Интеграция мировых научных процессов как основа общественного прогресса. Выпуск №12. Часть 2

ИНТЕГРАЦИЯ МИРОВЫХ НАУЧНЫХ ПРОЦЕССОВ КАК ОСНОВА ОБЩЕСТВЕННОГО ПРОГРЕССА

Стр. 72

конструкционных сталей, до 4 раз — при резании корозионностойких и жаропрочных сталей, в 1,5-2,5 раза — при обработке титановых и никелевых сплавов. Однако не всегда применение покрытий для режущего инструмента экономически обоснованно и приводит к ожидаемому эффекту. Для того чтобы оценить целесообразность и эффективность их использования, необходимo знание основных принципов применения инструмента с износостойкими покрытиями.

К износостойкому покрытию для режущего инструмента предъявляется ряд требований:

-высокая микротвердость, в 1,5-2 раза превышающая твердость инструментального материала;

-высокая износостойкость (сопротивление к поверхностному усталостному разрушению);

-низкая склонность к адгезии (химическому взаимодействию) с обрабатываемым материалом;

-сохранение основных свойств при высоких температурах (быть устойчивым против коррозии и окисления);

-минимальная способность к диффузионному растворению в обрабатываемом материале;

-высокая прочность сцепления с инструментальным материалом.

Первые износостойкие покрытия для металлорежущего инструмента появились в шестидесятых годах прошлого века в виде самого примитивного по сегодняшним меркам карбида титана TiC, применявшегося на первых покрытых сменных неперетачиваемых пластинах. Эта новинка мгновенно увеличила производительность на 50% и придала огромный импульс для развития машиностроения в целом. Так, за десять лет с 1970 по 1980 год скорости резания при снятии основного припуска при токарной обработке возросли в среднем со 100 –120 до 150–200 м/мин. Металл стали обрабатывать быстрее, качественнее, экономичнее.

Так, благодаря износостойким покрытиям, была поставлена точка в развитии инструмента с напайными пластинами. Конструкции инструментов со сменными неперетачиваемыми пластинами показали значительно более высокий потенциал совершенствования, поскольку износостойкое покрытие легко может быть нанесено только на сменную режущую часть, и тем самым сборные инструменты сразу получили решающее конкурентное преимущество. Также в этот период стала активно развиваться автоматизация металлорежущего оборудования на базе ЧПУ. Инструменты со стабильной геометрией режущей части, восстанавливаемой за счет замены режущей кромки поворотной пластины с высокими эксплуатационными характеристиками, полученными от применения износостойких покрытий, были жизненно необходимы для исключения потребности постоянного контроля оператора за процессом обработки. Увеличение стоимости такого автоматизированного оборудования можно было оправдать только одновременным значительным ростом производительности обработки, и износостойкие покрытия

ИНТЕГРАЦИЯ МИРОВЫХ НАУЧНЫХ ПРОЦЕССОВ КАК ОСНОВА ОБЩЕСТВЕННОГО ПРОГРЕССА

Стр. 73

оказались наиболее эффективным и сравнительно недорогим методом достижения этой цели.

Наибольшее распространение в качестве материала покрытий на твердых сплавах получили карбиды, нитриды, карбонитриды титана и оксид алюминия. Титановые покрытия значительно повышают поверхностную твердость основы даже при очень высоких температурах, в результате износостойкость инструмента многократно увеличивается. За счет снижения трения между инструментом и объектом обработки, зачастую отпадает необходимость применять охлаждение, а скорость работы возрастает от 10 до 50 %. Обыкновенно, их используют для обработки твердосплавных инструментов, например, сверл и разнообразного режущего оборудования.

В начале 80-х годов прошлого века начали применяться и сразу же продемонстрировали экономическую эффективность покрытия нитрида титана TiN. Нитрид титана (TiN) сохраняет твердость 2800 HV и тепловую стабильность до 540 С, его используют для покрытий хирургических инструментов и оборудования пищевой промышленности. Увеличивается подача, повышается износостойкость и долговечность инструмента. Покрытие нитрид титан-алюминия (TiAlN) позволяет сохранять твердость 2800 HV при температуре до 800 С, это - очень эффективное покрытие для механической обработки труднообрабатываемых, инструментальных сталей, нержавеющей стали, чугуна и цветных металлов. Покрытые TiAlN инструменты могут работать при более высоких скоростях и подачах, а также могут использоваться в работе с охлаждением. Покрытие карбонитрид титана (TiCN) имеет поверхностную твердость в районе 4000 HV, тепловую стабильность до 400 С. Использование этого покрытия особенно выгодно при обработке чугуна, кремнистого алюминия, некоторых цветных и абразивных материалов.

