ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С НАНОСТРУКТУРНЫМ ПОКРЫТИЕМ
Мигранов М.Ш. (УГАТУ, г. Уфа, РФ)
Results of experimental researches of wear resistance hot powder tool materials on the basis of fast-cutting steel with various coverings are given at turning constructional steel.
Такие покрытия как (TiAl)N характеризуются уникальными комбинациями свойств: высокой твердостью при повышенных температурах в зоне контакта вместе с термической и химической устойчивостью и низкой теплопроводностью. Важным преимуществом (TiAl)N покрытий является их склонность к окислению и к образованию относительно устойчивых поверхностных оксидных пленок. Дальнейшее повышение износостойкости (TiAl)N покрытий при резании можно получить путем доведения измельчения зерна до уровня наношкалы (размер зерна менее 100 нм) [1,2]. Это можно осуществить легированием (TiAl)N покрытий на инструментальный материал с помощью фильтрации магнитной дугой.
Были исследованы два типа покрытий (TiAl)N: обычное монослойное покрытие – (TiAl)N и усовершенствованное покрытие – (TiAl)N. Усовершенствованные покрытия наносились при фильтрации с помощью МДФ на установке типа ННВ-6.6-11. Такая схема позволяет воздействовать на физикохимические и плазмохимического процессы при нанесении термостойких покрытий за счет увеличения скорости ионизации как металлов, так и химически активных газов. При этом удается практически исключить образование капельных фаз, а также благодаря высокой скорости плазменной ионизации в камере установки и относительно низкой скорости нанесения покрытия, температура вначале кристаллизации низкая. Ионная бомбардировка с низкой энергией растущих пленок может ограничить рост зерен и способствовать образованию нанокристаллического слоя [2].
Поверхностная морфология и микроструктура покрытий была исследована с помощью просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии на установке JEOL JEM-201. Химический состав вторичных структур, возникающих на поверхности режущего инструмента при резании, исследовался с помощью вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС), оже-электронной спектроскопии (ОЭС - «JXA-8400. Износ покрытий исследовался при обработке резанием стали 40Х. Была исследована износостойкость четырехгранных быстросменных пластинок на основе ТТ8К6 с покрытиями (TiAl)N, определены коэффициент трения на поверхности резания, коэффициент усадки стружки, угол условной плоскости сдвига обрабатываемого материала и измерены составляющие усилий резания с помощью динамометра УДМ-600. Адгезия покрытия к подложке определялась с помощью адгезиомера [3].
Данные, характеризующие исследуемые покрытия показывают, что два исследуемых покрытия близки по стехиометрическому составу, а отношение Al к Ti в обычном (TiAl)N покрытии ниже (0,88) по сравнению с МДФ (1,0). Основная особенность фильтрованных покрытий – это ультрамелкозернистая структура. Размеры зерна составляют примерно 60-80 нм вместо 100 – 120 нм для обычных (TiAl)N.
Износостойкость покрытий в значительной степени зависит от используемых режимов резания. При умеренных скоростях резания (250 м/мин) износостойкость инструмента с обычным покрытием выше фильтрованного, вследствие благоприятного сочетания твердости и адгезии с подложкой (рис. 1, а). Но износостойкость такого покрытия значительно уменьшается при скоростях резания выше 350 м/мин. Во время высокоскоростной обработки преобладает окислительный износ инструмента [4, 5], и устойчивость образующихся оксидных пленок с покрытием определяет износостойкость режущего инструмента. Вот почему фильтрованные покрытия с большим сопротивлением окислению имеют и более высокую износостойкость при высоких скоростях резания в диапазоне 450 м/мин (рис. 1, а). Для объяснения механизма этого явления были проведены дополнительные исследования поверхностей режущего инструмента и обрабатываемой детали.
Интенсивное трибоокисление поверхности режущего инструмента происходит во время высокоскоростной обработки. На рис. 2 приведены Оже-электронные спектры для изношенных инструментов с обычными (а) и фильтрованными (b) покрытиями. Окисление контактных поверхностей очевидно, о чем свидетельствует наличие большого количества кислорода в обоих спектрах. Линия Ti значительно растянута (рис. 2, b) в этой зоне; это – результат окислительного процесса. Повышенное количество оксида алюминия наблюдается на спектре фильтрованных покрытий, который показан как сдвиг в алюминиевой линии к зоне более низкой энергии (60 эВ).
Основываясь на данных, представленных на рис. 1 – 2, можно заключить, что оксидные пленки, которые образуются на поверхности инструмента с (TiAl)N покрытиями, являются смесью из оксида алюминия и рутила, но только слой из оксида алюминия является защитным [2,5].
Во время высокоскоростной обработки пленки из оксида алюминия, образующиеся на поверхности, ограничивают взаимодействие нижележащих слоев покрытия с материалом детали и на инструменте образуются два типа защитных кислородосодержащих пленок на основе алюминия: аморфноподобные и кристаллические. Эти пленки оксида алюминия способствуют уменьшению износа, так как из-за низкой теплопроводности они препятствуют интенсивному отводу тепла, выработанному во время резания в тело режущего инструмента и значительному улучшению триботехнических параметров.
Коэффициент трения на передней поверхности резца для фильтрованных покрытий ниже (0,857) по сравнению с обычным покрытием (0,986). В результате благоприятных изменений в условиях трения, интенсивность изнашивания резцов с фильтрованными покрытиями уменьшается (рис. 1, б) и, таким образом, значительно повышает износостойкость инструмента.
а)
б)
Рисунок 1- Результаты стойкостных исследований при точении стали 40Х резцами ТТ8К6 с различными покрытиями (S = 0,11 мм/об; t = 0,5 мм):
а) – влияние скорости резания на путь резания (при hз = 0,3 мм);
б) – влияние пути резания на износ инструмента по задней поверхности
(при V = 450 м/мин)
Рисунок 2- Оже-электронные спектры поверхностей
изношенных пластинок
с покрытиями (TiAl)N (V = 450
м/мин): a – обычное покрытие (l = 2280
м);
b – фильтрованное покрытие (l = 8900
м)
Литература
1. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение, 1993. – 336 с.
2. G.S. Fox-Rabinovich and other. Characteristic features of alloying HSS – based deformed compound powder materials with consideration for tool self – organization at cutting. / Wear. 206. 1997y. – р. 214.
3. Шустер Л.Ш., Мигранов М.Ш. Прибор для исследования адгезионного взаимодействия. Патент на полезную модель № 34249 от 24.06.2003 г.
4. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. – М.: Машиностроение, 1982. – 320 с.
5. Мигранов М.Ш., Шустер Л.Ш. Интенсификация процесса металлообработки на основе использования эффекта самоорганизации при трении. – М.: Машиностроение, 2005. – 202 с.