автореферат диссертации по , 05.00.00, диссертация на тему:Последствия воздействия механического напряжения на усталостную прочность твердосплавного инструмента при программируемых нагрузках

62 11/90 *

Последствия воздействия механического

напряжения на усталостную прочность твердосплавного инструмента при программируемых нагрузках

(Исследование проводилось с износостойкими покрытиями)

Примечние: оригинал был написан на японском языке автором в 1976 и был переведен на английский язык также автором в декабре 2008. По английской версии Наталия Коваль перевела текст на русский язык в январе 2009 в соответствии с требованиями России.

1976

Кензуке Уемура

/ /I . У

Последствия воздействия механического

напряжения на усталостную прочность твердосплавного инструмента при программируемых нагрузках

(Исследование проводилось с износостойкими покрытиями)

Содержание

I

Глава 1 Литературный обзор

1*1 Введение 6 .

1*2 Использование сверхтвердого сплава для изготовления режущих инструментов, 11 1*2*1 Использование сверхтвердого сплава системы WC, 11 1*2*2 Применение керамических инструментов, 17 1*2*3 Использование инструмента из металлокерамики, 21 1 *2*4 Использование сверхтвердого сплава с покрытием, 23 1 *2*5 Влияние механического напряжения на усталостную прочность при программируемой нагрузке 27

1*3 Производственный процесс осаждения покрытия на сверхтвердые сплавы, 29 1*3*1 Производство порошка прекурсора 29

1*3*2 Производство порошковой смеси для изготовления инструмента 31

1*3*3 Прессование 32

1*3*4 Спекание и формование 33

1*3*5 Спекание 33

1*3*6 Покрытие 35 ;

1*3*7 Процесс контроля материала 35

1*4 Использование твердого сплава с покрытием для режущего инструмента 35 1*4*1 Технологии осаждения покрытий 35

1 *4*2 Износ твердосплавного режущего инструмента с покрытием 37 1*4*3 Факторы, влияющие на работу твердосплавного режущего инструмента 38 1*4*4 Последствия воздействия напряжения на усталостную прочность твердосплавного инструмента при программируемой нагрузке 43

1*5 Использование метода химического осаждения в производстве режущею инструмента 45 1*5*1 Метод химического осаждения 43

1 *5*2 Проблемы использования мегодахимичесюш осаждения для твердых сплавов 49

1*6 Использование метода физического осаждения в производстве режущею инструмента 56 1*6*1 Метод физического осаждения для инструмента 56 1*6*2 Проблемы метода физического осаждения для твердых сплавов 63

1*7 Заключение 64

1*8 Результаты воздействия напряжения на усталостную прочность при программируемой нагрузке 65

Литература 78

Глава 2 Исследование твердого сплава с покрытием, сформированным методом химического осаждения из газовой фазы; влияние воздействия напряжения на усталостную прочность при программируемой нагрузке

2*1 Влияние содержания углерода в подложке на структуру и прочность твердого сплава с покрытием, сформированным методом химического осаждения из газовой фазы. 86 2*1*1 Предисловие 87

2*1*2 Подготовка образцов и схема эксперимента 87 2*1*3 Результаты эксперимента 87

(A) Изменение структуры границы раздела зерен 87

(B) Характерное изменение покрытия TiC 90

(C) Прочность твердого сплава с покрытием 91 2*1*4 Анализ результатов эксперимента 94

2*1*5 Заключение 97 Литература 99

2*2 Влияние De -(3 Фазы на характеристики подложки из твердого сплава с покрытием, сформированным методом химического осаждения 100 2*2*1 Предисловие 100

2*2*2 Подготовка образцов и схема эксперимента 101 2*2*3 Результаты эксперимента 102 2*2*4 Анализ результатов 105 2*2*5 Заключение 108 Литература 109

2*3 Характеристики сверхтвердого сплава с двухслойным покрытием TiC и А1203 110 2*3*1 Предисловие 110

2*3 *2 Подготовка образцов и схема эксперимента 110 2*3*3 Результаты экспериментов 112

(A) Изменение свойств покрытия 112

(B) Прочность на разрью при комнатной температуре 116

(C) Предел прочности на разрыв при высокой температуре 117 2*3*4 Анализ результатов121

2*3*5 Заключение 125 Литература 127

t

2*4 Характер и работа сверхтвердых сплавов, покрытых методом химическою осаждения 128 2*4*1 Предисловие 128

2*4*2 Подготовка образцов и схема эксперимента 129 2*4*3 Результаты эксперимента и анализ 131

(A) Испытания резанием с образцами из TiC, Ti (С, N), и AI2O3131

(B) Уровень теплопроводности образцов из TiC, Ti (С, N), и AI2O3 (спеченное изделие) 132

(C), Испытания резанием твердосплавного инструмента с покрытиями TiC, Ti (С, N), TiN, AI2O3134 !

