Скорость водоабразивной обработки различных материалов

Обрабатываемый материал	Скорость обработки, м/мин, при толщине заготовки, мм
Алюминий	2,38	1,04	0,47	0,16
Титан	1,09	0,49	0,22	0,08
Коррозионно-стойкая сталь	0,62	0,28	0,12	0,04
Стекло	6,45	2,91	1,30	0,46
Гранит	3,55	1,60	0,72	0,25
Мрамор	4,59	2,06	0,93	0,32

Водоструйное резание экономически целесообразней ряда других способов разрезки листовых заготовок из различных материалов. Например, по данным фирмы Bystronic, при обработке алюминиевых листов толщиной более 10 мм и стальных листов более 15 мм водоструйное резание по экономическим показателям существенно превосходит соответствующие показатели лазерной разрезки. Стоимость 1 м водоструйной обработки материала толщиной 10 мм составляет: для коррозионно-стойкой стали 61,72 рубля, для стекла 5,9 рубля и для гранита 11,18 рубля.

21.8. Методы формирования изделий путем наращивания

поверхности

К методам формирования изделий путем наращивания поверхности обычно относят наплавку поверхностей (восстановление изношенных деталей) и ускоренное формообразование, изготовление изделий или их прототипов путем послойного наращивания микрослоев из жидкой, газообразной или твердой (в порошковом виде) фаз. Последние методы относят к высоким технологиям формообразования, так как они реализуют прямой переход от виртуального образа детали к реальному изделию, полностью готовому для использования.

Методы формирования деталей путем наращивания слоев материала имеют следующие общие признаки: деталь изготавливают на основе трехмерного компьютерного проектирования; формирование детали осуществляется путем наращивания материала слой за слоем; послойное наращивание детали происходит из жидкой фазы или из мелкодисперсных порошков с последующей модификацией в твердое состояние.

Эти технологии по сравнению с обработкой резанием, литьем, штамповкой имеют следующие преимущества: кардинальное сокращение времени на изготовление; отсутствие ограничений, связанных с изготовлением деталей сложной формы; широкие возможности интеграции производимых деталей с завершающей стадией их изготовления (например, формы для вакуумного литья, литья под давлением, пресс-формы и т. д.).

В настоящее время используются следующие методы формирования деталей наращиванием материала: лазерная стереолитография (метод SLA – Laser Stereolitography); избирательное лазерное спекание (метод SLS – Selective Laser Sintering); изготовление слоистых моделей (метод LOM – Laminated Object Manufacturing); моделирование оплавлением (метод FDM – Fused Deposition Modeling); изготовление с применением частиц, имеющих баллистическую скорость (метод BPM – Ballistic Particle Manufacturing); изготовление путем отвердения многофазной струи (метод DMD – Direct Metal Deposition); температурная полимеризация жидкого полимера (метод LTP – Liquid Thermal Polymerization); изготовление путем прямого осаждения металла (метод DMD – Direct Metal Deposition); осаждение из газовой фазы (метод GPD – Gas Phase Deposition).

Рассмотрим сущность и некоторые особенности методов формирования изделий наращиванием поверхности, получивших наиболее широкое применение в промышленности.

Изготовление деталей или их прототипов методом лазерной стереолитографии (метод SLA) начинают с точного указания всех геометрических параметров детали в одной из сред пространственного проектирования. Высокая точность и воспроизводимость формируемой поверхности достигается за счет увеличения количества треугольников при триангуляции (рис. 21.9). С помощью управляющих программ подготовки процесса формирования детали осуществляют: конструирование технологических поддержек детали на платформе; разделение детали на слои фиксированной толщины; определение параметров формирования каждого слоя; послойный синтез детали.

