автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение надежности твердосплавного инструмента при резании труднообрабатываемых материалов путем нанесения сложнолегированных покрытий и газостатической обработки

МИНИСТЕРСТВО РОСС.ЫСКОИ ^ЬЖРАШЫ ПО НАУКЕ, ВиСШЕл ШОПЕ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ШИШ

МОСКОВСКИ», ОРДЕНА ТРУД01301Ю КРАСНОГО оНАиШШ СГАНКОИНСТРУЫЕНТАЛЬНЦЙ ИНСТИТУТ' •

ДЕПАРТАМЕНТ АВИАЦИОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ МИНПРОМА РСФСР

ВСЕРОССИЙСКИЙ ИНСТИТУТ ЛЕГКИ! СПЛАВОВ

На правах рукописи

БОЛОТНИКОВ Григорий Владимирович

УДК 621.9.02:669.018.025

ПОВЫШЕНИЕ 11АДШ0СТИ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ■ ИНСТРУМЕНТА ПРИ РЕЗАНИИ ТРУДООтШШАКЛы! ¡¡МАТЕРИАЛОВ ПУТЫ.1 НАНЕСЕШЬ! СЛСШЮЛЕШРОВАНШД ПОКРЫТИИ И ГАоОСТАТИЧЕСКОИ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.03.01. - "Процессы механической и

фазяко-техняческой обработки, станка я инструмент".

л з т о ? к е ? л

,".".ссг);гг::.ц';.7 уи сспокагло учоцсЛ тсхндчосиях кзук

Москва

1532

Работа выполнена в Московском ста нкоинстру мента льном институте и Всероссийском институте лёгких сплавов.

Научные руководители - лауреат Государственной премии

СССР, доктор технических наук, профессор Вереиека A.C.,

лауреат Государственной премии СССР, кандидат технических наук ^.■чш Э.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, професс

кирсанов г..ч.

кандидат технических наук, старщ научный сотрудник Коняшин И.Ю.

Ведущее предприятие - Научно-исследовательский институ

технологии и организации производства двигателей (НЩД).

Защита диссертации состоится " 25 " июни Т992г. в 14 час в вуд.221 на заседании специализированного Совета К 063.42.С в Московском станкоинструментальном институте по адресу:

101472, ГСП, Москва, К-55, Вадко/юкий переулок, дом З^..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского станкоинструментального института.

Ваш отзыв по данной работе, заверенный печатью, просим направить по указанному адресу.

Автореферат разослан "_" чая_ 1992 года.

Учёный секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент Ю.П.Поляков

ОЩАЛ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

Актуальность работы. Низкая надёжность твердосплавного (ТС) инструмента при резании труднообрабатываемых материалов является серьёзной проблемой. Одним из наиболее элективных методов повышения надёжности режущего инструмента (РИ) является нанесение износостойких покрытий. Однако до настоящего времени для РИ, предназначенного для резания труднообрабатываемых материалов, покрытия не получили широкого промышленного применения. Другим методом повышения надёжности твердосплавного инструмента является горячее изостатическое прессование (Ш1), позволяющее уменьшить количество дефектов в материале, повысить его прочность. Высокие удельные нагрузки на контактных площадках инструмента и повышенные термические напряжения, возникающие при резании труднообрабатываемых материалов, делают режущую кромку важнейшем элементом геометрии режущей части. Особенно это относится к обработке титановых сплавов и никелевых сплавов, получаемых методом порошковой металлургии .

Решение проблемы повышения стойкости при резании этих материалов усложняется недостаточной изученностью взаимосвязи цезду составом, свойствами и конструкцией инструментального материала с покрытием, характером его изнашивания и условиями его эксплуатации.

Таким образом, изучение закономерностей связи геометрии режущей крошш, состава, конструкции н свойств покрытия, технологии его получения, а также взаимосвязи условий Ш1 с особенностями изнашивания твёрдосплавного инструмента при резании труднообрабатываемых катерзалов является актуальной научной проблемой.

Работа выполнена в ВИЛСе и на кафедре "Резание материалов" ЦОССТАНКИНа в рейхах задания 38 комплексной Программы работ по решению научно-технической проблемы ПШТ 0.16.05, а также в рамках работ по приказу ä 115 от 26.03.80 Министерства авиационной промышленности.

дель работы. Повышение надёжности твердосплавного инструмента при резании труднообрабатываемых материалов на основе создания слошюлегированнык многослойных покрытий, а также разработки способов дополнительного повышения надёжности инструмента путём виброабразивной обработки и газостатического упрочнения.

Общая методика исследований. Исследования надёжности проведены с использованием-основных положений теории резания и статистической обработки результатов с использованием ЭШ.

Исследования изнашивания инструмента, состава в свойств инструментального материала осуществлялись на основе методов оптической и электронной микроскопии, микрорентгеноспектраль-ного и рентгеноструктурного анализа.

Научная новизна заключается в:

- закономерностях связи геонетрая режущей крошш, условий подготовка поверхности ТС, составе, конструкции, свойств износостойкого докрытая е условий его синтеза с контактными характеристиками ( кинетикой изнашивания,, условиями эксплуатации ТС инструмента и его надёжностью при резании труднообрабатываемых материалов;

- взаимосвязях условий горячего изостатического прессования» структуры и свойств ТС инструмента с покрытием к его надёжностью;

- математических вероятностной и детерминированной модели точения ТС инструмента*.! с разработанным покрытиеа.вЕброаб-разивныа упрочнением в оптиьальннм радиусом реаущей кромки za. ропрочшсс ¡шкелевш; сплавов с учётом временного фактора.

Пртяуческая ценность заключается б:

- новых составах и конструкциях износостойких покрытий (A.C. СССР й I59S364, положительные ревекая по заявкам на A.C. Ш 4672852/21, 4845049/21, 4845047/21);

- способе повышения надёжности ТС инструмента с покрытием путём предварительного виброабразивного упрочнения (заявка на П<г №5035953/21),

- технологических рекомендациях по нанесению покрытий на твердосплавный инструмент и предварительной подготовке его поверхности, отражённых в выпущенном стандарте предприя-

тия (В11ДС) СТП 809-171-89 и технологической инструкции ВТИ 08-13-87;

- руководящих, материалах по рациональному применению твердосплавных пластин с покрытиями (переданы на КУШ, liA-'ЛАЗ и др.);

- способе повышения гадёжности ТС инструмента с покрытиями путёгл горячего изостатического прэссования (положительное решение по заявке на A.C. № 4787654/21);

_ репинах прэдваригвльиой ¡термообработки сплаза иакелида гияааа, повыпащой обрабавшаеаоэгь оплаза.