2*4*4 Заключение 142 Литература 144

2*5 Особенности твердого сплава, покрытого TiC методом плазменного химического осаждения 145

2*5*1 Предисловие 145

2*5*2 Подготовка образцов и схема эксперимента 147 2*5*3 Результаты эксперимента 149

(A) Структура покрытия TiC 149

(B) Механические характеристики твердого сплава с покрытием TiC 154

(C) Режущие характеристики твердосплавного инструмента с покрытием TiC 156 2*5*4 Анализ результатов 161

2*5*5 Заключение 164 Литература 166

Глава 3 Исследование метода физического осаждения (ионное осаждение) ' для покрытия твердых сплавов.

3*1 Нанесение покрытий TiC, TiN на твердые сплавы с помощью метода физического осаждения 167

3*1*1 Предисловие 167

3*1*2 Подготовка образцов и схема эксперимента 168 3*1*3 Результаты эксперимента и анализ 170

(A) Исследование структуры покрытий 170

(B) Кристаллографическая ориентация TiC и TiN 173

(C) Особенности резания и усталостная прочность 178 3*1*4 Заключение 183

Литература 185

3*2 Сравнение характеристик сверхтвердых сплавов, покрытых методом физического и химического осаждения 186 3*2*1 Предисловие 186

3*2*2 Подготовка образцов и схема эксперимента 186 3*2*3 Результаты эксперимента 188 ;

(А) Сравнение стойкости к разрушению при физическом и химическом методе

осаждения 188

(B) Различия прочности на изгиб в методах физического и химического осаждения 192

(C) Адгезия 194

(Б) Испытания прерывистой токарной обработкой 196 (Е) Испытания фрезерованием 199

(Р) Применение твердого сплава, покрытого методом РУБ 201 3*2*4 Заключение 202 Литература 204

3*3 Исследования метода физического осаждения для покрытия инструмента из быстрорежущей стали 205 3*3*1 Введение 205

3*3*2 Подготовка образцов и схема эксперимента 207 3*3*3 Результаты эксперимента и анализ 209

(A) Фундаментальные характеристики 209 (1-) Износостойкость 209

(2) Ударная вязкость 214

(3) Шероховатость 215

(4) Последствия воздействия напряжения на усталостную прочность образцов при программируемой нагрузке 218

(B) Применение 219 3*3*4 Заключение 224

Литература 224

Секция Благодарность была опущена при переводе на английский и на русский язык.

Глава 1 Литературный обзор 1.1 Введение

Хотя автор в основном занимался исследованием, развитием и производством твердосплавного материала, он сохранил убеждение, что сверхтвердый сплав с нанесенным на его поверхность покрытием является очень многообещающим материалом для режущего инструмента, и приложил все усилия для развития его коммерческого производства в частных предприятиях.

В настоящее время сверхтвердый сплав с покрытием стал основным материалом для режущего инструмента, но существует еще много нерешенных проблем и нерешенных задач в данной области. Данная диссертация представляет результаты, полученные при исследовании технических проблем, возникающих при коммерциализации производственного процесса.

Применение плазменных методов для обработки режущего инструмента из сверхтвердых материалов способствовало повышениию эффективности резания металла, сокращению расхода инструментам и улучшению точности обработки совместно с улучшением самого инструмента. Важное место занимает разработка новых технологий производства таких материалов, как алмаз, спеченные компактные материалы из CBN (кубический нитрид бора), керамика, металлокерамика (сплавы на основе TiC-TiN), и твердых сплавов с покрытиями.

Рис. 1.1.1 показывает количество потребляемого в Японии неперетачиваемого1 режущего инструмента в зависимости от состава и

^перетачиваемый инструмент: инструмент, не допускающий повторного использования

качества материала по годам. Мы видим, что количество инструмента с покрытиями увеличивается каждый год.

На диаграммах рис. 1.1.1 не включен алмазный инструмент, и инструмент из спеченных материалов типа CBN, так как такого инструмента используется малое количество. Кроме того, хотя быстрорежущая сталь используются для производства сложных инструментов, таких как сверла, червячные фрезы, они едва ли, могут использоваться для изготовления неперетачиваемого инструмента. Поэтому, они также не показаны на рис. 1.1.1.

Шментотованньш карбид

1972 1Ш

Год

Рис. 1.1.1 Производство неперетачиваемого инструмента в Японии

Осаждение тонких керамических покрытий TiC, TiN, Ti (С, N), и А1203 на твердые сплавы осуществляется с помощью метода газового осаждения. Керамика, уникальная по своей износостойкости, при высокой температуре осаждается на поверхность, благодаря чему твердый сплав становится очень прочным.

