Инструментальные материалы с износостойкими покрытиями

Применение традиционных методов повышения режущих свойств инструментов за счет сложного легирования инструментальных материалов в настоящее время в большой степени ограничено из-за дефицитности ряда элементов. В связи с этим актуальной задачей является создание принципиально новых инструментальных материалов, так называемых композиционных, которые обладают повышенной поверхностной износостойкостью и относительно высокой прочностью и вязкостью. К таким материалам относятся, в первую очередь, материалы, на которые нанесены износостойкие покрытия. Известно, что режущие свойства инструмента определяются сложным комплексом факторов (см. разд.1). Например, они зависят от химического состава, структуры и кристаллохимического строения решетки инструментального материала, которые определяют важнейшие эксплуатационные свойства инструмента - микротвердость, теплостойкость, теплопроводность, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость и стойкость против окисления при повышенных температурах. В свою очередь, указанные свойства инструментального материала определяют контактные характеристики, термомеханическое напряженное состояние и работоспособность инструмента.

Кристаллохимическое строение покрытия, его физико-механические и теплофизические свойства могут значительно отличаться от соответствующих свойств инструментального и обрабатываемого материалов, поэтому покрытие следует рассматривать как своеобразную «третью среду», которая, с одной стороны, может заметно изменять поверхностные свойства инструментального материала, с другой - влиять на контактные процессы, деформации, силы и температуры резания, направленность тепловых потоков, термодинамическое напряженное состояние режущей части инструмента и т. п. (рис. 6.1). Задавая свойства покрытия путем варьирования его химическим составом и строением, можно изменять основные характеристики

Рисунок 6.1 – Роль покрытия, нанесенного на рабочие поверхности лезвия инструмента на границах контакта «обрабатываемый материал – покрытие» (ОМ-П) и «покрытие – инструментальный материал» (П-ИМ)

процесса резания (силовое и и тепловое состояние системы резания). В частности, покрытие может способствовать снижению трения в зонах фрикционного контакта (на передней и задних поверхностях лезвия) и уменьшать мощность фрикционных источников тепла, повышать температурный порог начала адгезии, снижать активность диффузионных процессов, что оказывает благоприятное влияние на снижение интенсивности изнашивания инструмента. Все это позволяет, в конечном итоге, управлять важнейшими выходными параметрами процесса резания- износом инструмента и качеством поверхностного слоя обрабатываемых деталей. Кроме того, процесс нанесения покрытия позволяет направленно воздействовать на поверхностные дефекты инструментального материала, что в сочетании с возможностью формирования стабильных характеристик покрытия может способствовать заметному повышению надежности инструмента.

Таким образом, нанесение износостойких покрытий на инструментальные материалы позволяет приблизиться к решению задачи создания «идеального» инструментального материала, обладающего высокой износостойкостью в сочетании с достаточной прочностью и вязкостью. Режущий инструмент, изготовленный из такого материала, может удовлетворять самым высоким требова­ниям, предъявляемым к качеству, производительности и надежности процесса обработки.

Выпуск инструментов с покрытием может осуществляться как в условиях массового производства на специализированных инструментальных заводах и комбинатах, так и на участках инструментальных цехов машиностроительных предприятий.

6.1 Требования, предъявляемые к износостойким покрытиям

С учетом специфики работы инструмента (высокие удельные нагрузки, высокие температуры, трение, адгезия, диффузия и др.) требования к покрытиям для режущих инструментов могут быть разделены по общим признакам на 4 группы: 1) по служебному назначению режущих инструментов; 2) по совместимости свойств материалов покрытия и инструмента; 3) по технологическим особенностям методов получения покрытия; 4) общие требования к покрытиям.

К первой группе отнесены требования к покрытиям, учитывающие условия работы инструмента, т. е. его служебное назначение. Покрытия должны обладать: I) высокой микротвердостью (в 1,5-2 раза превышающая твердость инструментального материала) и сохранять ее при высоких температурах; 2) инертностью (низкой склонностью) к адгезии (химическому взаимодействию) с обрабатываемым материалом во всем диапазоне выбранных температур; 3) устойчивостью против высокотемпературной коррозии и окисления; 4) стабильностью механических свойств при температурах не ниже температур теплостойкости инструментального материала и инертностью к диффузионному растворению в обрабатываемом материале при высоких температурах; 5) высокая прочность сцепления с инструментальным материалом; 6) высокой износостойкостью (сопротивляемостью поверхностному усталостному разрушению) при значительных колебаниях температур и напряжений.

Ко второй группе отнесены специфические требования к инструментальному материалу с покрытием - как единому композиционному телу. В этом случае материалы покрытия и инструмента должны иметь: 1) сродство кристаллохимического строения, при котором обеспечивается достаточно прочная адгезионная связь между ними; 2) оптимальное соотношение основных физико-механических и теплофизических характеристик (модуль упругости, коэффициенты Пуассона, термического расширения, тепло- и температуропроводности).

Наряду с перечисленными требованиями необходимо также учитывать, что композиционное тело «покрытие - инструментальный материал» подвергается относительно длительному воздействию высоких напряжений и температур, при которых возможны твердофазовые диффузионные реакции на границе раздела материалов покрытия и инструмента, которые при определенных условиях могут привести к значительным изменениям состава и структуры взаимодействующей пары. Положительная роль покрытия может быть преждевременно утрачена. Поэтому одним из важнейших требований к материалам покрытия и основы является снижение склонности указанной пары к твердофазовым диффузионным реакциям во всем диапазоне температур и напряжений в условиях процесса резания.

При получении покрытий на режущих инструментах необходимо учитывать и ряд требований, связанных с технологическими особенностями процессов получения покрытий. В частности, часто формирование покрытий, представляющих соединение тугоплавких металлов, происходит при относительно высоких температурах. В некоторых случаях эти температуры могут превысить темпера­туры рекристаллизации инструментальных материалов, особенно низкотеплостойких инструментальных сталей. Поэтому покрытие должно быть таким, чтобы при его нанесении на рабочие поверхности лезвия в инструментальном материале не протекал процесс рекристаллизации, резко снижающий твердость инструментального материала и, таким образом, режущую способность инструмента.

К общим требованиям для покрытий, наносимых на режущие инструменты, можно отнести: 1) высокую плотность и сплошность, исключающие доступ активных реагентов к поверхности инструментального материала; 2) предельно малые колебания толщины покрытия на рабочих поверхностях инструмента и на переходном участке между передней и задней поверхностями; 3) стабильность свойств покрытия на рабочих поверхностях инструмента; 4) возможность получения покрытия предельно простым и экономичным способом; 5) временную стабильность свойств покрытия.