Реализация работы. Опытно-промышленная технология нанесения слокнолеглровашшх [многослойных покрытий, разработанные способы П0В1Ш61ШЯ надёжности твердосплавного реаущего инструмента с покрытием в настоящее время используются ВШЮсм для серийного упрочнения инструмента заказчиков. Представленные в работе результаты повышения стойкости инструмента подтверждены актами производственных испытаний на ЗЛС, МШ имени Ü.B. Хрунлчена, КУМПО, Ступинском металлургическом комбинате, .'.ПНЮ "Салют", Долгопрудненском МПО и др.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуадеш на: научно-технической конференции "Повышение стойкости деталей машин и инструмента" в феврале 1989 г. в г. Москве, семинаре инструментальщиков заводов 8 ГУ МАП в июне 1988 г. з г. Москве; конференции молодых специаластов ВКИСа в 1989 г.; симпозиуме "Современное электротермическое оборудование для поверхностного упрочнения деталей маызн л инструментов" в сентябре 1990 г. в г. Саратове, НТС ВИЛСа в мае 1992 г.; НТС ШО 51-30 НИИДа в ыаэ 1992 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, ззлояена иа 218 страницах шшинопасного текста, содержит 18 таблиц , 7? иллюстрации, 22 приложении и списка использованной литературы, включающего 126 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе дан анализ особенностей работы инструмента при резании труднообрабатываемых материалов,. Он показал, что для покрытия создаются чрезвычайно тяжелые и невыгодные условия. Однако применение ионно-плазмеиных покрытий, получаемых методом КИБ, позволяет повысить стойкость твердосплавных инструментов, применяемых при резанш труднообрабатываемых материалов. Метод КИБ более пригоден для создания покрытий инструментов, применяемых для резания труднообрабатываемых материалов, по сравнению с наиболее распространённым методом газофазного осаждения (ГФ0)„ поскольку, во-первых, позволяет наносить покрытия широкого спектра составов, во-вторых, отсутствует переходная зона ¡пониженной прочности мезду покрытием и твёрдым сплавом, присущая методу КО, и, в-третьих, покрытие КИБ благодаря су 'рмелкодисперсноа плотноупакованной структуре имеет ¡повышенную пластичность и трещиностойкость.

Покрытия различного химического состава показывают неодинаковую эффективность при резании труднообрабатываемых материалов, принадлежащих к различным группам. Показано, что за счёт дополнительного легирования можно повысить эффективность покрытий. Это свидетельствует о необходимости использования инструмеата с композиционно-многослойными покрытиями только оптимаяшойз состава для достаточно ограниченных условий резания. -Одшйюэ, промышленного применения нанесение сложнолеги-рованнше шшзнгажй «а РИ, предаазначенный для резания трудно-обрабагкаааши; материалов, пока не получило.

Для даодреаия инструмента с покрытием необходимо определить области ®по рационального применения.

Эффективным методом подготовки поверхности ТС инструмента перед нанесенном докрития является киброабразивная обработка. В результате выполнения этой .одараовн одновременно обеспечивается округление реющей .кромки ш игеистка поверхности от до{юктного слол.

Процесс горячего изеемтвеаквяю шрэааования (Ш1) является эффективным методом угшолашнш иадашй ¡и в настоящее время получает интенсивное разйвтле-

Учитывая основные параметры, при котор;1х осуществляется данный процесс (высокая температура л давление) представляется целесообразным оценить возможность использования процесса 1ИИ для повышения эксплуатационник характеристик твердосплавных режущих пластин с износостойкими яонно-плазменнши покрытиями.

Исходя из вышесказанного определены основные научные задачи работы:

1. Исследовать особенности изнашивания ТС инструмента при резании порошковых никелевых, титановых и никельтитано-вых сплавов, а также других труднообрабатываемых материалов.

2. Разработать слогшолегированше многослойные покрытия для ТС инструмента, предназначенного для резания труднообрабатываемых материалов и отработать опытно-промышленную технологию нанесения покрытий разработанного состава и конструкции.

3. Исследовать надёжность ТС инструмента со сложнолеги-рованныш многослойными покрытиями и определить оптимальные условия его эксплуатации.

4. Разработать способы повышения надёжности ТС инструмента о покрытиями.

Во второй главе приведены методики исследований. Нанесение покрытий проводили в ионно-плазменних установках типа Булат-ЗТ в ННВ-6.6-И1.

В зависимости от конфигурация инструмента использовали специально разработанную автором оснастку для его крепления.

Для отработки технологии предварительной очистки покрытия наносила на стальные пластины после очистки в различных условиях. Качество предварительной очистки оценивали путём подсчёта количества дефектов в покрытии на единицу площади > видимых в оптический микроскоп.

Для получения карбонятридных соединений с определённым соотношением карбидов и нитридов предложена следующая схема: азот а ацетилен подавали в прсмеауточную ёмкость; соотношение иезду ннмн устанавливали по показаниям манометра при поочередной напуске каздого лз газов.

Покрытия в первую очередь оценивала по внешнему алду на

предмет отсутствия дефектов.

МякротвЗрдооть покрытия измеряли прибором ПМТ-3, е также в микроскопе "Ro£yVQf* " (Австрия) с микротвердомерси

"М/ссо - duromat 4Q00\

Хрупкость опред&шш врв ягмерении ыикротвёрдоотя, оценивая её соответствую«« бааиои (от 0 до 3) согласно схеме распространения-трещин s областг отпв<штха, е такое по характеру изнашивания границы покрытая ю задней аоверхвоотв ва ооотно-нание процессов скалнванвя в ввнавнвавив.

Толщину покрытая оцовквали на фрахтограиах явлою специальных обрезцов-свидетелзВ (фольге могабдега толвнной 50 msm, охрупчениая термообработкой) в твЗдооошавних пластай о точностью до - 0,5 нкн ш квкроскопе ПМТ-3, а также при вополь-зонання толпиномаре ыоделв " M/C/~OCleftt1 MP-700" (США), во-пользуицегг прввдвп багта излучения.

