Здавалка
Главная | Обратная связь

Методы повышения стойкости режущего инструмента



В настоящее время существует множество методов повышения работоспособности и надежности режущих инструментов. Наибольшее распространение получили следующие методы:

  1. Использование инструментов, имеющих поверхностные слои с измененными свойствами.

2. Улучшение качества заточки и доводки поверхностей режущих инструментов.

3. Улучшение конструкции и выбор оптимальных геометрических параметров инструмента.

4. Обработка предварительно нагретых заготовок (нагревают, применяя ТВЧ или предварительным нагревом заготовки).

Наиболее распространенными и широко применяемыми в промышленности методами повышения работоспособности режущих инструментов являются нанесение покрытий и различные методы физического упрочнения поверхности инструментов. В настоящее время в мировой практике все большее примене­ние находят методы повышения работоспособности инструмента путем нанесения износостойких покрытий.(рис.4.8).

Структура и свойства покрытия зависят от одновременно протекающих процессов: конденсации, диффузии, распыления (отражения). На сегодняшний день наиболее распространены следующие варианты принципиальных схем формирования покрытия.

 

Рис.4.8 Классификация современных методов нанесения покрытий на рабочих поверхностях режущих инструментов по структурно-кинематическому принципу

 

Физическое осаждение покрытия

Если конденсат осаждается на поверхности инструмента при Тп < Тк, где Тп - температура на поверхности инструмента; Тк- температура конденсата, то массоперенос Мп вследствие диффузии практически исключается. В этом случае общее выра­жение (1.3) приобретает вид М0 - Мр = МИ. При этом образую­щееся покрытие имеет выраженную границу с инструментальным материалом. Такое покрытие можно классифицировать как адгезионное, а характер его связи с инструментальным материалом будем относить к типу I. Наиболее характерной особенностью формирования таких покрытий является слабое влияние струк­туры инструментального материала на свойства покрытия и такие свойства композиции, как вязкость, прочность и др. Подобные покрытия формируются в процессе физического осаждения по­крытия (ФОП). Они получили в мировой практике название PVD (Phisical vapour deposition).

Возможны два метода ионного распыления: ионно-лучевое и плазменноионное распыление.

Существуют следующие разновидности плазменного распыления: катодное, магнетронное, высокочастотное и в несамостоятельном газовом разряде.

Методы ФОП нашли применение при разработке промышлен­ной технологии нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент. Наибольшее промышленное применение получила технология КИБ (конденсация вещества из плазменной фазы с ионной бомбардировкой), разработанная ХФТИ совместно с Мосстанкином и Всесоюзным научно-исследовательским инсти­тутом инструмента (ВНИИ), а также технология МИР (магнетронно-ионное распыление). Разновидность технологии КИБ (Ion Bond) используется такими фирмами, как МАВС (США), «Хаузер» (Голландия), «Теквак» (Великобритания), «Интератом» (ФРГ), и технология МИР фирмой «Бальцерс» (Швейцария). Методы ФОП реализуются в широком диапазоне температур (200—800 °С), поэтому они приемлемы для нанесения покрытий не только на теплостойкий твердосплавный инструмент, но и на инструмент из быстрорежущих и углеродистых сталей.

Преимущества метода катодного распыления в следующем:

- безинерционность процесса

- низкие температуры процесса

- возможность получения пленок тугоплавких металлов и сплавов (в том числе и многокомпонентных)

- сохранение стехиометрического исходного материала при напылении

- возможность получения равномерных по толщине пленок

Метод имеет недостатки:

- низкая скорость осаждения (0.3-1 нм/с)

- загрязнение пленок рабочим газом вследствие проведения процесса при высоких давлениях

- низкая степень ионизации осаждаемого вещества

Термодиффузионное насыщение поверхности

Если конденсат осаждается на поверхности инструмента при Тп > Тк, т. е. рабочие поверхности инструмента достаточно термически активированы, что резко инициирует диффузионные процессы, то в этом случае общее выражение для оценки массопереноса вещества принимает вид М0 - Мр = Мппри Ми = 0. Это означает, что количество вещества, удаляемого с поверхности вследствие интенсивных диффузионных процессов, опережает количество вещества, доставляемого на рабочие поверхности ин­струмента, или равно ему. В этом случае между покрытием и ин­струментальным материалом формируется выраженная переход­ная зона как результат интердиффузионных реакций между ними. Такой характер связи между материалами инструмента и покры­тия классифицируется как диффузионный (II тип связи). Подобные покрытия формируются при использовании методов термодиффу­зионного насыщения поверхности (ТДН). Для нанесения покры­тий на твердосплавный инструмент используют метод ДТ (раз­работанный Всесоюзным научно-исследовательским институтом твердых сплавов ВНИИТС), являющийся разновидностью ме­тода ТДН.