В настоящее время в инструментальном производстве используются монослойные (однослойные), многослойные и композиционные покрытия. Наибольшее распространение получили монослойные покрытия, для которых в качестве материалов для них используют карбиды, нитриды, карбонитриды, бориды и силициды тугоплавких металлов IV – VI групп Периодической системы элементов (IV – титан, цирконий, гафний; V – ванадий, ниобий, тантал; VI – хром, молибден, вольфрам). Применяются также оксид алюминия Al₂O₃ и алмазоподобные покрытия на основе углерода. Некоторые из указанных соединений уже нашли достаточно широкое применение, в частности, карбиды, нитриды и карбонитриды титана (TiC, TiN и TiCN). Применение других соединений ограничено из-за крайней дефицитности ряда тугоплавких металлов и сложной технологии получения их соединений существующими методами. Однако уникальность их свойств, особенно таких, как высокая твердость, которая сохраняется при повышенных температурах (теплостойкость), химическая инертность по отношению к соответствующему обрабатываемому материалу, коррозионная стойкость и т. д. позволяют предполагать, что часть из них еще найдет широкое применение в качестве покрытий для режущих инструментов. Особенно это относится к нитридам, карбонитридам, боридам, окислам и их смесям других тугоплавких металлов групп IV—VI Периодической системы, уникальность свойств которых в первую очередь связана с особенностями их кристаллохимического строения. Вместе с тем большинство соединений тугоплавких переходных металлов, обладая уникальными свойствами и широким диапазоном свойств, делающих их пригодными для использования в качестве покрытий, имеют не только преимущества, но и недостатки. С учетом отмеченной выше двойственной природы покрытия на режущем инструменте как «третьей» среды между инструментальным и обрабатываемым материалами использование одного из тугоплавких соединений в качестве покрытия не всегда может удовлетворять основным требованиям, предъявляемым к покрытиям для режущих инструментов.

Например, покрытие может одновременно обладать рядом положительных свойств по отношению к обрабатываемому материалу (иметь высокие твердость и теплостойкость, быть химически инертным к нему и коррозионностойким и др.), но в силу своего специфичного кристаллохимического строения быть химически инертным к инструментальному материалу и не обеспечивать необходимой прочной адгезионной связи с ним, что делает покрытие практически неработоспособным в процессе резания, т.е. иногда одновременное выполнение (сочетание) некоторых требований может носить противоречивый характер. Например, нельзя выполнить требования одновременного обеспечения низкой адгезии к обрабатываемому материалу и высокой прочности сцепления с инструментальным материалом при резании сталей, в основе которых содержится железо, инструментом из быстрорежущей стали, в основе которой также содержится железо. Поэтому в настоящее время все большее применение находят многослойные покрытия с переменными свойствами и химическим составом. Последние в максимальной степени способны удовлетворить сложному комплексу требований, предъявляемых к покрытиям для режущих инструментов и, кроме того, способны хорошо сопротивляться хрупкому разрушению в условиях развития трещин или при сильных пластических деформациях режущей части.

Применение многослойных покрытий позволяет решать и другие задачи. Например, появляется возможность использования весьма хрупких и кристаллохимически несовместимых с инструментальным материалом систем, но обладающих наибольшей термодинамической устойчивостью среди всех известных соединений. Эти системы способны сохранять высокую твердость при высоких температурах, имеют повышенную пассивность по отношению к любому обрабатываемому материалу. К таким системам можно отнести, например, некоторые окислы (особенно Al₂O₃), бориды (особенно HfB₂, NbB₂, TaB₂) и нитриды кремния Si₃N₄. Очевидно, что указанные системы наиболее целесообразно использовать в многослойных покрытиях в качестве барьерных слоев. Эти слои могли бы эффективно сдерживать активные диффузионные процессы, служить своеобразным термоизолирующим слоем, снижать склонность инструментального материала к коррозии и окислению при высоких температурах. Значительный интерес для покрытий представляют двойные и тройные системы карбидов, нитридов, а также карбонитридов переходных металлов. Их высокая термодинамическая устойчивость, твердость и прочность обусловлены большим подобием структур и близкими размерами атомов, обеспечивающих наличие значительных областей взаимной растворимости.

На рис. 6.2 показана идеализированная схема многослойного покрытия для режущих инструментов, кото­рая позволяет понять общий подход к проблеме создания многослойного покрытия. Слой 1, являющийся слоем, связывающим покрытие и инструментальный материал и непосредственно примыкающим к инструментальному материалу (матрице, основе, субстрату), должен обеспечивать прочную связь покрытия с рабочими поверхностями инструмента. Очевидно, в этом случае кристаллохимическое строение слоя и инструментального материала должно быть предельно идентичным. Вместе с тем здесь необходимо и ограничение: система «слой 1 - инструментальный материал» не должна давать хрупких интерметаллидов при температурах резания, т. е. должна подчиняться общим требованиям, предъявляемым к покрытиям. Наиболее важным является «совместимость» теплофизических свойств, в частности, коэффициентов термического расширения соединения слоя 1 и инструментального материала, а также примерное равенство коэффициентов теплопроводности. Желательно, кроме того, чтобы физико-химические свойства указанной пары также были приблизительно одинаковы, особенно модули упругости, модули сдвига, коэффициенты Пуассона.

Рисунок 6.2 - Идеализированная схема многослойного покрытия для режущих инструментов

Слой 5 является наружным слоем, осуществляющим контактное взаимодействие лезвия инструмента с обрабатываемым материалом непосредственно, и прежде всего должен иметь низкую склонность к физико-химическому взаимодействию с обрабатываемым материалом, т. е. служить своеобразным барьером твердофазным и жидкофазным диффузионным реакциям между инструментальным и обрабатываемым материалами. Кроме того, этот слой должен достаточно хорошо сопротивляться высокотемпературным коррозии и окислению. С учетом высоких контактных напряжений, действующих на слой покрытия для режущего инструмента, а также возможных значительных колебаний температур и напряжений слой 5 может быть преждевременно разрушен, поэтому он должен хорошо сопротивляться хрупкому разрушению в условиях усталости. Промежуточные слои 2 и 4 с переменными свойствами осуществляют связь между слоями 1,3 и 5. Назначение слоев 2 и 4 - осуществлять связь между слоями 1 и 5, несущими основную функциональную нагрузку. Поэтому их свойства должны быть переменными от свойств слоя 1 до свойств слоя 5. Слой 3 может осуществлять чисто барьерные функции (например, увеличивать термодинамическую устойчивость покрытия в целом, увеличивать или снижать его теплопроводность и т. д.).

Примечание. В общем случае количество слоев в многослойном покрытии, осуществляющем связь между слоями 1 и 5, может колебаться от 0 до 10 и больше, и во многих случаях может определяться оптимальной толщиной покрытия, которая является одним из важнейших его параметров, оказывающим сильное влияние на работоспособность режущего инструмента

Композиционными покрытиями обычно называют сложные системы двойных и тройных нитридов тугоплавких металлов IV – VI групп Периодической системы элементов типа (Ti - Cr)N, (Ti - Mo)N, (Nb - Zr)N, (Ti - Nb - Cr)N, (Ti - Nb - Mo)N. Такие системы, как правило, имеют высокую термостабильность при температурах свыше 600 – 700 °С, гетерофазность и гибкое сочетание кристаллических структур, обеспечивающих повышенную твердость и одновременно высокую сопротивляемость разрушению покрытия в условиях знакопеременных напряжений, что существенно повышает его эффективность, особенно при прерывистой обработке и обработке труднообрабатываемых материалов. Композиционные покрытия можно рассматривать как один из наиболее перспективных методов повышения режущих свойств инструментальных материалов.

Анализ систематизированных требований к покрытию (рис. 6.3) позволяет отметить, что однослойные (монослойные, однокомпонентные) покрытия не удовлетворяют всем функциональным требованиям к покрытиям для режущего инструмента. В наибольшей степени таким требованиям отвечают многослойно-композиционные покрытия со слоями различного функционального назначения, что хорошо объясняет тенденцию создания покрытий последнего поколения для режущего инструмента на основе многослойно-композиционной архитектуры.

