Влияние поверхностной упрочняющей обработки на эксплуатационные показатели оксидно-карбидной керамики при точении закаленных сталей

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОКСИДНО-КАРБИДНОЙ КЕРАМИКИ ПРИ ТОЧЕНИИ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ

Описаны технологические принципы повышения работоспособности режущих пластин из оксидно-карбидной керамики марки ВОК-71 комбинированным поверхностным упрочнением, заключающимся в планетарном алмазном шлифовании рабочих поверхностей инструмента и последующим нанесении на них вакуумно-плазменных покрытий. Приводятся результаты исследований влияния упрочняющей обработки на качество поверхностного слоя керамики, ее прочностные характеристики, интенсивность изнашивания и надежность при точении закаленной стали ШХ15.

Ключевые слова: поверхностное упрочнение, нанесение покрытий, интенсивность изнашивания, надежность.

В настоящее время одними из наиболее перспективных инструментальных материалов для высокоскоростной механической обработки конструкционных сталей твердостью выше 50 ИЯС являются различные виды керамики — оксидно-карбидная, нитридная и др. Эти материалы сочетают в себе целый комплекс свойств — имеют невысокую стоимость исходного сырья, обладают высокой твердостью, теплостойкостью и характеризуются низкой склонностью к адгезионному взаимодействию с обрабатываемыми материалами. Однако, несмотря на эти преимущества, широкое применение режущего инструмента, оснащенного пластинами из керамики, до сих пор ограничено из-за его низкой надежности, являющейся следствием скалывания и выкрашивания режущей части инструмента в различные периоды работы. Главными причинами этого являются низкая прочность и теплопроводность керамики, а также различные дефекты объема и поверхностного слоя, образующиеся при спекании, прессовании и шлифовании пластин.

Одним из направлений решения проблемы повышения надежности инструмента из оксидно-карбидной керамики при высокоскоростном точении закаленных сталей, является улучшение качества его поверхности и поверхностного слоя. Для достижения этой цели в МГТУ «СТАНКИН» была разработана новая технология комбинированного поверхностного упрочнения, заключающаяся в планетарном алмазном шлифовании рабочих поверхностей керамического инструмента и последующем нанесении на них вакуумно-плазменных покрытий.

Хорошо известно, что одним из самых ответственных этапов технологического процесса изготовления режущих пластин из керамики, является операция алмазного шлифования, которая из-за низкой теплопроводности и высокой твердости керамики сопровождается очень большими теплосиловыми нагрузками. В результате этого в процессе шлифования формируется поверхностный дефектный слой, который содержит большое количество микротрещин и пор, а также полей растягивающих напряжений [1,2]. Формирование указанного слоя ощутимо снижает и без того невысокие прочностные характеристики керамики. Поэтому повышение эффективности алмазной обработки керамики сегодня в основном ведется в направлении снижения теплонапряженности этого процесса. Традиционным подходом к решению этой проблемы является оптимизация характеристик алмазных кругов (марки синтетических алмазов, зернистости, типа связки и т.д.) и режимов шлифования (скорости круга, продольной и поперечной подачи, вида СОЖ, условий правки круга и т.д.).

Всесторонний анализ планетарной схемы плоского торцевого шлифования показал значительные неиспользованные резервы снижения теплонапряженности процесса и, как следствие, снижения количества различных дефектов в поверхностном слое керамики. Поэтому в настоящей работе была исследована эффективность применения планетарной схемы по сравнению с традиционно используемым торцевым шлифованием.

Для оценки эффективности применения планетарного шлифования использовались следующие показатели качества поверхности и поверхностного слоя керамики: шероховатость обработанной поверхности (Иа); глубина дефектного слоя (Тд); остаточные напряжения в поверхностном слое. При проведении экспериментов в

широких пределах варьировали режимы процессов планетарного и обычного торцевого шлифования, а характеристики алмазных кругов оставались неизменными — использовались круги из синтетических алмазов марки АС6 зернистостью 80/63 на керамической связке К5. При шлифовании в качестве образцов для исследований использовались бруски прямоугольной формы (50^5x4 мм) из оксидно-карбидной керамики марки ВОК-71. Эти же образцы впоследствии использовались для проведения рентгеноструктурного анализа и исследования прочностных свойств.