Рис. 21.9. Последовательность воспроизводимости формируемой

сферической поверхности изделия (триангуляция сферы)

Рис. 21.10. Схема получения трехмерного изделия послойным наращиванием
при использовании метода стереолитографии:

1 – лазерный источник; 2 – изделие; 3 – жидкий мономер; 4 – ванна; 5 – подвижная платформа; 6 – зеркало, осуществляющее сканирование лазерного луча

При изготовлении прототипа детали методом лазерной стереолитографии его геометрическое воспроизведение осуществляют путем послойного дисперсионного отвердения (фотополимеризации) с помощью лазера (рис. 21.10). Луч лазера от источника 1, управляемый компьютером, проходит по поверхности жидкого мономера 3, сканируя ее в соответствии с конфигурацией формируемого слоя. В жидкой реакционно-способной среде зарождаются активные центры (радикалы, ионы, активные комплексы), которые при взаимодействии с молекулами мономера вызывают рост полимерных цепей, ведущих к фазовому изменению облученной среды, то есть к отвердению слоя. Траектория сканирования лазерного луча по каждому слою определяет, в каком месте лазерный луч фокусируется на поверхности жидкого мономера, что приводит при полимеризации к его отвердению. В той части, где поверхность не подвергается воздействию лазерного излучения, полимеризация отсутствует. Лазерный луч последовательно сканирует сечение за сечением, что приводит к послойному наращиванию поверхности, происходит формирование изделия в виде трехмерного конструктивного элемента заданной геометрии 2.

К преимуществам метода лазерной стереолитографии относятся: возможность полной автоматизации процесса изготовления детали; высокая точность воспроизведения геометрических и конструктивных параметров деталей при любом количестве их изготовления; отсутствие ограничений на изготовление деталей любой сложной формы; возможность изготовления деталей больших размеров по частям с последующим воссозданием целой детали заданных размеров.

Метод лазерной стереолитографии имеет и недостатки. Таковыми могут быть усадка материала при полимеризации, что может привести к снижению точности размеров изделия; химическая токсичность фотомономеров и их относительно высокая стоимость; высокая чувствительность установок к изменению температуры и влажности помещения, а также к вибрациям.

Применение метода лазерной стереолитографии наиболее эффективно при моделировании и процессах сборки различных конструкций в машиностроении, в технологиях изготовления форм для литья, при изготовлении имплантатов в медицине, при производстве деталей в электронике и приборостроении.

Таким образом, метод лазерной стереолитографии наиболее выгодно использовать при необходимости быстрого изготовления прототипа детали, на основе которого возможна организация серийного тиражирования изделий. Поэтому методы лазерной стереолитографии получили в мировой практике наименование «методы быстрого изготовления прототипа изделия» (Rapid Prototyping). В настоящее время основными производителями установок для лазерной стереолитографии являются компании США и Японии.

Метод избирательного лазерного спекания (метод SLS)позволяет создавать не только прототип изделия, но и само изделие в соответствии с заданными в чертеже размерами, точностью, качеством поверхности. При изготовлении используют различные металлические и керамические порошки, полиамиды, поликарбонаты, воск, нейлон и т. д.

Установки для реализации процессов избирательного лазерного спекания(рис. 21.11) содержат следующие системы и устройства: источник лазерного излучения и оптическую систему его сканирования (1, 2); устройство послойной подачи порошкового материала и выравнивания его толщины, снабженное приводом вертикального перемещения (8); подвижную рабочую платформу (4) по оси Z; бункер для подачи порошкового материала (5).

Рис. 21.11. Принципиальная схема установки и процесса получения изделия

путем избирательного послойного наращивания:

1 – лазерный источник; 2 – оптическая система сканирования лазерного луча;

3 – готовое изделие; 4 – подвижная рабочая платформа (вдоль оси Z); 5 – бункер

для подачи порошкового материала; 6 – порошковый материал; 7 – подвижный стол бункера; 8 – ролик для подачи порошка и выравнивания слоя

Управляющие данные для лазерной системы вводятся из программы, содержащей данные по пространственной геометрии изделия. Порошок послойно подается на платформу носителя и выравнивается по толщине при помощи специального ролика 8. Управляющий луч газового лазера сканирует поверхность порошка в соответствии с конфигурацией заданного сечения и инициирует локальное избирательное оплавление порошкового материала. В зонах воздействия лазерного излучения локальные участки порошкового материала принимают заданную форму сечения. Платформа носителя последовательно опускается, воссоздавая заданную управляющей программой геометрическую форму изделия.