Рисунок 6.3 – Систематизация общих требований к покрытиям: 1- износостойкий слой; 2 – барьерный слой; 3 – адгезионный слой; 4 – инструментальный материал; ИК – износостойкий комплекс

Покрытия многослойно-композиционной архитектуры формируют в соответствии с вышеизложенными принципами функциональности каждого из слоев, включая верхний и нижний слои, контактирующие соответственно с обрабатываемым и инструментальным материалами. Архитектура подобных покрытий, которую обычно называют износостойким комплексом (ИК), содержит несколько слоев, имеющих строго функциональное назначение. Оптимизацию структуры ИК обычно выполняют путем варьирования расположением слоев, их составами (физическими свойствами) и параметрами, в частности, толщиной, а также на основе специальных исследований параметров инструмента с покрытием при резании.

Таким образом, покрытие является уникальной технологической средой, способной повышать сопротивляемость инструментального материала изнашиванию при одновременном снижении факторов, внешнего воздействия, приводящих к такому изнашиванию.

На основе анализа функций покрытия как промежуточной технологической среды между инструментальным и обрабатываемым материалами можно сформулировать функциональные требования к основным элементам многослойного покрытия (см. рис. 6.3): • адгезионный подслой (3) должен обладать максимальным кристаллохимическим подобием по отношению к материалу субстрата (инструментальному материалу) и обеспечивать прочную адгезию между материалами покрытия и субстрата (4);» промежуточный слой (трибоактивный, коррозионностойкий, барьерный слои и т.д.) (2) должен выполнять различные функции по снижению трения (антифрикционные функции), повышению сопротивляемости инструментального материала высокотемпературной коррозии (антикоррозионные функции) уменьшению передаваемого тепла от фрикционных источников, или интенсивность диффузии между инструментальным и обрабатываемым материалами (барьерные функции); • износостойкий слой (1) должен обладать максимальной физико-химической пассивностью по отношению к обрабатываемому материалу и повышать сопротивляемость изнашиванию контактных площадок инструмента.

Каждый из слоев многослойно-композиционного покрытия может иметь как монослойную (микроструктурирование), так и многослойную (наноструктурирование) архитектуру. При этом необходимо иметь в виду, что основные типы многослойных покрытий, применяемых в современном машиностроении для режущих инструментов, по толщине отдельных слоев условно можно классифицировать на следующие основные группы: •макрометрические с толщиной (10^-1,5 – 10^-3,5) мм; • микрометрические с толщиной (10^-4,8 – 10^-6,8) мм; • нанометрические с толщиной (10^-7,8 – 10^-9,7) мм.

Примечания:

1. Все типы покрытий, имеющие структуру с размерами зерен менее 100 нм, называют наструктурированными.

2. Многослойно-композиционные покрытия, имеющие наноструктурированную архитектуру, могут иметь до 5000 слоев при общей толщине покрытия, например, не превышающей 5 мкм.

6.2 Методы нанесения износостойких покрытий

Одним из определяющих условий обеспечения высокой работоспособности покрытия является выбор метода его нанесения на рабочие поверхности лезвия инструмента. Весьма важным является возможность воспроизведения заданных химического состава, свойств и структуры покрытия при выбранном методе процесса.

Наибольшее распространение для нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент получили методы химического (газофазного) осаждения покрытий (ХОП) или методы CVD (Chemical Vapour Deposition), термодиффузионное насыщение поверхности (ТДН) и физическое осаждение покрытий в вакууме (ФОП) или PVD (Physical Vapour Deposition).

Рисунок 6.4 - Принципиальная схема установки для нанесения на твердые сплавы покрытий высокотемпературным методом ХОП (ГТ): 1 – газосмеситель; 2 – реактор; 3 - печь

Методы химического осаждения покрытий (CVD). В основе методов CVD лежат реакции в парогазовой среде, окружающей инструмент, в результате которых образуются покрытия (рис. 6.4). Исходными продуктами служат газообразные галогениды, при взаимодействии которых с другими составляющими смесей (водородом, аммиаком, окисью углерода и т.д.) образуется покрытие. Разложение галогенида происходит за счет термической химической реакции при Θ=1000 - 1100°С. В общем виде уравнения химических реакций процессов ХОП с образованием карбидов, нитридов и оксидов имеют следующий вид:

- реакция образования карбидов

МеГ + Н₂ + C_nH_m ® MeC + HГ + Н₂;

- реакция образования нитридов

МеГ + Н₂ + N₂ ® MeN + HГ + Н₂;

- реакция образования оксидов

МеГ + Н₂ + CO₂ ® MeO_m + HГ + CO;

- реакция образования боридов

МеГ + Н₂ + ВГ ® Me_nB_m,

где Ме – металл; Г – галоген; m, n – целые числа.

Так как реакция осаждения покрытий происходит при высоких температурах (Θ»1000°С), то этим методом покрытие может наноситься только на инструменты из твердого сплава и режущей керамики.

Наибольшее распространение в качестве материала покрытий на твердых сплавах получили карбиды, нитриды, карбонитриды титана и оксид алюминия. Такое покрытие имеет поликристаллическое строение (рис. 6.5).

Свойства покрытий сильно зависят от параметров процесса газофазового осаждения. Наиболее существенную роль играет температура на границе раздела конденсата и инструментального материала. От температуры зависят структура покрытия, прочность его адгезии с твердым сплавом, причем последнее определяется также возможностью диффузионного взаимодействия пары «покрытие – твердый сплав». Взаимная диффузия повышает прочность сцепления покрытия и твердого сплава и, в свою очередь, зависит от кристаллохимического сродства осаждаемого покрытия и твердого сплава.

Рисунок 6.5 - Структура покрытия TiC на твердом сплаве ТТ10К8-Б

Практическая реализация метода CVD нашла широкое применение в технологии ГТ (газофазового титанирования), где на сменные многогранные пластины (СМП) из твердого сплава наносятся износостойкие покрытия (TiC, TiCN, TiC-TiCN-TiN и др.). На рис. 6.6 показана микроструктура твердого сплава Т5К10 с покрытием TiC ГТ после травления в реактиве Муроками. Между покрытием и твердосплавной матрицей имеет место сверхмелкозернистая переходная зона типа η-фазы толщиной 0,5 – 1,0 мкм, имеющая формулу Со₃W₃С.

Рисунок 6.6 - Микроструктура твердого сплава Т5К10 с покрытием TiC ГТ

Рисунок 6.7 - Структура многослойного покрытия TiC-TiCN-TiN на трехкарбидном твердом сплаве

Трехслойное покрытие TiC-TiCN-TiN ГТ обладает высокой прочностью адгезии с твердым сплавом, так как слой TiC толщиной 1,5-2 мкм, непосредственно контактирующий с твердым сплавом (рис. 6.7), имеет отрицательное значение изобарного потенциала относительно твердосплавной матрицы. Кроме того, слой TiC увеличивает сопротивляемость задней поверхности твердосплавного инструмента адгезионно-усталостному изнашиванию.

