –СПИМ (Р6М5 + 20% TiC);2 –СПИМ (Р6М5 + 20% TiC+ 2% BN); 3 –СПИМ (Р6М5 + 15% TiC+ 5% Al2O3);4 –СПИМ (Р6М5 + 20% TiCN) (обрабатываемый материал сталь 40Х;V= 65 м/мин; Sм= 63 мм/мин; t= 3 мм; b= 10 мм)На рис. 7, а, б показана рекристаллизация зоны контакта со стружкой для инструмента с обычными (TiAl)Nпокрытиями, тогда как на рис. 7, в, г представлены подобные изображения для инструментов с фильтрованными покрытиями. Из этого рисунка видно, что более интенсивная рекристаллизация контактирующей зоны наблюдается для фильтрованных покрытий.Таблица 1Износостойкость резцов с модифицированным поверхностным слоем
ГруппаМатериалСоставэлементовКоэффициентадгезиик подложкеКоэффициентКиизносостойкостипри резанииБез СОЖс СОЖПоверхность, модифицированная ионным смешиванием1ГазыO0,250,91,25N0,412,01,83I0,7 –0,83,20,7Cl–1,8–2НеметаллыB0,61,20,65C0,61,70,83Si–0,70,63Металлы
А)ЛегкоплавкиеIn0,62,42,1Mg0,253,00,08Sn0,60,80,7Ga–2,0–Б)С гексагональнойрешеткойCo0,51,80,13В)Образующиеустойчивые оксидыAl0,40,151,3Cr0,60,21,2Г)С низкимкоэффициентомтренияCu0,551,02,5Ag0,43,12,74Поверхности, модифицированные антифрикционными сплавами(ионное смешивание)
Zn–Al–Cu9 –1,5 ГОСТ 21437 –75Zn+ Al(9%) + Cu(2%)0,441,98–Бронза 8 12Cu+ Pb(11%) + Sn(9%)0,40,95–Баббит БК 2ГОСТ 1320 –74Pb+ Sn(1,5%)0,350,6–Al –Sn –Cu AO20 –1
Al+ Sn(20%) + Cu(1%) 0,30,4–
а)
б)Рис. 6. Результаты стойкостных исследований при точении стали 40Х резцамиТТ8К6 с различными покрытиями (S= 0,11 мм/об; t= 0,5 мм): а) –влияниескорости резания на путь резания (при hз= 0,3 мм); б) влияние пути резанияна износ инструмента по задней поверхности (при V= 450 м/мин)
Рис. 7. Фотоснимки (увеличение ×3000) поперечного сечения стружкина растровом электронном микроскопе (V = 450 м/мин):а, б –обычное покрытие; в, г –фильтрованное покрытие;д –схема стружкообразования (1 –внешняя поверхность стружки;2 –расширенная зона деформации; 3 –надрезцовая зона)
В целом по результатам исследований установлено, что:
СПИМы на основе быстрорежущей стали, дополнительно легированные карбидом титана, обладают высокой износостойкостью и могут рассматриваться как новый класс самоорганизующихся инструментальных материалов. В процессе резания наблюдается преобразование карбидной фазы в устойчивые вторичные структуры, имеющие форму соединений из титана и кислорода, что способствует значительному улучшению фрикционных свойств при рабочих температурах и приводит к повышению износостойкости режущего инструмента в 2,0 –3,5 раза по сравнению с износостойкостью инструмента из обычных быстрорежущих сталей;
первый подход (например, за счет легирования TiC) приводит к снижению коэффициента трения прирабочих температурах контакта. Второй подход связан с повышением экранирующего эффекта с помощью устойчивых высокопрочных вторичных фаз (в виде соединений Tiи Bс кислородом и азотом), формирующихся на поверхности инструмента (например, при дополнительном легировании 2% BN). Оба подхода реализуются с помощью присадки 20% TiCN;ПятнаконтактаЗона 2Зона 3Зона 2Зона 3
оптимальное сочетание прочности и надежности (характеризующихся высокой адгезией покрытия (TiCr)Nк подложке) проявляется в многослойном покрытии с нижним слоем, обогащенным индием (имплантированным в поверхность подложки), который способствует образованию на поверхностях трения аморфоподобных структур In–Nи In–Oи продлению стадии нормального износа, повышая в 2,1 –2,4 раза износостойкость инструментов;
многослойные покрытия, включающие ионное азотирование нижнего слоя из быстрорежущей стали с последующим нанесением ФОП TiNпокрытия, верхний слой которого модифицирован с помощью с ПФПЭ (перфторполиэфира), обеспечивают высокую износостойкость режущего инструмента. На начальной стадии износа режущего инструмента ПФПЭ как смазка уменьшает фрикционный параметр и значительно уменьшает повреждение поверхности инструмента. В процессе резания нитрид титана твердого покрытия окисляется, образуя защитный экранированный слой;
основное преимущество магнитнодуговой фильтрации при нанесении покрытия методом ФОП –значительное измельчение зерен (TiAl)N, которое приводит к образованию поверхностного слоя с размером зерен около 60 –80 нм, т.е. в пределах наношкалы, иобеспечивает возможность использования режущего инструмента с таким покрытием в условиях высокоскоростной обработки резанием с увеличением износостойкости режущего инструмента в 3 –4 раза. Оксидные слои, которые образуются на поверхности нанокристаллических фильтрованных (TiAl)Nпокрытий при высокоскоростном резании, в основном состоят из защитных тонких пленок, подобных оксиду алюминия, и имеющих аморфнокристаллические структуры.
Ссылки на источники1.
КабалдинЮ.Г. Самоорганизация и нелинейная динамика в процессах трения и изнашивания инструмента. КомсомольскнаАмуре: КнАТУ.2003. –236 с.2.Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями –М: Машиностроение. 1993. –336 с.3.FoxRabinovich G.S. Nanocristaline FAD TiAlN PVD coatings for highspeed machining application. / G.S. FoxRabinovich, L.Sh. Shuster, M.Sh. Migranov and others. Surface and coating technology. 177 –178. 2004 y. –P. 800 –811.
