Повышение работоспособности твёрдосплавного режущего инструмента за счет нанесения покрытий

Оригинальная статья / Original article УДК 629. 9

DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2019-2-246-251

Повышение работоспособности твердосплавного режущего инструмента за счет нанесения покрытий

© Б.Я. Мокрицкий, Э.С. Ситамов, А.Г. Серебренникова

Комсомольский-на-Амуре государственный университет, г. Комсомольск-на-Амуре, Россия

Резюме: Целью работы является выбор наиболее рационального покрытия для заданных условий эксплуатации металлорежущего инструмента. Рациональность оценена по времени работы до достижения износа по задней поверхности не более 0,5 мм. Проведено исследование влияния покрытий на износостойкость твердосплавных сменных пластин токарных резцов при наружной обработке заготовок деталей, выполненных из нержавеющей специализированной труднообрабатываемой стали марки 09Х17Н7Ю. Область применения этой стали существенно расширилась, а рекомендации по ее обработке устарели. В качестве базы для отсчета рациональности принято время работы отечественных твердосплавных пластин, выполненных из сплава марки ВК8. Рассмотрены только квадратные сменные твердосплавные пластины с центральным базирующим отверстием, длина стороны квадрата 12,7 мм. Необходимость исследования вызвана тем, что имевшиеся ранее рекомендации по режимам обработки и по выбору инструментального материала для такой обработки указанной нержавеющей стали физически устарели (отсутствуют станки тех моделей и инструментальные материалы), требуются новые рекомендации для современных условий. Использован экспериментальный метод исследования работоспособности различных инструментальных материалов (субстрат ВК8 + то или иное покрытие) путем оценки прироста во времени величины износа инструмента по задней поверхности. Для заданных условий эксплуатации создан задел для формирования базы данных по подбору режимов резания и инструментальных материалов. Показано влияние выбора покрытия на прирост износостойкости инструмента. В результате выявлены предпочтительные покрытия, позволяющие вести длительную обработку без замены режущей кромки. Установлено, что рассмотренные инструментальные материалы существенно неравноценны по износостойкости; предпочтительным инструментальным материалом является ВК8 + Т1(до 1мкм) + ^(1мкм) + (NbZrTiAl)N(2,5 мкм), в котором нанесение слоев покрытия осуществлено методом конденсации ионной бомбардировкой с фильтрацией капельной фазы и при ассистировании ускоренными ионами.

Ключевые слова: точение, нержавеющая сталь, износостойкость, твердосплавный инструмент, покрытие

Информация о статье: Дата поступления 4 февраля 2019 г.; дата принятия к печати 12 марта 2019 г.; дата онлайн-размещения 30 апреля 2019 г.

Для цитирования: Мокрицкий Б.Я., Ситамов Э.С., Серебренникова А.Г. Повышение работоспособности твердосплавного режущего инструмента за счет нанесения покрытий. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019. Т.23. №2. С. 246-251. DOI: 10.21285/1814-3520-2019-2-246-251.

Improving carbide cutting tool performance through coating

Boris Ya. Mokritskiy, Eradzh S. Sitamov, Andzhela G. Serebrennikova

Komsomolsk-na-Amure State University, Komsomolsk-on-Amur, Russia

Abstract: The purpose of the work is to choose the most rational coating for the specified operating conditions of the metal-cutting tool. The rationality is estimated by the operation time until the rear surface wear becomes less than 0.5 mm. The study is given to the influence of coatings on wear resistance of carbide replaceable inserts of turning cutters at the external machining of billets made of stainless specialized hard-working steel of grade 09Х17Н7Ю. The application field of this steel has expanded considerably, while the recommendations for its machining are outdated. As a benchmark for rationality calculation is taken the operation time of domestic carbide plates made of VK8 grade alloy. Consideration is given only to square replaceable carbide inserts with a central base hole, the side length of a square is 12.7 mm. The need for the study is determined by the fact that available recommendations on the processing modes and choice of tool material for this treatment of the specified stainless steel are physically outdated (there are no machines of those models and tool materials). New recommendations are required for modern conditions. An experimental method is used to study the performance of various tool materials (VK8 substrate + a particular coating) by estimating the increase in the amount of tool wear on the rear surface over the time. For the specified operating conditions, a reserve has been created to form a database for the