Супермелкодисперсный поверхностный слой TiN, толщина которого составляет 4-

5 мкм, более пластичен и пассивен по отношению к конструкционным сталям и чугунам и, таким образом, обеспечивает повышение сопротивляемости инструмента физико-химическим видам изнашивания и образования лунки изнашивания передней поверхности. Промежуточный (переходный) слой TiCN толщиной 1,5-2 мкм, обладая неограниченной растворимостью в TiC и TiN, обеспечивает высокую прочность их адгезии. Таким образом, покрытие TiC-TiCN-TiN сбалансированно увеличивает сопротивление изнашиванию передней и задней поверхностей твердосплавного инструмента. В зоне раздела «покрытие – твердый сплав» также обнаружен слой типа η-фазы толщиной 0,5 – 1,0 мкм.

Области применения твердосплавных пластин с износостойкими покрытиями, нанесенными методом CVD, приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1 - Марки и области применения твердосплавных пластин с покрытием CVD

Твердый сплав	Покрытие	Область применения
Т5К10	TiC-TiCN-TiN	Р20-Р30
ТТ7К12	TiC-TiCN-TiN	Р15-Р40
ВК6	TiC-TiCN-TiN	К10-К30
Группа ТТК	TiC-Al2O3	Р01-Р25, М05-М20, К01-К30

Методы термодиффузионного насыщения (ТДН). При производстве твердосплавных пластин с покрытием используют также методы термодиффузионного насыщения (ТДН), к которым относится метод ДТ (диффузионное титанирование).

Метод ДТ основан на термообработке твердосплавных пластин в специальной порошковой засыпке из материалов, содержащих титан, при температурах, достаточных для реализации диффузионных реакций в среде водорода. Метод не требует специального оборудования, так как осуществляется в стандартных водородных электропечах непрерывного действия, исключается необходимость точной дозировки и очистки газа - восстановителя (водорода). Производительность процесса ДТ очень высокая и составляет до 500 пластин в час. Скорость роста покрытия - до 10-15 мкм/ч. Вместе с тем методы ТДН, основанные на использовании порошковой технологии, имеют заметные недостатки, связанные с налипанием порошковой смеси на рабочие поверхности инструмента, с необходимостью герметизации контейнера или использования защитных газов, одноразовым использованием смеси. В настоящее время промышленностью выпускаются пластины ВК6-TiC ДТ, рекомендуемые для обработки чугуна в области применения К10-К20. Покрытие TiC ДТ имеет относительно крупнозернистое строение с высокой неоднородностью кристаллов по объему покрытия и геометрическими искажениями зерен (рис. 6.8). Кроме того, оно имеет нестехиометрический состав и состоит в основном из сросшихся зерен TiC.

Рисунок 6.8 - Структура поверхности покрытия TiC ДТ на твердом сплаве ВК6

Методы физического осаждения покрытий (PVD). Методы PVD основаны на физическом испарении или распылении вещества в вакуумное пространство камеры с последующей подачей реакционного газа (N₂, O₂, CN₄ и др.). В результате плазмохимической реакции ионизированного потока металлической плазмы и реакционного газа на поверхности инструмента конденсируется покрытие.

Среди методов PVD к настоящему времени наибольшее распространение получил метод конденсации вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой (метод КИБ), основанный на генерации вещества катодным пятном вакуумной дуги сильноточного низковольтного разряда, развивающегося в парах материала электрода и реализуемого на основе технологии КИБ, созданной физико-техническим институтом АН Украины, в специальных вакуумно-плазменных установках типа «Пуск», «Булат», «ННВ» и др.

Подача в вакуумное пространство реагирующих газов (азота, метана и др.) в условиях ионной бомбардировки приводит к конденсации покрытия на поверхности режущего инструмента 2 (рис. 6.9) благодаря протеканию плазмохимических реакций. Все процессы испарения, образования соединений, ионной бомбардировки и конденсации покрытия происходят в вакуумной камере 1, металлический корпус которой служит анодом. Катод 3 изготавливают из тугоплавкого материала, подлежащего испарению. Под действием первичных электронов и ионов, генерируемых в дуговой промежуток катодом, происходит ионизация испарившегося вещества и реагирующих газов, что приводит к образованию высокоскоростных потоков, состоящих как из заряженных, так и из нейтральных частиц материала катода и реагирующих газов.

а) б) Рисунок 6.9 - Принципиальная схема вакуумно-плазменной установки (а) и установки с плазмооптической системой (б): 1 – корпус вакуум-камеры; 2 – режущие инструменты; 3 – катод-испаритель металла; 4 -электромагниты; 5- подача реакционного газа; 6 – к вакуумному насосу; 7 – источник питания для подачи отрицательного потенциала к режущему инструменту; 8 – источник питания дуги

Особенностью метода КИБ является возможность ускорения из ионов вещества путем создания отрицательного заряда (относительно корпуса камеры) на режущем инструменте.

Ввиду высокой плотности энергии в катодном пятне возможно испарение любых электропроводящих материалов, в том числе тугоплавких материалов IV—VI групп Периодической системы элементов.

Характерной особенностью метода КИБ является высокая химическая активность испаряющегося материала, обусловленная образованием конденсата при электродуговом испарении материала катода, за счет которого конденсат преобразуется в высокоионизированный поток низкотемпературной плазмы. Степень ионизации испаряемого металла и газа зависит от кристаллохимической природы испаряемого металла, давления газа, напряженности магнитного поля (для установок, снабженных плазмооптическими устройствами (рис. 6.9 б)).

Примечание. Плазмооптические устройства, называемые холловскими эрозионно-плазменными ускорителями, служат для достижений больших плотностей ионного потока и позволяют регулировать как физические характеристики плазменного потока, так и его скорость

а) б) Рисунок 6.10 - Микроструктура покрытия TiN (КИБ), полученного с реплики (просвечивающий электронный микроскоп) торцевого сечения резца из быстрорежущей стали Р6М5 (а) и на твердом сплаве ВК6 (б) (растровый электронный микроскоп)

Так как конденсат в процессе осаждения подвергается интенсивной бомбардировке ионами испаряемого вещества, то происходят частичное его распыление, а также повышение температуры в зоне формирования покрытия. В результате резко возрастает подвижность атомов на поверхности инструмента, происходит активация химических реакций между конденсатом и компонентами реакционной газовой смеси.

Таким образом процесс, КИБ можно представить в виде двух последовательно протекающих процессов: ионной бомбардировки и конденсации покрытия.

Широкие возможности варьирования температурой от 200 до 1000°С в зонах нанесения покрытий позволяют использовать методы PVD в качестве универсальных для нанесения покрытий на режущий инструмент как из быстрорежущей стали, так и твердого сплава (рис. 6.10).

Методы PVD универсальны также и с точки зрения возможности нанесения гаммы однослойных, многослойных и композиционных покрытий.

Следует обратить внимание на то, что при нанесении покрытия на быстрорежущий инструмент методами PVD, в частности, по технологии КИБ, в связи как с относительно высокими температурами в зонах нанесения покрытий, так и сильного различия свойств материалов покрытия и лезвий инструмента необходимо введение специального промежуточного подслоя между покрытием и инструментальным материалом, названным термостабшизирующим. Наличие такого подслоя позволяет практически полностью исключить характерное (как для быстрорежущих, так и твердосплавных инструментов) в результате действующих в процессе резания на переднюю поверхность нормальных напряжений деформирование режущего клина (лезвия), что существенно повышает эффективность покрытия.

