автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Комбинированная поверхностная ионно-плазменная обработка инструмента из быстрорежущей стали

На правахрукописи

Федоров Сергей Вольдемарович

КОМБИНИРОВАННАЯ ПОВЕРХНОСТНАЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ

Специальность 05.02.01 Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» Государственного образовательного учреждения Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Григорьев С.Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Кремнев Л. С.

кандидат технических наук, доцент, Кольцов В.Е.

Ведущая организация:

ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ»

Защита состоится V» ддУ/1 2004 г. в /->._на заседании спе-

анализированного совета Д.212.126.03 в Московском государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, МАДИ (ЛГУ), ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ).

Автореферат разослан «_» сентября 2004 г.

Справки по телефону: 155-08-29.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доктор технических наук

Я005-Ч уяб02-

3

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вопросы, касающиеся поверхности инструментального материала, играют чрезвычайно важную, а в ряде случаев и определяющую роль в металлообработке. Причина низкого ресурса режущего инструмента связана преимущественно с быстрым износом или разрушением его рабочих поверхностей, поэтому для устранения или торможения этих процессов применяют различные методы модификации поверхностных слоев, заключающиеся в направленном изменении физико-механических и химических свойств инструментального материала.

Перспективным методом модификации поверхностных слоев быстрорежущих сталей является комбинированная ионно-плазменная обработка с применением плазмы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда. В результате такой обработки на поверхности быстрорежущей стали формируется износостойкий комплекс, состоящий из азотированного слоя и износостойкого покрытия. Однако до настоящего времени в промышленности этот метод широко не использовался из-за недостатка сведений о закономерностях формирования свойств износостойкого комплекса в плазме вакуумно-дугового разряда и отсутствия научно обоснованных данных о взаимосвязи конструкции износостойкого комплекса с режущими свойствами инструментального материала при различном характере нагрузок, действующих на него в процессе резания.

В связи с этим разработка и исследование технологии комбинированной ионно-плазменной обработки инструмента из быстрорежущей стали сегодня является актуальной.

Цель работы. Разработка технологии комбинированной поверхностной ионно-плазменной обработки быстрорежущего инструмента с использованием плазмы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда для получения поверхностных слоев с высоким комплексом физико-механических свойств.

Научная новизна работы. Разработан процесс комбинированной поверхностной ионно-плазменной обработки быстрорежущей стали, включающий в себя азотирование и последующее нанесения покрытия в одном

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ | БИБЛИОТЕКА |

технологическом цикле. В работе определены кинетические закономерности азотирования быстрорежущей стали, заключающиеся в ускорении роста азотированного слоя при ее обработке в газовой плазме вакуумно-дугового разряда по сравнению с традиционным ионным азотированием. Предложен способ управления структурообразованием азотированного слоя быстрорежущей стали Р6М5 регулированием состава рабочего газа. Разработаны оптимальные режимы комбинированной ионно-плазменной обработки, обеспечивающие максимальное повышение износостойкости инструмента из быстрорежущей стали при различных нагрузках - непрерывных и ударно-циклических. Установлено существенное снижение интенсивности изнашивания быстрорежущей стали с комбинированной ионно-плазменной обработкой за счет изменения условий контактирования передней и задней поверхности инструмента с обрабатываемым материалом в зависимости от структуры модифицированного поверхностного слоя.

Практическая ценность работы. Разработаны технологические рекомендации по назначению режимов формирования на поверхности быстрорежущей стали износостойкого комплекса, состоящего из азотированного слоя и ионно-плазменного покрытия (Ti|.xAlx)N. Учитывая условия нагрузки на инструмент, эти рекомендации позволяют получать оптимальную структуру и свойства в поверхностном слое быстрорежущей стали и увеличивать износостойкость быстрорежущего инструмента в 2,3...3 раза по сравнению с инструментом только с ионно-плазменным покрытием (Ti|.xAlx)N (без азотирования).

Реализация результатов работы. Разработанная технология комбинированной поверхностной ионно-плазменной обработки внедрена в инструментальных производствах ОАО «АВТОВАЗ», ОАО Комсомольского-на-Амуре авиационного производственного объединения (КНААПО) и фирмы «Строит Метал Компани» (КНР).

Апробация работы. Результаты работы неоднократно докладывались на семинарах, проходивших в Центре физико-технологических исследований МТУ «СТАНКИН», фирме «SUN IL HEAT TREATMENT» (г. Чангвон,

Южная Корея), Берлинском Техническом Университете, научно-производственном предприятии КНААПО (г. Комсомольск-на-Амуре), фирме «Стронг Метал Компани» (г. Шунде, КНР), на Международных научно-технических конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью - 2001» в Звенигороде, «Производство, Технология, Экология - 2001» в Москве, были удостоены в 2002 году бронзовой медали и диплома 30-го Международного салона изобретений, новой техники и товаров (г. Женева, Швейцария) и диплома П Московского международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на _У%?<страницах машинописного текста, содержит рисунков и и таблиц.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Для проведения всех этапов комбинированной ионно-плазменной обработки в одном технологическом цикле без перегрузки быстрорежущих инструментов была создана многофункциональная установка, позволяющая генерировать два различных вида плазмы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда (ДВДР) - газовую для проведения процесса ионного азотирования и металлогазовую для формирования ионно-плазменного покрытия (рис. 1).

Установка имеет мишень, которая испаряется катодными пятнами вакуумной дуги и используется в качестве катода дугового разряда, анод, а также специальный экран между ними, который делит камеру на две зоны, заполненные металлогазовой плазмой (слева от экрана) и газовой плазмой (справа). Этот экран непроницаем для микрокапель, нейтральных атомов и ионов металла, эмитируемых катодными пятнами на поверхности мишени. Только электроны способны проникать через экран и ионизировать подаваемый в камеру газ, и таким способом образовывать не содержащую металли-

ческих частиц газовую плазму. Погруженный в эту плазму инструмент при подаче на него потенциала и подаче в рабочее пространство камеры азотосо-держащего рабочего газа азотируется. Азотирование в газовой части двухступенчатого вакуумно-дугового разряда можно производить при давлении азота на два порядка ниже, чем в тлеющем разряде, и при потенциалах на образцах, не превышающих порога распыления их поверхности. Это приводит к значительному уменьшению азотного потенциала в процессе азотирования и, следовательно, уменьшению количества хрупких нитридных фаз в слое, а также сохранению чистоты обрабатываемой поверхности. После этого экран смещается в сторону, частицы металлической мишени начинают поступать на поверхность инструмента и происходит формирование покрытия.

В качестве образцов для исследований использовались четырехгранные пластины из быстрорежущей стали Р6М5 специальной конструкции. Эти пластины использовались как для металлографических и рентгеноструктур-ных исследований, так и для моделирования различных процессов резания.

С целью оптимизации режимов формирования азотированного слоя при комбинированной обработке быстрорежущего инструмента, в широких

пределах варьировали: температуру процесса - 42О...54О°С; концентрацию азота N2 в газовой смеси с аргоном - 10... 100% ат.; время азотирования -10.. .90 мин; время нанесения износостойкого покрытия - 40... 120 мин.