0

selection of cutting modes and tool materials. The influence of the choice of coating on the increase in tool wear resistance is shown. As a result, the preferred coatings that allow to conduct a lasting processing without cutting edge replacement have been identified. It is determined that the considered tool materials are substantially unequal by their wear resistance. The preferred tool material is VK8 + Ti(up to 1 pm) + TiN(1 pm) + (NbZrTiAl)N(2.5 pm) in which the coating layers are applied by condensation by ion bombardment with droplet filtration and assisting accelerated ions.

Keywords: turning, stainless steel, wear resistance, carbide tool, coating

Information about the article: Received February 4, 2019; accepted for publication March 12, 2019; available online April 30, 2019.

For citation: Mokritskiy B.Ya., Sitamov E.S., Serebrennikova A.G. Improving carbide cutting tool performance through coating. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2019, vol. 23, pp. 246-251. (In Russ.) DOI: 10.21285/1814-3520-2019-2-246-251.

Введение

Сталь марки 09Х17Н7Ю разработана в начале XX в. (ранее обозначалась 09Х17Н7Ю1) как специализированная, судостроительная, высококоррозионная, нержавеющая. Разработанные тогда рекомендации по режимам ее обработки и по применению металлорежущего инструмента сейчас неприменимы физически в силу того, что уже не выпускаются инструментальные материалы и металлорежущее оборудование прежнего стандарта. А области применения этой стали существенно расширились (медицина, пищевая промышленность, нефтепереработка и т.д.). Встала задача о разработке новых рекомендаций применительно к сегодняшним условиям эксплуатации, о создании банка справочных данных

для этих условий по режимам резания, инструментальным материалам и т.д.

Состав стали [1] указан в табл. 1.

Часть физико-механических характеристик приведена в табл. 2.

Специфика свойств этой стали создает сложности [2] при ее механической обработке лезвийным металлорежущим инструментом.

Очевидно, это связано с тем, что прямого аналога данной нержавеющей стали за рубежом нет, в силу этого и нельзя применять имеющиеся обобщенные рекомендации.

Концептуально нами поставлена задача применить отечественный твердосплавный инструментальный материал и повысить его работоспособность за счет

Химический состав стали марки 09Х17Н7Ю, % Chemical composition of steel of 09Х17Н7Ю grade, %

Таблица 1 Table 1

C Si Mn Ni S P Cr Al

до 0,09 до 0,8 до 0,08 7-8 до 0,02 до 0,03 16-17,5 0,5-0,8

Физико-механические характеристики стали марки 09Х17Н7Ю

Таблица 2 Table 2

P hysico-mechanical characteristics of steel of 09Х17Н7Ю grade

Предел прочности СТв, МПа Предел текучести ctt, МПа Относительное удлинение при разрыве 05, % Ударная вязкость KCU, кДж / м2 Термообработка

830 735 12 490 Закалка и высокий отпуск

Ш

применения современных покрытий. В силу этого в качестве субстрата применен твердый сплав марки ВК8, производимый АО «Кировградский завод твердых сплавов» (Свердловская область). В качестве покры-

тий для этого субстрата принято несколько вариантов многослойных наноструктуриро-ванных покрытий [3-5] со специальными технологиями их осаждения и архитектури-рования [6-9].

Методология исследования

Рассмотрено наружное точение проходными резцами с механическим креплением режущих пластин. Использованы четырехгранные квадратные пластины с центральным крепежным отверстием [10]. Вариант исполнения пластин: класс допусков U, обозначение 03114-120408 (SNUM -120408), длина стороны и диаметр вписанной окружности равны 12,7 мм, толщина 4,76 мм, диаметр отверстия 5,16 мм.