Для с „«деления степени вдгезвв покрытия по отнопениз к обребезгываемому материал; вопожьвоэалх спецвальную методику, основа шук т уставоывнно® корреляция формы в вида стружка (для твтановах ж алшзнневих сплавов) о относительно! адгозиеХ покрытия в обрабатываемого материала,

Окисляеиссть покрыта! различного состава определяли во врздложанно£ методике, основанной ш измерении sohb оквсленвя вокруг видадав игвоса ш задне! поверхности.

Химический состав покрытия оценивали при использовании иикрорзнтгеноспектрального анализа, который проводили на приборе "Суперпроба 3XA-733" (Япония), оснащённого »нергодвспер-свонным спектрометром "Лянж"0 с фззовы2 состав определяла на основе рантгевоструктурного анализа, который проводили на даф-рактометре "ДРОН-З-.О". Экспресс-анализ состава покрытия про-водшш с учетом установленной коррелацЕж состава покрытия и скоростЕ оеаэдеяья компонентов Bps различных значениях величин тока дугк испарителе!.

На всех в та пах разработки вкструманта основным критерием сдужшш стойкость инструмента пра лабораторных испытаниях.

1ерактор яэшшйваккя упрочнённого инструмента, а также структура покрытий всоледоиалась в олсктрокио-скашрушеы ше-роскопе й

Очаги язиоса исследовала также на профнлографе-профило-ïiûïpe Его д. 202.

Параметры процеооа резания анотрумантом о рззработаипниа покрытиями исследовала при использовании методик, разработанных ш кафедре "Резание материалов" Мосотанюша. В частноста, тепловое состояние реяущей часта анструмента определяли по температурным полян, которые были получены пра аспользовании много-лоэнцаоншх термоандииаторшх веществ тага Ш-51, а области эторачных дефорьиций (заотойшас зон) аооледовалл на шшро-фогогрзфаях поперечных шлифов струаек. Параметры функцпоннро-ваная процесса рвзанш лнсарументом о разработанными покрытиям (оялы резаная, ваброакуотаческие сигналы, термо-ЭДС) ас-оледовала ш специальном автоматизированном стенде по методике И.В.Ереленко - В.Д.Синопалышкова.

Третья глава посвшцена разработке составов а конструкций слоанмэгарованшх покрыта! для рэзлачных условий резаная.

Для выбора состава многослоано-кошозациошшх покрытай исследовала ко!шлеко свойств слоёв, входацдх в их соотав (TiN , Zl-N, ON , MûN . NbN ). Было установлено, что шииеаь-аэЗ окзсляеыостью обладают .слоа TiN з Z(-N , а ияизпь&сЗ относительной адгезионной опоообноотыо и максимальной твардостая - слоа NbN . Кроме того, било показано, что ?аксгоальиов зо-дарзанав капельной фазы ( ОС -Ti , СХ -2f ) пмеют олоя TiN ,Zf-N , ыашшэльноЗ - олол NbN • Било такяв установлено, что иашалальнуп хрупкость аыеет одел NbN a TiN .

Пра выбора компонентов покрымя дам обработки глтоповых ошзвоа оценивала отноозтзльнузэ эдгезаопную способность слоёв, непосредственно контактлруэдзх о обрабатываем!.-::! 'ятерзэлсм (каруззие слоа) по методой«, заложенной вшзе. Установлено, что по адгеззенасЗ споообносга к игзношм сшивам по мэро cœnte-::ля покрытая располагается в сладуюй последовательности: ZtN , CfN , MON a NbN (ркс.1).

G учётом необходимости оспат^пл у пекритгя аротдзоречявих сзсЗота - по ¡гглг.п.т^сЗ отнооагольиеЗ здгазаз к обрабэтьеяо-•¡c;.ty кэтэрззлу, тпёрдоотл, хрупкости л охзоляеиоста - для об-¿эботха гзтанозых оппвоэ рекоаэвдоЕэии покрытия il-j ооиовэ

сиотемы ( Nh - Zt- ) N , нанесение которых позволяет повысить сто1кость инструмента до 5 раз.

Аналогичные исследования бшги проведены пря выборе состава покрытия для резания алюминиевых сплавов. По адгезионно! способности по отношению к алюминиевый сплавам по мере снижения покрытия располагаются в следующей последовательности: Zf- N , MoN > CfN , NbN . В частности, показано, что нанесение многослойного покрытия NbN позволило повысить стойкость твёрдое плавных пластин ВК8 при точении алюминиевого сплава до 7 раз.

Для инструмента, предавзначенного для обработки инструментальных сталей, рекомендованы покрытия на основе системы ( Ti - СI- ) N

В работе сравнивались два варианта легирования хромом:

1) нанесение тремя или двумя испарителями, из которых сдан содержал катод на хрома, остальные - из титана и соотно-иение меаду титаном и хремои регулировала силой тока дуги, а также частичным экранированном васлоиков испарителя с хромом;

2) ваг ¿езде одним испарителем, содержащая катод из сплавоч титана с хромом в количестве 15, 22, 25 в 30 вес.£.

& примере иооледоваквя двух систем (введения добавок С|~ в Ti яС вЫ } похазан характер влияния третьего (металлического или газового) компонента на микротвёрдос» покрытий. Изменение ижкротаёрдооти и зависимости от состаиа(Еис;2] имеет два максимума* В частности, для достижения максимальной твёрдости необходимо ввести в реактивную атмосферу 30 или 100^ ацетилена, 20 или 80? хрома. Стойкость инструмента с покрытием системы Ti - Cf4 - нижний слой - нитриды, средний -- карбонитриды и верхний - карбиды превышает стойкость нит-ридного покрытия на 30?.

Приведена стойкость для покрытия, полученного при использовании катодов титана, содержащих /?£! , V , МО - Дополнительное летарование покрытия нитридами этих металлов повышает стойкость покрытия на ЗС# (A.C. СССР Л 1598364).