На рис. 1 представлены результаты рентгенографических исследований распределения остаточных напряжений в поверхностном слое керамических образцов после различных схем шлифования (планетарного и обычного торцевого). Видно, что несмотря на общность характера изменения остаточных напряжений, формируемых в поверхностном слое оксидно-карбидной керамики, их значения существенно различаются.

Рис. 1. Распределение напряжений в поверхностном слое образцов из оксидно-карбидной керамики после различных схем шлифования. Режимы шлифования: планетарное шлифование — скорость кругов 30 м/с, скорость вращения керамических образцов 36 м/мин, давление шлифовального круга 10 Н/мм2; обычное торцевое шлифование — скорость круга 30 м/с, давление шлифовального круга 10 Н/мм2, продольная подача 10 м/мин

При обычном шлифовании на поверхности формируются большие сжимающие напряжения, после чего наблюдается их достаточно резкое уменьшение и переход в напряжения растяжения, которые затем плавно снижаются и стабилизируются. При использовании планетарной схемы шлифования формируются в 2-3 раза меньшие сжимающие напряжения, а растягивающие напряжения не превышают 100 МПа. На практике глубина, на которой происходит стабилизация остаточных напряжений, обычно принимается за глубину дефектного слоя, формируемого при шлифовании. Было установлено, что при планетарной схеме глубина дефектного слоя керамики не превышает ~ 4 мкм, тогда как этот показатель для традиционного шлифования составляет ~ 6-8 мкм. Как будет показано ниже, указанное уменьшение глубины дефектного слоя, достигаемое применением планетарного шлифования, обеспечивает значительное увеличение прочностных свойств керамики.

Исследования шероховатости поверхности образцов из оксидно-карбидной керамики показали, что между ее значениями и значениями режимов процесса планетарного шлифования прослеживается связь, аналогичная той, которая была установлена для глубины дефектного слоя (рис. 2). Тот факт, что с увеличением скорости шлифовального круга шероховатость поверхности уменьшается, по-видимому, связан с тем, что при этом уменьшается толщина среза, приходящаяся на единичное алмазное зерно. Однако такая положительная тенденция наблюдается только в диапазоне скоростей — 15...35 м/с. Как показали проведенные исследования, увеличение скорости свыше 35 м/с значительно увеличивает теплонапряженность процесса шлифования и приводит к сколам по краям керамических образцов и их растрескиванию. В целом сравнение шероховатости поверхности пластин, которая может быть достигнута планетарным и обычным торцевым шлифованием, показывает, что использование планетарной схемы позволяет снизить параметр шероховатости Яа до 1,3 раза.

На рис. 3 представлены микрофотографии поверхности керамических образцов после двух различных схем шлифования. Даже визуальный осмотр поверхности показывает улучшение ее качества после применения планетарного шлифования.

§ 2 а а а 2 н ^ 2 -Я § ^

X

О

а

о

э

25 30 35

Скорость круга, м/с

24 36 48

Скорость з/венца, м/мин

12 16 Давление круга, Н/мм2

20

Рис. 2. Влияние режимов планетарного шлифования на шероховатость поверхности образцов из оксидно-карбидной керамики ВОК-71

20 мкм і—і

20 мкм і—і

Рис. 3. Микрофотографии поверхности образцов из оксидно-карбидной керамики ВОК-71 после различных схем алмазного шлифования: а — обычное торцевое; б — планетарное

б

а

Другим достаточно эффективным направлением совершенствования оксидно-карбидной керамики является нанесение на нее различных по конструкции и составу износостойких покрытий с использованием плазмы вакуумно-дугового разряда. Нанесение покрытий может обеспечить «эффект залечивания» дефектов, формируемых в поверхностном слое керамических пластин на различных этапах их производства (главным образом, при ал-

мазном шлифовании). Кроме того, покрытие может тормозить или останавливать развитие фронта трещин, идущих из глубины пластины в направлении поверхности.

