Инструментальные материалы с износостойким покрытием
В мировой практике металлообработки все большее применение находят инструментальные материалы с покрытиями. Тонкие «пленочные» покрытия, толщиной от 2 до 10 мкм, наносят на поверхность заточенного и доведенного инструмента из быстрорежущей стали, твердого сплава и режущей керамики, которые позволяют улучшить ряд служебных характеристик инструмента и значительно изменить условия его работы. Снижение сил и температур резания на 20-40%, позволяет повысить стойкость режущего инструмента в 2 и выше раз, или увеличить скорость резания от 20 до 60% и значительно улучшить шероховатость обработки.
К износостойкому покрытию для режущего инструмента предъявляется ряд требований:
1.Высокая микротвердость, в 1,5-2 раза превышающая твердость инструментального материала;
2.Высокая износостойкость (т.е. необходимо обладать сопротивлением к поверхностному усталостному разрушению);
3.Низкая склонность к адгезии (химическому взаимодействию) с обрабатываемым материалом;
4.Сохранение основных свойств, при высоких температурах (быть устойчивым против коррозии и окисления);
5.Минимальная способность к диффузионному растворению в обрабатываемом материале;
6.Высокая прочность сцепления с инструментальным материалом.
Ряд требований носит противоречивый характер, например низкую адгезию к обрабатываемому материалу и высокую прочность сцепления с инструментальным материалом. При резании сталей, в основе которых содержится железо, инструментом из быстрорежущей стали в основе которой также содержится железо целесообразнее всего наносить многослойные или композиционные покрытия. У многослойных покрытий нижний слой, прилегающий к инструментальному материалу, обеспечивает прочное сцепление с ним, а верхний - минимальное схватывание с обрабатываемым материалом. Промежуточные слои могут выполнять роль связующих слоев, слоев с тепловыми барьерами или слоев препятствующих продвижению трещин при разрушении покрытий. Композиционныепокрытия – это покрытия изменяющие свой состав и свойства по толщине: например для быстрорежущего инструмента состав покрытия может постепенно переходить от нитрида циркония (ZrN), обеспечивающего наилучшее сцепление с инструментальной подложкой, к нитриду ниобия (NbN), дающего аномально низкое схватывание с железосодержащими обрабатываемыми материалами.
В качестве материалов для покрытий используют карбиды, натриды карбонитриды, бориды и силициды тугоплавких металлов IV – VI групп периодической системы элементов (IV – титан, цирконий, гафний; V – ванадий, ниобий, тантал; VI – хром, молибден, вольфрам). Применяется также оксид алюминия Al2O3 и алмазоподобные покрытия на основе углерода.
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).
Методы химического осаждения покрытий (CVD). В основе методов CVD лежат реакции в парогазовой среде, окружающей инструмент, в результате которых образуются покрытия. 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 Т=1000…1100°С. Уравнения химических реакций процессов ХОП с образованием карбидов, нитридов и оксидов в общем виде имеют следующий вид:
- реакция образования карбидов
МеГ + Н2 + CnHm ® MeC + HГ + Н2;
- реакция образования нитридов
МеГ + Н2 + N2 ® MeN + HГ + Н2;
- реакция образования оксидов
МеГ + Н2 + CO2 ® MeOm + HГ + CO;
- реакция образования боридов
МеГ + Н2 + ВГ ® MenBm ,
где Ме – металл; Г – галоген; m, n – целые числа.
Так как реакция осаждения покрытий происходит при высоких температурах (Т»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. 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.
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.).
Области применения твердосплавных пластин с износостойким покрытием приведены в табл. 2.18.
Таблица 2.18 Марки и области применения твердосплавных пластин с покрытием
| 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 пластинок 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, 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.
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 наибольшее распространение получили: конденсация вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой (метод КИБ), магнетронное распыление (метод МИР) и ионное плакирование.
