Инструментом с износостойкими покрытиями

Возмож­ность широкого изменения поверхностных свойств многослой­но–композиционного покрытия позволяет рассматривать такое пок­рытие как уникальную промежуточную среду, способную не только положительно влиять на свойства инструментального материала, но и управлять процессом резания за счет трансформации его основных характеристик. К таким характеристикам можно отнести длины полного С и пластического С ₁ контакта, коэффициенты трения (средние) по передней m_g и задней m_a поверхностям, углы сдвига j_у и действия w, усадку V, силы резания Р_Z, P_x и Р_y, высоту контактной зоны h _k, нап­ряжения в плоскости сдвига t_Ф, s_Ф, передней q_F, q_N и зад­ней q_{N 1} поверхностях, температурные поля в режущей части инс­трумента и зоне резания.

Рассмотрим основные особенности такой трансформации.

Обобщенные представления о трансформации областей пласти­ческих деформаций металла, происходящих при резании конструк­ционных сталей инструментом с покрытием (применительно к фор­мированию сливной стружки) представлены на рис. 12.13.

Данные получены на основе анализа микрофотографий метал­лографических шлифов неразрушенных контактных зон прирезцовой части стружки и микроснимков контактных площадок инструмента [17].

Покрытие (типа TiC, TiN) на рабочих поверхностях инстру­мента приводит к заметному снижению (на 40–60%) длин контакта, коэффициентов трения (на 10–15%), усадки стружки (на 20–30%), сил резания (на 20–30%) и увеличению угла наклона плоскости сдвига j_у. Отмечено сильное уменьшение размеров области контактных де­формаций и сужение зоны стружкообразования OLM (см. рис. 12.13). Установленная трансформация пластических областей для инструмента с покрытием обусловлена снижением внешнего трения и приводит к перераспределению тепловых потоков за счет снижения мощности основных источников теплоты [17].

Важную роль играет снижение степени легирования локальных объемов обрабатываемого материала на участке пластического контакта. Именно на этом участке реализуются наиболее активные диффузионные процессы, сильно влияющие на сопротивляемость срезаемого слоя пластическому сдвигу [22]. Снижение степени легирования срезаемого слоя, по–видимому, является еще одной причиной уменьшения напряжений сдвига в плоскости сдвига и на перед­ней поверхности. Здесь проявляется роль покрытия как ак­тивного тормоза (а в некоторых случаях и барьера) взаимной диффузии атомов инструментального и обрабатываемого материа­лов.

Рис. 12.13. Схема трансформации зоны деформации при резании инструментом с покрытием (обозначения без штрихов относятся к резанию без покрытия, со штрихами – с покрытием)

Существенное снижение длин полного и особенно пласти­ческого контакта, уменьшение высоты области контактных деформаций, сближение границ области главных де­формаций OLM способствуют стабилизации пластических деформаций и стружкообразования, а также формированию приповерхностных слоев обработанной поверхности детали в более благоприятных условиях.

О стабилизации процесса стружкообразования при использо­вании инструмента с покрытием свидетельствует изменение спект­ра колебаний динамической системы станка.

Характер изменения амплитудно–частотных характеристик динамической системы стан­ка мод. 16П6–1 при точении стали 40Х (НВ 200) инструментом с покрытием и без покрытия показан на рис. 12.14.

В частности, из этих данных следует, что амплитуда А _ср вибро–акустического сигнала низкочастотного спектра (0,5–16 кГц) при использовании твердосплавных пластин с покрытием заметно снижается.

Влияние состава покрытия на контактные площадки инстру­мента в значительной степени зависит от условий обработки. По мере роста толщины среза (подачи), разница между контактными характеристиками, напряжениями сдвига и нагрузками на инстру­мент все больше нивелируется для инструмента с покрытием и без покрытия.

Заметное влияние на характеристики стружкообразования и контактные процессы оказывает и кристаллохимическое строение покрытия.