За рубежом на режущие пластины из различных инструментальных керамик и сверхтвердых материалов покрытия наносят методами химического осаждения вещества из парогазовой фазы, недостатками которых являются высокая токсичность используемых реагентов, сложность управления свойствами формируемых покрытий и невозможность нанесения сложнокомпозиционных покрытий [3, 4]. Этих недостатков в значительной степени лишены методы физического нанесения покрытий в вакууме, в частности вакуумно-дуговое осаждение.

Проведенная оценка свойств различных соединений и их стоимости, позволили для режущих пластин из оксиднокарбидной керамики, предназначенных для обработки закаленных сталей типа ШХ 15 (62-65 ИЯС), предложить следующий состав износостойкого покрытия: в качестве адгезионного слоя использовать слой на основе чистого титана толщиной 1...1,5 мкм, а в качестве износостойкого слоя — двухкомпонентный нитрид (Т11.ХЛ1Х)К толщиной 5—7 мкм. Важным достоинством нитрида (Т11-ХЛ1Х)К является его высокая термостойкость и образование при повышенных температурах резания на его поверхности плотного аморфного слоя Л1203, который препятствует окислению и взаимодействию с обрабатываемым материалом [5]. Варьируя содержанием алюминия (0 < х < 0,9) можно получить широкий диапазон твердости покрытия — от 10 до 42 ГПа. Оценка интенсивности изнашивания пластин из оксидно-карбидной керамики с различными покрытиями (Т11-ХЛ1Х)К при продольном точении стали ШХ15, позволили установить оптимальный состав покрытия — (Т1одЛ1о,б)К

Как показали результаты проведенных исследований, использование схемы планетарного шлифования (ПШ) в комбинации с нанесением покрытия Т1+(Т104Л106)К позволяет существенно увеличить прочность на изгиб керамических образцов. В табл. 1 представлены результаты измерения прочности по схеме четырехточечного изгиба керамических образцов, прошедших различные виды поверхностной обработки. Среднее значение проч-

ности рассчитывали по результатам испытаний 20 образцов 4 различных групп.

Из представленных данных видно, что средняя прочность на изгиб образцов, подвергнутых планетарному шлифованию, возрастает ~ на 4 % по сравнению с исходными образцами, в то время как нанесение покрытий ~ на 15 % увеличивает этот показатель. Комбинация этих двух видов поверхностной обработки позволяет достичь более серьезных результатов — до 22 % увеличить прочность оксидно-карбидной керамики, а, кроме того, существенно снизить разброс ее значений [6].

В дальнейшем проводились сравнительные эксплуатационные испытания неупрочненных пластин из керамики ВОК-71 и пластин, прошедших комбинированную упрочняющую обработку по предлагаемой схеме — планетарное шлифование и нанесение покрытий Т1+(Т10,4Л106)К. Испытания проводились при продольном точении заготовок из термообработанной подшипниковой стали ШХ15 (62-65 НЯС). В качестве режущего инструмента использовались пластины квадратной формы (12,7^4,76 мм) с механическим креплением со следующей геометрией: у=-10°; а=10о; а!=10°; ф=45°; ф1=45°. Режимы обработки варьировали в широких пределах: скорость резания У=50...350 м/мин; подача 8=0,08.0,5 мм/об; глубина резания 1=0,2.3 мм. Эксперименты производили на токарном станке с ЧПУ мод. УББ180 С фирмы ВОЕНЯЖСЕЯ (Германия).

Таблица 1

Значения прочности на изгиб керамических образцов, прошедших различные виды поверхностной обработки

Значение прочности при изгибе, МПа Оксидно-карбидная керамика

исход- ная после ПШ с покрытием Т1+(Т10,4Л10,6)М после ПШ с покрытием Т1+(Т10 4Л106)М

оИзГ (средняя) 539 557 622 659

оИзГ (макс) 580 587 641 682

Оизг (мин) 502 529 594 638

83

Таблица 2

Результаты производственных испытаний керамических пластин при обработке кольца подшипника из закаленной стали ШХ15СГ