Широкие возможности варьирования температурой от 20-1000°С в зонах нанесения покрытий позволяет использовать методы PVD в качестве универсальных для нанесения покрытий на режущий инструмент из быстрорежущей стали и твердого сплава. Методы PVD универсальны также и с точки зрения возможности нанесения гаммы монослойных, многослойных и композиционных покрытий.
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.
Опыт эксплуатации инструментов с покрытием позволяет определять условия при которых достигаются наибольшее повышение их работоспособности.
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. При обработке титановых и жаропрочных сплавов на основе никеля, высоколегированных и высокопрочных сплавов, эффективность от применения инструментов с покрытием существенно ниже, а в ряде случаев стойкость снижается.
При обработке материалов, где получено повышение стойкости инструмента, износостойкие покрытия позволяют на 20-30% увеличить скорость резания. Наибольший эффект применения инструментов достигается при резании с малыми значениями толщины среза а<0,05 мм, и средними толщинами а=0,1…0,25 мм. 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.
Твердосплавные пластины с покрытиями из карбида и нитридов 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.
Контрольные вопросы по теме 2
1. Какие основные требования предъявляются к инструментальным материалам?
2. Перечислить основные группы инструментальных материалов.
3. Какова теплостойкость различных групп инструментальных материалов?
4. Каковы физико-механические свойства, состав и области применения углеродистых и легированных инструментальных сталей?
5. Назовите химический состав, физико-механические свойства и области применения быстрорежущих сталей.
6. На какие группы по химическому составу делятся твердые сплавы?
7. Назовите области рационального использования каждой группы твердых сплавов?
8. Назовите преимущества и недостатки режущей керамики и области их рационального применения.
9. По каким характеристикам отличаются естественные и искусственные сверхтвердые материалы на основе алмаза?
10. По каким свойствам кубический нитрид бора превосходит алмаз?
11. Какие инструментальные материалы предпочтительно выбирать при обработке сталей? чугунов? цветных металлов? при черновой обработке? при чистовой обработке?
12. Какие инструментальные материалы могут использоваться при обработке высокопрочных материалов? в закаленном состоянии?
13. Назовите области применения крупнозернистых и мелкозернистых твердых сплавов.
14. Как изменяются износостойкость и прочность твердого сплава в зависимости от увеличения индекса подгруппы применения по ИСО513?
15. Какие требования предъявляются к свойствам износостойких покрытий для режущего инструмента?
16. Какими методами наносят износостойкие покрытия на режущий инструмент?
17. Назовите области эффективного и малоэффективного применения покрытий на режущем инструменте.
Литература к теме 2
1. Новые инструментальные материалы и области их применения. Учебн. пособие / В.В.Коломиец, - К.: УМК ВО, 1990. – 64 с.
2. ГОСТ 19265-73 Прутки и полосы из быстрорежущей стали. технические условия.
3. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнир В.С. Резание металлов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: Учебн. для техн. вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. – 448 с.
4. Верещака А.С., Болотников Г.В. Современные тенденции совершенствования и рационального применения твердых сплавов для режущих инструментов (Обзорная информация), ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. – М. – 1991. – 51с.
5. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент: Справочник В.С. Самойлов, Э.Ф.Эйхманс, В.А.Фальковский и др. – М.: Машиностроение, 1988. – 368 с.
6. Маргулес А.У. Резание металлов керметами. – М.Машиностроение, 1980. – 160 с.
7. Инструменты из сверхтвердых материалов / Под ред. Н.В.Новикова. – Киев: ИСМ НАНУ, 2001. – 528 с.
8. Сменные пластины и инструмент САНДВИК-МКТС, технические материалы. – М. – 2000. – 169 с.
9. Ляпунов А.И. и др. Использование порошковых быстрорежущих сталей в инструментальном производстве: Обзор – М. НИИМаш, 1983. – 39 с.
10. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение, 1993. – 336 с.
11. Внуков Ю.Н. и др. Нанесение покрытий на быстрорежущий инструмент. – Киев: Техника, 1992. – 196 с.