Классификация инструмента по условиям резания материала, показана на рис. 1.1.2.

Прочность и износостойкость являются основными требованиями к материалу инструмента, однако улучшение одного из этих свойств может привести к ухудшению другого свойства инструмента. Необходимо найти эффективные методы улучшения обоих этих свойств материала инструмента. Сверхтвердый сплав это сплав на основе элементов групп IVa и Va периодической таблицы, полученный спеканием (обычно спекание происходит в жидкой фазе) некоторых карбидов (TiC, VC, Cr3C2, ZrC, NbC, Мо2С, ТаС, WC), а также нитридов переходных металлов группы Via. В настоящее время используются системы на основе WC-Co (сплавы для режущего инструмента могут содержать также TiC, ТаС, NbC, и т.д.), а также система TiC-Mo-Ni с использованием TiN.

В Японии первый сплав называют сверхтвердым сплавом в узком смысле, а последний во многих случаях называют металлокерамикой. Первоначально термин металлокерамика имел более широкое значение, включая систему WC-Co.

Система WC (W, Ti, Та) - С-Со (твердые растворимые двойные и тройные карбидные системы), в которой к системе WC-Co добавляется TiC и Ta(Nb) С используется при обработке быстрорежущей режущей стали (HSS). Система WC-Co (простая карбидная система) используется для обработки чугуна (2).

Также используется система ИС-Мо-М, имеющая основным компонентом Т1С. В последнее время в неё стали добавлять также ТОЧ совместно с ТаИ, Со, и W (3).

Так как металлокерамика уступает сверхтвердому сплаву по хрупкости и тепловому сопротивлению, то она не всегда подходит в качестве основы для последующего осаждения покрытий.

Сверхтвердый сплав системы \\/ОСо или системы WC - Т1, Та) С-Со используется как подложка для покрытия.

Кроме химического осаждения покрытия в Японии на практике используется также «ионное осаждение» (4), классифицируемое как физическое осаждение.

Что касается практического применения метода физического осаждения для покрытия режущего инструмента, то данная работа и другие работы автора имеют приоритет в мире (5).

В первой половине данной работы описаны результаты исследования адгезии сверхтвердого сплава и покрытия, нанесенного методом химического осаждения, влияние на неё материала сплава сверхтвердой подложки, эффект модификации её свойств (7), свойства покрытий (8), влияние качества пленки (9) и (10), метода осаждения покрытия (11), и т.д. на эксплуатационные свойства инструмента.

✓ч •«л

а4

а

&

ш А Л

И .

и

О

а

а

и о

Керамика

туш

таллокерамнка

Оу

I \ Покрытые карбиды

Н-Д \

карбиды

200

Сталь \ Покрытая сталь

а N

'О 0,2 0.4 06 08 '1.0 1.2

30

Твердость^)

Рис. 1.1.2. Область применения, классифицированная по условиям резки

материала

Кроме того, во второй половине работы описывается связь между условиями осаждения покрытия и его характеристиками (12), также описаны особенности покрытий сверхтвердого сплава, нанесенных методом физического осаждения по сравнению с методом химического осаждения (13), применение метода физического осаждения для покрытия быстрорежущей стали (14).

Впервые в мире автор и др. применили метод физического осаждения для покрытия быстрорежущей стали в коммерческом производстве, и это показано в работах (14), (15), (16), и очень широко сейчас применяется. Перед тем, как перейти к основному предмету, опишем историю появления сверхтвердого сплава, развитие производственного процесса, особенности

ю

сплава, и современное состояние материала инструмента. Следующая глава описывает современное состояние метода химического осаждения и технологию метода физического осаждения в применении к инструменту, а также проблемы, которые возникли при этом и которые должны быть решены далее со временем.

1.2 Использование сверхтвердого сплава для изготовления режущих инструментов, обзор

1.2.1 Использование сверхтвердого сплава системы WC, обзор

Существующий сверхтвердый сплав был изобретен в 1923 К. Шротером (немецкая исследовательская компания группы OSRAM). Сплав базируется на так назывемом патенте Шротера (17), был создан для компании Krupp (Германия) и обозначен фирменным знаком Widia (значение Wie Diamant) в 1925.;

Сплав получали нагреванием смеси порошка металла W и порошка графита для получения порошка WC, затем добавлялся аглормерированный порошок Со.

Однако к тому времени, когда был разработан метод Шротера, исследования были проведены и другими учеными.

Карбид, содержавшийся в стали, был идентифицирован во второй половине 19-ого столетия, люди были впечатлены высокой твердостью и высокой износостойкостью, и Муассан (Франция) (18) исследовал твердую подложку, содержащую различные виды карбидов, и объяснил характеристики, которые для этого столетия были значимыми.