Скорость резания поддерживали в пределах 50-55 м/мин за счет варьирования числа оборотов шпинделя. Использовали токарно-винторезный станок модели 16К25.

Обсуждение пол

Совокупность полученных результатов в разной мере опубликована в работах [11-13] авторов. В них показаны результаты при разных скоростях и глубине резания, иной конструкции пластин, разных методах упрочнения исходного инструментального материала ВК8, анализе составляющих силы резания.

Здесь приведены выборочные результаты. Так, на рис. 1 показано соотношение износостойкости субстрата (позиция 4) ВК8 и результатов его упрочнения разными покрытиями, а именно: позиция 1 - это инструментальный материал ВК8 + ^^N(1,5 мкм) + ^^N(2 мкм); позиция 3 - это ВК8 + ^(до 1 мкм) + ^N(1 мкм) + (^^N(2 мкм) + ^N(0,5 мкм); позиция 2 -это ВК8 + Л(до 1 мкм) + ^N(1 мкм) + (NbZrTiAl)N(2,5 мкм). В скобках указана толщина слоев покрытия. Во всех случаях нанесения покрытий применена фильтрация капельной фазы и ассистирование ускоренными электронами [14].

Анализ данных рис. 1 показывает:

Подача резца из требований шероховатости обрабатываемой поверхности выбрана равной 0,21 мм/об. заг. Глубину резания принимали равной 0,5 мм (для условий чистовой обработки). Сопоставляли режущий инструмент по периоду износостойкости, т.е. по времени работы режущих пластин до достижения износа 0,5 мм по задней грани. Измерение износа осуществляли на мультисен-сорном измерительном центре (видеоизмерительная машина) модели Micro Vu Sol 161. Результаты испытаний дублировали и документировали.

ых результатов

1. Прирост износостойкости инструмента, имеющего покрытие (позиция 1), по сравнению с покрытием (позиция 3), несущественен (всего лишь в 1,22 раза), но это обеспечивает прирост длины пути резания на 1100 м, что имеет важное значение для обработки нержавеющей стали.

В сравнении с базовым инструментальным материалом (позиция 4) покрытие (позиция 1), обеспечивает прирост износостойкости в 1,66 раза и прирост длины пути резания на 1650 м.

2. Прирост износостойкости инструмента, имеющего покрытие (позиция 2), по сравнению с покрытием (позиция 3), непринципиален (всего лишь в 1,42 раза), но это обеспечивает прирост длины пути резания на 2200 м, что существенно.

В сравнении с базовым инструментальным материалом (позиция 4) покрытие (позиция 2) обеспечивает прирост износостойкости в 3 раза и прирост длины пути резания на 4950 м.

s «

S о л и

s

H о

s «

о

8 I

s £

£2 ^ S a

л S <u

S 140

s

120

cT

s 100

о

К 80

m

eö

Л 60

eö

О О 40

К

со S 20

0

Рис. 1. Сопоставление износостойкости различных инструментальных материалов Fig. 1. Comparison of wear resistance of various tool materials

3. Прирост износостойкости инструмента, имеющего покрытие (позиция 2), по сравнению с покрытием (позиция 1), существенен (1,8 раза) и это обеспечивает прирост длины пути резания на 3300 м, что весьма существенно.

4. Из рассмотренных покрытий максимальный период износостойкости достигнут при применении покрытия Т^до 1мкм) + Ш(1мкм) + (NbZrTiAl)N(2,5 мкм) (нанесение слоев покрытия методом конденсации ионной бомбардировкой (КИБ) с фильтрацией капельной фазы и при ассистировании ускоренными ионами, позиция 2). Этот период позволяет режущей кромке пройти путь длиною 7,4 км, что позволяет обрабатывать заготовки деталей высокой точности при высо-

копроизводительной обработке на станках с ЧПУ.

