Упрочнение металлообрабатывающего инструмента с использованием плазменных нанотехнологий

М. М. Миронов

УПРОЧНЕНИЕ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАЗМЕННЫХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Ключевые слова: металлорежущий инструмент, конденсация покрытий, плазменная

фаза, упрочнение.

Исследовано влияние упрочняющих тонкопленочных покрытий с упрочняющей нанофазой моноксидов на микротвердость и стойкость металлообрабатывающего инструмента. Разработан проект участка упрочнения.

Keywords:the metal-cutting tool, condensation of coverings, plasma phase, hardening.

The effect of hardening of thin-film coating with reinforcing nanophase monoxide on the microhardness and strength of metal-working tools is investigated.

The project of a site of hardening is developed.

Рабочие параметры металлообрабатывающие определяются состоянием поверхностного слоя материала, из которого они изготовлены. Использование дефицитных и дорогих материалов во всем объеме изделия нецелесообразно. Экономически оправдывает себя применение поверхностного упрочнения.

Существует ряд технологических способов обработки рабочей поверхности, направленных на ее упрочнение, наиболее универсальным из которых является метод нанесения на поверхность инструмента покрытий из сверхтвердых соединений [1]. Например метод КИБ (конденсация ионной бомбардировки). Метод основан на испарении металла в катодном пятне вакуумной дуги при одновременной подаче в межэлектродное пространство реакционных газов (азота, ацетилена и др.), взаимодействии металлической плазмы с газом с образованием нитридов, карбидов и т. д. Метод КИБ используют для получения пленок на основе нитридов и карбонитридов. Среди них наиболее широкое распространение нашли покрытия на основе системы Ti-N. Это связано, прежде всего, с достаточно хорошим сочетанием физико-механических свойств и относительно невысокой стоимостью процесса.

К покрытиям в зависимости от материала и условий эксплуатации обрабатывающего инструмента предъявляются требования. Покрытие должно обладать: высокой твердостью, отсутствием схватываемости с обрабатываемым материалом, устойчивостью к разрушению при колебании температур и напряжений; постоянством механических свойств, даже при температурах, близких к температурам разрушения инструментального материала. Далее необходимо совместимость свойств материала покрытия со свойствами материала инструмента: сродство кристаллохимического строения материала покрытия и инструмента; оптимальное соотношение материалов покрытия и инструмента по модулям упругости, коэффициентам Пуассона и линейного расширения, теплопроводности; малая склонность к образованию хрупких вторичных соединений. К технологическим можно отнести создание в процессе нанесения покрытия на инструмент условий, не оказывающих существенного влияния на физические и кристаллохимические свойства материала инструмента. Кроме того должны быть выполнены технико-экономические требования.

Разработана новая технология в части формирования двухфазной гетерогенной системы с наносоставляющей. Нанесение покрытий из Л-Ы на установке ННВ-6.6И1 модернизированной для получения конденсата наночастиц из монооксида титана. Частицы, монооксиды упрочняют нитридтитановую матрицу и повышают эффективность покрытия.

Установка состоит из вакуумной камеры, откачной системы, дуговых испарителей, системы натекания газа, системы вращения изделий, электрических источников питания дуги, опорного напряжения, напряжения очистки, системы измерения вакуума, системы охлаждения и подогрева камеры, системы автоматики и блокировок, системы измерения токов, напряжений и контроля температуры. Насосы обеспечивают достижение среднего вакуума до 10-5 мм. рт. ст. По обходной байпасной магистрали через вакуумные вентили насосы связаны с вакуумной камерой и паромасляным диффузионным насосом высокого вакуума. Высоковакуумный затвор имеет выход в камеру установки. Установка имеет три дуговых испарителей, предназначенных для создания и подачи в камеру (на изделие) потока металлической плазмы. У катода имеется система инициирования дуги. Имеется система ее стабилизации в виде катушки соленоида, намотанной поверх корпуса испарителя. Далее по потоку плазмы расположена фокусирующая катушка. Анодом служит корпус дугового испарителя. Электрические источники питания дуги, опорного напряжения, напряжения очистки оформлены отдельными блоками, имеют специальные нагрузочные характеристики. Источник питания дуги имеет постоянное напряжение холостого хода 80-100 В, рабочее напряжение 25-40 В при рабочем токе 50-100А.

Система контроля температуры изделий включает пирометр частичного излучения.

Получение нанофазы монооксида титана регулируется током дуги испарителей и парциальным давлением кислорода в реагирующем газе. Диагностика нанофазы осуществлялась нанотвердомером при замере нонотвердости на различных глубинах покрытия в зависимости от нагрузки на индентор, начиная от 20 мН.

Упрочняли фрезы и резцы червячные, сверла, резцы фасонные и подрезные, фрезы пальцевые, диски разгрузочные, матрицы и пуансоны холодной вытяжки,накатные ролики и метчики. Инструмент был изготовлен из теплостойких и полутеплостойких сталей марок Р6М5, 40Х13, Р18, Х12М.

После нанесения покрытий определяют твердость, микротвердость, параметр шеро-хаватости, толщину.

Микротвердость покрытия составила от 18 до 20 ГПа, с размером зерна нанофазы 100-400 нм, толщина покрытия 6-8 мкм, шероховатость покрытия находилась в диапазоне 0,8- 0,32мкм. Промышленными испытаниями показано увеличение стойкости инструмента в 2-3 раза.

Был разработан проект участка повышения стойкости технологической оснастки, металлорежущего инструмента и деталей оборудования. Участок включает в себя установку плазменную для обработки крупногабаритных изделии, печь нагрева заготовок до температуры 200 0С, ультразвуковая ванна очистки изделий, сушильный шкаф для просушки изделий, твердомер, весы аналитические, емкости для хранения ЛВЖ, промывок и ветоши, микроскоп бинокулярный, лупа оптическая измерительная, технологическая внутрикамер-ная оснастка.

Технологические сведения об участке.

1) Занимаемая площадь 50 м2.

2) Потребляемая средняя мощность 20 кВт.

3) Установленная мощность 200 кВт.

4) Обслуживающий персонал, 2 чел.

в том числе 1 оператор и 1 мойщик-рабочий

5) Наличие грузоподъемного механизма (тельфер).

Предусмотрены расходные материалы и энергоносители. Рассчитаны техникоэкономические характеристики участка.

Срок окупаемости участка 3 года.

Вывод

Нанесение износостойких покрытий на режущий инструмент является комплексной задачей. Отвечая ряду требований, покрытие, в конечном счете, должно характеризоваться высокой износостойкостью. Следовательно, оно должно обладать высокими термической стойкостью, повышенными механическими свойствами и прочностью сцепления с инструментальной основой.

Применение твердых покрытий, с использованием плазменных нанотехнологий, позволяет существенно повысить стойкость режущего и деформирующего инструмента.

Работа проведена по плану ГК 02.740.11.0497.

Литература

1. Кашапов, Н.Ф. Вакуумные технологии нанесения функциональных покрытий / Н.Ф.Кашапов, А.Г.Лучкин, Г.С. Лучкин//Вестник Казанского технол. ун-та - 2010. - №2 - С.340.

© М. М. Миронов - канд. техн. наук, доц., ст. нуч. сотр. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, medinstrument@yandex.ru.