Обычно установки избирательного лазерного спеканияснабжаются устройствами подогрева камеры, которые уменьшают энергетические затраты на процесс и предотвращают деформации детали при быстром остывании после окончания процесса изготовления. Кроме того, в камеру установки подают нейтральные газы (например, аргон) для предотвращения окисления поверхностей послойно формируемого изделия.

Метод избирательного лазерного спеканияобладает рядом преимуществ, среди которых: невысокая стоимость используемых материалов; низкое отрицательное техногенное влияние на окружающую среду; возможность одновременного изготовления нескольких деталей; широкая гамма материалов, из которых возможно изготовление изделий; возможность изготовления изделий по частям с последующей сборкой.

Методы избирательного лазерного спеканияполучили преимущественное применение в авиационно-космической, автомобильной, электронной промышленностях, их применяют также при необходимости ускоренного изготовления готовых изделий (в мировой практике метод получил наименование Rapid Manufacturing), например при изготовлении имплантатов в медицине, т. е. там, где необходимо ускоренное изготовление единичной продукции или продукции малых серий сложной формы.

Производство изделий методом наращивания слоистых объектов (метод LOM) основано на вырезании контуров сечения листового материала каждой секущей плоскости пространственной компьютерной модели лазерным лучом с последующим их наращиванием до полного воспроизводства изделия. Отдельные конструктивные сечения (элементы) состоят, как правило, из клейкой бумаги, фольги, пластика, металла, керамики, композитов толщиной порядка 50–500 мкм, которые соединяются между собой за счет прокатки термоваликом.

Исходные данные рассчитываются для каждого слоя (например, листа фольги) пространственной компьютерной модели и передаются в систему управления установки, в которой с помощью специальной компьютерной программы формируется теоретический профиль рассматриваемого сечения изделия. Локальные области остатков излишнего материала, подлежащего удалению, разрезаются на квадраты в единых координатах каждого среза для последующего удаления. При вырезании контура и разрезке остатков материала фольги заранее строго регламентируется расчетная глубина эффективного воздействия лазерного луча. Это позволяет ограничить воздействие лазерного луча на нижележащие слои материала и тем самым исключить структурно-фазовые изменения материала и его свойств.

После окончательного формирования изделия поверхности срезов подвергаются дополнительной обработке (шлифуются, полируются, окрашиваются лаком и т. д.). Обычно изделия, формируемые методом наращивания слоистых объектов, изготавливают из относительно недорогих листовых материалов, что резко уменьшает их себестоимость. Кроме того, изделия, полученные наращиванием слоистых объектов, отличаются высокой надежностью, прочностью, устойчивостью к деформациям.

Наряду с достоинствами, методы наращивания слоистых объектов обладают и существенными недостатками, к которым относятся: ограничения по сложности конструкции изделия; достаточно большой объем удаляемого материала, что повышает себестоимость изделий; высокая вероятность расслоения сечений материала при дополнительной обработке изделия, например при шлифовании поверхностей срезов для снижения шероховатости.

21.9. Методы поверхностной модификации свойств изделий

За последние годы достигнут ощутимый прогресс в улучшении поверхностных свойств изделий различного назначения и повышении их надежности путем модификации их свойств различными технологическими методами. Совершенствование оборудования, создание новых технологий позволили разработать принципы поверхностного модифицирования различных свойств материалов изделий, определяющих их эксплуатационные характеристики. К таким свойствам можно отнести твердость, теплостойкость, склонность к адгезионному взаимодействию с обрабатываемым материалом, сопротивляемость коррозии и окислению при повышенных температурах, сопротивляемость разрушению в условиях действия знакопеременных механических и термических напряжений и т. д.

Наиболее заметное применение для модификации поверхностных свойств материалов изделий получили методы химического ХОП (CVD) и физического ФОП (PVD) осаждения функциональных покрытий, химико-термической обработки (ХТО), каждый из которых имеет предпочтительные области применения.

В настоящее время в мировой практике производства изделий различного назначения преимущественное применение получили методы ХОП (CVD) и ФОП (PVD).