В качестве износостойкого покрытия при всех экспериментах использовался титано-алюминиевый нитрид С целью оптимизации его состава были изготовлены плавленые катоды с различным содержанием Ti и AL

Изготовление поперечных микрошлифов для металлографических исследований осуществляли по стандартной методике, на оборудовании фирмы Struhers (Дания), в состав которого входят универсальный отрезной станок, автоматический гидравлический пресс и прибор для полировки микрошлифов.

Измерение микротвердости образцов производили на микроскопе POLYVAR (Австрия), оснащенном приставкой для измерения микротвердости MICRO-DUROMAT 4000.

Фазовый состав и структура износостойкого комплекса исследовались с помощью рентгеноструктурного анализа на автоматизированном дифрак-тометре Дрон-4, оснащенном компьютерным управлением и записью спектров. Симметричная съемка образцов на отражение проводилась с использованием рентгеновских трубок с медным и кобальтовым излучением. Это позволило оценить (усредненно) фазовый состав на разном расстоянии от поверхности (до 7 и до 2 мкм соответственно). В некоторых случаях для определения фазового состава тонкого поверхностного слоя до 0,5 мкм, использовался метод скользящего пучка (СиКа - излучение) с постоянным углом входа Обработка спектров проводилась с помощью программного

обеспечения, используемого в лаборатории рентгенографии МИСиС. Электронно-микроскопические исследования проводили на SEM "ECOLAB".

Прочность адгезионной связи покрытия с подложкой определялась методом вдавливания алмазного индентора на приборе Роквелла с нагрузкой 1,47 кН.

Эксплуатационные испытания образцов из быстрорежущей стали Р6М5 после комбинированной ионно-плазменной обработки, производили при резании широко используемых в промышленности конструкционных сталей нормальной обрабатываемости - 45 (НВ 197-205) и 40Х (НВ 214-220). Испытания проводили на различных по характеру нагрузок процессах резания -при непрерывных нагрузках (точение) и в условиях ударно-циклических нагрузок (фрезерование). Данные, полученные в ходе модельных экспериментов, затем были перенесены на реальный быстрорежущий инструмент.

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ АЗОТИРОВАННОГО СЛОЯ В ГАЗОВОЙ ПЛАЗМЕ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА

Структура и фазовый состав. Проведенные исследования показали, что состав газовой среды оказывает сильное влияние на структуру поверхностного слоя, формирующегося при ионном азотировании быстрорежущей стали Р6М5. Для управления структурой азотированного слоя использовались азото-аргоновые смеси различного состава. В табл. 1 представлены данные рентгеноструктурного анализа азотированного слоя, формирующегося при использовании газовых смесей с различным содержанием N2 и Аг.

Видно, что в поверхностном слое образцов, азотированных в 100% N2 присутствует £-фаза типа (Ее.Ме^М, специальные нитриды легирующих элементов МогЫ (возможно и карбиды (карбонитриды) типа Рез(АУ, Мо)д присутствующие в стали Р6М5 как избыточные, и а-фаза, являющаяся твердым раствором углерода и азота в Реа (мартенсите). Съемка методом скользящего пучка показывает, что на глубине до ~ 1 мкм образуется практически сплошной нитридный слой из е-фазы.

Было установлено, что по мере разбавления азота инертным газом аргоном, образование е-фазы блокируется при сохранении в поверхностном слое M02N и БеЗ (^Мо)З(СК), количество которых уменьшается от ~ 7 % (на глубине до ~ 2 мкм) до 4% (на глубине до ~ 7 мкм).

Таблица 1. Фазовый состав поверхностного слоя быстрорежущей стали Р6М5 после йотирования в газовых смесях с различным содержанием N2 % ат. (температура азотирования 450'С, время азотирования 1 час).

Фаза Объемная доля (*/•) в слое

100*/. N2 40% N2 и 60% Аг 10% N2 и 90% Аг

Съемка с СиКа-излучением методом скользящего пучка (а=5°)

83,7 - -

МогЫ 5,5 - -

Реэ0ЛГ,Мо)э(СМ) 6,8 - -

РваССД) 4,0 - -

Съемка с СиКа-излучением

- - -

МыК - 1,4 1,0

Рез(\У,Мо)з(СМ) - 5,6 4,1

Ре^СМ - 93,0 94,9

Съемка с СоКа-излучением

?е2П 22,7 • •

МогЫ 3,4 1,0 1,0

Ге,(\У,Мо)з(СЫ) 4,2 4,6 3,2

Ре^С,!*) 69,8 94,4 95,8

Данные рентгеноструктурного анализа хорошо согласуются с результатами металлографических исследований. В микроструктуре поверхностного слоя образцов, азотированных в атмосфере 100% а также с высоким содержанием азота в смеси с аргоном (до 80% N2) хорошо выявляется сплошной нитридный слой толщиной от 0,5 до 1,5 мкм (рис. 2а). В случае азотирования в газовой смеси с содержанием азота менее 60-80% поверхностный нитридный слой отсутствует (рис. 26,2в).

Полученные результаты показывают, что в условиях вакуумно-дугового разряда, используя азото-аргоновые газовые среды различного состава, можно получать практически любую структуру азотированного слоя, необходимую для конкретных условий эксплуатации инструмента.

а) б) в)

Рис. 2. Микроструктура образцов из стали Р6М5 после азотирования с использованием газовых смесей с различным содержанием N2 (х 800): 100y.Ni (а), 40% N»+60% Аг (6), 10% N2+90% Аг (в)

Микротвердость и толщина азотированного слоя. При изучении свойств азотированного слоя оценивали эффективную толщину - расстояние от поверхности образца до участка с твердостью, соответствующей значению Н = 9,8 кН/мм, и общую толщину - расстояние от поверхности образца до участка с твердостью, соответствующей исходной твердости быстрорежущей стали Р6М5 (Н = 8,8 кН/мм2). Было установлено, то увеличение процентного содержания азота в газовой смеси ведет к некоторому увеличению поверхностной твердости азотированного слоя, но эффективные и общие толщины формируемых слоев уменьшаются (рис. 3). По-видимому, это связанно с образованием на поверхности и по границам бывших аустенитных зерен значительного количества нитридных фаз, препятствующих диффузии азота вглубь от поверхности (рис.4).

Из анализа табл. 2 видно, что зависимость толщины азотированного слоя от продолжительности процесса подчиняется параболическому закону, что характерно для диффузионных процессов насыщения. При этом необходимо отметить, что за сравнительно короткое время (50-70 мин) в исследованном интервале температур формируется азотированный слой очень большой толщины (общая толщина до 400-500 мкм, а эффективная - до 90175 мкм).

Таблица 2. Влияние продолжительности азотирования при температуре 450 "С на толщину слоя и максимальную микротвердость (40% ат. N2 +60% ат. Аг).

Продолжи- Микротвердость, Эффективная Общая толщина,

тельность процес- кН/мм2 толщина, мкм мкм

са, мин

10 9,8 - 120

30 10,7 32 250

50 11,2 40 280-300

70 11,4 42-45 320

В общем, полученные зависимости микротвердости и толщины азотированного слоя от температуры и продолжительности процесса аналогичны соответствующим зависимостям при азотировании в тлеющем разряде.