При нанесении покрытия по первому варианту слои различных составов вызывают появление в покрытии микроструктурных

покрытия fe ^ ZrN_

>ас;1.Вад стручки при точенш титанового сплава BTI6 ТС плас-2нзш1 ВК8 с различными покрытиями.(гг = 80 m/mhh,S = 0,3 мм/od, t => I , с СОЯ).

Н^-Б^Ша

^0.2.Влияние содержания ■petbero компонента на акротвердссгь покрытий ¡э соединений NbCN (л) [(TI-Cl-)N (о).

32

23,

2*

75 %МС СгЫ

Рас.3.Влияние потенциала :иещенпя на стойкость ТС [ластлн с покрытием Ti -О 5N в зависрл'.осги и содерхзнав хрома в .спаряемсм катоде.

L ,и

искажений, которые дополнительно упрочняют покрытие. Показано, что такое покрытие образуется: ас относительно малых скоростях вращения инструмента в камере установка, при атом двухкошо-нвнтные слои частично диффундируют друг в друга. Стойхоотные испытания инструмента показала, что подобное покрытие - о чередующимися двухкомпокэнтншх в еложнолегироваиными олоями имеет повышенную эффективность, особенно в условиях тяжелого резаная.

В условиях нанесения покрытия о использованием легированного катода из титана а хроме показано, что оняженае потенциала смещения сдвигает оптимальное содержание хромв в катоде в меньшую сторону. Это свидетельствует о существенном влияния нз содержание компонентов в похрипи ах ковффициента ионного респьугения в процессе осаждения, причём о увеличением потенциала прш ¡с оаморвопыления усаливается (сис.З).

Не основе полученных результатов исследования представленных зависимостей и 8ффектов, а также на основе стойкосткнх испытаний инструмента оптимизированы режимы нанесения покрытие на основе системы "П - С г по первому в второму варианту, соотношение "П и С Г в покрытия в соответствующем легированном катоде»

Компоненты слоднолегяроваиного покрытия для обработки жаропрочных никелевых сплавов выбирались с учётом принципа сочетания у покрытия противоречивых свойств. На основе пред-огаБлешшх выше исследований ряда двухкомпонентных покрытий, а также литературных данных для предварительного исследования была получена серия сложнолегарованных покрытие. После пред-варвтельшд испытаняЕ этих покрытий и сценки их свойств было роионо г качестве покрытия для обработки никелевых сплавов исаояьасшять покргшге на основе свстемы ( -Т! - Л6 )N получаемое мз соответствующего легированного катода. Показано, что, хотя существует определённая корреляция ыевду твёрдостью покрытия £ стойкость® инструмента с покрытием, роль йогировашю ке оводктся к его влиянию на твёрдость. Комплексность воздействия легирования продемонстрирована на примере

влияния оотаточного давления азота в процессе нанесения покрытия ( МЬ - т I - Д£ ) N на микротвёрдость а стойкость, максимумы которых не совпадают.

Проведённый рентгеноотрукгурный анализ подтвердил выоокув норавновеонооть фазового ооотава ионно-шшзменних покрытяй в исходном ооотоянии, которая снижается как пра повышения температуры осаадекия покрытия, так и при отжиге. Указанное поло-занае подтварздается рвнтгеноструктурными исследованиями покрытия из карбида хрома, полученного при различной температуре

осаздешш, а такза покрытия ш основе нитрида ниобия в зсход-

„ осатЭеинй

нон ооотоягаа и поола отгшга. Температура^около 350°С приводят к получению рантгансаморфаой структуры, а пра 550°С з по-крытаа чётко выявляются ЯИ1Ш карбида хрм.'^гС^Отзшг пра 900°С такае пароводат покрытие в равновесное состояние.

Пра шлом потенциале омещаная от 30 до 100 В покрытие имеет выраазиную столбчатую структуру, повышенную макротвёрдость (29 ГПа) я хрутсооть (балл I). Пра повышенна потенциала смещения до 200-300 В структура покрытай отанокатся болао разномерной, макротвйрдооть а хруш(ооть ошшзатоя (24 Г№>, балд 0-1).

Покрытие, которой фор.чирогалооь прз нпзкях энячоняях онергии ионов, лмеет ооотаз, блаэклй к соотношения гаоо кошю-нентов в хатодо, Этот ооотаз ооотпэтотаует оптяшльначу составу покрытая, который обаопачлЕЭот каколкальнуя азнрсоотсШсость анотруменга пра обработка труднообрабэтзекюс ютеркалоа,

Прз пархнах значащих оиарган аонов формирование иокрнтач прозоходат з уолоезях чзотачного зонного раопнлакая осаздаоннх а подлогу коютонантоэ, пра этсы покрытая обедняется когшо-нвнтаиэ, аасшсш оолзэ гаосхзЗ коэф|ацнонт зонного расаыла-23.1 (папрвмр, Т1 , Я1 )• Крснэ того, благодаря болеэ эисо-хоЗ темпзрзтурэ, этот олоЗ форяруэтсл э баяоз равноззсн'пс уоловяях а дялэот поэйчзнну» плзст.т-шсотъ по зрээионзя за олоом пра :язнга зпачэгш элзрпя з, оладогзгэльяо, оопрогаэ-ляетоя ударкгм нагрузкам.

Пред90о ::зг.есэ:"!я покрытая воя прл ц?-г.гачас:<сн ззуэнзнал экэргзз яоаоз з антортядэ, нг^пЗ лрэдэл 5о?орого составлял

25-100 эВ, а верхний предел - 200-300 аВ. В результате формировалось покрытие из чередующихся слоёв различного соотава в структуры (положительное решение на А.С. 8 4845049/21). Стойкость пластин из сплава ВК8 о подобный покрытием при оснащении торцевых фрез в условиях фрезерования жаропрочного никелевого сплава. ЭП741Ш была на 50$ выше стойкости пластин с покрытием без указанных слоёв, в то врем* как при точении различие стойкости составило всего 15Л.

По другому варианту покрытие имело верхние сло1, нанесённый при малом потенциале смешения,о повышенно! твёрдостью и хрупкостью в нижний сло1, нанесённый при повышенном потенциале, что обеспечивало получение более пластичного сокрытия. Пластины с покрытием такой конструкции на основе систем ("П -- С г в (К1Ь -Та| - ) N рекомендованы для точе-

ния.