Методы химико-термического осаждения покрытий (ХОП–CVD) используют для осаждения тугоплавких соединений на рабочие поверхности изделий путем водородного восстановления парогазовых смесей, содержащих галогениды металла, и соединений, являющихся поставщиком второго компонента и водорода, который служит одновременно газом-транспортером и восстановителем. Уравнение химических реакций процессов формирования различных соединений методом ХОП (CVD) (карбидов, нитридов, оксидов, боридов и их смесей) имеет следующий вид:

1050 °C <T< 1100 °C

МеГ / H / C_nH_m, N₂, CO₂ -----------------------------> Ме_XС_Y / HГ / H

t = 4 ¸ 8 час

Принципиальная схема установки для нанесения покрытий методом
ХОП–CVD на различные изделия, включая режущий инструмент, показана на рисунке 21.12.

Рис. 21.12. Принципиальная схема установки для нанесения покрытия
высокотемпературным методом химического осаждения (ХОП-CVD):

1 – газосмеситель; 2 – реактор с режущим инструментом; 3 – печь;

4 – устройство для удаления остаточных продуктов химико-термической реакции

Структура, фазовый состав покрытий, прочность его адгезии с субстратом, а следовательно, и основные свойства покрытий зависят от технологических параметров процессов ХОП–CVD, среди которых основными являются температура, время осаждения, состав и концентрация реагентов парогазовой среды, ее давление и скорость подачи. Прочность адгезии, кроме того, сильно зависит от кристаллохимического подобия материалов осаждаемого покрытия и субстрата. В результате на рабочих поверхностях инструмента формируется покрытие, имеющее высокие значения плотности, гомогенности, прочности адгезии по отношению к субстрату, равномерности толщины покрытия даже на поверхностях инструмента, имеющих сложную форму.

Вместе с тем процессы ХОП–CVD часто не соответствуют стандартам экологической безопасности, осуществляются при высоких температурах (800–1500 ºС) и большой длительности процесса. Последнее является причиной формирования на границах разделов «покрытие – субстрат», «зерно – связка» хрупкой h-фазы (W₃Co₃С – для твердого сплава), снижающей прочность инструментального материала на 20–30 %.

Для процессов ХОП–CVD характерна сильная зависимость качества формируемых покрытий от субструктуры субстрата (твердого сплава), так как зарождение центров конденсации и рост покрытий имеют выраженную эпитаксию – ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого. В частности, при формировании покрытий типа TiC на твердосплавных субстратах (например, WC–Co) зарождение центров конденсации покрытия происходит только на кобальтовых зернах, имеющих максимальное подобие кристаллохимических структур (TiC и Co имеют кубические решетки с почти полным совпадением длин диагоналей). Вследствие этого при полной коалесценции покрытия (от лат. coalesce – срастаюсь, соединяюсь) – слиянии капель при соприкосновении внутри подвижной среды (жидкости, газа) или на поверхности какого-либо тела, непосредственно над карбидными зернами WC возможно образование пор, являющихся опасным дефектом твердого сплава с покрытием, снижающим его качество. Поэтому при производстве твердых сплавов с покрытием большое внимание уделяют качеству и зерновой структуре сплава, в частности используют мелкозернистные и особомелкозернистые структуры, что снижает вероятность образования пор, а непосредственно перед нанесением покры­тия производят насыщение поверхности избыточным углеродом для умень­ше­ния вероятности формирования охрупчивающей h-фазы на границах раздела «субстрат – покрытие».

Наиболее важные направления совершенствования технологий ХОП-CVD связаны с созданием комбинированных процессов, интегрирующих преимущества химических и физических методов синтеза покрытий. Такие методы позволяют значительно снизить температуру процессов ХОП–CVD синтеза покрытий до 200–600 ºС и повысить их производительность (уменьшить время осаждения). Это позволяет не только расширить технологические возможности процессов ХОП–CVDдля более универсального применения, например для нанесения покрытий на инструмент из быстрорежущей стали, но и снижает «эффекты» охрупчивания твердосплавного инструмента, связанные с формированием h-фазы, особенно на границах раздела «покрытие – субстрат». Указанным тенденциям соответствуют разработанные процессы ХОП–CVD, ассистируемые плазмой (PA CVD) и лазерным воздействием с большой плотностью мощности (LA CVD).