Главным же отличием является то, что при азотировании с использованием плазмы вакуумно-дугового разряда формируются очень большие по толщине слои, которые невозможно получить за соответствующее время ни одним другим существующим способом. Это свидетельствует о том, что при азотировании в плазме вакуумно-дугового разряда создаются более благоприятные условия для интенсивной диффузии азота в поверхностный слой. Это может быть связано с очень высокой концентрацией азота в приповерхностном слое, а также с активацией поверхностного слоя стали при ионной бомбардировке на стадии очистки и последующего азотирования.

4. ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗНОСОСТОЙКОГО КОМПЛЕКСА НА РЕЖУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ

Влияние состава износостойкого покрытия (Tii_,AI,)N. На рис. 5

представлена зависимость микротвердости покрытия (Ti].xAlx)N от содержания в нем алюминия. Видно, что микротвёрдость покрытия находится в диапазоне от 9,8 до 41,2 кН/мм2 и растёт с увеличением содержания алюминия, достигая максимума при 70 мае % AIN, а после 75 мае. % A1N резко снижается, значительно ниже уровня TiN.

40"

Ï

35-

s

30-

! 25 -

Ч)

| 20-

! 15-

10-

-+-

-+-

10 20

30

40

50

60 70

80

90

Содержание алюминия, мае. % Рис. 5. Зависимость микротвердости покрытия (Tii.,Al,)N от содержания алюминия.

Рис. 6 демонстрирует результаты исследования влияния содержания A1N и TiN в двухэлементном покрытии (Ti|.xAlx)N на режущую способность пластин из стали Р6М5 при точении и фрезеровании стали 40 X.

S э

$ s

г

ф

I

4 --

3 --

1 •■

10 20

30

40

50

H-h-

60 70

80

Содержание алюминия, мае. % • фрезерование о точение

Рис. б. Влияние содержания A1N и TiN в двухэлементном покрытии (Tii.,A],)N на работоспособность пластин из стали Р6М5 при точении (V=80 м/мин; s=0,2 мм/об; t=2 мм) и фрезеровании (V=86 м/мин; 5=0Д мм/зуб; В=45 мм; t=l,5 мм) конструкционной

стали 40Х.

Видно, что максимальную работоспособность при фрезеровании имеет покрытие (По,7А1о,з)К. Это объясняется тем, что с увеличением микротвердости покрытия наблюдается большое искажение кристаллической решетки, резко повышается его хрупкость и, как следствие, снижается сопротивление покрытия микро- и макроразрушению в условиях действия ударно-циклических нагрузок. При х = 0,2...0,35 покрытие еще не теряет свою пластичность, но при этом уровень твердости уже достаточно высок (27,4-30,4 кН/мм). В случае эксплуатации инструмента в условиях непрерывного резания (точения) максимальную режущую способность имеет покрытие (ИодАЬ.б)^ Объясняется это тем, что при точении инструмент подвергается большим термическим нагрузкам со стороны задней поверхности, и наиболее важными здесь являются такие свойства покрытия, как микротвердость и термостойкость. Эти свойства наилучшим образом обеспечиваются при х = 0,55...0,65.

Влияние структуры азотированного слоя. Было установлено, что при комбинированной обработке структура слоя, формируемого при ионном азотировании, оказывает значительное влияние на режущие свойства инструментального материала и прочность адгезионной связи покрытия (П|. хЛ1х)К с быстрорежущей основой.

Эксплуатационные испытания при фрезеровании показали, что при комбинированной обработке формирование под покрытием сплошного нит-ридного слоя на основе £-фазы не обеспечивает высоких режущих свойств инструмента. Связано это с тем, что высокоазотистая £-фаза обладает повышенной твердостью, низкой пластичностью и имеет очень низкое сопротивление хрупкому разрушению. Поэтому при переменных теплосиловых нагрузках, возникающих при фрезеровании из-за чередования рабочего и холостого ходов, уже в первые минуты работы инструмента наблюдается его хрупкое разрушение в виде выкрашивания.

Кроме того, экспериментально установлено, что азотированный слой, на поверхности которого присутствует сплошной нитридный слой, не может обеспечить удовлетворительной прочности адгезионной связи покрытия с

быстрорежущей основой, являющейся наиболее важным условием успешной эксплуатации инструмента с покрытием

На рис. 7 представлены фотографии, иллюстрирующие влияние структуры азотированного слоя на прочность адгезионной связи покрытия (Т1о,7А1о,з)К. При внедрении алмазного индентора в образец со структурой, формируемой при азотировании в среде 100% , когда в азотированном слое присутствует высокоазотистая е-фаза (рис. 7а), отслаивание покрытия не наблюдается, но на поверхности покрытия видно большое количество трещин, распространенных в радиальном направлении от места приложения нагрузки.

Для сравнения на рис. 76 представлена фотография зоны укола инден-тором неазотированного образца с покрытием (Т1о,7А1о,з)М. В этом случае наблюдается совершенно противоположная картина - под воздействием нагрузки покрытие проваливается и отслаивается из-за резкой разницы в значениях твердости и модуля упругости покрытия и подложки.

Рйс. 7. Опючатгж mi/ieirro|)a на оГдоинх из сини 1Т)М5, азгтцхжаииои п imin'iin.ix

газшых сметах, и ижрытем (TiojAlo^N (х 200): а - азогаршание цри 100% N2; б - без азотирования; в - при 60% N2 и 40% Аг; г - актирование при 30% N2 и 70% Аг.

Исследования прочности адгезионной связи покрытия СЛо,7А1о,з)Н с образцами из стали Р6М5, азотированными в различных азото-аргоновых смесях показали следующее. При содержании азота менее 70% наблюдается резкое улучшение прочности адгезионной связи покрытия с быстрорежущей основой. На рис. 7в и 7г представлены фотографии отпечатков индентора на образцах из стали Р6М5 с покрытием азотированных в газовых

смесях, содержащих Видно, что на образцах

не наблюдается отслаивания покрытия, которое было обнаружено на образцах, азотированных при 100% N2, однако характер трещин на границе отпечатка индентора различен.

Эксплутационными испытаниями было установлено, что при фрезеровании максимальную режущую способность имеют образцы, которые были проазотированы в среде, содержащей 30%N2-70%Aг. Структурой азотированного слоя, формируемого в этих условиях, является устойчивый к переменным нагрузкам твердый раствор азота и углерода в а-железе, в котором присутствует незначительное количество дисперсных нитридов легирующих элементов. Он обеспечивает высокую прочность адгезионной связи покрытия с основой и повышенное сопротивление нагрузкам, возникающим в процессе фрезерования.

В случае эксплуатации быстрорежущего инструмента в условиях непрерывных нагрузок (при точении) максимальную режущую способность показали образцы с покрытием, которые были предварительно проазотиро-ваны в газовой смеси, содержащей 60%Кз-40%Аг. Металлографические исследования показали, что структурой азотированного слоя в этом случае является азотистый мартенсит, в котором присутствуют избыточные нитриды типа Ре30У, Мо)з (С,М) и специальные нитриды легирующих элементов (W, Мо, Сг, V). Указанная структура обеспечивает высокую прочность адгезионной связи покрытия с основой, более высокое сопротивление пластической деформации и теплостойкость.