Здесь следует отметить следующее. Как показано в ра­боте [26], соединения тугоплавких металлов VI группы (нитриды, карбиды, карбонитриды и т.д.) имеют весьма узкие области гомо­генности, что обуславливает гетерофазность их строения. Такие соединения характеризуются низкой склонностью к адгезии с конструкционными сталями, титановым и никелевым сплавом. Как по­казано в работе [17], покрытия CrN и MoN при температурах 20–500°С максимально снижают силу трения в парах со сталями 38ХС, 45, 35ХГСА, 40Х, 36ХНТ10 и сплавами ХН77ТЮР, ВТ14, ВТ20. Однако термостабильность этих покрытий при нагреве свыше 600–700°С резко снижается. С учетом больших возможностей гетерофазных соединений, а также их относительно низкой термоста­бильности, была разработана методика получения гетерофазных покрытий повышенной термодинамической устойчивости. Это дости­галось, например, введением в состав соединений типа CrN, MoN тугоплавких металлов IV–V групп. Для покрытий подобного типа, как показано в работах [17, 22], характеристики стружкообразования и контактных процессов трансформируются наиболее благоп­риятным образом, особенно для систем двойных и тройных нитри­дов типа (Ti,Cr)N, (Ti, Mo)N, (Nb,Zr)N, (Ti,Nb,Cr)N, (Zr,Nb,Cr)N, (Zr,Nb,Mo)N. Подобные покрытия обычно называют композиционными.

Сложной задачей является выбор состава покрытия для труд­нообрабатываемых материалов, так как благоприятное изменение контактных процессов и параметров стружкообразования сильно зависит от состава покрытия [23]. В частности, покрытия TiС и TiN даже несколько ухудшают контактные характеристики стружкообразования при резании труднообрабатываемых сплавов ВТ20 и ХН77ТЮР. Положительный результат был получен при использовании компози­ционных покрытий, нанесение которых на режущий инструмент поз­волило при обработке сложнолегированных сплавов ВТ20 и ХН77ТЮР заметно улучшить характеристики стружкообразования и контактных процессов (рис. 12.15).

При точении слава ХН77ТЮР твердосплавными пластинами ВК6 с покрытием (Ti,Cr)N, содержащим 25% Сг, заметно положительно трансформируются характеристики стружкообразования и контактных процессов по сравнению с соот­ветствующими показателями для пластин ВК6 без покрытия или с покрытиями TiС, TiN или с двухкомпонентным покрытием (Ti,Cr)N неоптимального состава (рис. 12.15). Аналогичный результат получен при точении сплава ВТ20 пластинами ВК6 с покрытием (Zr,Nb)N с содержанием ZrN около 20% [23].

Рис. 12.15. Влияние содержания Ti и Cr в двухэлементном покрытии (Ti, Cr)N, наносимом на сплав ВК6, на характеристики контактных процессов и стружкообразования при точении сплава ХН77ТЮР (t =1 мм; а = 0,14 мм; v = 24 м/мин):

1 – С _g, 2 – z, 3 – m_g, 4 – j_у, 5 – С _g1

Влияние на контактные процессы оказывает и структура пок­рытия. Лучшие результаты обеспечивают ионно-плазменные покры­тия TiN КИБ, имеющие сглаженную поверхностную структуру, ха­рактерную для плотноупакованных, супермелкодисперсных столбча­тых кристаллов (рис. 12.16), по сравнению с покрытием TiС, получаемым методами ГТ (сравни рис. 12.4, 12.8).

Более благоприятное изменение характеристик стружкообразования и кон­тактных процессов обеспечивают также наружные слои TiN много­компонентных покрытий TiC–TiCN–TiN. Это связано с более высоким качеством поверхностного слоя этих покрытий (меньшая шероховатость, текстурированное мелкоразмерное зер­но).

Рис. 12.16. Влияние покрытия TiN, получаемого на твердом сплаве Т5К10 при различном давлении азота р_N, на характеристики стружкообразования и контактных процессов при точении стали 45 (t =2 мм; S = =0,45мм/об; v = 150 м/мин):

1 – С _g, 2 – h _п, 3 – j_у, 4 – С _g1, 5 – z

Среди исследованных покрытий многослойно-композиционного типа наиболее благоприятное изменение характеристик стружкооб­разования и контактных процессов обеспечивают покрытия TiС–Аl₂О₃.

