автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение надежности твердосплавных инструментов путем ионного азотирования и нанесения износостойкого покрытия

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО НАУКЕ, Р Г Б ОД ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКЕ

- П;'Т

московский ордена трудового красного знамени

государственный технологически! университет "станкин"

На правах рукописи

ОГАНЯН ГАЙК ВАРТАНОВИЧ

УДК 621.09.02; 669.018.25

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ ПУТЕМ ИОННОГО АЗОТИРОВАНИЯ И НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-

химической обработки, станки и инструменты.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена на кафедре "Резание материалов" Московского Ордена Трудового Красного Знамени Государственного Технологического Университета "СТАШИН"

Научный руководитель: - лауреат Государственной-

' премии, доктор технических наук, профессор А.С.Верещака

Официальные ошоненты: - член-корреспондент Российской

технологической академии, доктор технических наук, профессор М.А.Шатерин - кандидат технических наук, с.н.с. Л.П.Меркулов

Ведущее предприятие: - АО "Московский подшипник"

Защита состоится "20" 1994 года в часов

на заседании специализированного Совета К 063.42.05 в МГТУ "СТАНККН" по адресу: 101472, Москва, К-55, Вадковский пер., д. 3-а, телефон 972-69-19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ "СТАЯКИН"

. Автореферат разослан "_" _ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.н., доцент

Ю.П.Поляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Все большее применение автоматизированного станочного оборудования в механообрабатывапцем производстве обуславливает интенсификацию процесса резания, что приводит к разному росту расхода дорогостоящего инструментального материала. В связи с этим надежность и режущие свойства оказывают весьма значительное влияние на эффективность механосборочного производства. Поэтому проблема повышения надежности и режущих свойств инструмента является одной из наиболее актуальных в механообра-батыващем производстве.

Твердые сплавы являются основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов. В настоящее время в мире используют около 4 млрд. многогранных пластин, которыми оснащается инструмент, удаляющий при обработке до 65% стружки, так как скорость резания при применении твердосплавного инструмента в 2 - 5 раз выше, чем у быстрорежущего инструмента.

Для повышения надежности твердосплавного режущего инструмента в мировой практике все больше используют нанесение износостойких покрытий методами химического (СУЮ) и физического (РТО) осавдения. Покрытия позволяют повысить износостойкость контактных площадок инструмента в условиях выраженных адгезионно-усталостных, коррозионно-окислителъных и диффузионных процессов.

Однако эффективность инструмента с покрытием заметно снижается для тяжелонагруженных и прерывистых операциях резания, так как применение методов СТО приводит к охрупчиванию и снижению прочности твердого сплава, а покрытия РТО не имеют достаточно прочной адгезионной связи с твердым сплавом. Кроме того, из-за

склонности твердосплавного инструмента к пластическому разрушению, обычно при его производстве используют специальные сплавы с повышенным содержанием тантала,что резко увеличивает стоимость инструмента.Б этой связи необходимо отметить,что разработка специального метода модификации свойств стандартных марок твердого сплава, позволяющего повысить износостойкость сплава, увеличить его сопротивляемость пластическим деформациям в условиях воздействия термомеханических напряжений процесса резания при обеспечении достаточно прочной адгезионной связи меищу покрытием и сплавом, открывает достаточно широкие возможности повышения надежности твердосплавного инструмента. Подобные методы основываются на комплексном воздействии на структуры твердого сплава, включающие предварительную химико-термическую обработку с целью создания термостабильного слоя и последующее нанесение износостойкого покрытия. Однако в настоящее время отсутствует обоснованный научный, подход к разработке высокопроизводительного твердосплавного инструмента с комплексной поверхностной обработкой (КПО), что затрудняет проведение целенаправленного научного поиска в сферах разработки, производства и рациональной эксплуатации такого инструмента.

Таким образом, установление закономерностей связи меаду параметрами процесса получения, составом, свойствами износостойкого комплекса (ИК), формируемого методом КПО, и функциональными параметрами резания, изнашиванием и надежностью твердосплавного инструмента является актуальной научно-производственной задачей, направленной на повышение надежности твердосплавного инструмента .

Работа является продолжением исследований, многие годы выполняемых на кафедре "Резание материалов" МГТУ "СТАНКИН" в области разработки режущего инструмента с износостойкими покрыта-

ями.

Цель работы. Повышение надежности твердосплавного инструмента путем ионного азотирования с последующим формированием адгезионного подслоя и износостойкого покрытия.