Влияние процесса нанесения покрытия на структуру азотированного слоя. В зависимости от структуры и свойств азотированного слоя, а

также от параметров процесса осаждения покрытия на границе между покрытием и азотированным слоем могут присутствовать сплошной хрупкий нитридный слой (в случае азотирования с большим содержанием азота в газовой смеси) или слой быстротравящегося мягкого ё-Бе (черный слой). Этот слой может образоваться при осаждении покрытия при температуре выше 500° С. Микротвердость этого слоя составляет 400-500 НУ25. Образование и рост "черного слоя" происходит по-видимому вследствие диссоциации нитридов железа при нанесении покрытия при высокой температуре. Это также обусловливает формирование пористого покрытия с пониженной микротвердостью.

Образование как сплошного нитридного слоя, так и "черного слоя" на границе между покрытием и азотированным слоем отрицательно сказывается на свойствах износостойкого комплекса.

В результате нанесения покрытия несколько увеличивается эффективная и общая толщина азотированного слоя. При этом максимальная твердость азотированного слоя практически не меняется, а изменение микротвердости по толщине азотированного слоя становится более плавным. Было установлено, что толщина покрытия практически не влияет на свойства азотированного слоя.

Оптимизация режимов комбинированной обработки. На характеристики формирующегося при комбинированной ионно-плазменной обработке износостойкого слоя оказывает влияние огромное число факторов, каждый из которых технически невозможно учесть при оптимизации. Поэтому была произведена оптимизация режимов комбинированной обработки, оказывающих наиболее сильное влияние на интенсивность изнашивания инструмента. Проведенные исследования показали, что такими режимами являются: температура азотирования - ^и время азотирования - тА, концентрация азота в газовой смеси с аргоном - ^ при азотировании и время нанесения износостойкого покрытия -

На рис. 8 показано влияние указанных факторов на интенсивность изнашивания (I) быстрорежущего инструмента при точении и фрезеровании

конструкционной стали 40Х. Показательно, что интенсивность изнашивания инструмента, как функция режимов комбинированной ионно-плазменной обработки во всех случаях имеет локальный экстремум.

а) б)

Рис. 8. Влияние режимов комбинированной ионно-плазменной обработки на интенсивность изнашивания инструмента из стали Р6М5 при обработке конструкционной стали 40Х: 1 - температура азотирования; 2 - время азотирования; 3 - концентрация азота в газовой смеси с аргоном; 4 - время нанесения покрытая.

а) фрезерование-У=85 м/мин; 8=0,15 мм/зуб; В=45 мм; 1=1,5 мм; б) точение - У=80 м/мин; 8=0,2 мм/об; 1=2 мм.

Путем математической обработки экспериментальных данных были установлены оптимальные режимы формирования (табл. 3) и характеристики азотированного слоя и ионно-плазменного покрытия (Тп.лАуК, обеспечивающие максимальную износостойкость быстрорежущей стали Р6М5 при различном характере действующих нагрузок - ударно-циклических и непрерывных.

Металлографическими исследованиями было установлено, что износостойкий комплекс, формирующийся при режимах комбинированной ионно-плазменной обработки, обеспечивающих максимальную износостойкость инструмента, соответствует следующим характеристикам:

- при точении: эффективная толщина азотированного слоя Ь=45-50 МКМ с микротвердостью 11,9...12,1 кН/мм2, толщина покрытия (Т1о,+А1о,б^ Ь=6 мкм с микротвердостью 35,6...35,8 кН/мм2;

- при фрезеровании: эффективная толщина азотированного слоя Ь= 3035 мкм с микротвердостью 10,5... 10,7 кН/мм2 при толщине покрытия (Т^дАЬ.з) Ь=4 мкм с микротвердостью 26,4.. .26,6 кН/мм2.

Таблица 3. Оптимальные значения технологических режимов комбинированной ионно-плазменнон обработки быстрорежущего инструмента

Оптимальные значения факторов

Условия обработки температура азотирования, и(°с) время азотирования, тл (мин) концентрация азота в газовой смеси с аргоном, км время нанесения покрытия, тспА1№(мин)

продольное точение конструкционных сталей типа 45,40Х 490.. .500 40 0,6 60

торцевое фрезерование конструкционных сталей типа 45,40Х 450...460 20 0,3 40

4. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Проведенными эксплуатационными испытаниями было установлено, что комбинированная ионно-плазменная обработка быстрорежущего инструмента существенно снижает интенсивность его изнашивания за счет изменения условий контактирования передней и задней поверхности с обрабатываемым материалом.

Поверхностный слой, сформированный в результате комбинированной ионно-плазменной обработки, обладает химической пассивностью и снижает адгезионное взаимодействие с обрабатываемым материалом. В результате изменяются характеристики контактных процессов на передней поверхности - снижается длина контакта стружки (до 70 %) и коэффициент трения (до 2,5 раз). Азотированный слой, формируемый под покрытием, обладает повышенной твердостью в сочетании с высокой теплостойкостью и имеет высокое сопротивление микропластическим деформациям, что способствует торможению процессов разупрочнения на задней поверхности инструмента.

На рис. 9 а,б представлены зависимости изменения износа инструмента с комбинированной ионно-плазменной обработкой, выполненной по режимам, оптимизированным ранее, от времени работы инструмента пз=/(Т). Эксплутационные испытания производили при точении и фрезеровании стали 45. Там же представлены результаты испытаний инструмента с покрытием (Т1|.хА1х)К, но без азотирования.

Стойкость инструмента определялась как время работы инструмента до достижения износа по задней поверхности 0,4 мм. Представленные зависимости показывают, что стойкость инструмента после комбинированной обработки до катастрофического износа увеличивается в 3 раза при точении, а при фрезеровании в 2,3 раза по сравнению с инструментом с покрытием (Т1|.хА1х)К, но без азотированного слоя.

фамрабдоиетдомп^дш flwm^afl iwua»дмм Т.ыи

а) б)

Pic. 9. Зависимость взноса по задней поверхности инструмента » стали Р6М5 с покрытием (Ti,AI)N —о— ■ комбинированной обработкой —от времена работы инструмента:

а) фрезерование-V=85 м/мин; S=0,I5 мм/зуб; В=45 мм; t=l,5 мм; б) точение - V=80 м/мин; s=0,2 мм/об; t=2 мм.

Таким образом, комбинированная поверхностная ионно-плазменная обработка является эффективным способом повышения износостойкости быстрорежущей стали. Ее применение позволяет сочетать прочностные характеристики быстрорежущей стали Р6М5, повышенную твердость азотированного слоя и химическую инертность тугоплавкого соединения (Ti|.xAlx)N, используемого в качестве покрытия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана технология комбинированной поверхностной ионно-плазменной обработки, заключающаяся в формировании на поверхности быстрорежущего инструмента износостойкого комплекса, состоящего из азотированного слоя и покрытия с заданными структурой и свойствами.

2. Установлено, что при азотировании быстрорежущей стали в газовой плазме вакуумно-дугового разряда, наибольшее влияние на фазовый состав формирующегося слоя оказывает состав азотосодержащей атмосферы, а время и температура в исследуемом интервале влияют, главным образом, на толщину и микротвердость.

3. Исследования закономерностей формирования азотированного слоя в газовой плазме вакуумно-дугового разряда показали, что при использовании газовых смесей с высоким содержанием азота (свыше 80%) в поверхностном слое быстрорежущей стали Р6М5 присутствует сплошной слой нитридов на основе Е-фазы, толщина которого составляет от 0,5 до 1,5 мкм. Установлено, что формирование под покрытием высокоазотистой е-фазы ведет к выкрашиванию режущих кромок инструмента при ударно-циклических нагрузках и не обеспечивает удовлетворительной прочности адгезионной связи покрытия с быстрорежущей основой.