Свойства покрытий со II типом связи сильно зависят от суб­структуры инструментального материала, а интердиффузия, ре­лаксация, восстановление, внутренняя межкристаллитная диф­фузия, движение дислокации и другие явления могут оказать влияние на свойства композиционного инструментального ма­териала с покрытием (прочность, вязкость, трещиностойкость, теплостойкость и др.). Так как методы ТДН и, в частности, метод ДТ реализуются при высоких температурах (до 1100°С), то их применяют главным образом для нанесения износостойких по­крытий на высокотеплостойкие многогранные твердосплавные пластины.

Химическое осаждение покрытия

Если конденсат осаждается на поверхности инструмента при Та = Т„, то формируется покрытие со смешанным адгези­онно-диффузионным типом связи с инструментальным материа­лом (тип III). В этом случае, так же как и в предыдущем, форми­руется переходная зона между покрытием и матрицей, которая может оказать заметное влияние на прочностные свойства ин­струментального материала, а структура последнего будет влиять на свойства покрытия. Смешанный тип связи характерен для по­крытий, формируемых методами химического осаждения покры­тий из парогазовой фазы (методы ХОП), получивших в мировой практике название CVD (Chemical Vapour Deposition). Методы ХОП нашли широкое применение для нанесения покрытий на многогранные твердосплавные пластины. В частности, на основе методов ХОП разработаны технологии нанесения износостойких покрытий на пластины, применяемые известными фирмами - производителями твердосплавного инструмента «Сандвик Коромант» (Швеция) (технология GC), «Теледайн» (США), «Планзее» (Австрия) (технология GM), «Видна Крупп» (ФРГ) и др. В нашей стране на основе ХОП разработан метод ГТ (ВНИИТС) для нане­сения износостойких покрытий на твердосплавные пластины мас­сового производства.

Существует ряд недостатков метода ХОП:

- взрывоопасность и токсичность водорода, как газа-носителя

- наличие большего количества непрореагировавших компонентов

- сложность технологического оборудования

- внутреннее напряжение в слое покрытия

Каждый метод нанесения покрытий на режущий инструмент обладает преимуществами и недостатками, имеет специфическую область применения, которая зависит от технологических осо­бенностей метода, степени автоматизации, экономических затрат па процесс нанесения покрытия

 

Помимо нанесения износостойких покрытий на поверхности инструментов существуют еще четыре группы технологий поверхностного упрочнения режущих инструментов:

1. Методы механического упрочнения: вибрационный, дробеструйный, взрывом и т.д. Наиболее часто используют для упрочнения инструментов из быстрорежущей стали и твердых сплавов. Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – наклеп поверхностного слоя на глубину 0.2-0.8 мм с целью создания в нем остаточного напряжения сжатия. При наклепе поверхностный слой расплющивается. Удлинению поверхностного слоя препятствует сила сцепления с нижележащими слоями металла. Вследствие этого в наклепанном слое возникают двухосные напряжения сжатия, а в толще основного металла незначительные реактивные напряжения растяжения. Складываясь с рабочими напряжениями растяжения, остаточные напряжения сжатия уменьшают, а при достаточно больших значениях компенсируют первые. Возникающие при наклепе множественные искажения структуры (деформация зерна, местные пластические сдвиги) эффективно тормозят развитие усталостных повреждений и расширяют область существования нераспостроняющихся трещин, увеличение которых обуславливает существование разрушающих напряжений. Эффективен наклеп в напряженном состоянии, представляющий собой сочетание упрочнения перегрузкой с наклепом. При этом способе деталь нагружают нагрузкой того же напряжения, что и рабочая, вызывая в материале упругие или упругопластические деформации. После снятия нагрузки в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия. Наклепанный слой чувствителен к нагреву. При температурах 400-500 оС действие наклепа полностью исчезает, из-за наступающего при этих температурах процесса рекристаллизации, устраняющего кристалло-структурные изменения, внесенные наклепом. Основные разновидности упрочнение поверхности пластической деформацией: дробеструйная обработка, обкатывание, чеканка, алмазное выглаживание.

Дробеструйная обработка заключается в наклепе поверхностного слоя потоком закаленных шариков (диаметр 0.5-1.5 мм), создаваемым центробежными дробеметками. Качество поверхности при данном процессе немного снижается. Плоские поверхности упрочняют обкатыванием шариками, установленными во вращающемся патроне. Заготовке придают движение продольной и поперечной подачи, при правильно выбранном режиме обкатывания, остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое составляют 600-1000 МПа. Глубина уплотнения слоя 0.2-0.5 мм. Данный процесс улучшает качество поверхности детали. Поверхность вращения упрочняют обкатыванием стальными закаленными роликами. Силу прижатия ролика выбирают с таким ращетом, чтобы создать в поверхностном слое напряжения, превышающие предел текучести материала в условиях всестороннего сжатия (для стали 5000-6000 МПа). Чеканку производят бойками со сферической рабочей поверхностью, приводимыми в колебания пневматическими устройствами. Частота колебаний и скорость вращения заготовки должны быть согласованы таким образом, чтобы наклепанные участки перекрывали друг друга.