На основании проведённых воследованяв по выявлению влияния расположения твёрдое шшвных пластин в камере вонно-шшв-менной ус новкн предложена схема расположения я переиещеняя твёрдосплавных пластин в процессе осаждения покрытия, а также способ увеличения на 40-50? ширвны аффективное рабочей гоны осаждения покрытияо Установлена зависимость продолжительности нагрева пластин от их кассы.

Для предварительное очветкн твёрдосплавных пластин использовали разновидность виброабразивной обработки (ВО) с применением абразивных тел больших размеров (ПТ15х15) и большой амплитуды колебаний. ВО проводили на вибрационной машине модели Ш40С, изготовленной в СПШ г. Славянска.

В процессе обработки по данной технологии одновременно с удалением дефектного слоя в увеличением радиуса скругления режущей кромки происходит наклёп поверхности основы. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что наклёп незначительно снижается в результате воздействия температуры в процессе нанесения покрытия. Твёрдость и прочность поверхности основы повышается, что наряду с увеличением радиуса скругления режущей кромки и удалением дефектных слоёв создаёт благоприятные условия для работы покрытия. Установлено, что при точении

в фрезеровании жаропрочных никелевых сплавов покрытие (1ЧЬ -

- ~П - ЙС ) N „• виброупрочнённый слой основы и оптимальный радиус округления режущей кромки снижают коэффициент вариации стойкости до 6 раз. Показано, что это связано со снижением вероятности хрупкого разрушения режущей кромки за счёт каждого из перечисленных факторов (Рио.4) (заявка но Пат. N'5035953).

Оптимизированы технологические параметры процесса виброабразивной обработки ТС пластин. Внедрение спытно-прокшаявнпой технологии виброабразавной обработки ТС пластин завершило автоматизацию участка подготовки инструмента к нанесению покрытия в ВШГСе,

Четвёртая глава посвяцзна нсслодовэнаю работоспособности ТС инструмента при резании труднообрабатываемых сплавов, а также исследованию надёжности разработанного инструментального материала в различных условиях резания. Различные условия резаная имеют специфические оообенноста изнашивания инструмента, что предъявляет различные требования к композиции "покрытие -

- твёрдый сплав™.

Анализ микрофотографий контактных площадок твёрдосшгав-нйх пластин при точении коррозионностойкзх сталей и никелевых сплавов показывает, что на меньшие скоростях резанвя преобладает адгэзнонно-усталостныЗ взнос покрытия и основы на передней поверхности. Этот вид износа характерен для области, прилегающей а режущей кромке, а именно изиоо этого участка определяет в д) ином случая работоспособность инструмента (после потери формы передней поверхности происходит катастрофический пзноо задней). На зрдней поверхности покрытие и осноьа изнашивается з результате сколов. В результате сколов режущей кромки происходят сколы га прилегающих к ней передней и задней поверхностях, приводящие к образованию "борозд" износа. Процесс усиливается с увеличением подачи, ухудшением обребатываемоети материала и уменьшением яёсткоств системы СПИД. С усилением этих видов износа эффективность покрытия снижается. Одним из важнейших геометрических параметров в этих условиях является радиус округления режущей кромки.

-J

О? .

o.i :

0,3 - 300

0,2 - 200

0,1 - 100

\

1 I

2

10 30 50 70 JO.MKM Рис.4.Влияние радиуса округления реяущей кромки пластин Ш321 на стойкость 1.(1) и коэффициент вариации стойкости V (2) при точении жаропрочного никелевого сплава ЭП741Ш ( V = 20 м/кин, S = 0,3 мм/об, t = I мм, с CCI) с покрытием (о ) а без покрытия (О.

Т,ыиц 60

50

40

30

20

хо

L,M

450

300

150

— ■ ч ч

... у.. \

<

\ \ \ ч h—»X 1 и )

« 1 «и

Б 10 15 20 V .мДшк

Рис.Б.Дшше скорости розеная на стойкость пластик ВК6-СМ без покрытия («) и с покрытием (о) при точошш жаропрочного николового сплава ЭК79( S = 0,21 ш/об,t « I ш, с СОЯ): длина пути резания,L ; —Bpewt резаная, Т .

К

Анализ профилогримм изношенных учаотков породной поверхности пластин без покрытие показал надачие ярко выраженного пластического "выпучивания" поверхности в оередвне площадки контакта при её разком пластическом "оттеонении" (опускании) в области реющей крсмхя. Указанный вид износа преобладает на повышенных окоростях резания. Показано, что покрытие существенно снижает этот вид износа и имеет повышеннув эффективность в условиях высоких скоростей резания. Анализ микрофотографий показывает, что на малых скоростях резаная уоы износа на краях площадок контакта образуются в результате околов, а на повышенных скоростях - в результате коррозии, В обоях случаях покрытие эффективно снижает образование усов взноса.

При точении жаропрочных никелевых сплавов в среднем диапазоне скоростей резания (около 15 м/мин) наблвдается НИ8Ш£ эффективность покрытия (рис. 5).

Оообвннооти износа инструмента на равшх окоростях резания предъявляет различные требования к покрытие. В диапазоне малых скоростей резания (5-15 м/мин - чориозоя обработка) наибольший эффект показало многослойное покрытие системы ( ЫЬ -Т1 -/¡С )Мс чередованием слоёв, полученных при разнсм потенциале смещения, толщиной 5 мкм. На потаенных скороотях резания указанное покрытие не дало увеличения стойкости по оравненп» с покрытием того же состава и толщина, не имеющем таких слоёв. Оптимальным в условиях пошшошшх скоростей резания было покрытие толщиной 8 мкм.

Разработана вероятностная иатематнчвокая модель точения твёрцосплавным инструментом о разработанным покрытием,вибрв-упрочнённым слоем и оптямальшм рздиуаом режущей кромка жаропрочных 1шкелевых сшгавоп о учётом временного фактора. В качестве параметров розаши использовались составяяяцие силу резания, термо-ЭДС й взнос задней погерхности. В представленной ниже модели приведены значения коэффициентов для последнего из параметров!