4. Методами ренттеноструктурного и металлографического анализа установлено, что при азотировании быстрорежущей стали путем регулирования состава азото-аргоновых сред возможно реально управлять фазовым составом формируемого слоя.

5. При эксплуатации инструмента с комбинированной обработкой в условиях ударно-циклических нагрузок, оптимальной структурой азотированного слоя является устойчивый к циклическим нагрузкам твердый раствор азота и углерода в а-железе при минимальном количестве нитридных фаз. Такая структура обеспечивает высокую прочность адгезионной связи покрытия с быстрорежущей основой и может быть получена при азотировании в смеси, содержащей ~ 30% N2 и 70% Аг.

6. При эксплуатации инструмента в условиях непрерывных нагрузок, оптимальной структурой является азотистый мартенсит с выделением избыточных нитридов Fe3(W,Mo)3(N,C) и образованием специальных нитридов легирующих элементов. Указанная структура обеспечивает высокую прочность адгезионной связи покрытия с быстрорежущей основой, сопротивление пластической деформации и может быть получена при азотировании в газовой смеси, содержащей « 60% N2 и 40% Аг.

7. Экспериментально показано, что увеличение процентного содержания азота в газовой смеси с аргоном ведет к некоторому увеличению поверхностной твердости азотированного слоя, но эффективные и общие толщины формируемых слоев уменьшаются.

8. Исследованиями кинетики формирования азотированного слоя установлено, что зависимость толщины слоя от продолжительности азотирования подчиняется параболическому закону и за 30-70 минут можно получать азотированные слои с общей толщиной до 400-500 мкм и эффективной толщиной до 70 мкм.

9. Исследования влияния содержания A1N и TiN в двухэлементном покрытии (Ti|.xAlx)N на режущую способность быстрорежущей стали показали, что в условиях ударно-циклических нагрузок максимальной износостойкостью обладает покрытие а при непрерывно действующих нагрузках- (Tio,4Alo,6)N.

10. На основе обработки результатов эксплуатационных и металлографических исследований установлено, что износостойкий комплекс, обеспечивающий максимальную износостойкость быстрорежущего инструмента при обработке сталей типа 45,40Х, соответствует следующим характеристикам:

- при непрерывных нагрузках: эффективная толщина азотированного слоя h=45-50 мкм с микротвердостью 11,9... 12,1 кН/мм2, толщина покрытия (Tio,4Alo,6)N h=6 мкм с микротвердостью 35,6...35,8 кН/мм2;

- при ударно-циклических: эффективная толщина азотированного слоя h= 30-35 мкм с микротвердостью 10,5...10,7 кН/мм2 при толщине покрытия (TiojAloj) h=4 мкм с микротвердостью 26,4...26,6 кН/мм2.

11. Эксплуатационными испытаниями установлено, что проведение комбинированной поверхностной ионно-плазменной обработки быстрорежущей стали по оптимальным режимам, позволяет увеличить износостойкость быстрорежущего инструмента до 2,3 раз при его эксплуатации в условиях ударно-циклических нагрузок и до 3 раз в условиях непрерывно действующих нагрузок по сравнению с использованием быстрорежущего инструмента только с ионно-плазменным покрытием.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях

1. С.Н. Григорьев, Л.П. Саблев, АЛ. Горовой, СВ. Федоров и др. Разработка технологии и устройства для комплексной обработки изделий. Совместная сессия и выставка-ярмарка перспективных технологий // Сб. тезисов докладов. -Тула, 1997.- С 162.

2. Григорьев С.Н., А.СМетель, ЦыновниковЕ.Р., МельникЮ.А., Федоров СВ. Плазменный эмиттер ионов. Патент России № 2110867, Н 0127/04.

3. А.СВерещака, С.Н. Григорьев, Г.В. Оганян, СВ. Федоров. Разработка технологии комплексной обработки инструмента из твердого сплава с целью повышения его эксплуатационных свойств. Тезисы доклада региональной конф. "Инструментальное обеспечение автоматизированных систем механической обработки", Иркутск, 1990 г., С. 3-4.

4. Григорьев С.Н., Федоров СВ., Геранюштн А.В. Разработка технологии нанесения жаростойких покрытийна лопатки газовых турбин. // Тезисы докладов отчетной конференции-выставки по подпрограмме «Топливо и энергетика» НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники. - М.: МЭИ, 2001. С. 35.

5. АЛ. Горовой, СВ. Федоров, М.А. Волосова. Влияние процесса азотирования в плазме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда на струк-

туру поверхностного слоя быстрорежущей стали // Взаимодействие ионов с поверхностью: Материалы XV международной конф. Т.2. М: МАИ, 2001. С. 318-320.

6. Григорьев С.Н., Федоров СВ., Волосова М.А., Туманова М.А. Техно-лотя и оборудование для комплексной ионно-плазменной обработки режущего инструмента // Качество машин: Сб. тр. IV международной научно-техлич. конф. Т.2. Брянск: БГТУ, 2001. С. 126-127.

7. Федоров СВ. Повышение износостойкости быстрорежущего инструмента за счет комбинированной ионно-плазменной обработки // Материалы V Всероссийской научно-технической конференции «Измерение, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях». Бийск: АГТУ, БТИ, 2004г., С. 245-247.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Федоров Сергей Вольдемарович

Комбинированная поверхностная ионно-плазменная обработка инструмента из быстрорежущей стали

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 27.09.2004. Формат 60х90'/|5 Уч.изд. л. 1^. Тираж 50кз. Заказ № 183

Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИН» 103055, Москва, Вадковский пер., д.3а

Л ел ^ i. , 'S \ и ' j J

РНБ Русский фонд

2005-4 20382

ВВЕДЕНИЕ.

1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Основные методы модификации поверхности инструмен-^ тальных материалов и эффекты, достигаемые за счет их применения.

1.2. Особенности ионного азотирования быстрорежущих сталей в вакууме с использованием источников плазмы различного типа.

1.3. Виды износостойких покрытий и основные тенденции в развитии технологии их нанесения на быстрорежущий инструмент.

1.4. Анализ данных литературного обзора. Постановка цели и задач исследовании.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Методика комбинированной ионно-плазменной обработки инструмента.

2.2. Методика металлографических и металлофизических исследований.

2.3. Методика определения режущих свойств инструмента.

2.3.1. Обрабатываемые материалы.

2.3.2. Станки и приспособления.

2.3.3. Режущий инструмент.

2.3.4. Методика стойкостных испытаний.

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ АЗОТИРОВАННОГО СЛОЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ В ГАЗОВОЙ ПЛАЗМЕ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА.

3.1. Фазовый состав и структура азотированного слоя.

3.2. Микротвердость и толщина азотированного слоя.

4. ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ

НА ЕЕ РЕЖУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ.

4.1. Оптимизация состава износостойкого покрытия (Ti,Al)N для различных условий эксплуатации инструмента.

4.2. Влияние структуры азотированного слоя на прочность адгезионной связи износостойкого покрытия с быстрорежущей сталью и работоспособность инструмента.