Тип пластины ВОК-71 <и сл О п 71 - -К О В комбинированной упрочняющей обработки

№1 №2 №3 №4 №5 №6 №1 №2 №3 №4 №5 №6

Режим резания К=160 м/мин; 5=0,2 мм/об; /=1 мм

Стойкость Т (мин) - 14 18 10 15 12 23 27 21 23 25 26

Причина отказа ч о и о выкраш. выкраш. выкраш. ,3 0, її ІЗ выкраш. ,3 0, її ІЗ ,3 0, її ІЗ выкраш. ,3 0, її ІЗ ,3 0, її ІЗ ,3 0, її ІЗ

Режим резания У=200 м/мин; 5=0,08 мм/об; /=0,5 мм

Стойкость Т (мин) 22 25 15 28 18 26 37 33 29 35 31 37

Причина отказа ,3 0, II ІЗ ,3 0, II ІЗ І & ы в ,3 0, її ІЗ І & ы в ,3 0, II В ,3 0, її ІЗ ,3 0, II ІЗ ,3 0, її ІЗ ,3 0, її ІЗ ,3 0, II ІЗ ,3 0, її ІЗ

Время работы т, мин

Рис. 4. Зависимость износа по задней поверхности кз от времени работы пластин из оксидно-карбидной керамики при точении закаленной стали ШХ15. Режимы обработки: V = 250 м/мин; £ = 0,2 мм/об; £ = 1 мм

Проведенные эксперименты показали, что использование пластин прошедших комбинированное упрочнение увеличивает их стойкость в 1,5—3 раза во всем исследуемом диапазоне режимов резания. Фрагменты экспериментальных данных представлены на рис. 4.

Однако наиболее важным результатом применения разработанной технологии, нужно считать то обстоятельство, что она существенно увеличивает надежность керамических пластин [6,7]. Проведенными производственными испытаниями керамических пластин при обработке внутреннего кольца подшипника было установлено, что применение комбинированной упрочняющей обработки позволяет до 90 % всех отказов инструмента свести к отказам, связанным с достижением задней поверхностью пластины установленного значения износа (в данном случае 0,3 мм), в то время как этот показатель для исходных пластин не превышает 55 %. Вне всякого сомнения, полученные результаты связаны с описанными выше эффектами от применения планетарной схемы шлифования и нанесения покрытий. В табл. 2 представлены фрагменты результатов производственных испытаний пластин из оксиднокарбидной керамики ВОК-71.

Таким образом, в результате комплекса проведенных научно-исследовательских работ, была разработана технология комбинированного поверхностного упрочнения инструмента из оксидно-карбидной керамики. Ее применение позволяет увеличить

стойкость инструмента при точении закаленных сталей в 1,5—3 раза по сравнению с исходными пластинами и что самое главное существенно повысить надежность керамического инструмента и, как следствие, надежность всего процесса резания, являющуюся одним из наиболее важных условий выпуска конкурентоспособной продукции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волосова М.А., Григорьев С.Н. Технологические принципы осаждения износостойких нанопокрытий для применения в инструментальном производстве // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2010.

— №6. — С. 37—42.

2. Никитков Н.В., Рабинович В.Б., Субботин В.Н. Скоростная алмазная обработка деталей из технической керамики. Л.: Машиностроение. 1984. 131с.

3. A. Gatto, L. Iuliano. Advanced coated ceramic tools for machining superalloys. 1995, p. 591-605.

4. Григорьев С.Н., Боровский В.Г. Разработка технологии нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент на основе минерало-керамики и кубического нитрида бора // Обработка металлов. — 2003.

— № 3 (20). — С. 5—6.

5. Григорьев С.Н., Волосова М.А., Климов В.Н. Модификация поверхности режущего инструмента из быстрорежущей стали путем вакуумно-плазменной обработки // Физика и химия обработки материалов.

— 2005. — №5. — С. 11—18.

6. Волосова М.А., Григорьев С.Н. Режущие пластины из керамики: влияние абразивной обработки и покрытий на их эксплуатационные показатели // Вестник МГТУ «Станкин». 2011. — №2 (14). — С. 68—74.

7. Григорьев С.Н. Методы осаждения износостойких нанопокрытий в инструментальном производстве // Металлургия машиностроения. — 2011. — №1. — С. 37—43.