Работоспособность инструмента из смешанной керамики с нанодисперсным многослойным покрытием при обработке закаленной инструментальной стали

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

УДК 67.02

А. С. Верещака, Е. С. Сотова, А. А. Верещака

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ИНСТРУМЕНТА ИЗ СМЕШАННОЙ КЕРАМИКИ С НАНОДИСПЕРСНЫМ МНОГОСЛОЙНЫМ ПОКРЫТИЕМ ПРИ ОБРАБОТКЕ ЗАКАЛЕННОЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ

Аннотация.

Актуальность и цели. В работе исследуется влияние свойств смешанной режущей керамики с нанодисперсными многослойными покрытиями на обрабатываемость закаленной инструментальной стали ХВГ. Специфика обработки резанием лезвийным инструментом из смешанной керамики материалов повышенной твердости является в настоящее время предметом широких исследований, так как подобная обработка позволяет не только повысить качество поверхностного слоя, но и существенно снизить затраты, исключив финишную операцию шлифования.

Материалы и методы. В соответствии с разработанными положениями, была сформулирована методология и архитектура трехкомпонентного нанодисперсного многослойно-композиционного покрытия для керамического инструмента.

Результаты. Рассмотрено влияние скорости резания на износостойкость инструмента из смешанной керамики с различными покрытиями. Рассмотрена также методология выбора оптимальной архитектуры и состава покрытия в приложении к инструменту из смешанной керамики. Построены математические модели, устанавливающие зависимость стойкости инструмента из смешанной керамики с покрытием от скорости резания.

Выводы. В работе показано, что режущий инструмент, оснащенный смешанной режущей керамикой с разработанным нанодисперстным многослойнокомпозиционным покрытием Ti-TiN-(TiCrAl)N, обеспечивает повышение стойкости при увеличении производительности обработки, снижении интенсивности изнашивания, уменьшении микровыкрашиваний и хрупких сколов режущей кромки.

Ключевые слова: смешанная керамика, покрытие, стойкость инструмента, износ по задней поверхности.

A. S. Vereshchaka, E. S. Sotova, A. A. Vereshchaka

OPERABILITY OF A MIXED CERAMICS INSTRUMENT WITH NANODISPERSED MULTILAYER COATING AT HARDENED TOOL STEEL WORKING

Abstract.

Background. The article investigates the influence of properties of the mixed cutting ceramics with nanodispersed coating on workability of hardened tool steel of grade. Specific features of enhanced hardness materials working by edge cutting machining using an edge tool with mixed ceramics at the present time is an object of multiple researches, for example, such working allows both to improve surface quality and to significantly decrease costs, excluding the finishing stage of grinding.

Materials and methods. In accordance with the developed regulations, the authors formulated the methodology and architecture of a three-component nano-dispered multilayered composite coating for a ceramic intrument.

Engineering sciences. Machine science and building

177

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

Results. The authors examined the influence of cutting rate on wear resistance of the cutting instrument with mixed ceramics having different surfaces. The researchers also considered the methodology of choosing the optimal architecture and com-pond of coatings attached to the instrument with mixed ceramics. The authors built mathematical models determining thedependence of durability of the mixed ceramics instrument with coating on cutting rate.

Conclusions. The article shows that the cutting instrument equipped with mixed cutting ceramics with the developed nanodispersed multilayered composite coating -Ti-TiN-(TiCrAl)N - provides improved durability together with increasing working productivity, wearing intensity lowering, decreasing of micropittings and cutting edge cleavages.

Key words: mixed ceramics, coating, instrument’s durability, rear surface wear.

Введение

Обработка лезвийным инструментом материалов повышенной твердости после их полной термообработки находит все большее применение в металлообрабатывающих производствах, так как позволяет не только повысить качество поверхностного слоя, но и существенно снизить затраты, исключив финишную операцию шлифования [1-4]. Поэтому специфика обработки резанием и механизмы изнашивания режущего инструмента при обработке материалов повышенной твердости являются в настоящее время предметом широких исследований [1, 3].