4.3. Выбор оптимальных режимов комбинированной ионно-плазменной обработки быстрорежущего инструмента.

5. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ БЫСТРОРЕЖУЩЕГО

ИНСТРУМЕНТА С КОМБИНИРОВАННОЙ ИОННОЙ

ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ.

Повышение конкурентоспособности отечественной продукции напрямую связано с повышением ее качества и интенсификацией производства, что неизбежно влечет за собой внедрение новых прогрессивных технологических процессов металлообработки. Применяемые в настоящее время основные инструментальные материалы, созданы уже более 30 лет назад и по своим возможностям во многом исчерпали себя. Так как процесс создания нового материала требует больших временных и материальных затрат, в последнее время специалистами-материаловедами все большее внимание уделяется разработкам, направленным на улучшение эксплуатационных характеристик уже известных инструментальных материалов за счет модификации поверхностного слоя материала обработкой высокоэнергетическими пучками и нанесением износостойких покрытий. При помощи такой обработки можно существенным образом изменить механические, электрические, тепловые и химические свойства исходного инструментального материала, его реальную поверхность.

Именно вопросы, касающиеся поверхности инструментального материала, играют чрезвычайно важную, а в ряде случаев и определяющую роль в металлообработке. Как известно, причина низкого ресурса режущего инструмента связана преимущественно с быстрым износом или разрушением его рабочих поверхностей. Для устранения или торможения процессов, негативно воздействующих на работоспособность инструмента, применяют различные методы модификации поверхности, заключающиеся в направленном изменении физико-химических свойств поверхностного слоя инструментального материала.

Несмотря на возрастающее с каждым годом потребление инструмента из твердых сплавов, режущей керамики и сверхтвердых материалов, объем быстрорежущих сталей, использующихся при изготовлении металлообрабатывающего инструмента, нисколько не уменьшается. Сегодня в машиностроительных отраслях промышленности широко используется инструмент из быстрорежущих сталей с различными вариантами износостойких покрытий на основе нитридов тугоплавких металлов - TiN, (Ti,Al)N, (Ti,Cr)N и др, полученных методом физического осаждения вещества. Эти покрытия обладают высокой микротвердостью, низким коэффициентом трения и инертностью по отношению к обрабатываемому материалу.

Практика эксплуатации быстрорежущего инструмента с покрытием показывает, что на различных технологических операциях обработки резанием эффективность инструмента с покрытием неодинакова. В частности, при переходе от непрерывного к прерывистому резанию эффективность применения износостойких покрытий снижается примерно в 2 раза. Данный факт объясняется механизмом разрушения, действующим при прерывистом резании, когда на поверхность инструментального материала с покрытием действуют переменные теплосиловые нагрузки, возникающие при чередовании рабочего и холостого ходов, а также адгезионно-усталостным разрушением.

Одной из основных причин указанного, является то, что на границе раздела «покрытие - инструментальный материал» наблюдается резкое изменение физико-механических и теплофизических свойств (в первую очередь модуля упругости и коэффициента термического расширения). Это приводит к образованию в покрытии высоких остаточных напряжений и, как следствие, к снижению прочности адгезионной связи покрытия с основой, что является наиболее важным условием успешной эксплуатации режущего инструмента с износостойким покрытием. Снижение уровня остаточных напряжений в покрытии и увеличение прочности его адгезионной связи с инструментальной основой можно обеспечить за счет формирования переходного слоя, который может быть получен с помощью ионного азотирования. Ионное азотирование с последующим нанесением износостойкого покрытия получило название комбинированной ионно-плазменной обработки, а поверхностный слой, формируемый в результате такой обработки, получил название износостойкого комплекса (ИК). Инструментальный материал с износостойким комплексом представляет собой слоистый композит с уникальной комбинацией свойств, в котором оптимально сочетаются объемные свойства - высокая прочность, трещиностойкость и поверхностные свойства - высокая микротвердость, пассивность по отношению к обкатываемому материалу и др.

Первые исследования в области создания износостойких комплексов на поверхности режущего инструмента и технологий их получения начались в нашей стране более двадцати лет назад. Большой вклад в развитие этого научного направления внесли Верещака А.С., Кремнев Л.С., Барвинок В.А., Андреев А.А., Григорьев С.Н., Табаков В.П., Аксенов И.И. и др.

Главной преградой для широкого производственного освоения разработанных принципов комбинированной обработки, была высокая себестоимость процесса из-за необходимости проведения двух технологических циклов ионно-плазменной обработки на разном оборудовании, что делало использование такой технологи экономически нерентабельной. К настоящему моменту в России на основе вакуумно-дуговых источников плазмы созданы и успешно эксплуатируются образцы современного многофункционального оборудования, позволяющего за один технологический цикл без перезагрузки инструментов производить все этапы комбинированной обработки: нагрев и очистку инструмента, ионное азотирование и нанесение вакуумно-плазменных покрытий.

Сегодня исследование и оптимизация технологии комбинированной ионно-плазменной обработки с целью формирования на поверхности быстрорежущего инструмента слоя с требуемыми характеристиками, обеспечивающими минимальную интенсивность изнашивания рабочих поверхностей инструмента, а также определение условий рациональной эксплуатации инструмента с вакуумно-плазменной обработкой, снова представляется чрезвычайно актуальным.

На основании изложенного была сформулирована основная цель работы, которая заключается в разработке технологии комбинированной поверхностной ионно-плазменной обработки быстрорежущего инструмента с использованием плазмы двухступенчатого вакуумно-дугового разряда для получения поверхностных слоев с высоким комплексом свойств.

Настоящая работа является продолжением ряда работ, выполненных в Московском Государственным Технологическом Университете «СТАНКИН».

Научная новизна работы. Разработан процесс комбинированной поверхностной ионно-плазменной обработки быстрорежущей стали, включающий в себя азотирование и последующее нанесения покрытия в одном технологическом цикле. В работе определены кинетические закономерности азотирования быстрорежущей стали, заключающиеся в ускорении роста азотированного слоя при ее обработке в газовой плазме вакуумно-дуговош разряда по сравнению с традиционным ионным азотированием. Предложен способ управления структурообразованием азотированного слоя быстрорежущей стали Р6М5 регулированием состава рабочего газа. Разработаны оптимальные режимы комбинированной ионно-плазменной обработки, обеспечивающие максимальное повышение износостойкости инструмента из быстрорежущей стали при различных нагрузках - непрерывных и ударно-циклических. Установлено существенное снижение интенсивности изнашивания быстрорежущей стали с комбинированной ионно-плазменной обработкой за счет изменения условий контактирования передней и задней поверхности инструмента с обрабатываемым материалом в зависимости от структуры модифицированного слоя.

Практическая ценность работы. Разработаны технологические рекомендации по назначению режимов формирования на поверхности быстрорежущей стали износостойкого комплекса, состоящего из азотированного слоя и ионно-плазменного покрытия (TiixAlx)N. Учитывая условия нагрузки на инструмент, эти рекомендации позволяют получать оптимальную структуру и свойства в поверхностном слое быстрорежущей стали и увеличивать износостойкость быстрорежущего инструмента в 2,3.3 раза по сравнению с инструментом только с ионно-плазменным покрытием (Ti].xAlx)N (без азотирования).