Примечание. Известно, что деформация, необходимая для разрыва, например, слоя из нитрида титана, составляет всего 1%, т.е. высокая хрупкость покрытий делает их весьма «уязвимыми» даже при незначительной деформации основы

Формирование указанного подслоя можно осуществить путем стимулированной химико-термической обработки (ионного азотирования в несамостоятельном вакуумно-дуговом разряде) инструментального материала (материала основы (субстрата) из быстрорежущей стали) при температурах 450 - 480 °С, включенной в технологию комбинированной ионно-плазменной обработки (КИПО). Таким образом, ИК для инструмента из быстрорежущей стали должен состоять из термостабилизирующего и адгезионного подслоев и,собственно, самого износостойкого покрытия, в т.ч. и многослойно-композиционной архитектуры. В настоящее время разработаны технологии получения таких ИК в результате комбинированной обработки (азотирование и последующее нанесение покрытия) в одной установкетипа «Пуск», «Булат», «ННВ» и др.

Наибольшее применение в качестве износостойких покрытий КИБ для режущих инструментов получили титаносодержащие покрытия, обладающие свойствами, во многом удовлетворяющими требованиям, предъявляемым к покрытиям для режущих инструментов.

Процесс КИБ позволяет получать также композиционные покрытия путем создания композиционных конденсатов по схемам как одновременного испарения нескольких разноименных катодов, так и испарения многокомпонентных сплавленных катодов, что позволяет эффективно управлять свойствами покрытий, в частности, характеристиками стружкообразования и контактных процессов, в зависимости от требуемых условий обработки. Например, минимальное значение кинетической силы трения F_к обеспечивают образцы из твердого сплава ВК6 с покрытием (Ti - Cr)N, содержащим 20 – 25% (по массе) нитридов хрома, при трении по сплаву ХН77ТЮР (рис. 6.11, кривая 1) и 70 – 75% (по массе) нитридов хрома - при трении по сплаву ВТ20 (рис. 6.11 кривая 2).

Рисунок 6.11 – Влияние состава композиционного покрытия на основе (Ti - Cr)N на кинетическую силу трения при постоянной температуре 500° и нормальном давлении 1500 Н

Применение методов PVD для получения покрытий на режущем инструменте существенно расширяет его технологические возможности за счет более эффективного, чем для методов CVD, управления процессами получения покрытий и их свойствами.

6.3 Рекомендации по их выбору износостойких покрытий

Для выполнения требований, приведенных в разд. 6.1, при разработке инструменталь­ного материала с покрытием необходимо решать следующие задачи:

- выбор состава покрытия должен осуществляться, исходя из условия максимального обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик инструмента и соответственно эффективности покрытия (см. табл. 6.2) в зависимости от условий обработки, например, снижения вероятности схватывания (адгезии) между обрабатываемым материалом и покрытием;

- при выборе состава покрытия необходимо обеспечивать достаточно большую прочность адгезии между материалами покрытия и инструмента;

- необходима оптимизация параметров покрытия в зависимости от условий процесса резания, так как удовлетворительная работоспособность инструмента с покрытием может быть обеспечена только при оптимальных значениях основных параметров покрытия (толщина, соотношение толщин слоев, микротвердость, фазовый состав, структура и т.д.).

Наиболее эффективно свойствами композиционного инструмен­тального материала с покрытием можно управлять за счет варьирования химическим составом покрытия, его структурой и типом связи с инструментальным материалом. В свою очередь, указанные параметры сильно зависят от метода нанесения покрытия и технологических условий формирования исходных свойств инструментального материала. В частности, сильное влияние на структуру и дефектность покрытия, тип связи с инструментальной матрицей может оказать субструктура, загрязненность и дефекты приповерхностных слоев инструментального материала, что требует тщательной подготовки инструмента к процедуре непосредственного нанесения на него износостойкого покрытия. В частности, пред нанесением покрытия методом КИБ рекомендуется на предварительном этапе производить химически активированную мойку инструмента с применением ультразвука и последующую тонкую очистку растворителем, например, спиртом, и сушку. После установки и закрепления инструмента в специальных приспособлениях и размещения их в вакуумной камере необходимо при вакууме порядка р = 0.01 Па рабочие поверхности подвергать тонкой очистке путем бомбардировки ионами газа (Ar) и термоактивации электронами, генерируемыми из тлеющего газового (Ar) разряда.

К выбору состава и свойств материала покрытия. Одной из важнейших задач при проектировании инструмента с покрытием является выбор состава и свойств материала покрытия в зависимости от условий обработки и прежде всего свойств обрабатываемого материала с учетом их изменений при деформации и разрушении. Например, для варианта многослойно-композиционного покрытия чрезвычайно важным является выбор состава и свойств верхнего (износостойкого) слоя покрытия 1 (см. рис. 6.3).

Рисунок 6.12 - Классификация соединений, наиболее пригодных для использования при проектировании покрытий для режущего инструмента

Например, если превалирующим видом изнашивания инструмента является адгезионно-усталостный механизм, то при выборе материала верхнего слоя покрытия 1 предпочтение следует отдавать наиболее твердым и тугоплавким соединениям материалов, как с преимущественными металлическими, так и со смешанными и ковалентными или ионными связями (TiC, TiB₂, TiAlN, SiC, Al₂O₃ и др.).

Примечание. При выборе составов материалов слоев покрытия можно руководствоваться данными рис. 6.12

Как видно из представленных на рис. 6.12 данных, наиболее пригодными в качестве промежуточных переходных адгезионных подслоев (слоев 2) являются соединения с металлическими связями (карбиды и нитриды переходных тугоплавких металлов), например, соединения типа TiN, CrN, TiCrN и др.

Наиболее пригодными для использования в качестве адгезионого слоя 3 являются металлы (Ti, V, Cr и др.), металлические композиты (Zr-Cr, Ti-Cr и др.) и соединения (ZrN, TiCrN, TiN и др.).

а) б) в) Рисунок 6.13 - Износостойкие комплексы для обработки конструкционных сталей на инструменте из твердого сплава (а) и быстрорежущей стали (б) и для штампового инструмента

На рис. 6.13 представлены примеры ИК для обработки конструкционных сталей инструментом из различных инструментальных материалов и условий эксплуатации, имеющих многослойно-композиционную архитектуру, в т.ч. содержащих и наноразмерные слои. Для улучшения адгезии между покрытием и основой (субстратом) использованы тонкие слои металла (Ti и Cr). Более толстые промежуточные слои различного функционального назначения для приведенных примеров формируются на основе систем из TiCrN, TiN, CrN и TiAlN и служат не только для обеспечения требуемых физико-химических свойств покрытия и необходимой прочности связей между отдельными слоями, но и для получения покрытий с общей толщиной, соответствующей условиям применения покрытия в целом, например, по его толщине.

6.4 Эффективность применения износостойких покрытий

Опыт эксплуатации инструментов с покрытием позволяет определять и условия, при которых достигается наибольшее повышение их работоспособности. Эффективность покрытий в определяющей мере зависит не только от их свойств (твердости, термостабильности, химической инертности к обрабатываемому материалу, стойкости к образованию лунки износа, размера зерна и др. (табл. 6.2)), изменяющими характер протекания контактных процессов при резании, но и возможного изменения свойств матрицы (основы) в процессе нанесения покрытия, сопровождающегося изменением в первую очередь его прочностных характеристик.