Для обработки материалов повышенной твердости наряду с композитами на основе кубического нитрида бора (CBN) все большее применение получают инструменты, изготовленные из режущей керамики, особенно керамики смешанного типа, к которой (в соответствии со стандартами ISO 513) относят оксидную режущую керамику, легированную карбидом титана АЬОз-TiC. Смешанная режущая керамика (СРК), не содержащая дефицитных элементов (W, Co, Ta, Nb и др.), имеет ряд преимуществ по сравнению с вольфрамосодержащими твердыми сплавами [1, 2, 4]. Это обусловлено отсутствием в керамическом материале связки, более высокой твердостью, износостойкостью и термостойкостью, что позволяет вести обработку закаленных сталей на значительно больших скоростях резания по сравнению со скоростями резания инструментом из вольфрамосодержащих твердых сплавов. Поэтому инструменты, оснащенные сменными многогранными пластинами (СМП) из CРК, используют для чистовой и получистовой обработки углеродистых легированных сталей с твердостью HRC 30-60, а также ковких, высокопрочных, отбеленных чугунов [1, 2].

Вместе с тем СРК имеет и существенные недостатки, к которым относят:

- относительно низкую прочность при изгибе;

- весьма высокую чувствительность к объемным и поверхностным дефектами (микропоры, микро- и субмикротрещины, остаточные напряжения растяжения, микросколы и т.д.);

- низкую сопротивляемость разрушению при термоударах (термошок) из-за низкой теплопроводности и относительно высокого коэффициента термического расширения [1].

Эффективная эксплуатация инструмента, оснащенного СМП из СРК, возможна только при оптимальных параметрах технологии заточки и доводки, так как формирование опасных поверхностных дефектов в процессе за-

178

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

точки СРК может служить причиной резкого снижения прочности керамических СМП.

В этой связи возникает острая необходимость разработки методов дополнительной модификации поверхностных свойств инструмента из СРК, с целью повышения этих свойств и снижения (залечивания) опасных поверхностных дефектов В работе в качестве метода модифицирующей обработки, направленной на залечивающее воздействие на поверхностные дефекты СМП из СРК в виде и микротрещин и микропор, а также на трансформацию неблагоприятных остаточных напряжений растяжения в более сжимающие остаточные напряжения, использовали технологию фильтруемого катодно-вакуумнодугового осаждения (ФКВДО) нанодисперсных многослойно-композиционных покрытий (НМКП) [2, 4-7]. МНКП, осажденное на инструмент из СРК, позволяет реализовать преимущества режущей керамики как износостойкого и инертного материала [3-6].

Экспериментальные данные

В соответствии с разработанными положениями, представленными в работах [3, 7-9], была сформулирована методология и архитектура трехкомпонентного нанодисперсного многослойно-композиционного покрытия для керамического инструмента (рис. 1).

Рис. 1. Архитектура композиционного керамического материала из смешанной

керамики и нанодисперсного многослойно-композиционного покрытия:

1 - износостойкий (наружный) слой (TiAlN); 2 - промежуточный слой (TiN);

3 - адгезионный подслой (Ti); 4 - смешанная режущая керамика

НМКП включает три слоя, каждый из которых имеет строго функциональное назначение:

1) наружный износостойкий слой 1 способствует благоприятной трансформации контактных процессов, обеспечивая максимальное снижение контактных напряжений и тепловое воздействие на субстрат из СРК;

2) промежуточный слой 2 обеспечивает прочную адгезионную связь между слоями 1 и 3, кроме того, может выполнять и другие функции, связан-

Engineering sciences. Machine science and building

179

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

ные с торможением тепловых потоков из зоны резания в инструмент, а также диффузии элементов из обрабатываемого материала в материал инструмента (СРК);

3) адгезионно-упрочняющий слой 3 обеспечивает формирование прочной адгезии между керамическим субстратом и НМКП, а также выполняющий функцию упрочняюще-залечивающего воздействия на тонкие приповерхностные слои керамического материала.

