Управление работоспособностью металлорежущего инструмента путем нанесения покрытий

электрофизические и электрохимические методы обработки_

УДК 621.9

Управление работоспособностью металлорежущего инструмента путем нанесения покрытий

Б. Я. Мокрицкий

Ключевые слова: покрытия, работоспособность инструмента, упрочнение.

Введение

Одним из наиболее изученных путей повышения работоспособности инструмента является нанесение покрытий. Методология и научная концепция нанесения покрытий даны в работах [1, 2]. На промышленных предприятиях лучше всего освоено нанесение покрытий карбида титана, карбонитрида титана и нитрида титана на быстрорежущий и твердосплавный инструмент методами газотермического (ГТ), дифузионнотермического осаждения и конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ). Также накоплен опыт по осаждению керамики (А^Оз) на твердосплавный инструмент. В данной статье поставлена цель предложить новый метод упрочнения для стабилизации и повышения работоспособности инструмента.

(подготовка основы, покрытие, воздействие на покрытие) позволяет задействовать различные иерархические уровни упрочнения и получить высокие эксплуатационные свойства поверхностных слоев инструментального материала, в том числе трещиностойкость и прочность сцепления покрытия с основой.

В качестве технологических приемов воздействия на основу инструментального материала предложены ионное азотирование и термообработка или магнитная обработка. Для осуществления воздействия на покрытие можно использовать ионное азотирование и термообработку (лазерную или термомеханическую). Технология создания конструкции покрытия подразумевает многослойность покрытия, применение для покрытия металлических слоев из одного металла Ме или их композиции Ме1, Ме2 (рис. 1), воздействие на внутренние или наружные слои

Обсуждение результатов работы

В дополнение к имеющимся методикам разработан [3, 4] комплекс решений для повышения работоспособности инструмента. Он основан на управлении работоспособностью инструмента за счет применения тех или других механизмов упрочнения инструментального материала несколькими путями, к числу которых относятся воздействие на основу инструментального материала, выбор конструкции покрытия и воздействие на покрытие.

Воздействие на основу инструментального материала предполагает применение технологических приемов с целью придать его поверхностным слоям такие свойства, которые при последующем нанесении покрытия обеспечат высокое качество сцепления последнего с основой. Под конструкцией покрытия понимается количество его слоев, состав, толщина. Воздействие на покрытие состоит в том, что его эксплуатационные свойства повышаются путем применения технологических методов, а именно с помощью устранения его дефектов. Совокупность этих трех объектов

МеN

Ме3

Ме2

Ме1

Ме1С

Основа

Рис. 1. Конструктивная схема слоев покрытий:

tl, t2, tз — толщины металлических слоев покрытия; а — толщина нитридного верхнего слоя покрытия; Ь — совокупная толщина металлических слоев покрытия

г)

Ионное азотирование V V V \<

Рис. 2. Комбинации схем создания слоев покрытий: а — покрытие с промежуточным металлическим слоем Ме2; б — покрытие с нижним расположением металлического слоя Ме^ и композиционным нитридным слоем (Ме2, Мез)К в — покрытие с ионным азотированием нижнего композиционного металлического Ме^, Ме2 слоя; г — покрытие с ионным азотированием верхнего металлического слоя Ме2

покрытия, сочетание технологических методов осаждения покрытия (рис. 2), например осаждение нижнего слоя МеС методом ГТ осаждения и последующих слоев Ме + МеК посредством КИБ. На этом рисунке используются следующие обозначения: Ме — металл, Ме^, Ме2, Мез — разные металлы, Ме^С — карбид одного из металлов, МеКТ, Ме^ или МезК — нитрид того или другого металла.

Физический смысл ионного азотирования основы состоит в достижении следующих результатов:

• стабилизация дислокационной структуры, сформировавшейся в микрообъемах поверхностных слоев инструмента в процессе его изготовления и заточки;

• создание необходимой плотности дислокаций в микрообъемах поверхностных слоев посредством внедрения ионов азота;

• пассивация ионами азота ювенильных поверхностей и активных центров, образовав-

шихся на рабочих поверхностях при изготовлении и заточке инструмента.

Ионное азотирование металлического слоя покрытия предполагает обеспечение диффузии и стабилизацию напряжений. Ионное азотирование твердого карбидного или нитрид-ного слоя описывается как создание условий для химической реакции азота с микрочастицами чистого металла в твердом слое покрытия и повышении плотности дислокаций путем внедрения ионов азота. Физический смысл магнитной обработки основы состоит в создании сжимающих напряжений (за счет поворота и ориентации доменов) в поверхностных слоях материала перед нанесением покрытия. Данный прием ограничен возможностью размагничивания при температуре осаждения покрытия.

Термообработка основы предлагается как способ обеспечения релаксации напряжений, особенно для заточенного инструмента. С той же целью можно проводить и термообработку покрытия. Лазерная термообработка мягкого металлического слоя покрытия позволяет заполнить материалом этого слоя поры и пустоты расположенного ниже материала в основе или в твердом слое покрытия (рис. 3).