Таблица 6.2 – Эффективность покрытий в зависимости от их свойств

Свойства покрытий	Покрытия в порядке убывания эффективности
Термостабильность, химическая инертность к конструкционной стали, стойкость к образованию лунки износа	Al2O3; TiN; TiC
Твердость	TiC; TiN; Al2O3
Стойкость к изнашиванию при обработке конструкционной стали	Al2O3; TiC; TiN
Коэффициент трения по конструкционным сталям	TiN; Al2O3; TiC
Минимально допустимый размер зерна	TiN; TiC; Al2O3

Для высокотемпературных методов нанесения покрытий наиболее характерными процессами, приводящими к сильным изменениям свойств твердосплавной матрицы, являются диффузионное взаимодействие конденсата и твердого сплава, а также тепловое воздействие на его структуру по объему.

В результате при осаждении покрытия на твердый сплав изменяются не только его поверхностные свойства (микротвердость, стойкость против окисления, сопротивляемость микроразрушению и т. д.), но и свойства, которые проявляются в объеме всего материала (вязкость разрушения, прочность, микроползучесть и т. д.). Процесс физического осаждения покрытий протекает при значительно меньших температурах, поэтому он оказывает влияние лишь на поверхностные структуры и микрогеометрию инструментального материала. Слабое диффузионное взаимодействие покрытий, полученных методом ФОП, и инструментальной матрицы является главной причиной меньшей прочности их сцепления по сравнению с прочностью сцепления материала и покрытия, полученного методами химического осаждения покрытий (ХОП). Это обстоятельство предопределяет специфическую область использования инструментов с покрытиями, получаемыми этими методами.

Благоприятное изменение свойств инструментальной матрицы после нанесения покрытия приводит к существенному улучшению эксплуатационных характеристик инструмента и к увеличению его работоспособности. Например, при большей микротвердости и теплостойкости, увеличении стойкости против окисления наблюдается рост износостойкости контактных площадок инструмента. Стабилизация прочностных свойств инструментального материала, рост сопротивляемости контактных площадок макро- и микроразрушению в условиях действия относительно высоких напряжений и температур, особенно если они имеют переменный характер, приводят к улучшению режущих свойств инструмента и увеличению его эксплуатационной надежности.

Таким образом, существует взаимосвязь между изменением основных свойств инструментального материала при нанесении покрытия, характером протекания контактных процессов при резании и основными эксплуатационными характеристиками режущего инструмента (рис. 6.14).

Широкое промышленное использование режущих инструментов с износостойкими покрытиями позволяет решать следующие задачи:

1) повышение стойкости и надежности металлорежущего инструмента;

2) увеличение производительности процессов обработки деталей резанием;

Рисунок 6.14 – Взаимосвязь между свойствами инструментального материала после нанесения покрытия, характеристиками процесса резания и эксплуатационными характеристиками инструмента

3) сокращение удельного расхода дорогостоящих инструментальных материалов и остродефицитных элементов (вольфрам, молибден, тантал, кобальт) для их изготовления;

4) расширение эффективной области использования твердых сплавов и сокращение номенклатуры применяемых сплавов стандартных марок;

5) увеличение качества поверхностного слоя и точности размеров обработанных деталей;

6) улучшение обрабатываемости сложнолегированных сталей и сплавов;

7) повышение режущей способности инструментов, изготовленных из низколегированных материалов.

При обработке материалов износостойкие покрытия позволяют на 20-30% увеличить скорость резания, а следовательно, и производительность при одновременном повышении стойкости инструмента. Наибольший эффект применения инструментов достигается при резании с малыми (а <0,05 мм) и средними (а =0,1 - 0,25) мм значениями толщины среза. В первом случае - за счет повышения износостойкости задней поверхности инструмента, а во втором случае - за счет торможения роста лунки износа на передней поверхности.

При толщинах среза а =0,05 - 0,1 мм, а также а >0,3 мм покрытие интенсивно разрушается: в первом случае из-за высоких нагрузок на покрытие со стороны задней поверхности, а во втором - со стороны передней поверхности. Эти рекомендации необходимо учитывать при назначении режимов резания.

Инструменты из быстрорежущей стали с покрытиями показывают значительное повышение стойкости при различных видах обработки углеродистых, конструкционных и низколегированных сталей, а также серых чугунов низкой и средней твердости. Вместе с тем при обработке титановых и жаропрочных сплавов на основе никеля, высоколегированных и высокопрочных сплавов эффективность от применения быстрорежущих инструментов с покрытием существенно ниже, а в ряде случаев стойкость может даже снижаться.

Твердосплавные пластины с покрытиями из карбида и нитрида титана эффективны для большинства наиболее распространенных видов обработки резанием конструкционных сталей и серых чугунов, особенно для точения, а также чистового и получистового фрезерования с умеренными подачами.

При тяжелых условиях резания, когда наблюдаются выкрашивания и сколы и на сплавах без покрытий, эффективность пластин с износостойкими покрытиями снижается. Результаты испытания пластин с различными покрытиями при обработке труднообрабатываемых материалов различных групп обрабатываемости показывают, что чем труднее обрабатывается материал резанием (чем выше группа обрабатываемости), тем меньше проявляется эффект покрытия.

Необходимо отметить, что, несмотря на более высокую стоимость инструментов с покрытием, затраты потребителя на обработку единицы продукции по сравнению с аналогичными затратами при применении непокрытых инструментов ниже благодаря повышению либо стойкости инструмента, либо скорости резания и производительности обработки.

В промышленно развитых странах выпуск СМП с износостойкими покрытиями составляет 60-90% от общего выпуска твердосплавных пластин и около 70% всех типов инструментов из быстрорежущей стали.

Эффективность применения износостойкого покрытия в значительной мере зависит от его толщины, выбор оптимального значения которой во многом определяется не только составом покрытия и его прочностью (хрупкостью), но также и условиями протекания процесса резания и физико-химико-механическими свойствами собственно самой инструментальной матрицы. Например, эффективность покрытий возрастает с увеличением жесткости матрицы и ее способности сопротивляться термопластической деформации.

В значительной мере влияние на толщину покрытия оказывают условия протекания процесса резания. С одной стороны, «толстое» покрытие заметно повышает износостойкость инструментальной матрицы за счет роста твердости, температурной устойчивости против окисления и коррозии, роста пассивности инструментального материала против твердофазных и жидкофазных диффузионных реакций с обрабатываемым материалом, снижения граничной адгезии. С другой стороны, рост толщины покрытия приводит к заметному увеличению количества дефектов в объеме покрытия, причем таких опасных дефектов, как макро- и микропоры, микротрещины, нестехиометрия (степень постоянства) состава, неоднородность зерна и рост его размера по сечению покрытия по мере удаления от матрицы и т. д. Таким образом, с увеличением толщины покрытия резко возрастает вероятность появления того или иного опасного дефекта, который может привести к динамическому разрушению покрытия. Отсюда и связь оптимальной толщины покрытия с условиями протекания процесса резания.