Формирование НМКП производили при использовании технологии фильтруемого катодно-вакуумно-дугового осаждения на установке ВИТ-2 [2-

4]. Технология ФКВДО была разработана как средство получения НМКП с высокой адгезионной прочностью по отношению к субстрату, с повышенной плотностью и нанодисперсной структурой, которая способствует повышению режущих свойств инструмента из СРК. После предварительной химикомеханической обработки (ультразвуковая очистка, промывка, сушка) керамические СМП размещали в камере установки ВИТ-2, в которой СМП подвергали дополнительной ионной очистке и обработке с целью залечивания поверхностных дефектов, формируемых при изготовлении и формировали НМКП [10-12]. В процессе осаждения НМКП СМП совершали планетарное перемещение в камере установки, что обеспечивало получение покрытий равномерной толщины. Формирование НМКП (на примере системы Ti-TiN-TiCrAlN) осуществляли при напряжении смещения на субстрате до 205-210 В, давлении азота 2,6 • 10-1 Па, плотность ионного тока составляла 0,5 А/мм2, ток дуги 75-90 А (Ti) и 100-120 (Al).

Исследования работоспособности инструмента, оснащенного СМП из СРК с МНКП, проводили при продольном точении закаленной стали ХВГ (HRC 45) на токарном станке с бесступенчатым регулированием частот вращения шпинделя.

Объектом исследования служили СМП из СРК ВОК-200 (60 % AI2O3 -40 % TiC) квадратной формы SNUN (ISO 513) с радиусом r = 0,8 мм, без покрытия и с покрытиями различного состава. Резцы имели следующую геометрию режущей части: уф = -8°; а = 8°; ф = ф1 = 45°; X = 0. В работе в качестве критерия отказа инструмента был принят износ по задней поверхности VB, равный 0,25 мм (ограничивает зону «нормального» изнашивания).

Для получения необходимой информации о составляющих сил резания Pz и Py использовали универсальный тензометрический динамометр УДМ = - 600 и компьютерную программу для полной обработки данных экспериментов.

Результаты и обсуждение экспериментальных данных

Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 2, 3.

Установлено, что интенсивность изнашивания инструмента, оснащенного СМП из ВОК-200 с НМКП, существенно ниже, чем для контрольного инструмента с СМП из ВОК-200, при этом развитие фаски износа задней поверхности носит равномерный характер без микровыкрашиваний и сколов, столь характерных для стандартного инструмента из керамики.

Время резания керамическим режущим инструментом до его замены (стойкость) и скорость резания связаны следующей зависимостью [10]:

180

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

T =

A

m

V

где m - относительный показатель скорости; А - постоянный коэффициент.

Cutting time т, min

Рис. 2. Зависимость износа VB от времени резания при сухой обработке стали ХВГ HRC 45 с t = 1 мм; S = 0,15 мм/об; v = 300 м/мин:

1 - ВОК-200; 2 - VOK-200-Ti-TiN (стандарт. технол.);

3 - ВОК-200 (Ti-TiN-TiCrAlN) - технология ФКВДО

Cutting speed, m/min

Рис. 3. Влияние скорости резания на стойкость инструмента, оснащенного СМП из ВОК-200 с t = 1,0 мм; S = 0,15 мм/об: 1 - VOK-200; 2 - VOK-200-Ti-TiN (стандарт. технол.); 3 - ВОК-200 (Ti-TiN-TiCrAlN) - технология ФКВДО

Для определения иерархии влияния параметров на стойкость инструмента обычно используют экспериментальные зависимости. Зависимость вида (1) строят на основе кривых «износ-время» (см. рис. 2). Для этого устанавливают критерии затупления инструмента, например критическое (допустимое) значение фаски износа задней поверхности (VB) при заданных условиях резания. Для построения модели резания обработку опытных данных осуществляли на СМП по разработанной в МГТУ «СТАНКИН» программе.