Многослойность покрытия создает условия для разветвления трещины (эффекта сэндвича), мягкие слои покрытия обеспечивают функцию демпфирования и выполнение соответствующей роли каждым слоем покрытия. Например, нижний, прилегающий к основе слой предназначен для обеспечения диффузионного взаимодействия основы и следующего рабочего твердого слоя покрытия при компромиссе эксплуатационных свойств, например прочности сцепления рабочего твердого слоя с основой, а также трещиностойкости покрытия. Следовательно, материал нижнего слоя обязательно допускает протекание реакций взаимодействия с компонентами основы

Рис. 3. Микрофотография явления заполнения дефекта в основе путем затекания слоя покрытия в углубление на поверхности основы твердого сплава

и следующего слоя. Свободная энергия осуществления таких реакций должна иметь наименьшее значение, если в качестве нижнего слоя (подслоя) выбраны чистые металлы. В связи с этим титан не является лучшим материалом, более эффективны цирконий, хром, молибден, ниобий. Состав следующих слоев покрытия зависит от предъявляемых к инструментальному материалу требований в зависимости от условий эксплуатации инструмента. Физико-химические основы их формирования изложены в работах [3, 5]. Толщина слоев должна быть минимальной, но достаточной для выполнения функции демпфирования при переменных нагрузках.

Применительно к схеме, представленной на рис. 2, максимальная работоспособность инструмента при обработке резанием конструкционных и инструментальных сталей обеспечивается при определенном соотношении толщин слоев покрытия: толщина слоя карбида Ме1 (карбид титана, метод ГТ осаждения) составляет 2 мкм, подслой из этого же металла Ме1 обладает наибольшей толщиной ^ = ^ах = 0,1 -г 1,0 мкм; толщины среднего подслоя металла Ме2 и верхнего подслоя металла Ме3 выбраны так, чтобы они одновременно удовлетворяли требованиям Ь = (1,2 г 3,0)^ (большее значение интервала соответствует меньшему значению и Ь = (0,1 г 1,1)а (большее значение интервала соответствует большей толщине а верхнего нитридного слоя покрытия Мез^. Толщина а верхнего слоя покрытия выбрана с учетом соблюдения условия трещиностойкости и требования выдерживать общую толщину покрытия не более допустимой величины 7-12 мкм. Лучшие показатели работоспособности по трещиностойко-сти были получены при создании покрытия на сплаве ВК8 по следующей конструктивной схеме: ВК8 + ТС (ГТ осаждение, 2,0 мкм) + + Т (КИБ, 0,8 мкм) + Мо (КИБ, 0,2 мкм) + + Zr (КИБ, 0,4 мкм) + ZrN (КИБ, 3,0 мкм). Метод ГТ осаждения покрытия является высокотемпературным, но он обеспечивает высокую прочность сцепления покрытия с основой и позволяет регулировать размер зерна по мере осаждения покрытия путем управления температурой.

Разработаны конструкции покрытий, основанные на использовании достоинств осаждения из газовой фазы и нанесения покрытия методом КИБ. Последний обеспечивает создание промежуточных металлических слоев, выполняющих демпфирующую функцию и повышающих сцепление твердых слоев покрытия между собой за счет обеспечения материалом мягкого слоя химической совместимости

твердых слоев. Еще одним достоинством метода КИБ является простота получения композиционных покрытий, образованных при одновременном испарении металла катодов, выполненных из разных металлов.

Композиционный состав покрытия позволяет одновременно выполнять различные требования к покрытию. Так, например, в ряде случаев композиционное покрытие (Т, Мо^ эффективнее покрытия TiN либо Мо№ Этот подход реализован в ряде решений [3-5], где требуемые свойства инструмента с покрытием достигаются последовательным осаждением слоев покрытия методом ГТ осаждения, затем КИБ, то есть реализован технологический прием «ГТ осаждение + КИБ». В других решениях реализуется технологический прием «ГТ осаждение + КИБ + ГТ осаждение», где метод КИБ используется для нанесения металлического (мягкого) промежуточного слоя из металла между двумя другими (твердыми, например между нитридным и карбидным) слоями покрытия, осаждаемых методом ГТ осаждения. Технологический прием «КИБ + + ГТ осаждение + КИБ» предполагает первоначальное осаждение металлического слоя методом КИБ на основу и повторное, для упрочнения дефектов карбидного слоя, осажденного методом ГТ осаждения, и его энергетической стабилизации. Предложенный подход к повышению работоспособности инструмента оказался эффективным, в том числе для режущей керамики.

Выводы

Применяемые покрытия «карбид титана + карбонитрид титана + нитрид титана» тради-ционны только для твердосплавного металлорежущего инструмента и не отличаются наибольшей эффективностью.

Предложен новый подход к решению проблемы повышения работоспособности инструмента. Он подразумевает подготовку основы под нанесение покрытия, комплекс конструкций покрытий и методов их осаждения, устранение дефектов покрытия. Такая триада (воздействие на основу, конструкция и метод осаждения покрытия, воздействие на покрытие) обеспечивает использование различных иерархических уровней упрочнения инструментального материала.

Литература

1. Верещака А. С., Третьяков И. П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1986. 192 с.

ЭЛЕКТРОфИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДы ОБРАБОТКИ

МЕТ^^БРД^К)!

2. Григорьев С. Н. Повышение надежности режущего инструмента путем комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки. Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М.: Станкин, 1995. 54 с.

3. Кабалдин Ю. Г., Мокрицкий Б. Я., Семашко Н. А. и др. Современные методы конструирования, контроля качества и прогнозирования работоспособности режущего инструмента. Владивосток: ДВГУ, 1990. 122 с.

4 Мокрицкий Б. Я., Мокрицкая Е. Б. К вопросу об управлении работоспособностью металлорежущего инструмента // Вестник машиностроения. 1998. № 12. С. 40-47.

5 Кабалдин Ю. Г., Мокрицкий Б. Я., Изотов С. А. Повышение работоспособности и надежности рабочей части инструмента с покрытием // Известия ВУЗов. Сер. Машиностроение. 1987. № 1. С. 141-143.