Кроме того, эксперименты, со сверхтвердым материалом были также выполнены Фоигтландером и Ломаном (19). Они использовали

агломерированный WC со стабилизацией свойств, но он не был хорошего качества.

Исследование модификаций сверхтвердого сплава позволило, кроме сплава Widia (WC95%, Со5%), в 1931 г. разработать сплав Widia X (состав: TiC 8.5 %, Со 5 %, остальное WC), пригодный для высокой скорости резания. Кроме того, сплав системы WC-TiC-TaC-Co был изучен в U.S. Comstock, и был коммерциализирован Firth Sterling в 1932, (20).

Что касается систем WC-TiC-Co, тот система WC-TiC-TaC-Co стала использоваться в США после того, как она появилась в Германии. Однако, эти системы были модифицированы после Второй мировой войны в Германии применением материала ТаС другого качества. Не смотря на то, что ТаС был дорогой, его использовали в качестве добавки в системе WC-TiC-TaC-Co, так как твердость этого материала была высокой. Эта композиция широко использовалась для резки, и в дальнейшем это направление развивалось. '

Тем временем, развитие вакуумной технологии позволило заменить обычное спекание в атмосфере Н2 вакуумным спеканием, особенно для TiC и в сплаве, который содержал ТаС.

В Японии сверхтвердый сплав также быстро и хорошо показал себя в производственных испытаниях, и коммерциализация его началась в 1930. Приблизительно в 1935 внутри страны была также произведена система WC-TiC-Co.

После войны, начиная с 1953 года, сверхтвердые сплавы разрабатываются и внедряются в разных странах, и в Японии сверхтвердый сплав внедряют приблизительно в 1955, вводя технологические ноу-хау с Запада.

Особое внимание уделялось технике производства сплава (W, Ti, Та) для различных условий резки и технологии вакуумноого спекания сплава системы WC-TiC-TaC-Co.

Уникальный сверхтвердый сплав для инструмента, созданный по такой технологии в 1955 г, внес большой вклад в развитие машиностроения Японии.

Таким образом, состав сверхтвердого сплава по существу неизменен, и предметом исследований стали стабилизация и улучшение качества сплава за счет развития процесса его изготовления.

Было признано (21-27), что даже очень незначительные изменения содержания углерода в составе сверхтвердого сплава сильно влияет на его свойства. Для сверхтвердого сплава это было исследовано Suzuki и др., поскольку это приводит к изменению физических свойств сверхтвердого сплава.

Проводилось дальнейшее развитие исследований, таких как разработка связующего вещества, разработка технологии непрерывного спекания в вакууме, новой технологии гранулирования.

Характеристики последнего сверхтвердого сплава (28) показаны в Таблице 1.2.1, атипичные фотографии поверхности сплава приведены на рис. 1.2.1. Далее описаны методы и проблемы усовершенствования сверхтвердого сплава.

Область, в которой использование сверхтвердого сплава для замены быстрорежущей стали для применения в сверлении, и для червячных фрез (1) является актуальной.

Таблица 1.2.1 Механические и тепловые свойства современных твердых

сплавов высокого качества

Серия Материалы Твердость (HRA) Разрыв (kg/mm2) Коэффициент сжатия (104 kg/mm2) Теплопроводность(са1/ cm- \ sec °С) Сила сжатия (кё/ шш2) СТЕ (хЮ" 6оС)

ST10P 91.7 165 4.8 0.06 500 6.2

ST10E 91.2 175 5.6 0.10 490 5.2

Р ST30E 90.3 200 5.3 0.10 425 5.2

А 30 90.6 200 5.3 - » 5.2

ST40E 90.0 • 200 - 0.18 - -

UIOE 92.2 160 4.7 - 600 -

М U2 А40 91.0 98.9 195 260 - 0.21 0.32 - -

Н 2 92.7 165 6.1 0.25 624 4.4

HI 92.4 180 6.4 0.16 620 4.7-

К НЮЕ 92.1 185 - 0.26 1 -

GIOE 91.0 • 195 6.3 0.25 585 -

и ч о о, о * 1 о * N70-FQ 95.5 160 8.0 — 750 4.5

N70-F0 93.0 200 6.7 750 4.7

а U N7Q-FO 92.0 260 5.4 - 650 5.1

J

NO-FO 91.5 200 - -

• i

' г ■■ ■ ir> "г* Ж' ■ >•• *

, •• - .iji, * ««т ШлШ

■

■ -д;

' . * x.:

1 0 j«m

(а) Сплав С-Со

(Ь) Сплав WC-Co

(с) WC- (W Ti Та) С-Со Fig. 1.2.1 (а-с) Типичные виды структур сверхтвердых сплавов

Рис. 1.2.2 Тверд