ВЛИЯНИЕ ИОННОЙ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С ПОКРЫТИЕМ

 

Мигранов М.Ш. (УГАТУ, г. Уфа, РФ)

 

Results of experimental researches of wear resistance of the cutting tool with the modified surface and a multilayered covering are resulted.

 

Известно [1,2], что высокая износостойкость инструментов с твердым покрытием определяется тем, что они функционируют в качестве экрана для контактирующих поверхностей инструмента, тем самым защищая их от внешнего воздействия при резании. В основном это происходит во время стационарной стадии износа (нормальном износе). Однако, неизбежный износ покрытия приводит в дальнейшем к воздействию на базовый материал инструмента, фрикционные свойства которого значительно хуже свойств покрытия. В результате этого износ инструмента быстро вступает в свою катастрофическую фазу. Продление стадии нормального трения, однако, вполне осуществимо. Это достигается в многослойных покрытиях нанесением дополнительного нижнего слоя на поверхность основы инструмента. Этот слой должен сочетать в себе свойства и способности создавать защитные вторичные структуры в межфазовом слое покрытия и подложки. Одним из способов создания таких слоев является ионная модификация (легирование или смешивание) поверхности инструмента.

В данной работе представлено исследование влияния антифрикционного состава подложки на трибологические свойства режущего инструмента и определение наилучшей основы для разработки многослойных покрытий с программируемым изменением свойств, обеспечивающих для каждого слоя покрытия выполнение функции износостойкости на соответствующей стадии износа.

Покрытие было нанесено с помощью трех устройств. Используемая в качестве основы быстрорежущая сталь была предварительно азотирована в тлеющем разряде. Затем поверхность инструмента была модифицирована добавлением ионов до нанесения твердого покрытия. Наконец, модифицированный слой (Ti, Cr)N был покрыт с помощью ФОП - метода.

Ионное азотирование подложки из быстрорежущей стали производилось в специальном устройстве для ионного азотирования в сочетании с нагреванием. Твердое покрытие наносилось плазмой с дуговым разрядом катода (CAPDP). Поверхностный слой очищался до имплантации специальной небольшой по времени обработкой в тлеющем разряде для улучшения адгезии ФОП - покрытия с подложкой. До нанесения ФОП - покрытия каждый из образцов был имплантирован ионами одного из шестнадцати различных элементов с помощью высокоэнергетического ионного имплантора. До ионной имплантации исследуемых элементов было проведено травление поверхности ионами аргона. Основой инструментального материала была быстрорежущая сталь Р6М5.

Для ионной имплантации были выбраны химические элементы с наименьшей совместимостью в трибопарах с железом, никелем и титаном, т.е. с металлами, входящими в состав обрабатываемых материалов [2, 4]: низколегированных, теплостойких и некоррозийных сталей, а также титановых и никелевых сплавов, широко используемых в деталях машин. Более того, азотированная поверхность инструмента подвергалась ионному смешиванию с четырьмя типами антифрикционных сплавов, часто используемых для улучшения условий трения скольжения: сплава на основе цинка Zn + Al(9%) + Cu(2%); сплава на основе Cu + Pb(12%) + Sn(8%); сплава на основе свинца Pb + Sn(1%) + Cu(3%) и сплава на основе алюминия Al + Sn(20%) + Cu(1%) + Si(0,5%).

Износостойкость инструмента с покрытиями исследовалась при точении Стали 40 Х четырехгранными быстросменными пластинами из быстрорежущей стали в широком диапазоне изменения элементов режима резания. Резание проводилось как с охлаждающей жидкостью, так и без нее. Влияние ионной модификации поверхности на износостойкость резцов было оценено путем сравнения периодов стойкости инструментов с предложенными многослойными покрытиями инструментов с поверхностными технологическим покрытиями без дополнительной ионной модификации. Коэффициент износостойкости инструмента был определен как отношение времени, необходимого для резания до соответствующего техническим условиям значения износа инструмента с многослойным покрытием, к времени, необходимого для резания инструментом с модифицированной поверхностью и покрытием (Ti,Cr)N + ионное азотирование).

Результаты экспериментальных исследований показали, что влияние имплантируемых элементов на износостойкость инструмента, в значительной степени, определяется условиями резания. Рабочая температура при высокоскоростном резании составляет около 600°С (870 - 900 К). Если используется охлаждающая жидкость, температура снижается не менее, чем на 100°. В этом случае эффект имплантации изменяется в зависимости от того, выполняется ли резание с помощью охлаждающей жидкости или без нее. В целом, ионная модификация поверхности резца значительно влияет на его износостойкость и эти результаты не противоречат данным других исследований. По нашему мнению, на повышение износостойкости резца оказывает влияние комплексное сочетание многочисленных взаимосвязанных факторов. Сюда относятся факторы, которые дают возможность:

- образовывать жидкие и газообразные фазы или легкоплавкую эвтектику, которые действуют как смазочные вещества;

- создавать аморфные кислородосодержащие пленки с низкими коэффициентами трения и теплопроводностью;

- снизить прилипание поверхности инструмента к обрабатываемому материалу и в то же самое время повысить адгезию твердого покрытия ФОП с модифицированной основой.

Имплантирование химических элементов позволяет получать лучшие результаты. Такие элементы, как индий, серебро и азот, повышают износостойкость инструмента в 2 - 3 раза при различных условиях резания (с охлаждающей жидкостью и без нее).

Для оценки антифрикционных свойств слоя мы использовали адгезионный компонент коэффициента трения, который определялся с помощью адгезиомера [3]. Этот компонент важен для оценки и прогнозирования интенсивности износа при трении металлов  и представляет собой отношение сопротивления сдвигу τ_nn, вызываемому адгезионным взаимодействием между материалами инструмента и обрабатываемой деталью, к нормальному напряжению P_rn, возникающему на пластическом контакте при температурах испытания (τ_nn/P_rn).

Исследование зависимости коэффициента трения от температуры для образцов с модифицированной поверхностью показали, что индий (In) улучшает фрикционные свойства быстрорежущей стали (рис.1). Действуя как смазочное вещество, In снижает сопротивление сдвигу τ_nn адгезионных связей, возникших в трибопарах.

Рисунок 1- Влияние температуры при испытании на фрикционные свойства
режущих инструментов из быстрорежущей стали с модифицированной
поверхностью:l – ионное азотирование Р6М5; ¡ – ионное азотирование
Р6М5 + имплантация In

 

Следовательно, оптимизируя технологию имплантации и смешивания ионов в дополнительном слое можно увеличить позитивное влияние ионной модификации на износ инструмента. Исследования показали целесообразность сочетания ионной имплантации и ФОП (физическое осаждение покрытия) – обработки в пределах технологического цикла одного многоцелевого устройства для нанесения покрытий.

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.      Мигранов М.Ш., Шустер Л.Ш. Интенсификация процесса металлообработки на основе использования эффекта самоорганизации при трении.  – М.: Машиностроение, 2005. – 202 с.