Для квазистационарных процессов резания с образованием сливных стружек (т.е. процессов, протекающих при высоких скоростях резания, малых толщинах среза при обработке относительно пла­стичных материалов) толщина покрытий может быть предельно увеличена. Для нестационарного и прерывистого резания (т. е. при формировании дискретных типов стружек, выраженных адгезионно-усталостных процессах, резких колебаниях по времени скорости, сечения среза, напряжений и температур) толщину покрытий необходимо снижать из-за их склонности к хрупкому разрушению. Например, оптимальная толщина покрытия TiC ГТ (рис. 6.15) снижается до 5,0 - 7,0 мкм при точении чугуна (кривая 3) и увеличивается до 6,0 - 10 мкм при точении стали (кривые 1 и 4). При этом покрытие TiC более эффективно на сплаве ВК6 (кривые 1 и 3), чем на сплаве Т5К10 (кривая 4): при оптимальной толщине 8 мкм для пластин из ВК6 их стойкость в 1,5 – 2,0 раза выше, чем для пластин из Т5К10 с оптимальной толщиной покрытия 6 мкм.

Для операций прерывистого резания (фрезерование, зубодолбление, строгание и др.) экстремальный характер зависимости стойкости от толщины покрытия проявляется в значительно большей степени, чем для непрерывного резания, причем оптимальное значение толщины покрытия сдвигается в меньшую сторону (рис. 6.15 кривые 2, 5 и 6). Так, для покрытия TiС ГТ это значение находится в пределах 2,5 – 3,0 мкм (кривая 5), для покрытия TiN КИБ оптимальная толщина покрытия колеблется в пределах 4,0 – 6,0 мкм (кривые 2 и 6).

Таким образом, толщина покрытия является параметром, подлежащим оптимизации в каждом конкретном случае. В общем случае оптимальные толщины покрытий для твердосплавных инструментов широкой области использования приведены в табл. 6.3.

Рисунок 6.15 - Влияние толщины h_п покрытия на среднюю стойкость Тср твердосплавных инструментов при точении (1, 3, 4) стали 45 (1, 4) и чугуна СЧ32 (3) и фрезеровании стали 40Х (2, 5, 6) пластинами: 1 - ВК6 - TiC ГТ (v =150 м/мин; S=0,15 мм/об; t=1 мм); 2 –ТТ10К8Б – TiN КИБ (v =170 м/мин; S_z=0,32 мм/об; t=2 мм; z=1; В=140 мм); 3 - ВК6 - TiC ГТ (v =130 м/мин; S=0,15 мм/об; t=2 мм); 4 –Т5К10 – TiС ГТ (v =170 м/мин; S_z=0,32 мм/об; t=2 мм; z=1; В=140 мм); 5 - ТТ10К8Б – TiС ГТ (v =170 м/мин; S_z=0,32 мм/об; t=2 мм; z=1; В=140 мм); 6 – ВК6 – TiN КИБ (v =170 м/мин; S_z=0,32 мм/об; t=2 мм; z=1; В=140 мм)

Максимальная эффективность режущего инструмента с износостойкими покрытиями, имеющими оптимальную величину, достигается на скоростях резания, превышающих на 20 – 60% скорости резания для обычного инструмента. При этом целесообразно использовать низкие и средние значения подач. Возможность использования более высоких скоростей резания для инструмента с покрытием связана со снижением уровня термомеханического нагружения контактных площадок лезвия (уменьшения температур, трения, контактных напряжений, физико-химических процессов).

Таблица 6.3 - Оптимальные толщины покрытий для твердосплавных пластин

Покрытие	hп, мкм для твердосплавных пластин
ВК6	Т5К10	ТТ10К8Б	ВК6	ТТ10К8Б	ТТ7К12
Точение	Фрезерование
Чугун	Сталь	Сталь
TiC ГТ; TiCN ГТ; TiN ГТ; TiC-TiCN-TiN ГТ	4 - 6	6 - 8	3 - 6
TiC ДТ	8 - 10	14 - 18	6 - 10
TiN КИБ; ZrN КИБ; (Ti-Cr)N КИБ; MoN КИБ; CrN КИБ	6 - 8	6 - 8	3 - 5

Вместе с тем неудовлетворительные результаты использования инструмента с покрытием для операций тяжелого и прерывистого резания объясняются относительно плохой сопротивляемостью сравнительно хрупких покрытий разрушению в условиях циклических нагрузок, склонности режущей части инструмента к упругим прогибам и пластическим деформациям, что сопровождается «растрескиванием» покрытия или его «отслаиванием» от матрицы.

Таким образом, применение инструментов с износостойкими покрытиями позволяет решать достаточно широкую гамму технологических задач по повышению эффективности процесса обработки: повышение производительности труда, снижение трудоемкости изготовления изделий, а следовательно, и снижение их себестоимости; повышение надежности режущих инструментов; повышение точности и качества обработанных поверхностей и т.п.

Эффективность режущего инструмента с покрытием в значительной степени определяется оптимальностью его состава для заданных обрабатываемого материала и требований к обработке. В табл. 6.4 представлены рекомендуемые составы покрытий для широкого диапазона условий обработки и гаммы обрабатываемых материалов.

Таблица 6.4 - Покрытия, рекомендуемые для режущего инструмента

Обрабатываемый материал	Операция	Инструментальный материал основы	Рекомендуемые составы покрытий	V, м/мин	Кст
Конструкционные стали (45, 40Х, 38ХС, 35ХГА, ШХ15 и др.)	Точение	Т5К10, ТТ10К8Б, МС221	TiC-TiCN-TiN, TiC- TiN, (Ti-Cr)N, TiC-Al2O3-TiN	200 – 280 (150–200)	3- 5
Р6М5	TiN, (Ti-Al)N, (Ti-Cr)N	60 – 100 (40 – 70)	2-4
Фрезерование	ТТ7К12, МС146	TiC-TiCN-TiN, (Ti-Cr)N, (Ti-Mo)N	140 – 200 (100 – 150)	2,5-3
	Р6М5	TiN, (Ti-Al)N	50 – 80 (20 – 60)	2-3
Чугуны	Точение	ВК6, ВК10-ХОМ, МС321	TiC-TiCN-TiN, (Ti-Cr)N, TiC-Al2O3-TiN	160 – 250 (120 – 180)	3-5
Фрезерование	Р6М5	TiCN, (Ti-Al)N	40 – 80 (20 – 60)	2-2,5
Аустенитные стали (Х18Н10Т, Х18Н12Т, Х23Н18, Х15Н5 и др.)	Точение, фрезерование	ВК6-М, ВК6 ВК10-ХОМ     Р6М5К5, Р12Ф4К5	TiC-TiCN-TiN     (Ti-Mo)N (Ti-Cr)N, TiCN, (Ti-Al)N (Hf-Zr-Cr)N	150 – 180 (120 – 150)     15 – 30 (10 – 20)	2-2,8   1,5-2,2
Жаропрочные деформируемые сплавы (ХН608, ХН77ТЮ, ХН35ВТЮ и др.)	Точение	ВК6, ВК8 ВК10-ХОМ	TiCN, (Ti-Al)N, (Ti-Cr)N, (Ti-Mo)N	25 – 60 (20 – 45)	1,8-2,5
Сплавы на титановой основе	Точение, фрезерование	ВК6, ВК8 ВК10-ХОМ	(Ni-Zr)N (Ti-Cr)N (Mo-Zr)N	50 – 100 (40 – 60)	1,8-2,5
Примечания. 1 В колонке «5» без скобок указаны скорости резания инструмента с покрытием, в скобках - без покрытия. 2. Кст – коэффициент повышения стойкости: определяется как отношение среднего значения периода стойкости инструмента с покрытием к соответствующему значению стойкости инструмента без покрытия

6.5 Вопросы для самопроверки

1 Охарактеризуйте перспективы улучшения режущих свойств инструментальных материалов путем нанесения на их рабочие поверхности износостойких покрытий.