Процессы ХОП–CVD получили преимущественное применение при массовом производстве различных типов твердосплавных пластин с покрытием.

Максимальную эффективность твердосплавные инструменты с покрытием ХОП–CVDимеют при чистовом и получистовом непрерывном резании сталей и чугунов. Для операций тяжелой черновой обработки, прерывистого резания, а также резания труднообрабатываемых материалов эффективность инструмента с покрытием CVD существенно снижается.

Методы физического осаждения покрытий ФОП–PVD базируются на генерации вещества в вакуумное пространство камеры с подачей реакционного газа (N₂, O₂, C_xH_y и др.). Различие технологий ФОП–PVD состоит в принципах генерации вещества, различной степени ионизации пароионного потока, конструктивных и технологических особенностях установок.

В практике производства изделий с покрытием различного назначения (например, режущего инструмента) наибольшее применение получили следующие процессы ФОП–PVD (рис. 21.13): испарение электронными пучками при высоко- (a) или низковольтном напряжении с использованием полого катода (б); магнетронное распыление (в–д) с ионизацией плазменного потока различными методами – электронным лучом (в), с использованием полого катода (г) или электрического разряда (д); распыление независимым ионным пучком (е); испарение ионов низковольтной, сильноточной дугой (процессы КИБ) (ж); распыление плазмой неоднородного магнитного поля (з); испарение потоком фотонов (лазерным лучом) (и).

Рис. 21.13. Принципиальные схемы процессов физического осаждения покрытий ФОП–PVD: 1 – субстрат; 2 – напряжение смещения; 3 – ионизация; 4 – полый катод;

5 – испарение или распыление; 6 – источник ионов; 7 – катод; 8 – анод; 10 – система распыления; 11 – направление потока ионов; 12 – лазерный источник; 13 – поток

фотонов; 14 – активированный реакционный газ; 15 – разряд

Размер и форма изделий, на которые принципиально можно нанести покрытие при использовании методов ФОП–PVD, ограничиваются только пространством вакуумной камеры и возможностями перемещения изделия в рабочей камере установки.

В настоящее время широко используют комбинированные методы нанесения покрытий, которые обеспечивают высокоэффективную предварительную подготовку поверхности изделия и существенно улучшают качественные параметры покрытия. Комбинированные процессы формирования покрытий, позволяющие существенно улучшить их свойства и повысить эксплуатационные характеристики изделий, все шире применяются при промышленном производстве различных изделий. Например, комбинированные процессы позволяют создавать: высокоизносостойкие аморфноподобные структуры покрытия, получаемые при комбинировании вакуумно-дугового осаждения и воздействия лазерным лучом высокой плотности мощности; ультрамелкодисперсные (нано-структурированные) покрытия с размерами зерна 20–80 нм и повышенной сопротивляемостью коррозии и окислению при повышенных температурах, получаемые при комбинировании вакуумно-дугового или магнетронного осаждения и легирования путем имплантации металлических и газовых ионов; покрытия с улучшенной структурой за счет комбинирования процессов ФОП–PVD и ХОП–CVD в одном технологическом цикле; износостойкие комплексы с повышенной сопротивляемостью вязкому разрушению при повышенных температурных нагрузках для инструмента из быстрорежущих сталей и полутеплостойких штамповых сталей, формируемые путем комбинирования стимулированного несамостоятельного газового разряда и вакуумно-дугового осаждения покрытий различного состава, структуры и свойств.

Методы вакуумно-дугового осаждения покрытий, именуемые КИБ или MeVVA (Metal Vapor Vacuum Arc),получили широкое применение в практике производства различного инструмента (особенно из быстрорежущих и полутеплостойких штамповых сталей).

Методы КИБ–MeVVA основаны на генерации вещества катодным пятном вакуумной дуги сильноточного, низковольтного разряда, развивающегося исключительно в парах материала катода (рис. 21.13, ж). Для процессов КИБ–MeVVA характерна высокая производительность осаждения покрытий, в десятки раз превышающая производительность процессов ХОП–CVD, что связано с возможностью ускорения высокоионизированного потока ионов путем приложения отрицательного потенциала (относительно корпуса камеры) на субстрат, а также возможностью значительного повышения плотности и гомогенности плазменного потока использованием специальных ускоряющих магнитных систем (холловские ускорители).