Следующим шагом было создание двухслойных покрытий, состоящих из последовательно нанесенных слоев карбида титана TiC или карбонитрида титана TiCN и тонкого поверхностного слоя оксида алюминия Al2O3. Сегодня покрытия делают многослойными. Возьмем, к примеру, довольно распространенный вид покрытия TiCN-Al2O3-TiN. В нем каждый слой несет свою функцию: TiCN служит

вкачестве связки между основным слоем и поверхностью инструмента, слой

оксида алюминия (Al2O3) защищает инструмент от воздействия высокой температуры, а TiN обладает высокой твердостью и износостойкостью. Получается

всвоем роде «пирог», причем каждый слой не имеет явно выраженных границ. Наибольшее распространение в качестве материала покрытий на твердых

сплавах получили карбиды, нитриды, карбонитриды титана и оксид алюминия. Титановые покрытия значительно повышают поверхностную твердость основы даже при очень высоких температурах, в результате износостойкость инструмента многократно увеличивается. За счет снижения трения между инструментом и объектом обработки, зачастую отпадает необходимость применять охлаждение, а скорость работы возрастает от 10 до 50 %. Обыкновенно, их используют для обработки твердосплавных инструментов, например, сверл и разнообразного

ИНТЕГРАЦИЯ МИРОВЫХ НАУЧНЫХ ПРОЦЕССОВ КАК ОСНОВА ОБЩЕСТВЕННОГО ПРОГРЕССА

Стр. 74

режущего оборудования.

В начале 80-х годов прошлого века начали применяться и сразу же продемонстрировали экономическую эффективность покрытия нитрида титана TiN. Нитрид титана (TiN) сохраняет твердость 2800 HV и тепловую стабильность до 540 С, его используют для покрытий хирургических инструментов и оборудования пищевой промышленности. Увеличивается подача, повышается износостойкость и долговечность инструмента. Покрытие нитрид титан-алюминия (TiAlN) позволяет сохранять твердость 2800 HV при температуре до 800 С, это - очень эффективное покрытие для механической обработки труднообрабатываемых, инструментальных сталей, нержавеющей стали, чугуна и цветных металлов. Покрытые TiAlN инструменты могут работать при более высоких скоростях и подачах, а также могут использоваться в работе с охлаждением. Покрытие карбонитрид титана (TiCN) имеет поверхностную твердость в районе 4000 HV, тепловую стабильность до 400° С. Использование этого покрытия особенно выгодно при обработке чугуна, кремнистого алюминия, некоторых цветных и абразивных материалов.

Следующим шагом было создание двухслойных покрытий, состоящих из последовательно нанесенных слоев карбида титана TiC или карбонитрида титана TiCN и тонкого поверхностного слоя оксида алюминия Al2O3. Сегодня покрытия делают многослойными. Возьмем, к примеру, довольно распространенный вид покрытия TiCN-Al2O3-TiN. В нем каждый слой несет свою функцию: TiCN служит

вкачестве связки между основным слоем и поверхностью инструмента, слой

оксида алюминия (Al2O3) защищает инструмент от воздействия высокой температуры, а TiN обладает высокой твердостью и износостойкостью. Получается

всвоем роде «пирог», причем каждый слой не имеет явно выраженных границ.

Основным критерием при определении работоспособности инструмента является температура, которая, в первую очередь, зависит от скорости резания. При увеличении скорости резания температура возрастает, однако, дойдя до определенного предела, она остается неизменной в течение всего процесса. Чем выше температура, тем активнее на границе проходят процессы диффузии (растворения) и трещинообразования, что приводит к катастрофическому разупрочнению режущей кромки. Поэтому применение защитных покрытий обязательно в случае высокоскоростной обработки при высоких температурах. Покрытия также могут выполнять роль смазки и снижать трение, препятствуя абразивному износу.