2 Охарактеризуйте требования, предъявляемые к износостойким покрытиям, для режущих инструментов?

3 Охарактеризуйте схему многослойного покрытия для режущих инструментов.

4 Какими методами наносят износостойкие покрытия на режущий инструмент?

5 Охарактеризуйте методы химического осаждения покрытий на поверхности режущих инструментов.

6 В чем суть метода термодиффузионного насыщения?

7 Охарактеризуйте методы физического осаждения покрытий.

8 Каковы структуры и фазовые составы основных типов инструментальных покрытий?

9 Объясните, почему ИК для инструмента из быстрорежущей стали, формируемый методами PVD, должен содержать термостабилизирующий подслой?

10 Назовите области эффективного и малоэффективного применения покрытий на режущем инструменте.

11 Охарактеризуйте задачи, которые позволяет решать использование режущих инструментов с износостойкими покрытиями.

12 Охарактеризуйте взаимосвязь между свойствами инструментального материала после нанесения покрытия, характеристиками процесса резания и эксплуатационными характеристиками инструмента.

13 Опишите влияние покрытий на трансформацию зоны деформации при резании и на основные характеристики процесса стружкообразования.

14 Охарактеризуйте взаимосвязь между толщиной износостойкого покрытия и эффективностью его применения.

15 Как выбирается оптимальная толщина покрытия?

7 методические указания по изучению темы «инструментальные материалы»

Одним из важнейших условий, обеспечивающих высокую производительность процесса резания, является правильный выбор материала режущей части инструмента.

При изучении инструментальных материалов прежде всего следует усвоить, какими свойствами они должны обладать, и разобраться в сущности предъявляемых к ним требований: высокие прочность, твердость, теплостойкость и износостойкость; технологичность (обрабатываемость шлифованием); благоприятные фрикционные (коэффициент трения) и адгезионные (схватывание) свойства; малые радиусы округления режущих кромок r, обуславливающие их остроту; высокие теплофизические характеристики (теплопроводность, удельная теплоемкость); экономичность (стоимость) и др. Необходимо обратить самое серьезное внимание на режущие свойства (твердость, теплостойкость, значение r, допускаемые скорости резания (при обработке наиболее часто применяемых в качестве конструкционных, так называемых «черных» металлов: конструкционных сталей и чугунов) и области применения различных инструментальных материалов.

Следует обратить серьезное внимание на то, что работоспособность режущего инструмента в определяющей степени зависит от физико-механических, теплофизических и кристалло- химических свойств инструментального материала. Оптимальный выбор этих свойств позволяет в известных пределах управлять процессами изнашивания контактных площадок лезвия, снижать интенсивность их изнашивания, трансформировать один вид изнашивания в другой.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к инструментальному материалу, выбор свойств и конкретной марки материала следует производить с учетом условий обработки, которые определяются свойствами обрабатываемого материала и характером контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов в процессе резания.

По своим физико-химико-механическим свойствам инструментальные материалы для лезвийных инструментов подразделяются на пять основных групп: инструментальные стали (нелегированные (углеродистые), легированные и быстрорежущие); металлокерамические твердые сплавы (однокарбидные (ВК), двухкарбидные (ТК), трехкарбидные (ТТК), безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС)); режущая керамика (оксидная, оксидно-карбидная и нитридная) и сверхтвердые материалы (СТМ) на основе синтетического алмаза (АС) и кубического нитрида бора (КНБ)).

Нужно иметь в виду, что при использовании учебной и справочной литературы рекомендуется проверять соответствие приводимых в ней инструментальных материалов действующим стандартам (ДСТУ или ГОСТам): на углеродистые инструментальные стали – ДСТУ 3833 – 98 (ГОСТ 1435 – 99), на легированные инструментальные стали – ГОСТ 5950-2000, на быстрорежущие стали – ГОСТ 19265-73, на твердые сплавы –

ГОСТ 3882-74 и др.

В качестве инструментальных сталей используются только высококачественные стали с содержанием углерода в пределах 0,7-1,3%.

Нелегированные (углеродистые) инструментальные стали (твердость HRС 60-62, теплостойкость 200-250°С, r=2-5мкм) используются, как правило, для изготовления инструментов, применяемых при ручных работах (метчиков, плашек, ножовочных полотен, сверл и др.) с малыми скоростями резания (до 5-10 м/мин).

Изучая легированные инструментальные стали (твердость HRС 62-64, теплостойкость 250-300°С, r=5-10мкм), следует выяснить, какое влияние оказывают легирующие элементы (хром, кремний, марганец, вольфрам и др.) на свойства этих сталей. Легированные стали по сравнению с углеродистыми инструментальными имеют более высокую прокаливаемость, повышенную вязкость в закаленном состоянии, меньшую склонность к деформациям и появлению трещин при закалке. Применяются для изготовления протяжек, сверл, зенкеров, метчиков, плашек, разверток и др., работающих при скоростях резания до 15-

25 м/мин.

Быстрорежущие инструментальные стали (твердость HRС 62-65, теплостойкость 600-650°С, r=20-30мкм) по ГОСТ 19265-73 имеют 14 различных марок. В настоящее время выпуск многих из них не производится или ограничен, в частности, сталь Р18. К практическому применению рекомендуются следующие стандартные марки быстрорежущих сталей: Р6М5 (вместо стали Р18), Р6М5К5, Р9М4К8. При изучении быстрорежущих сталей нужно усвоить влияние карбидообразущих элементов (вольфрама, молибдена, ванадия и др.) на их свойства. Из быстрорежущих сталей изготавливается практически вся номенклатура лезвийных режущих инструментов (резцы, фрезы, протяжки, сверла, зенкеры, метчики, плашки, развертки и др.), работающих при скоростях резания до 50-60 м/мин. В настоящее время все большее применение, особенно при обработке труднообрабатываемых материалов, находят быстрорежущие стали, микролегированные ниобием (Р6М5Nb), цирконием (Р6М5Zn) и азотом (А10Р6М5), имеющие повышенную теплостойкость (до 670 - 700°С), твердость (HRС 65-67) и износостойкость. При обработке жаропрочных и титановых сплавов применяют мало- и безуглеродистые быстрорежущие (дисперсионно-твердеющие) сплавы В11М7К23, В14М7К25 и др., обладающие повышенной твердостью (до HRС 69-70), теплостойкостью (до 720°С) и износостойкостью (стойкость инструментов из этих материалов возрастает в 30 раз по сравнению с Р18 и в 10 раз – с ВК8). В связи с большим расходом дефицитного вольфрама все большее применение находят безвольфрамовые быстрорежущие стали, например, 9Х6М3Ф3АГСТ (ЭК41), имеющие достаточно высокие «режущие» свойства: твердость (HRС 63-66), теплостойкость (620°С) и прочность (s_и=3200 – 3800 МПа).

Дата добавления: 2015-11-30