Технологические возможности испарителя существенно расширяются при наложении на плазменный поток дополнительного внешнего аксиально расходящегося электромагнитного поля, которое позволяет изменять параметры плазменного потока (скорость, плотность и т. д.). Реализуется режим плазменного ускорителя, обычно называемого холловским торцевым эрозионным плазменным ускорителем. В ускорителе имеются две зоны – зона генерации (область катодных микропятен), процессы в которой не зависят от магнитного поля и определяются лишь свойствами материала катоды, и зона ускорения (в объеме системы), на процессы в которой сильное влияние оказывает магнитное поле.

Таким образом, электродуговые испарители представляют собой двухступенчатые системы, в которых генерация пароионного потока и его предионизация осуществляются катодным пятном вакуумной дуги в первой ступени процесса, а полная ионизация и ускорение ионов, а также активация реакционного газа интенсифицируют процесс синтеза покрытий во второй ступени, в основе которой лежит разряд в скрещенных электрическом и магнитных полях.

Для процессов КИБ–MeVVA чрезвычайно важны плотность ионного потока и энергия ионов при бомбардировке субстрата и последующем осаждении покрытия. Кинетическая энергия иона в момент удара по поверхности субстрата W_i определяется атомным строением испаряемого вещества, значением ускоряющего напряжения U_IB, подаваемого на субстрат, кратностью заряда ионов eZ: W_i = W_io + eZ U_IB,где W_io – энергия ионов в катодном пятне при выходе с испарителя.

В зависимости от времени воздействия энергия ионов определяет температуру на рабочих поверхностях инструмента, величина которой чрезвычайно важна с точки зрения создания необходимого уровня термического активирования поверхности субстрата перед нанесением покрытия и благоприятного протекания плазмохимической реакции с образованием тугоплавких, термодинамически устойчивых соединений стехиометрического состава.

Вместе с тем процессы КИБ–MeVVA обладают недостатками, которые заключаются: в формировании макро- и микрочастиц при генерации плазмы (особенно для металлов с относительно небольшим атомным весом и плотностью типа Ti, Al, Cr и др.), которые являются опасным дефектом покрытия, снижающим эксплуатационную эффективность изделий, особенно если расположены на границах раздела системы «субстрат – покрытие» или на по­верхности покрытия; совмещении процессов термоактивации (нагрева) и ионной очистки поверхностей изделия перед нанесением покрытия, что, с одной стороны, может привести к электроэрозии его режущих кромок (за счет стохастичного формирования микродуг), с другой – к резкому ухудшению качества поверхности покрытия из-за недостаточно хорошей ионной очистки поверхности; эффектах «направленности» плазменного потока, оказывающего влияние на формирование наиболее качественного покрытия только при перпендикулярности плазменного потока поверхности изделия, что приводит к необходимости перемещений инструмента относительно плазменного потока в камере установки.

В настоящее время основные тенденции совершенствования процессов КИБ связаны: с разработкой процессов и устройств для фильтрации паро-ионного потока с целью сепарации макро- и микрочастиц; гашением микродуг с целью предотвращения электроэрозионного растравливания режущих кромок и рабочих поверхностей инструмента; разработкой процессов и устройств, позволяющих формировать микро- и наноструктурированные покрытия различного состава и архитектуры; разработкой методов направленного управления микроструктурой и свойствами покрытий с использованием комбинированных процессов (лазерное ассистирование, ассистирующая предварительная, сопутствующая и последующая обработка ионами с энергиями порядка 50–200 кЭв, комбинированная обработка стимулированной электрическим разрядом ХТО с последующим осаждением покрытия и т. д.).

Для устранения недостатков процессов КИБ–MeVVA была разработана специальная вакуумно-дуговая установка ВИТ-2, принципиальная схема которой показана на рисунке 21.14.