Однако из-за чрезвычайно большой хрупкости поверхностного слоя Аl₂О₃,их чаще используют в качестве барьерных, предохра­няя от разрушения осаждением более пластичных слоев (например TiN). В этом случае роль слоя Аl₂О₃ утрачивается. В частности, пластины GC435 с покрытием TiC–Аl₂О₃–TiN (см. табл. 12.2) имеют характеристики стружкооб­разования и контактных процессов на уровне пластин с покрытием TiC–TiCN–TiN из-за полной идентичности составов, структуры и морфологии поверхностных слоев TiN.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности управ­ления характеристиками стружкообразования и контактных про­цессов также и с помощью изменения состава покрытия за счет варьирования технологическими условиями его получения. При этом необходимо учитывать способность покрытия сопротивляться хрупкому разрушению.

Особенности изнашивания и работоспособность инструмента с покрытием. Изучению механизма и особенностей изнашива­ния инструмента с покрытием для достаточно широкого изменения условий резания посвящено большое число работ, выполненных в РФ и за рубежом [1, 2, 7, 15–24, 31, 39, 40, 42, 66, 68, 70, 88, 94, 104, 123].

Покрытие заметно трансформирует характер изнашивания кон­тактных площадок инструмента из быстрорежущей стали. Анализ кривых h _з = f (T)позволяет отметить заметное снижение интенсивности изнашивания контактных площадок инстру­мента из быстрорежущей стали с покрытием на стадиях приработочного и установившегося изнашивания. Изменяется кинематика формирования лунки и снижается интенсивность лункообразования. Для инструмента с покрытием отмечается практически полное бло­кирование развития лунки в направлении режущей кромки, что за­медляет наступление стадии катастрофического износа инструмен­та за счет «выхода лунки» к режущей кромке.

Обобщенные кривые h _з = f (T)для твердосплавных пластин с различными вариантами покрытий при продольном точении и сим­метричном фрезеровании, полученные в результате статистической обработки большого числа экспериментов (20–50 дублей), свиде­тельствуют об изменении формы кривых износа h _з = f (T) для твердосплавных пластин с различными вариантами покрытий. Покрытие снижает интенсивность изнашивания пластин на этапах приработочного и установившегося изнашива­ния, уменьшает (на 40–50%) время приработки инструмента. Еще одной особенностью функции h _з = f (T) является проявление ка­тастрофического изнашивания твердосплавного инструмента с лю­быми вариантами покрытий при значительно меньших предельных величинах износа задней поверхности. Причем для твердосплавных пластин с покрытием, полученным методом CVD, ускорение изнаши­вания наступает при критических значениях износа h _з, составляющих (0,2–0,3) величины износа h _з для пластин без покрытия, в то время как для пластин с покрытием PVD эта величина состав­ляет (0,4–0,6) [17].

Выявление особенности изнашивания инструмента из твердого сплава с различными вариантами покрытий предопределяют области их эффективного использования при металлообработке.

Покрытия однослойного типа на основе нитридов тугоплавких элементов IV–VI групп Периодической таблицы и, в частности, покрытие однослойного типа TiN увеличивают среднюю стойкость режущего инструмента из быстрорежущей стали типа Р6М5 в 2–5 раз (рис. 12.17).

Эффективность инструмента с покрытием заметно возрастает с ростом скорости резания и снижением подачи. При подачах свыше 0,7 мм/об разница в стойкости быстрорежущего инструмента с покрытием и контрольного сильно нивелируется [22]. Отмеченные положения принципиально сохраняются и для других операций механообработки резанием: сверлении, симмет­ричном торцовом фрезеровании. Эффективность однослойных покры­тий TiN снижается в условиях обработки приводящих к формирова­нию нароста (например точение конструкционных сталей с v = 25–30 м/мин, S = 0,3–0,7 мм/об). Как показано в работе [22], это связано с неустойчивостью наростообразования, появлением низ­кочастотных вибраций, приводящих к весьма интенсивному усталостному (хрупкому) разрушению покрытий.