Г ( И э) « I - ехр [ - (Из/0,234 Д0,4210,12 50,й6п0,39т0,11) >

Для описания нелинейной зависимости стойкости инструмента с разработанным покрытием при точений сплава ЗК79 от скорости

резания (рис. 5) предложено уравнение:

• Т = 117 - 21,191/ + 1,28U2 - .0,02441/3 Полученные модели позволяют рассчитать оптимальные режимы резания,,

Производственные испытания на СМК (г.Ступино), ММПО "Салют" и ВИЛСе инструмента, оснащённого твёрдосплавными пластинами о покрытиями системы (Ub -Л - )N ("Нигиал") позволили определить эффективность покрытий в различных условиях резания жаропрочных никелевых сплавов ЭП74Ш1, ЭИ698 и ЭК79.

> Глубина резания, подача и др. условия резания значительно влияют на эффективность покрытия. В условиях чернового точения «шш по корко при V- Ю ы/ыИн, S = 0,28 - 0,4 мц/об, t = 3 - 12,5 км, о ССЕ покрытие ( Nb - Т| - /)£ )Ы ("Нитиал") повышало стойкость пластин ВК8 лишь до 2 раз, в то время как в условиях получернового, получистового и чистового точения ( If = 10 - 31,5 ц/аин, S = 0,1 - 0,4 мм/об, t = = 0,5 - 1С т„ о СОК) коэффициент повышения стойкости пластин ВК8, ВК6-Ш и ВКЮ-ХШ составлял 2-4 раза. Использование пластин с покрытием позволило в 1,5 раза повысить скорость резания (ШЛО "Салют")» При торцевом фрезеровании сборными твёрдосшшв-. шага фрезами, оснащёнными пластинами ВК8 (ВИЛО, партия более 2000 шт.) стойкость инструмента повысилась за счёт покрытия в 2 раза, за счёт оптимизации радиуса округления режущей кромки и комбинированной обработки - виброабразивкое упрочнение и нанесение покрытия -- в 2,5 - 3 раза.

Определена сравнительная стойкость пластин шрск Ж8, ВК6, ВК6-Ш и Е&О-ХОЫ при точении жаропрочных никелевых сплавов* Стойкость последних превышает соответственно в 2 И 4 разе стойкость шастан марок ЕЧ6 и ЕК8.

В результате широких производственных испытана! (ВИЛС, КУМПО, 1&0 имени Хрунгчева) установлена эффективность и условия рационального применения разработанных многослойных покрытий на основе систем XI - Cr , Т! - С Г - /}{ - МО '- V при точении коррозпонностойкЕз: и итамловых сталей. Покрытия повышают стойкость твердосплавного инструмента пра точении

до 6-13 раз или позволяет повысить скорость резаная до 2 раз. При фрезеровании стойкость повышается до 2 раз. Покрытия эффективны: при фрезеровании, точении с ударом, по корке, ^стачивании, работе с большая подачами в тонком чно-товсы точении. Это позволяет рекомендовать соответствующее условия как предпочтительные для ноняо-шшзыэеншс слохнояе-гированных многослойных покрытай по сравнении о покрытиями, получаемыми газофазным осажденаем,

В пятоЯ главе исследовали влияние покрытая па контактные характеристики процесса резания жаропрочных никелевых сплавов в зависимости от скорости резанвя.

Показано, что в области средних скоростей резанвя (около 15 м/мин), соответствующих сказенао эффективности покрытая, заканчивается область наростообрззовання, увеличивается длина контакта, сила резания и её дисперсия, термо-ЭДС в амплитуды виброакустических сигналов. В этом диапазоне скоростей резания ещё преобладает адгезионно-усталостный износ, которому плохо сопротивляется покрытие, а нарост узе не защищает переднюю поверхность.

Показано, что покрытие изменяет зависимость высокочаотот-ного сигнала от скорости резанвя, смещает значения завасиностп низкочастотного ваброакустического сигнала, силы резаная в её дисперсия от скорости в сторону больших скоростей резанвя, что позволяет соответственно изменить оптимальные реашш резаная пря обработке никелевых сплавов.

Смещение ззотеры к ревущей кромке а уоловдях повнпення температуры пря увеличении скорости резания объясняют повышенные пластические деЛормацип передней поверхности.

Показано увеличение угла сдвига пря точении титанового сплава ТС пластиной с покрытая ЫЬМ , что объясняет увеличение диаметра витков струлки.

Для определения рациональных скоростей точоивя сплава никелида титана ТН1К, обладающего эффектом запоминания форш, исследовали зависимость сил резания от скорости резания. При назначении рациональных скоростей резанм использовали характер

соответствия акотремумов отойкооти и сил резаная в эавиоииоста от скорости резаная, полученный при моолодоваиня точония ¡икс-лсашг о плавов. Рациональным диапазоном окороотей резания ошш-ш TilIK ТС ииотруыет'оы о рааработаннкм покрытием састош (Nb -Zr ) N является скорости 45-65 и/ти.

Иооледовано шшв регимов предварительной термообработ -ка и мохатчеаках сяойотв о плава THIK на его обрабатываемость. Исследование проаодалооь путём изучения зависимости сил реза-1Ш аг скорости роза»ш. Показано, что термообработка по выб-jaiuflat рсдашы о пиал от предел прочности при растяжении в сме-вдот оавлсшооть сил резания от скорости резаная в область большие скоростей рэзаши, т.о. повышает обрибатаваемооть резанием данного оплава»

В глзвя 6 проводака экспериментальная оценка вляния усло-miä ТЖ (яаднеЯише лз них - температура, продолжительность обработка, давленао, оостав газа) ш эксплуатационные.характе-раотдкв пластин группы ЕК, в том числе с предварительно йанесэк-:шм покрытием.

Газоотатлчсоху» обработку проводила в газостатах различного типа; ГТС-200 (азготоавталь ШС в ВШШЕГшАШ), HIP-2000 (изготовитель - фарш " Noi!ona6 FotgS", Бельгия).

Прэдвариталышй этой работ включал определение параметров процасоа Ш, которые опоооботвуог повышению характеристик исходной твйрдоошшвной гшогашг.

Установлен характер влияния температуры, продолжительности обработки п давления m стойкость тлйдцооалашшс пластан £К8. С иовшюаиеы температуры болое заметно воздействие уве-лачешзя длительности вддеряки.