а) б)

Рис. 21.14. Схема вакуумно-дуговой установки с фильтрацией пароионного потока ВИТ-2:

а – принципиальная схема установки ВИТ-2, б – система фильтрации нейтральных и микрокапельных частиц, формируемых в процессе синтеза покрытия; 1 – газосмеситель; 2 – вакуумметр; 3 – камера установки; 4 – источник электропитания катода

с фильтрацией пароионного потока; 5 – система контроля температуры;

6 – вакуумная система; 7, 9 – стандартные дуговые испарители; 8 – дуговой

испаритель с системой фильтрации (сепарации) пароионного потока; 10 – система
перемещения изделий в камере установки; 11 – системы охлаждения испарителей;

12, 13 – источники электропитания стандартных испарителей; 14 – система подачи напряжения смещения в импульсном режиме на изделие; 15 – система нагрева

и охлаждения камеры; U_с, U_cor – соответственно напряжение

на субстрате (изделии) и корпусе фильтрующего устройства

На рисунке 21.15 представлены микрофотографии поверхности покрытия (Ti, Al)N, полученные при использовании стандартной технологии и технологии с фильтрацией пароионного потока на установке ВИТ-2 (см. рис. 21.14, а, б). Использование режущего и штампового инструмента с высококачественным бездефектным покрытием позволяет существенно улучшить практически все показатели обработки: качество и точность, износостойкость и надежность инструмента.

Рис. 21.15. Структура поверхности покрытия (Ti, Al)N, полученного

при использовании стандартной технологии (а) и технологии

с фильтрацией плазменного потока (б)

Анализ исследований в области применения различных процессов синтеза износостойких покрытий для режущего инструмента показал, что тенденции совершенствования таких процессов связаны с разработкой комбинированных методов синтеза покрытий, интегрирующих эффекты химико-термических и вакуумно-дуговых процессов или комбинирующих физико-химическое воздействие на рабочие поверхности инструмента.

В частности, для направленной модификации свойств поверхности инструментального материала осаждение покрытий сопровождают (ассистируют) одновременным воздействием на осаждаемый конденсат и поверхность инструмента низко- и среднеэнергетической плазмой (стимулированная химико-термическая обработка с энергиями ассистирующих ионов 0,3–10 кэВ), высокоэнергетическими пучками ионов с энергиями до 20–200 кэВ (ионная имплантация).

Заметное применение получили процессы, комбинирующие ионно-плазменный синтез покрытий с ассистирующим или последовательным лазерным воздействием. Такая комбинация позволяет не только улучшить управляемость процессами испарения металла и гомогенность ионного потока, но и обеспечивает возможность направленного воздействия на поверхностные дефекты покрытия непосредственно при синтезе или после завершения их формирования, что позволяет заметно улучшить качество инструмента с покрытием и его эксплуатационные показатели. Тенденции совершенствования современных процессов синтеза износостойких покрытий для режущего инструмента обобщенно показаны на рисунке 21.16.

Рис. 21.16. Основные технологические процессы модификации
поверхностных свойств инструментальных материалов
и методы их совершенствования

Таким образом, комбинированные методы модификации поверхностных свойств изделий не только существенно расширяют технологические возможности основных процессов, но и обеспечивают возможность получения покрытий различной архитектуры (однослойные, многослойные, супермногослойные и т. д.), состава (одноэлементные, композиционные и т.д.) и структуры (макро-, микро- и наноструктурированные), а также существенно повышают работоспособность изделий различного применения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бельский, Е. И. Новые материалы в технике / Е. И. Бельский,
А. М. Дмитрович, Е. Б. Ложечников. – Мн. : Беларусь, 1971. – 272 с.

2. Васин, С. А. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании : учеб. для техн. вузов / С. А. Васин, А. С. Верещака, В.С. Кушнер. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. – 448 с.

3. Геллер, Ю. А. Инструментальные стали / Ю. А. Геллер. – М. : Металлургия, 1975. – 584 с.

4. Каменев, Е. И. Применение пластических масс : справ. / Е. И. Каменев, Г. Д. Мясников, М. Н. Платонов. – Л. : Химия, 1985. – 540 с.

5. Куликов, И. Л. Неметаллические и композиционные материалы : учеб. пособие / И. Л. Куликов. – Омск : Изд-во ОТТИ, 2001. – 102 с.