В результате проведенных экспериментов, а также проверки адекватности полученной модели и оценки значимости коэффициентов регрессии по-

Engineering sciences. Machine science and building

181

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

лучено выражение зависимости стойкости инструмента от режимов резания при точении стали ХВГ HRC 45 для:

О Q £»/1

ВОК-200; T = мин;

12 73

ВОК-200

v

О (1 ЛП

ВОК-200

v1,03

Наилучший результат по стойкости продемонстрировали СМП из ВОК-200 с разработанным покрытием Ti-TiN-(TiCrAl)N (см. рис. 3).

Как видно из представленных графиков, с увеличением скорости резания стойкость всех исследуемых керамических инструментов снижается. При этом СМП из ВОК-200 с разработанным покрытием Ti-TiN-(TiCrAl)N при равной скорости обеспечивают большую стойкость, а при равной стойкости допускают использование более высокой скорости резания (20-30 %) по сравнению с контрольным инструментом из ВОК-200 без покрытия.

Заключение

Проведенные исследования позволили установить возможность повышения режущих свойств инструмента, оснащенного сменными многогранными пластинами из режущей керамики, путем применения разработанных нанодисперсных многослойно-композиционных покрытий.

Режущий инструмент, оснащенный СМП из ВОК-200 с разработанным нанодисперстным многослойно-композиционным покрытием Ti-TiN-(TiCrAl)N (технология ФКВДО), обеспечивает повышение стойкости инструмента при увеличении производительности обработки, снижает интенсивности его изнашивания без микровыкрашиваний и хрупких сколов режущей кромки.

Список литературы

1. Верещака, А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями / А. С. Верещака. - М. : Машиностроение, 1993. - 336 с.

2. Vereschaka, A. S. Functional соаИ^8 for an edge cutting tools / A. S. Verescha-ka, A. A. Vereschaka // Technology of hardening and coatings. - 2010. - № 6. - P. 28.

3. Vereschaka, A. S. Ecologically friendly dry machining by cutting tool from layered composition ceramic with nano-scale multilayered coating / A. S. Vereschaka, A. A. Vereschaka. A. K. Kirillov // Key Eng. Materials. - 2012. - Vol. 496. - P. 67.

4. Grigoriev, S. N. Cutting tools made of layered composite ceramics with nano-scale multilayered coatings / S. N. Grigoriev, A. A. Vereschaka, A. S. Vereschaka, A. A. Kutin // Procedia CIRP. - 2012. - № 1. - P. 318-323.

5. Metel, A. S. Glow discharge with electrostatic confinement of electrons in a chamber bombardment by fast electrons / A. S. Metel, C. N. Grigoriev, Yu. A. Melnik et al. // Plasma physics reports. - 2011. - Vol. 37, № 7. - P. 628.

6. Vereshchaka, A. S. Development of the method of obtaining nanostructured functional coatings / A. S. Vereshchaka, B. Karpuschewski, L. Dubner // Proceedings of the Intern. Scient. Conf. “Production. Technology”. - 2008. - Vol. 1. - P. 62.

182

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

7. Sablev, L. P. Vacuum-arc evaporator of metals with an extended planar cathode / L. P. Sablev, A. A. Andreev, V. V. Kunchenko, S. N. Grigoriev // Proceedings of Materials Science Forum. - 1998. - P. 287-288.

8. Grigoriev, S. N. Determining the effective fractal dimension of nanodimensional coatings with the aid of magnetic field / S. N. Grigoriev, A. M. Mandel, V. B. Osh-urko, G. I. Solomakho // Technical Physics Letters. - 2011. - Vol. 37, № 12. -

P. 1176-1178.

9. Grigoriev, S. N. Experimental and numerical study of the chemical composition of WSex thin films obtained by pulsed laser deposition in vacuum and in a buffer gas atmosphere / S. N. Grigoriev, V. Y. Fominski, A. G. Gnedovets, R. I. Romanov // Applied Surface Science. - 2012. - Vol. 258, № 18. - P. 7000-7007.

10. Grogoriev, S. N. Distribution of the density of material in the pressing channel in continuous forming of nanocrystalline composite powders / S. N. Grogoriev, A. N. Krasnovskii // Metal Science and Heat Treatment. - 2012. - Vol. 54, № 3-4. -P. 135-138.