Алмазное выглаживание заключается в обработке предварительно шлифованной и полированной поверхности закругленными алмазными резцами (радиус 2-3 мм). Поверхностный слой уплотняется до глубины 0.3-0.5 мм.

2. Методы химико-термической обработки (ХТО) инструментальных сталей: азотирование, цементация, карбонитрация, оксидирование, борирование в газовых и жидких средах, тлеющем газовом электрическом разряде (ионное азотирование). Высокую поверхностную прочность обеспечивает изотермическая закалка, а также термомеханическая обработка поверхности детали. При поверхностной закалке (газопламенная закалка) и химико-термической обработке (цементование) упрочнение обусловлено главным образом возникновением в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений вследствие образования структур большего удельного объема (нитриды и карбонитриды при нитроцементации и азотировании), чем структуры основного металла. Расширение поверхностного слоя тормозит сердцевина, сохраняющая исходную перлитную структуру, вследствие чего в поверхностном слое возникают двухслойные напряжения сжатия. В нижних слоях развиваются реактивные растягивающие напряжения, имеющие малое значение, из-за незначительности сечения термически обработанного слоя сравнительно с сечением сердцевины. Создание предварительных напряжений сжатия снижает среднее напряжение в области сжатия, тем самым повышается предел выносливости. Газовая закалка повышает предел выносливости по сравнению с исходной конструкцией из необработанной стали в 1.85 раза. Наиболее эффективным способом обработки является азотирование, которое практически полностью устраняет внешних концентраторов напряжений. Азотирование не вызывает изменения формы и размеров детали. Азотированный слой обладает повышенной коррозионно - и термостойкостью. Твердость и упрочняющий эффект сохраняются вплоть до температур 500-600 оС. Оптимальные толщины слоя уплотнения при цементации 0.4-0.8 мм, цементовании и азотировании 0.3-0.5 мм, закалке с нагревом и газовой закалке 2-4 мм. Качество поверхности значительно улучшается.

3. Электроискровое, магнитное, ультразвуковое упрочнение. Данные метода редко применяются для обработки режущих инструментов.

4. Физическое упрочнение: лазерная обработка, ионная имплантация. Технология ионной имплантации является на сегодня одной из наиболее перспективной с точки зрения создания композиционных материалов с оптимальным набором поверхностных и объемных свойств.

Ионная имплантация – это процесс, в котором практически любой элемент может быть внедрен в приповерхностную область любого твердого тела – мишени (подложки), помещенной в вакуумную камеру, посредством типа высокоскоростных ионов, имеющих энергию в несколько мегаэлектроновольт.

Ионы внедряются в материал мишени (подложки) на глубину от 0,01мкм до 1мкм, теряя энергию в процессе столкновений с атомами основы.

Профиль (распределение) концентрации примеси по глубине для большинства комбинаций – внедряемый атом – мишень (подложка) может быть вычислен. Для малой дозы ионов (малого числа ионов на единицу площади) профиль распределения концентрации примеси по глубине обычно хорошо описывается гауссовым распределением с центром в середине области распространения. В результате ионной имплантации образуется поверхностный слой сплава с изменяющимся составом, который не обладает выраженной поверхностью раздела, характерной для осажденного покрытия .

Преимуществом ионной имплантации, как метода модифицирования поверхности по сравнению с другими методами упрочнения поверхности, являются:

- увеличение растворимости в твердом состоянии;

- независимость образования сплавов от констант диффузии;

- возможность быстрого изменения состава сплава;

- независимость от процессов протекаемых в объеме материала;

- возможность процесса при низких температурах;

- весьма незначительное изменение размеров обрабатываемой детали;

- отсутствие проблемы аугезии, так как не существует ярко выраженной поверхности раздела;

- контролируемая глубина распределения концентрации;

- вакуумная чистота;

- высокая контролируемость и воспроизводимость.

Основным недостатком ионной имплантации является обработка только той части поверхности инструмента, которая находится непосредственно в области действия пучка ионов.

Технологии нанесения покрытий на инструменты обладают высокой производительностью, универсальностью, экономично­стью. Кроме того, появляется возможность управления условиями формиро­вания и свойствами покрытий, а также свойствами композиции покрытие — инструментальный материал. Инструментальный ма­териал с износостойким покрытием является новым материалом композиционного типа, в котором оптимально сочетаются свой­ства поверхностного слоя (высокие значения твердости, тепло­стойкости, пассивности по отношению к обрабатываемому мате­риалу и т. д.) и свойства, проявляющиеся в объеме тела инстру­мента (прочность, ударная вязкость, трещиностойкость и т. д.).








©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.