МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ДЛЯ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ Маношин Дмитрий Валерьевич

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН
ДЛЯ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
Маношин Дмитрий Валерьевич
аспирант СГТУ, г. Саратов
E-mail: dimes2012@mail.ru
Появление первых износостойких покрытий совершило революцию в
металлообработке, даже довольно примитивное по сегодняшним меркам
однослойное покрытие TiC, применявшееся на первых покрытых сменных
неперетачиваемых пластинах, давало эффект в повышении производительности
обработки примерно на 50 %. Происходило это в основном за счет увеличения
скоростей резания. Но каждый из известных на сегодняшний день методов
нанесения покрытий на режущий инструмент обладает преимуществами и имеет
недостатки, а также специфическую область применения, которая зависит от
технологических особенностей метода, степени автоматизации, экономических
затрат на процесс нанесения покрытия и т. д.
Успех первых износостойких покрытий нанесенных методом химического
осаждения, который в англоязычной литературе получил название Chemical
Vapour
Deposition
промышленности.
(CVD)
В
обеспечил
настоящий
их
момент
широкое
80 %
распространение
выпускающихся
в
в
мире
твердосплавных инструментов имеют различные покрытия, большую часть
которых составляют покрытия, нанесенные по CVD-технологиям. Данные
технологии обеспечивают равномерное нанесение покрытий высокой плотности
на рабочие поверхности инструмента и обладают достаточно высокой
производительностью (в зависимости от химического состава наносимого
покрытия — до 15 мкм/ч), что делает их особенно привлекательными для
массового производства твердосплавного инструмента. Но одновременно
выявились существенные ограничения использования инструмента с покрытиями.
Появилась
необходимость
в
серьезных
исследований
как
в
области
совершенствования технологии, так и в области разработки принципиально иных
методов нанесения. Основным направлением совершенствования твердого сплава
с покрытием была и остается борьба с хрупкостью его поверхностного слоя.
Растягивающие напряжения в его поверхностном слое достигают опасной
величины, чреватой зарождением трещин. Причиной образования трещин на
поверхности
покрытия
является
разница
температурных
коэффициентов
линейного расширения основы и покрытия. При остывании, пластина сжимается
меньше, чем покрытие, и соответственно покрытие покрывается сетью
нанотрещин. [3 с. 283] В оставшихся целыми участках покрытия сохраняются
остаточные растягивающие напряжения, а такие напряжения в поверхностном
слое любого изделия, в том числе и твердосплавной пластины — это
потенциальная опасность появления новых трещин и усталостного разрушения
при воздействием знакопеременных нагрузок.
Решением
указанной
проблемы
является
специальная
отделка
поверхности. Если известно, что растягивающие напряжения концентрируются
в верхних слоях покрытия, то можно сделать его более толстым, а затем
удалить эти слои одним из способов абразивной полировки. Вместе с
удаленной с поверхности пластины частью слоя покрытия уходят до 80 %
остаточных напряжений.
Рисунок 1. Микроструктура поверхностного слоя твердосплавного
инструмента с покрытием TiCN-Al2O3-TiN
В соответствии с разработанными технологическими принципами на
твердосплавную подложку по стандартной технологии наносится покрытие типа
TiCN-Al203-TiN
(Рис. 1),
где
каждый
слой
выполняет
свою
строго
регламентированную функцию. Слой TiCN является прекрасной связкой и
используется
для
повышения
прочности
адгезионной
связи
между
инструментальным материалом и наружным слоем покрытия, а последующие
слои усиливают защитные функции от различных факторов износа. Слой оксида
алюминия (Al203), служит для защиты твердого сплава от воздействия высокой
температуры и химических видов износа. Слой нитрида титана (TiN), обладает
высокой
твердостью,
низким
коэффициентом
трения
и
высокой
износостойкостью.
После этого передняя поверхность пластины полируется по специальной
технологии, в результате чего полностью снимается слой нитрида титана и
верхняя часть слоя оксида алюминия. Экспериментально доказано, что
удаление всего 2...3 микрона от общей толщины покрытия дает возможность
снизить уровень внутренних растягивающих напряжений в 2 раза и
ликвидировать большую часть зародышей трещин. [2 с. 104] Кроме того,
полировка открывает наиболее плотный и износостойкий слой оксида
алюминия, который наилучшим образом сопротивляется диффузионному и
абразивному износу, а также предохраняет основу пластины от воздействия
тепла. Гладкая передняя поверхность дает дополнительные преимущества при
обработке вязких материалов — на ней практически отсутствует схватывание с
обрабатываемым материалом. Задняя поверхность, сохранившая всю толщину
покрытия, эффективно сопротивляется действующим на нее нагрузкам
связанных с трением.
Данная технология нанесения износостойкого покрытия позволила
улучшить свойства твердого сплава сразу по всем направлениям. В сравнении с
пластинами с обычным покрытием данные имеют:
• большую прочность;
• высокую стойкость к выкрашиванию режущей кромки, термическим
трещинам и всем видам усталостного разрушения;
• лучшую стойкость к пластической деформации;
• более высокую износостойкость;
• более
стабильную
и
предсказуемую
работу
в
неблагоприятных
условиях. [1]
У пластин с пониженным уровнем внутренних напряжений в покрытиях
процесс изнашивания имеет более равномерный характер, они показывают
большую надежность, и тем самым достигается дополнительная экономия за
счет сокращения непредвидимых простоев. Всё это значительно расширяет
область применения, делая его практически универсальным, что позволяет
обрабатывать как обычные стали, так и более сложные труднообрабатываемые
материалы. А так же использовать их как при черновой, так и при чистовой
обработки. Данные сплавы могут быть созданы для работы в широком
диапазоне скоростей резания, при этом превышают показатели сплава со
стандартным покрытием на 10 % по скорости резания и до 30 % по уровню
подач.
а)
б)
Рисунок 2. Твердосплавные пластины с покрытием TiCN-Al203-TiN
после продольного точения 330 деталей из конструкционной стали (НВ
300) при v=300м/мин, s=0,4мм/об, t=3мм: а- стандартное покрытие; бпокрытие после полировки.
На рис. 2 представлены макрофотографии режущих кромок твердосплавной
пластины после обработки 330 деталей с покрытием TiCN-Al203-TiN, нанесенным
по традиционной технологии (а) и с полировкой по специальной технологии (б).
Как видно, в последнем случае покрытие заметно снижает интенсивность
изнашивания инструмента.
Результаты исследований показывают убедительное преимущество новой
технологии обработки покрытия и подтверждают перспективность дальнейших
исследований в этой области. Очевидно, что резерв совершенствования свойств
покрытий за счет новой технологии ещё не исчерпан.
Список литературы:
1. Беляев
М. П.
Пластины
нового
поколения
//
Мир
станочника
[электронный ресурс] — Режим доступа. — URL http://mirstan.ru/
2. Григорьев
С. Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента:
учеб. пособие. Машиностроение, 2009. 368 с.
Поляк М. С.
Технология
упрочнения:
Технологические
упрочнения. Т.1 :учеб. пособие. Машиностроение, 1995, 685 с
методы