Разработанная технология комбинированной поверхностной ионно-плазменной обработки внедрена в инструментальных производствах ОАО «АВТОВАЗ», ОАО Комсомольского-на-Амуре авиационного производственного объединения (КНААПО) и Китайской фирмы «Стронг Метал Компани».

Результаты работы неоднократно докладывались на семинарах в Центре физико-технологических исследованиях МГТУ «СТАНКИН», в фирме «SUN IL HEAT TREATMENT», г. Чангвон, Южная Корея, Берлинском Технологическом Университете, научно-производственном предприятии КНААПО г. Комсомольск-на-Амуре, в фирме «Стронг Метал Компани» г. Шунде, КНР, на Международных научно-технических конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью - 2001» в Звенигороде, «Производство, Технология, Экология - 2001» в Москве, были удостоены бронзовой медали и диплома 30-го Международного салона изобретений, новой техники и товаров (Швейцария, г. Женева, 2002 г.) и серебряной медали и диплома II московского международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2002 г.).

Автор выражает благодарность научному руководителю работы зав. кафедрой «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н.

Ь С.Н. Григорьеву, а также преподавателям и сотрудникам кафедр

Высокоэффективные технологии обработки», «Металловедение» и

Центра физико-технологических исследований помощь, оказанную при выполнении работы.

МГТУ «СТАНКИН» за Ф

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана технология комбинированной поверхностной ионно-плазменной обработки, заключающаяся в формировании на поверхности быстрорежущего инструмента износостойкого комплекса, состоящего из азотированного слоя и покрытия (TiixAlx)N, с заданными структурой и свойствами.

2. Установлено, что при азотировании быстрорежущей стали в газовой плазме вакуумно-дугового разряда, наибольшее влияние на фазовый состав формирующегося слоя оказывает состав азотосодержащей атмосферы, а время и температура в исследуемом интервале влияют, главным образом, на толщину и микротвердость.

3. Исследования закономерностей формирования азотированного слоя в газовой плазме вакуумно-дугового разряда показали, что при использовании газовых смесей с высоким содержанием азота (свыше 80%) в поверхностном слое быстрорежущей стали Р6М5 присутствует сплошной слой нитридов на основе е-фазы, толщина которого составляет от 0,5 до 1,5 мкм. Установлено, что формирование под покрытием высокоазотистой е-фазы ведет к выкрашиванию режущих кромок инструмента при ударно-циклических нагрузках и не обеспечивает удовлетворительной прочности адгезионной связи покрытия с быстрорежущей основой.

4. Методами рентгеноструктурного и металлографического анализа установлено, что при азотировании быстрорежущей стали путем регулирования состава азото-аргоновых сред возможно реально управлять фазовым составом формируемого слоя.

5. При эксплуатации инструмента с комбинированной обработкой в условиях ударно-циклических нагрузок, оптимальной структурой азотированного слоя является устойчивый к циклическим нагрузкам твердый раствор азота и углерода в а-железе при минимальном количестве нитридных фаз. Такая структура обеспечивает высокую прочность адгезионной связи покрытия с быстрорежущей основой и может быть получена при азотировании в смеси, содержащей ~ 30% N2 и 70% Аг.

6. При эксплуатации инструмента в условиях непрерывных нагрузок, оптимальной структурой является азотистый мартенсит с выделением избыточных нитридов Fe3(W,Mo)3(N,C) и образованием специальных нитридов легирующих элементов. Указанная структура обеспечивает высокую прочность адгезионной связи покрытия с быстрорежущей основой, сопротивление пластической деформации и может быть получена при азотировании в газовой смеси, содержащей 60% N2 и 40% Аг.

7. Экспериментально показано, что увеличение процентного содержания азота в газовой смеси с аргоном ведет к некоторому увеличению поверхностной твердости азотированного слоя, но эффективные и общие толщины формируемых слоев уменьшаются.

8. Исследованиями кинетики формирования азотированного слоя установлено, что зависимость толщины слоя от продолжительности азотирования подчиняется параболическому закону и за 30-70 минут можно получать азотированные слои с общей толщиной до 400-500 мкм и эффективной толщиной до 70 мкм.

9. Исследования влияния содержания A1N и TiN в двухэлементном покрытии (Ti].xAlx)N на режущую способность быстрорежущей стали показали, что в условиях ударно-циклических нагрузок максимальной износостойкостью обладает покрытие (TiojAlo^N, а при непрерывно действующих нагрузках - (Ti0,4Al0,6)N.

10. На основе обработки результатов эксплуатационных и металлографических исследований установлено, что износостойкий комплекс, обеспечивающий максимальную износостойкость быстрорежущего инструмента при обработке сталей типа 45, 40Х, соответствует следующим характеристикам:

- при непрерывных нагрузках: эффективная толщина азотированного слоя h=45-50 мкм с микротвердостью 11,9. 12,1 кН/мм , толщина покрытия (Ti0,4Al0,6)N h=6 мкм с микротвердостью 35,6.35,8 кН/мм ;

- при ударно-циклических: эффективная толщина азотированного слоя h= 30-35 мкм с микротвердостью 10,5. 10,7 кН/мм при толщине л покрытия (По,7А1о,з) h=4 мкм с микротвердостью 26,4.26,6 кН/мм .

11. Эксплуатационными испытаниями установлено, что проведение комбинированной поверхностной ионно-плазменной обработки быстрорежущей стали по оптимальным режимам, позволяет увеличить износостойкость быстрорежущего инструмента до 2,3 раз при его эксплуатации в условиях ударно-циклических нагрузок и до 3 раз в условиях непрерывно действующих нагрузок по сравнению с использованием быстрорежущего инструмента только с ионно-плазменным покрытием.

1. Поляк М.С. Технологические методы упрочнения. Справочник в 2-х томах. М.: "Л В. М.- СКРИПТ, Машиностроение, 1995, 832 с.

2. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. - 336 с.

3. Табаков В.П. Влияние состава износостойкого покрытия на контактные и тепловые процессы и изнашивание режущего инструмента // СТИН- 1997. № 10. С. 20-24.

4. Чупрова Т.П., Бернштейн A.M. Лазерная обработка быстрорежущей стали Р6М5 // Заводская лаборатория. 1985, №7, с.21-23.

5. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. /Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В. и др. М.: Машиностроение, 1985.

6. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. М. Металлургия. 1990 г. 216 с.

7. Хирвонен Дж. Ионная имплантация. М.: Металлургия, 1985, 391 е.

8. М. Хокинг, В. Васантасри, П. Сидки. Металлические и керамические покрытия. Пер. с англ. -М.: Мир, 2000, 516 с.

9. Вакуумные технологии и оборудование: Сборник докладов 5-й Международной конференции / Под редакцией В. И. Лапшина, В. М. Шулаева. — Харьков: ННЦ ХФТИ, ИПЦ «Контраст», 2002.

10. F. Sanchette, Е. Damond. Single cycle plasma nitriding and hard coating deposition in a cathodic arc evaporation device. Surface & Coating Technology. 1997, p. 261 -267.

11. Сейткулов А.Р. Повышение эффективности зубофрезерования применением червячных фрез из быстрорежущей стали с комплексной поверхностной обработкой: Диссертация на соискание ученой степени докт. техн. наук:: 05.03.01. Москва, 1993 г.