При точении и фрезеровании изделий из чугуна максимальную стойкость имели пластины с многослойным покрытием TiC–TiCN–TiN CVD (пластины МС 3215, Gm 35) и пластины со спе­циальным композиционным покрытием TiN КИБ.

При точении стали (области применения Р10–РЗО) наибольшую стойкость имели пластины МС2215, ВП1255 (покрытие TiC–TiCN–TiN), пластины GC435 (TiC–Аl₂О₃–TiN) (рис. 12.18).

С ростом толщины среза (подачи) (области К30–К40, Р30–Р50) эффективность твердосплавных пластин с любыми вариан­тами покрытий снижается, однако в меньшей мере это относится к пластинам с ионно–плазменными покрытиями КИБ [22].

Это положе­ние хорошо согласуется с приведенными выше данными по проч­ности твердых сплавов с покрытием.

В соответствии с этими данными высокотемпературные про­цессы CVD приводят к формированию хрупкой переходной зоны меж­ду покрытием и сплавом «h–фазы», приводящей к декарбидизации последнего, вследствие чего отмечается снижение прочности твердого сплава на изгиб, а также на ударно-циклическое приложе­ние нагрузки [22].

Преимущества твердосплавных пластин с ионно-плазменными покрытиями КИБ (PVD), которые имеют максимальные прочностные характеристики, определяемые характером формируемой связи меж­ду покрытием и твердым сплавом, а также благоприятным влиянием ионной бомбардировки на поверхностную структуру и дефекты твердого сплава непосредственно перед нанесением покрытия, особенно наглядно проявляются при прерывистом резании (рис. 12.19), а также при черновой обработке в тяже­лых условиях (наличие корки, колебания припусков, нежесткость технологической системы и т.д.) [20].

	Рис. 12.18. Влияние скорости резания на стойкость твер­досплавного инструмента при критерии затупления h з=0,5 мм при точении стали 45 (НВ 180) с S = 0,34 мм/об; t = 1,0мм: 1 – T5K10; 2 – TT10K8B–TiN КИБ (PVD); 3 – MC1460 (TiC GC CVD); 4 – TT10K82B–TiC ГТ (CVD); 5 – MC2210 (TiC GC CVD); 6 – ВП1255 (TiC–TiCN–TiN GM, CVD); 7 – MC2215 (TiC–TiCN–TiN, GM, CVD)		Рис. 12.19. Влияние скорости резания на стойкость твер­досплавного инструмента при критерии затупления h з=0,5 мм при симметричном фрезеровании стали 40Х (НВ 200) с S =0,32 мм/зуб; t =2,0мм; В =140мм: 1 –ТТ10К8Б; 2 –ТТ8К10Б–Т1С ГТ (CVD); 3 – MC2210 (TiC, GC, CVD); 4 – TT10K8–B–TiN КИБ (PVD); 5 – ВП1255 (TiC–TiCN–TiN GM CVD)

Таким образом, режущий инструмент с износостойким покры­тием можно использовать с максимальной эффективностью на ско­ростях резания, превышающих на 20–60% скорости резания для обычного инструмента, при этом целесообразно использовать низкие и средние значения подач.

Полученные данные полностью соответствуют изложенным выше особенностям термомеханического нагружения контактных площадок инструмента с покрытием. Действительно, возможность использования высоких скоростей ре­зания для инструмента с покрытием связана со снижением уровня термомеханического нагружения контактных площадок (уменьшение температур, трения, контактных напряжений, снижение интенсив­ности физико–химических процессов). Вместе с тем неудовлетво­рительные результаты использования инструмента с покрытием для операций тяжелого, прерывистого резания объясняются плохой сопротивляемостью сравнительно хрупких покрытий разрушению в условиях циклических нагрузок, склонности режущей части инструмента к упругим прогибам и пластическим деформациям.

Эффективность режущего инструмента с покрытием в значи­тельной степени определяется оптимальностью состава покрытия для заданного обрабатываемого материала. В табл. 12.5 представлены рекомендуемые составы покрытий для широкого диа­пазона условий обработки и гаммы обрабатываемых материалов.

Таблица 12.5