Дополнительно сообщаем, что применение покрытий стабилизировало разброс периода износостойкости инструмента. Так, например, у базового инструментального материала разброс составлял до 7 мин, при применении покрытий он снизился и, в частности, составил 4 мин при применении покрытия Т^до 1 мкм) + Ш(1 мкм) + (NbZrTiAl)N(2,5 мкм).

Стабилизация эксплуатационных свойств инструментальных материалов при применении покрытий отмечается в ряде работ [14-19], что связано с многофунцио-нальной ролью покрытий, особенно нано-структурированных.

Библиографический список

1. ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200001716

2. Мокрицкий Б.Я., Верещака А.А., Белых С.В., Мок-рицкая Е.Б. Упрочнение сложносоставными покрытиями режущих пластин для обработки коррозионно-стойкой стали 09Х17Н7Ю // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 5 (137). С. 3-6.

3. Григорьев С.Н. Современное вакуумно-плазмен-ное оборудование и технологии комбинированного упрочнения инструмента и деталей машин // Технология машиностроения. 2004. № 3. С. 20-26.

4. Андреев А.А., Григорьев С.Н. Износостойкие ваку-умно-дуговые покрытия на основе титана в инструментальном производстве // СТИН. 2006. № 2. С. 19-24.

5. Табаков В.П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента. М.: Машиностроение, 2008. 311 с.

6. Vereshchaka A.A., Lee W.Y. High Precision // High Speed Machining Technologies. Edition of HRDI, S. Korea, Cheonan. 2002. 393 p.

7. Vereschaka A.A., Volosova M.A., Grigoriev S.N., Vereschaka A.S. Development of wear-resistant complex for high-speed steel tool when using process of combined cathodic vacuum arc deposition, Procedia CIRP. 2013. Vol. 9. Р. 8-12. DOI: 10.1016/j.procir.2013.06.159.

8. Vereschaka A.A., Volosova M.A., Batako A.D., Vereshchaka A.S., Mokritskii B.Y. Development of wear-resistant coatings compounds for high-speed steel tool using a combined cathodic vacuum arc deposition, Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016. Vol. 84. Р. 1471-1482. DOI: 10.1007/s00170-015-7808-5.

1

3

2

4

9. Vereschaka A.A., Vereshchaka A.S., Batako A.D., Ho-jaev O.K., Mokritskii B.Y. Development and research of nanostructured multilayer composite coatings for tungsten-free carbides with extended area of technological applications, Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016. Vol. 87. Р. 3449-3457. DOI: 10.1007/s00170-016-8739-5.

10. ГОСТ 19052-80. Пластины режущие, сменные, многогранные, твердосплавные квадратной формы с отверстием и стружколомающими канавками на одной стороне. Конструкция и размеры [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/ document/1200009446

11. Ситамов Э.С., Мокрицкий Б.Я. Результаты сравнительного исследования износостойкости твердосплавного инструмента при обработке нержавеющей стали // Металлообработка. 2018. № 4 (106). С. 7-13.

12. Мокрицкий Б.Я., Ситамов Э.С. Оценка работоспособности токарных резцов с разными покрытиями при обработке стали 09Х17Н7Ю // Упрочняющие технологии и покрытия. 2018. Т. 14. № 10 (166). С. 447-449.

13. Сотова Е.С., Верещака А.А., Верещака А.С. Керамические режущие инструменты. М.: Изд-во Станкин, 2013. 148 с.

14. Моисеев В.Ф., Григорьев С.Н. Инструментальные материалы. М.: Изд-во Янус-К, 2005. 248 с.

15. Григорьев С.Н., Табаков В.П., Волосова М.А. Технологические методы повышения износостойкости контактных площадок режущего инструмента. Старый Оскол: ТНТ, 2011. 380 с.

16. Uhlmann E., Huehns T., Richarz S., Reimers W., Grigoriev S. Development and application of coated ceramic cutting tools // Industrial ceramics. 2009. No. 2. P. 113-118.