Показана, что заызоимооти отойкооти от температури а продолжительности Ш1 имеют иакоицуш, не ооашдавдо даа различных обрабатываемых штераалоз. На примерз обработки легированной стали, титанового и никелевого сплавов показано, что со скаадниом обрабаишемоота разашш указанные гаг.сщца сиощастся в отороку меньших температур а бошлого времени вк-дергка. Влияние Ш1 на псвшзние стойкости твёрдоославннх пластин вьаа для резания титановых (до 4 раз) и накеловых

сплавов (до 3 раз). Оря точениа инетрумапталышх столой ГШ повышает стойкость акотрумента до 2,3 раза. Обработка ПШ до оптнмальнда рсяимэм снижает коэффвдиопг варааоди стойкости инструмента до 3 роз.

Аналогично аяшпше температуры обработки па стойкость шшотни в случае обработки в азоте. Азот был аопользсвак для оценки возможности повышения износостойка! характераотак пластан боз покрытая s результате ах дополнительного азотирования пра ПШ. Установлено, что четырёхчасовая вндерзка пра ШП пластин без покрытая приводит к формирована» износостойкого нитридного слоя в поверхности пластан. Стойкооть плаотяк повышается до 1,5 раз по сравнения с пластанамл, обработавшая в аргоне.

В результате ПШ микротвёрдость покрытая несколько снижается. Это указывает на необходимость проведения ШЗ £ оре-де азота. Микротвёрдость основы повышается. Покрытие, по-ка-димому, герметизирует предповерхностные поры н другае д&фокты, что способствует более эффективному уплотнению. По даяиш иикрорентгеноспектрального анализа в результата ГШ прояохо-дат взаимная даффузия покрытия н твёрдого сплава, что способ« ствует поЕксенип прочности адгезии между покрытием а опловом, Металлографлческай анализ показал, что ШI существенно помпа ет прочпость сцепления покрытая с подложкой - покрытие з основа пзнапаваетоя как одно целое.

На основе анализа профалогракм азнашвЕЗищеЙся порадяей поверхноста показано, что пластины после ГШ ыоньэс яодворао-ны пластическим деформациям.

Показано, что после обработка ПШ пластана ВК8 о покрытием имеет стойкость до 2 раз выше (положительное ротенае по заявке на A.C. й 4787654/21).

Рйо.б.Ечижшо температуры Ш (ЬЗОСШп, аргон гга стойкость пласиш BKS;

1 - точение стали 5ХШ : г/»ТСПм/млн, s «О, S т/об, t «Îмм,без Ш

2 - тбчапав тягянелогй etwasa BTTR: "Юи/тп, i «Гмм.Мж,

3 - точение ниявлепого сшгапп ЗП?4ТШг 7 м/кин, s ,15мм/об,£=л ,5vm,cos,

основные вывода по работе.

1. На основе анализа характера изнашивания инструмента при обработке жаропрочных сплавов выявлены критерии и разработана комплексная методика оценки свойств покрытий, которая позволила разработать оригинальные составы покрытий, обеспечивающих. повышение стойкости инструмента в различных условиях резания.

2. Разработана комплексная технология упрочнения твёрдо-спдавногс инструмента, включаювдя виброабразивную обработку , нанесение слохнолегированных покрытий и газостатическое упрочнение, что позволило повысить показатели надёжности инструмента (увеличить сроднее значение стойкости до 3-13 раз, уменьшать коэффициент вариации стойкости до 6 раз) и увеличить производительность точения и фрезерования труднообрабатываемых материалов на 40-2СК$.

3. Установлен характер влияния содержания третьего компонента (металла или газа) в слохнолегированных покрытиях ка их микротвёрдость и стойкость инструмента, что позволило оптимизировать соотношения компонентов в покрытиях, нанесение которых на режущий инструмент обеспечило повышение его надёжности.

4. Установлено, что при нанесении покрытий из сложноле-гнрованных катодов необходимо учитывать влияние ка состав получаемых покрытий различия коэффициентов ионного распыления металлов, а также влияние на коэффициенты распыления отрицательного потенциала на изделии, что позволило оптимизировать ооставы слокнодегнрованных катодов.

5. Показано влияние потенциала смещения в процессе конденсации покрытия на такие его свойства как однородность отруктуры, фазовое упрочнение, хрупкость и микротвёрдость, что позволило создать конструкции многослойных слоЕнолегаро-ванных покрытий для различных условий резания.

го

6. Разработаны составы многослойных покрытий на основе тугоплавких соединений "М - Сг , -Се - Й£ -МО -V, которые повышают стойкооть твЗрдосшгавного инструмента при точении легирозанных сталей до 8-13 раз или позволяют повысить скорость резания до 2 раз. При фрезеровании - отойкооть инструмента повышается до 2 раз. ■

7. Разработано покрытие на основе соединений системы

NЬ - Т - Й1 , которое повышает стойкость твёрдооплавного инструмента при точении порошковых никелевых сплавов до 4 раз или позволяет повысить скорость резания до 2 раз, при фрезеровании - стойкость повышается до 3 раз.

8. Разработано многослойное покрытие на основе соединений системы ЫЬ -гС « которое повышает стойкость твёрдооплавного инструмента при точении титановых сплавов до 5 раз.

9. Предложено многослойное покрытие на основе сиотемы

N Ь - N , которое позволяет повысить стойкость твёрдооплавного инструмента при точении алюминиевых сплавов до 7 раз.

10. Определены условия рационального использования твёрдооплавного инструмента с разработанными покрытиями при обработке легированных сталей и жаропрочных никелевых сплавов, в частности, установлено, что в диапазоне скоростей резания, используемых при точении никелевых сшивов, наблвдавтоя зона низкой эффективности покрытия, показана связь эффективности покрытия с изменением механизмов изнашивания н контактных характеристик.

11. Показано, что при обработке коррозиониостойких сталей и. жаропрочных сплавов покрытие разрушается в результате адгезионно-усталостного износа на передней поверхности и сколов на задней, при этом покрытие сдерживает коррозию , уменьшает склонность режущей части инструмента к пластическому изменению формы • и снижав! вероятность хрупкого разрушения режущей кромки.