После появления износостойких покрытий появилась необходимость в серьёзных исследованиях как в области совершенствования технологии, так и в области разработки принципиально иных методов их нанесения. Основная задача – борьба с хрупкостью поверхностного слоя. Как известно, разные материалы имеют разный температурный коэффициент расширения, поэтому при увеличении температуры материал инструмента и материал покрытия увеличиваются в объеме по-разному. Отсюда возникают трещины, а затем и разрушение покрытия. Способ борьбы с этим явлением поражает своей парадоксальностью: если известно, что

ИНТЕГРАЦИЯ МИРОВЫХ НАУЧНЫХ ПРОЦЕССОВ КАК ОСНОВА ОБЩЕСТВЕННОГО ПРОГРЕССА

Стр. 75

растягивающие напряжения концентрируются в верхних слоях покрытия, то необходимо сделать его излишне толстым, а затем эти слои удалить.

Впоследнее время активно ведутся разработки высокотвердых алмазоподобных покрытий (DLC). Они обладают высочайшей твердостью (7000 HV), однако сильно подвержены хрупкому разрушению вследствие возникновения внутренних напряжений. При их использовании обязательно применение охлаждающих жидкостей, так как их верхний предел рабочей температуры составляет всего 250 С.

Вбудущем, наверное, следует ожидать разработки СVD покрытий с оксидом

циркония ZrO2. Как показывают опыты, этот материал может препятствовать диффузии компонентов твердого слава в обрабатываемый материал при высоких температурах в 26 раз более эффективно, чем оксид алюминия. При этом он обладает высокой твердостью. Однако пока не удается получить этот оксид в кристаллической форме для покрытий.

Во многих странах в последнее время наметилась тенденция отказа от смазочно-охлаждающей жидкости. Связано это, во-первых, с ее высокой стоимостью, а, во-вторых, с необходимостью ее дальнейшей переработки для исключения вредного воздействия на окружающую среду. Некоторые источники утверждают, что ее доля в себестоимости готовой продукции может достигать 15%. Поэтому вопрос исключения СОЖ из технологии производства сейчас очень актуален. Один из вариантов – разработка специальных покрытий, обладающих как охлаждающим, так и смазывающим эффектом.

Возьмем, к примеру, покрытие TiAlN: при его использовании в большинстве случаев исключается применение СОЖ, при этом срок службы инструмента возрастает. Это связано с пониженным коэффициентом трения, а также стойкостью

кокислению при повышенных температурах (до 800 С). Высокая теплопроводность при непрерывном режиме резания обеспечивает улучшенный теплоотвод и предотвращение отслаивания покрытия. Недаром покрытие TiAlN сегодня является одним из самых инновационных в мире, и многие технологи отдают предпочтение именно ему.

Другой вариант снижения трения при резании – использование многослойных

покрытий на основе TiAlN с наружным слоем MoS2. На самом деле, дисульфид молибдена сложно назвать слоем, так как уже при 300 С он полностью растворяется. Однако он может с успехом выполнять на определенном этапе резания функции СОЖ: приработку («вхождение») инструмента на начальных этапах работы за счет очень низкого коэффициента трения и удаление стружки из зоны резания.

Понятно, что тонкие износостойкие покрытия не могут существенно влиять на износ инструмента с невысокими механическими характеристиками. В этом случае поверхностные свойства нивелируются до уровня объемных механических свойств инструмента. Проще говоря, высокотвердый тонкий слой покрытия на мягкой или недостаточно прочной подложке работать не будет. Малоэффективно нанесение

ИНТЕГРАЦИЯ МИРОВЫХ НАУЧНЫХ ПРОЦЕССОВ КАК ОСНОВА ОБЩЕСТВЕННОГО ПРОГРЕССА

Стр. 77

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 сменных пластин с износостойкими покрытиями составляет 60-90% от общего выпуска твердосплавных пластин, и около 70% всех типов инструментов из быстрорежущей стали.

Опыт эксплуатации инструментов с покрытием позволяет определить 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.

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.

Литература:

1.Ильичев Л.Л., Клевцов Г.В., Рудаков В.И., Насыров Ш. Г., Клевцова Н.А. Использование технологий нанесения ионно-плазменных покрытий для повышения износостойкости и коррозионной стойкости режущего, штампового инструмента и деталей машин // Фундаментальные исследования. – 2005. – № 4 – стр. 71-72.

2."Нанология сегодня и завтра", Вохидов А. С., Добровольский Л. О. / Станочный парк №5(61), Санкт-Петербург, 2009г.

3.Еженедельный обзор нанотехнологических событий “NanoWeek”, 13-19 апреля 2010г.

4.Журнал “Tools Expert”, №1[11].

5.В. Титов, к. т. н., Научно-технический центр компании «Глобус Сталь».