12. Власов С.Н. Повышение работоспособности режущего инструмента путем комбинированной упрочняющей обработки. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.03.01. -Ульяновск, 2000.

13. Revolution in HSS tools. R.L. Hatschek (senior editor). // American Machinist, Special report 752, March 1993, p. 129 144.

14. Андреев A.A., Кунченко B.B., Саблев Л.П., Шулаев В.М. Дуплексная обработка инструментальных сталей в вакууме. // Сб. докл. 2-го Междунар. симп. ОТТОМ-2, ч. 2, г. Харьков, 2001, с. 48 56.

15. Чекалова Е.А. Повышение надежности инструмента из быстрорежущей стали путем комбинированной обработки с оптимальнымипараметрами ионно-плазменной среды: Диссертация на соискание ученой степени докт. техн. наук:: 05.03.01. Москва, 1997 г.

16. Sun Y, Bell Т Trans. Inst. Metal Finish. 70 38 (1992)

17. Саблев Л.П., Андреев A.A., Кунченко В.В. Плазменное азотирование режущего инструмента из быстрорежущей стали. // Труды симп. ОТТОМ, г. Харьков, 2000, с. 133 137.

18. Григорьев С.Н., Федоров С.В., Волосова М.А., Туманова М.А. Технология и оборудование для комплексной ионно-плазменной обработки режущего инструмента // Качество машин: Сб. тр. IV международной научно-технич. конф. Т.2. Брянск: БГТУ, 2001. С. 126-127.

19. Соснин Н.А., Тополянский П.А. Плазменные покрытия (технология и оборудование). Санкт-Петербург, 1992, с. 25.

20. L.A. Dobrzanski, М. Adamiak. Structure and properties of the TiN and Ti(CN) coatings deposited in the PVD process on the high-speed steels // Journal of Materials Processing Technology. 2003, v. 133, p. 50 62.

21. Y. Tanaka, T.M.Gur, M. Kelly et all. Properties of (Ti^AlJN coatings for cutting tools prepared by the cathodic arc ion plating method.// J. Vac. Sci. Technol. A 10(4), Jul/Aug. 1992, p. 1749 1756.

22. A.C. Vlasveld, S.G. Harris, E.D. Doyle, D.B. Lewis, W.-D. Munz. Characterisation and performance of partially filtered arc TiAIN coatings // Surface and Coatings Technology. 2002, v. 149, p. 217 224.

23. S.G. Harris, E.D. Doyle, A.C. Vlasveld , J. Audy, J.M. Long, D. Quick. Influence of chromium content in the dry mashining performance of cathodic arc evaporated TiAIN coatings // Wear. 2003, v. 254, p. 185 194.

24. Григорьев С.Н., Л.П. Саблев, А.П. Горовой, С.В. Федоров и др. Разработка технологии и устройства для комплексной обработки изделий. Совместная сессия и выставка-ярмарка перспективных технологий/Сб. тезисов докладов. -Тула, 1997.- С 162.

25. Григорьев С.Н., А.С. Метель, Е.Р. Цыновников, Ю.А. Мельник, С.В. Федоров. Плазменный эмиттер ионов. Патент России № 2110867, Н 0127/04

26. Приборы и методы физического металловедения / Под. ред. Ф. Вейнберга. Пер. с англ. М.: Изд-во «Мир», 1973. 427 с.

27. Башков В.М., Кацев П.Г. Испытания режущего инструмента на стойкость. -М.: Машиностроение, 1985,136 с.

28. J. Gunnars, U. Wiklund. Determination of growth-induced strain and thermo-elastic properties of coatings by curvature measurements // Materials Science and Engineering. 2002, v. A336, p. 7 21.

29. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Структура и прочность азотированных сплавов. М.: Металлургия, 1982 . - 174 с.

30. B.F. Coll, P. Sathrum, , R. Fontana,J.P. Peyre, D. Duchateau, M. Benmalek. Optimisation of arc evaporated (TiAl)N film composition for cutting tool appplications // Surface and Coatings Technology. 1992, v. 52, p. 57 64.

31. I.J. Smith, W.-D. Munz, L.A Donohue, I. Petrov, J.E. Greene. Improved Tii.xAlxN PVD coatings for dry high speed cutting operations // Surface Engineering. 1998, v. 14, N 1, p. 37 41.

32. T. Ikeda, H. Satoh. Phase formation and characterisation of hard coatings in the Ti-Al-N system prepared by the cathodic arc ion plating method //Thin Solid Films. 1991, v. 195, p. 99 110.

33. Некрасов В.И. Многофакторный эксперимент. Планирование и обработка результатов: Учеб. пособие. -Курган, 1998. -145 с.

34. Мухаметзянов И.З. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий: Конспект лекций. -Уфа, 1996. -75 е.:

35. Математическое моделирование самоорганизующихся процессов в технологических системах обработки резанием / Кабалдин Ю.Г., Олейников А.И., Шпилев A.M., Бурков А.А. -Владивосток: Дальнаука, 2000.-195 е.:

36. Пестунов В.М. Условия эксплуатации инструмента и эффективность процесса обработки. Техника машиностроения, 2000, №6. -С. 31-39.

37. Абденов А.Ж, Денисов В.И., Чубин В.М. Введение в оценивание и планирование экспериментов для стохастических динамических систем: Учеб. пособие по специальности "Прикладная математика". -Новосибирск, 1993.-43

38. Гаврилов Ю.В. Математическое моделирование процессов резания и режущего инструмента: Конспект лекций. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998. -78с.

39. Задгенидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука, 1976. - 360 с.

40. A. Savan, Е. Pfluger, R. Goller, W. Gissler. Use on nanoscaled multiplayer and compound films to realize a soft lubrication phase within a hard,wear-resistant matrix// Surface and Coatings Technology. 2000, v. 126, p. 159 -165.

41. W.-D. Munz, D. Schulze, F.J. Hauzer. A new method for hard coatings: ABS™ (arc bond sputtering) // Surface and Coatings Technology. 1992, v. 50, p. 169-178.

42. Андреев A.A., Гаврилов А.Г., Падалко В.Г. Прогрессивные технологические процессы в инструментальном производстве. М.: Машиностроение, 1981.-214 с.

43. Григорьев С.Н. Комбинированная вакуумно-плазменная обработка инструментов // Производственно-технический журнал «Металл. Оборудование. Инструмент». Июнь. -2003. - с. 36-40.

44. Н. Freller, Н. Haessler . TixAli.xN films, deposited by ion plating with an arc evaporator // Thin Solid Films. 1987, v. 153, p. 67 74.

45. A.C. Верещака, И.П. Третьяков. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М.: «Машиностроение», 1986, 192 с.

46. Синопальников В.А. Затупление быстрорежущего инструмента и способы повышения его работоспособности. В кн: Обработка конструкционных материалов резанием с применением СОЖ. - М.: МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, 1978. с. 62-67.

47. Кабалдин Ю.Г., Кожевников Н.Е. Исследование изнашивания режущей части инструмента из быстрорежущей стали // Трение и износ. 1990, т. 11, №1, с.130-135.

48. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение, 1981. - 279 с.

49. Синопальников В.А. Надежность режущего инструмента. Учебное пособие. М., 1990. 88 с.