6. Кушнер, В. С. Тепловые основы технологических способов машиностроительного производства : учеб. пособие / В. С. Кушнер. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 1995. – 68 с.

7. Лоладзе, Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента
/ Т. Н. Лоладзе. – М. : Машиностроение, 1982. – 320 с.

8. Лыков, А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков. – М. : ГИТТЛ, 1952. – 600 с.

9. Малинин, Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести : учеб. для студентов вузов / Н. Н. Малинин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 1975. – 400 с.

10. Материаловедение и технология конструкционных материалов : учеб. для студентов вузов / Ю. П. Солнцев [и др.]. – М. : Металлургия, 1988. – 511 с.

11. Материаловедение и технология конструкционных материалов для железнодорожной техники : учеб. для вузов ж.-д. трансп. / Н. Н. Воронин,
Д. Г. Евсеев, В. В. Засыпкин [и др.] ; под ред. Н. Н. Воронина. – М. : Маршрут, 2004. – 456 с.

12. Машков, Ю. К. Конструкционные пластмассы и полимерные композиционные материалы : учеб. пособие / Ю. К. Машков, М. Ю. Байбарацкая,
Б. В. Григоревский. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2002. – 130 с.

13. Полевой, С. Н. Упрочнение машиностроительных материалов : справ. / С. Н. Полевой. – 2-е. изд. – М. : Машиностроение, 1994. – 495 с.

14. Политехнический словарь / гл. ред. И. И. Артоболевский. – М. : Советская энциклопедия, 1977. – 608 с.

15. Порошковая металлургия : справ. / под ред. И. М. Федорченко [и др.]. – Киев : Наукова Думка, 1985. – 624 с.

16. Резников, А. Н. Теплофизика резания / А. Н. Резников. – М. : Машиностроение, 1969. – 288 с.

17. Ричардсон, М. Промышленные композиционные материалы / М. Ричардсон. – М. : Химия, 1980. – 472 с.

18. Рыкалин, Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке : учеб.
пособие для машиностроительных вузов / Н. Н. Рыкалин. – М. : МАШГИЗ, 1951. – 296 с.

19. Справочник инструментальщика / И. А. Ординарцев, Г. В. Филиппов, А. Н. Шевченко [и др.] ; под общ. ред. И. А. Ординарцева. – Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987. – 846 с.

20. Справочник по технологии резания материалов : в 2 кн. / ред. нем. изд.: Г. Шпур, Т. Штеферле ; пер. с нем. под ред. Ю. М. Соломенцева. – М. : Машиностроение, 1985. – Кн. 1. – 616 с, Кн. 2. – 688 с.

21. Сторожев, М. В. Теория обработки металлов давлением : учеб. для машиностроительных и политехнических вузов / М. В. Сторожев, Е. И. Попов. – М. : Машгиз, 1957. – 323 с.

22. Технологические процессы в машиностроении : учеб. для машиностроительных направлений и специальностей техн. университетов / В. С. Кушнер, А. С. Верещака, А. Г. Схиртладзе, Д. А. Негров ; под ред. В. С. Кушнера. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2005. – Ч. 1–3.

23. Технология конструкционных материалов : учеб. для машиностр. спец. вузов / А. М. Дальский [и др.] ; под общ. ред. А. М. Дальско­го. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 1985. – 448 с.

24. Технология резиновых изделий: учеб. для студентов вузов /
Ю. О. Авер­ко-Антонович, Р. Я. Омельченко, Н. А. Охотина, Ю. Р. Эбич. – Л. : Химия, 1991. – 352 с.

25. Трент, Е. М. Резание металлов / Е. М. Трент ; пер. с англ. Г. И. Айзенштока. – М. : Машиностроение, 1980. – 263 с.

26. Фетисов, Г. П. Материаловедение и технология металлов : учебник
/ Г. П. Фетисов. – М. : Высш. шк., 2001. – 638 с.

27. Физические величины : справочник / А. П. Бабичев [и др.] ; под ред.
И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. – М. : Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.

28. Физическое металловедение: справ. : в 3 т. / под ред. У. Р. Кана
и П. Хайзена. – М. : Металлургия, 1987.

Учебное издание