17. Григорьев С.Н., Смоленцев Е.В., Волосова М.А. Технология обработки концентрированными потоками энергии: 2-е изд. Старый Оскол: ТНТ, 2010. 280 с.

18. Елютин А.В., Аникин В.Н., Блинков И.В., Вере-щака А.С. Методологические принципы создания высокопрочной градиентно-слоистой керамики с покрытием для скоростной лезвийной обработки без применения СОТС // Конструкторско-технологическая информатика 2000: труды конгресса. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2000. Т. 1. С. 180-182.

19. Vetter J. The architecture and performance of com-positionally gradient and multi-layer PVD coating // Material Science Forum. 1994. Vol. 163-165. P. 527-532.

References

1. GOST 5632-72 Stali vysokolegirovannye i splavy kor-rozionnostojkie, zharostojkie i zharoprochnye. Marki [GOST 5632-72 High-alloy corrosion-resistant, heat-resistant and heat-resistant steels and alloys. Brands]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200001716

2. Mokrickij B.Ya., Vereshchaka A.A., Belyh S.V., Mokrickaya E.B. Hardening of cutting plates by composite coatings for stainless steel 09X17H7to treatment. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya, 2016, no. 5 (137), pp. 3-6. (In Russ.).

3. Grigor'ev S.N. Modern vacuum-plasma equipment and technologies for the combined hardening of tools and machine parts. Tekhnologiya mashinostroeniya, 2004, no. 3, pp. 20-26. (In Russ.).

4. Andreev A.A., Grigor'ev S.N. Wear-resistant titanium-based vacuum-arc coatings in tool production. STIN, 2006, no. 2, pp.19—24. (In Russ.).

5. Tabakov V.P. Formirovanie iznosostojkih ionno-plazmennyh pokrytij rezhushchego instrumenta [Formation of wear-resistant ion-plasma coatings of cutting tools]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2008, 311 p.

6. Vereshchaka A.A., Lee W.Y. High Precision // High Speed Machining Technologies. Edition of HRDI, S. Korea, Cheonan. 2002, 393 p.

7. Vereschaka A.A., Volosova M.A., Grigoriev S.N., Vereschaka A.S. Development of wear-resistant complex for high-speed steel tool when using process of combined cathodic vacuum arc deposition, Procedia CIRP, 2013, vol. 9, pp. 8—12. DOI: 10.1016/j.procir.2013.06.159.

8. Vereschaka A.A., Volosova M.A., Batako A.D., Vereshchaka A.S., Mokritskii B.Y. Development of wear-

resistant coatings compounds for high-speed steel tool using a combined cathodic vacuum arc deposition, Int. J. Adv. Manuf. Technol, 2016, vol. 84, pp. 1471—1482. DOI: 10.1007/s00170-015-7808-5.

9. Vereschaka A.A., Vereshchaka A.S., Batako A.D., Ho-jaev O.K., Mokritskii B.Y. Development and research of nanostructured multilayer composite coatings for tungsten-free carbides with extended area of technological applications, Int. J. Adv. Manuf. Technol, 2016, vol. 87, pp. 3449—3457. DOI: 10.1007/s00170-016-8739-5.

10. GOST 19052-80. Plastiny rezhushchie smennye mnogogrannye tverdosplavnye kvadratnoj formy s otver-stiem i struzhkolomayushchimi kanavkami na odnoj stor-one. Konstrukciya i razmery [GOST 19052-80. Replaceable cutting polyhedral carbide square inserts with a hole and chip breaker grooves on one side. Design and dimensions]. URL: http://docs.cntd.ru/docu-ment/1200009446

11. Sitamov E.S., Mokrickij B.Ya. Results of comparative investigation of wear-resistance of meldomed tools for stainless steel processing. Metalloobrabotka, 2018, no. 4 (106), pp. 7—13. (In Russ.).

12. Mokrickij B.Ya., Sitamov E.S. Evaluation of serviceability of turning tools with different coatings in steel 09Kh17N7Yu processing. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya, 2018, vol. 14, no. 10 (166), pp. 447—449. (In Russ.).