11. Grigoriev, S. Broad fast neutral molecule beam sources for industrial-scale beam-assisted deposition / S. Grigoriev, Y. Melnik, A. Metel // Surface & Coatings Technology. - 2002. - Vol. 156, № 1-3. - P. 44-49.

12. Plasma- and beam-assisted deposition methods. Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings / S. Grigoriev, A. Metel, A. A. Voevodin // Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings. - 2004. -Vol. 155. - Р. 147-154.

References

1. Vereshchaka A. S. Rabotosposobnost' rezhushchego instrumenta s iznosostoykimi pokrytiyami [Operating ability of a cutting tool with wear-resistant coating]. Moscow: Mashinostroenie, 1993, 336 p.

2. Vereschaka A. S., Vereschaka A. A. Technology of hardening and coatings. 2010, no. 6, p. 28.

3. Vereschaka A. S., Vereschaka A. A.. Kirillov A. K. Key Eng. Materials. 2012, vol. 496, p. 67.

4. Grigoriev S. N., Vereschaka A. A., Vereschaka A. S., Kutin A. A. Procedia CIRP. 2012, no. 1, pp. 318-323.

5. Metel A. S., Grigoriev C. N., Melnik Yu. A. et al. Plasma physics reports. 2011, vol. 37, no. 7, p. 628.

6. Vereshchaka A. S., Karpuschewski B., Dubner L. Proceedings of the Intern. Scient. Conf. “Production. Technology”. 2008, vol. 1, p. 62.

7. Sablev L. P., Andreev A. A., Kunchenko V. V., Grigoriev S. N. Proceedings of Materials Science Forum. 1998, pp. 287-288.

8. Grigoriev S. N., Mandel A. M., Oshurko V. B., Solomakho G. I. Technical Physics Letters. 2011, vol. 37, no. 12, pp. 1176-1178.

9. Grigoriev S. N., Fominski V. Y., Gnedovets A. G., Romanov R. I. Applied Surface Science. 2012, vol. 258, no. 18, pp. 7000-7007.

10. Grogoriev S. N., Krasnovskii A. N. Metal Science and Heat Treatment. 2012, vol. 54, no. 3-4, pp. 135-138.

11. Grigoriev S., Melnik Y., Metel A. Surface & Coatings Technology. 2002, vol. 156, no. 1-3, pp. 44-49.

12. Grigoriev S., Metel A., Voevodin A. A. Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings. 2004, vol. 155, pp. 147-154.

Engineering sciences. Machine science and building

183

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

Верещака Анатолий Степанович

доктор технических наук, профессор, Институт конструкторскотехнологической информатики Российской академии наук

E-mail: dr_averes@rambler.ru

Сотова Екатерина Сергеевна кандидат технических наук, старший преподаватель, кафедра технологии машиностроения, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

E-mail: eksotova@yandex.ru

Верещака Алексей Анатольевич

кандидат технических наук, научный сотрудник, Институт конструкторскотехнологической информатики Российской академии наук

E-mail: ecotech@rambler.ru

Vereshchaka Anatoliy Stepanovich Doctor of engineering sciences, professor, Institute of engineering and design informatics of the Russian Academy of Sciences

Sotova Ekaterina Sergeevna Candidate of engineering sciences, senior lecturer, sub-department of mechanical engineering technologies, Moscow State Technological University “STANKIN”

Vereshchaka Aleksey Anatol'evich Candidate of engineering sciences, researcher, Institute of engineering and design informatics of the Russian Academy of Sciences (building 1a,

18 Vadkovsky lane, Moscow, Russia)

УДК 67.02 Верещака, А. C.

Работоспособность инструмента из смешанной керамики с нанодисперсным многослойным покрытием при обработке закаленной инструментальной стали / А. С. Верещака, Е. С. Сотова, А. А. Верещака // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 4 (32). - С. 177-184.

184

University proceedings. Volga region