12. Установлено, что при точении и фрезеровании жаропрочных никелевых сплавов на несе ни е лозфытия (ЫЬ - Т.] - Д? ) N , виброупрочнение поверхности й>.шйй8 ж оождазашя рвду.са скруг-

П

лепил режущей кроша снигавт коэффициент вариации стойкости до 6 раз, что связано ос снижением вероятности хрупкого разрушения ревущей кромки за очёт каздого из перечисленных факторов.

13. Разработаны вероятностная в детерминированная математические модели точения никелевых сплавов твёрдоснлавшаг инструментом с разработанным покрытием и виброабразивным упрочнением о учётом временного фактора, что позволяот оптимизировать условия точения.

14. Показан характер влияния основных факторов процесса горячего взостагического прессования ШШ) (тестера тура, продолжительность, давление, состав.газа) на характер изнашивания и надёжность твердосплавного (трудна Ш) инструмента, установлено опквалыюз сочетание этих Акторов, обеспечивающих при точешн янотруыентольша сталей, никеловц*. и тагчдазЕых сплавов П0ВВЫ81ШС стойкости соотвотозашо до 2 , до 3 и

до 4 раз и СЕааэЕие до 3 раз коэффициента варвацад стойкости. Установлено, что -ГШ до 2 раз повшшет стойкость твердосплавного инструмента с предварительно нанесённым покрытием.

15. Разработаны регшн прэдаарвтельной термообработки сплава с аффектом зашшнакоя формы на основе никедвда титана, повышающей в 1,6 раза обрабатываемость ошшва резанием.

ПЕЧАТНЫЕ РАБОТЫ ПО ТШ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Материал покрытия реаущего инструмента: A.C. СССР

й 1598364, ШШ В23Р 15/28, 30.12.88, непубл./ Э.Ы.Волин, Г.В. Болотников л др.

2. Э.М.Волин, Г.В.Болотников. Повышение стойкости ревущего инструмента за счёт слогнолегярованных покрытий. // Повышение стойкости деталей дооин и инструмента: Тез. докл. - М.; ЦНИИТИ, 1989, о. 59.

3. Способ получения изноооотсёксго покрытия: положит.

рев. от 03.04.30 по заявке на A.C. Я 4672852/21, Ш С23С 14/00, 0i.04.39, непубл./ Э.М.Волин, Г.В.Болотников и др.

4. А.С.Верещака, Г.В.Болотников. Анализ тенденций развития п области применения инструментов для резаная труднообрабатываемых материалов. М., ВМС, 1989, 63 с.

5. Разработка опытно-промышленной технология нэнесекяя износостойких покрытия на режущий инструмент; разработка состава покрытия для режущего инструмента, применяемого для механической обработки алшянлевых сплавов: Отчёт о НИР, BIIIIC, научн. руковод. э.Н.Волин, й Г13388 - И., 1989,. 53 о.

6. Исследование возможности повнпекия стойкости твёрдо-сплавного режущего инструмента с вояно-плазконнымн покрнтЕякн за счёт нспользованпя ГШ: Отчёт о НИР, ВИЛС, каучп. руковод. Э.М.Волан, в.Ф.Попов, » Г13400 - М., 1989.

7. Способ обработки твёрдосплавной режущей пластины: положат, реяекиа от 22.02.91 по заявке на A.c. й 4787654/21, ШШ С23С 14/53 , 31.01.90, непубл./ Э,М,Волнн, Г.В.Болотников, В.Ф.Попов, Р.Р.Йсходаапов а А.С.Верещака.

8. Э.М.Волдн, Г.В.Болотников, И.С.Суров. Вопросы технологии получения методой КИБ сложнолегированных износостойких покрытая для режущего инструмента. // Современное алектротэрм, оборудов. для поверхн. упрочн. деталей машин я япструм.: Тез. докл. П Всосоезного научно-технического симпозиуш - Саратов, 1990, с. 45-46.

9. Способ нанесения износостойкого покрытия на режущий инструмент: положит, решение от 21.06.91 по заявке на A.c. А 48450^/21, МКИ С23С 14/32, 20.07.90, непубл./ З.М.Волин, Г.В.Болоников, А.С.Верещака я др.

10. Способ формирования износостойкого покрытия: положит, решение от 27.05.91 по заявке на A.c. Ä 4845Ü47/2I, МКИ С23С 14/32, 20.07.90, непубл./ С.Н.Григорьев, А.С.Верещака, Э.М.Волин, А.Н.Конкин, М.В.Маринина, Г.В.Болотников.

11. Э.М.Волин, Г.В.Болотников. Сложнолегированные износостойкие покрытия для твёрдосплавного режущего инструмента. // М., ВИЛС, Технология лёгких сплавов, 1991, J* 2, с. 53-57.

12. Исследование и ътмрвтв обрвбonus твердосплавных пластин с цмш повшення эффектявносм яот&-плазменных покрытий при обработке резанием: Отчёт о НИР, ВШС, научн. руковод. Г.В.Болотников, Л 725073 - М., 1991, 28 с.

13. Г.В.Болотников, Э.М.Волин, А.С.ВерещаКэ, Ошт применения твёрдосплавных пластин с ионно-плазменншв покрытиями для резания легированных сталей. // Передовой производственный опыт и научно-технич. достих., рекоменд. для внедрения. Ияформ. сб. ВНИИТЭМР, вып. 8, с. 18-22.

14.- А.С.Веревдка, Г.В.Болотников. Современные тенденции совершенствования и рационального применения твёрдых сплавов для режущих инструментов. - М.:-ЦИНТИШИБИИШ!, 1931, 51 с.

15. Г.В.Болотников,. Г.Г.Булычев. Сложнолэгарованные многослойные покрытия для режущего и деформационного инструмента, декоративные покрытия: инфоры. листок ВШИ Я 91-2222 от 10.07.91.

16. Исследование возможности повышения эффективности обработки сплавов ТН за счёт повышения износостойкости обрабатывающего инструмента: Отчёт о НИР, БИЛС, научн. руковод. Л.П.Фаткуллина, Г.В.Болотников, й 9229 - U., 1992, 29 е,

17. Г.В.Болотников, Э.М.Волин. Обработка отеле! и никеле-вых сплавов твёрдосплавными пластинами с покрытием. // Научно-практич. аспекты автоматиз. производства: Сб. научн. трудов. - М.: Мосотанкин, 1992, с. 91-95.