13. Sotova E.S., Vereshchaka A.A., Vereshchaka A.S. Keramicheskie rezhushchie instrumenty [Ceramic cutting tools]. Moscow: STANKIN Publ., 2013, 148 p. (In Russ.).

14. Moiseev V.F., Grigor'ev S.N. Instrumental'nye mate-rialy [Tool Materials]. Moscow: Yanus-K Publ., 2005,

248 р. (In Russ.).

15. Grigor'ev S.N., Tabakov V.P., Volosova M.A. Tekhnologicheskie metody povysheniya iznosostojkosti kontaktnyh ploshchadok rezhushchego instrumenta [Technological methods to improve wear resistance of cutting tool contact pads]. Staryj Oskol: TNT, 2011, 380 р. (In Russ.).

16. Uhlmann E., Huehns T., Richarz S., Reimers W., Grigoriev S. Development and application of coated ceramic cutting tools, Industrial ceramics, 2009, no. 2, рр. 113-118.

17. Grigor'ev S.N., Smolencev E.V., Volosova M.A. Tekhnologiya obrabotki koncentrirovannymi potokami energii [Concentrated energy flow processing technology]. Staryj Oskol: TNT, 2010, 280 р. (In Russ.).

Критерии авторства

Мокрицкий Б.Я., Ситамов Э.С., Серебренникова А.Г. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов, и в равной мере несут ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Мокрицкий Борис Яковлевич,

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры технологии машиностроения, Комсомольский-на-Амуре государственный университет,

681013, г. Комсомольск-на-Амуре, ул. Ленина, 27, Россия;

e-mail: of^^ast^m

Ситамов Эрадж Сикандарович,

аспирант,

Комсомольский-на-Амуре государственный университет,

681013, г. Комсомольск-на-Амуре, ул. Ленина, 27, Россия;

e-mail: Eraj_2303@mail.ru

Серебренникова Анжела Геннадьевна,

кандидат технических наук,

доцент кафедры технологии машиностроения,

Комсомольский-на-Амуре государственный

университет,

681013, г. Комсомольск-на-Амуре, ул. Ленина, 27, Россия;

e-mail: of^^ast^m

18. Elyutin A.V., Anikin V.N., Blinkov I.V., Vereshchaka A.S. Metodologicheskie principy sozdaniya vyso-koprochnoj gradientno-sloistoj keramiki s pokrytiem dlya skorostnoj lezvijnoj obrabotki bez primeneniya SOTS [Methodological principles for the creation of high-strength gradient-layered ceramics with the coating for high-speed blade processing without the use of SOTS]. Trudy kongressa "Konstruktorsko-tekhnologicheskaya informatika" 2000 [Proceedings of the congress "Design and Technological Informatics 2000"]. Moscow: MGTU «STANKIN», 2000, vol. 1, рр. 180-182. (In Russ.).

19. Vetter J. The architecture and performance of com-positionally gradient and multi-layer PVD coating. Material Science Forum, 1994, vol. 163-165, рр. 527-532.

Authorship criteria

Mokritskiy B.Ya., Sitamov E.S., Serebrennikova A.G. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS Boris Ya. Mokritskiy,

Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor,

Professor of the Department of Mechanical Engineering

Technology of

Komsomolsk-na-Amure State University,

27 Lenin St., Komsomolsk-on-Amur 681013, Russia;

e-mail: office.knastu.ru

Eradzh I. Sitamov,

Postgraduate of Komsomolsk-na-Amure State University,

27 Lenin St., Komsomolsk-on-Amur 681013, Russia; e-mail: Eraj_2303@mail.ru

Andzhela G. Serebrennikova,

Cand. Sci. (Eng.),

Associate Professor of the Department of Mechanical Engineering Technology of Komsomolsk-na-Amure State University, 27 Lenin St., Komsomolsk-on-Amur 681013, Russia; e-mail: office.knastu.ru