Общая методика исследований. При проведении исследований в работе использовали основные положения теории резания материалов, физики твердого тела, стандартные методики математической статистики, теории оптимального планирования экспериментов и теории вероятности. Исследование кинетики и особенностей изнашивания твердосплавного инструмента с КИО, а также анализ структур и свойства упрочненного слоя твердых сплавов, проводили с использованием лазерного, масс-спектрометрического и ОЖЕ-спектро-метрического методов, микрорентгеноспектрального и рентгеноспек-трального анализов, методов оптической и электронной микроскопии. Теоретические положения работы подтверждены данными лабораторных и производственных испытаний твердосплавных резьбонарезных пластин с разработанными составами износостойких комплексов (ИК), формируемых методами НПО.

Научная новизна работа состоит в:

- физических закономерностях связи между составом и параметрами износостойких комплексов, формируемых методом КТО, с функциональными параметрами резания, изнашиванием и надежность» твердосплавного инструмента;

- математических моделях резания и стойкости твердосплавных резцов, оснащенных пластинами из различных марок твердых сплавов с износостойкими комплексами.

Практическая ценность работы состоит:

- в рекомендациях по оценке оптимальных параметров износостойкого комплекса на твердосплавных резцах для точения стали, серого чугуна (толщина и микротвердость азотированного слоя, ад-

гезионного подслоя, износостойкого покрытия);

- в технологических рекомендациях по формированию износостойких комплексов методами КПО на твердосплавных пластинах, предназначенных для оснащения резцов для точения конструкционных и харопрочных сталей, серых чугунов.

Апробация работа, Основные положения работы докладывались на заседаниях кафедры "Резание материалов" МГТУ "СТАНКИН", зональной научно-технической конференции "Математическое обеспечение и автоматическое управление высокопроизводительными процессами механической и физико-химической обработки изделий машиностроения" (г. Андропов, 1988 г.). научно-практической конференции "Пути повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ" (г. Оренбург, 1989 г.). XI научной конференции болгарских аспирантов в СССР с международным участием "Актуальные проблемы современной науки-89" (г. Москва, 1989 г.), краевой научно-технической конференции "Повышение эффективности использования автоматизированных комплексов на предприятиях Дальнего Востока" (г. Комсомольск-на-Амуре, 1989 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, получено 3 авторских свидетельства СССР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, приложений, изложенных на страницах машинописного текста, рисунков, таблиц, списка литературы из 6/ наименований.

Принятые сокращения. ИП - износостойкое покрытие; ИК - износостойкий комплекс; РИ - режущий инструмент; ИМ - инструментальный материал; ОМ - обрабатываемый материал; КПО - комплексная поверхностная обработка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности работы и краткое изложение основных научных положений, составляющих предмет защиты.

В главе I приведен анализ основных тенденций совершенствования твердых сплавов. Показано, что улучшение режущих свойств твердых сплавов происходит как в направлении совершенствования фазового состава и структуры, так и по пути улучшения технологии его производства. В частности все большее применение ультрамел-КО-, особомелко- и мелкозернистых твердых сплавов для оснащения режущего инструмента позволяет при заточке и доводке обеспечить величину радиуса скругления режущих кромок в пределах 5 -10 мкм, что соизмеримо с радиусом скругления кромок для быстрорежущего инструмента. Значительные усилия прилагаются в направлении модификации связки, являющейся слабым звеном твердого сплава. В частности, появились сплавы, имеющие более сбалансированное соотношение прочности и твердости. Это относится к сплавам, изготовленным из карбидов вольфрама с высокой температурой карендизации, заданным фазовым составом и зернистостью (ВК6 - ВС), сплавам с легированием связки рутением. Однако наиболее эффективным методом повышения режущих свойств твердых сплавов за счет сбалансированного соотношения характеристик по твердости и прочности является нанесение на рабочие поверхности твердосплавного инструмента износостойких покрытий.

В главе приведен обзор основных работ в области повышения режущих свойств твердых сплавов нанесением износостойких покрытий, выполненных Верещака A.C..Табаковым В.П., Талантовым М.В., Беккер М.С., Касьяновым C.B., Кабалдиным Ю.Г., Григорьевым С.Н., Кузиным В.В., Алешиным C.B., Захаровым Б.В. и др.

На основе обобщения литературных данных и опыта промышленного применения инструмента с износостойкими покрытиями для различных условий механической обработки резанием, а также критического анализа имещихся данных сформулированы цель и задачи исследований диссертационной работы.

Указанная выше цель диссертации может быть достигнута при решении следующих задач:

1. Разработать принципы повышения эффективности твердосплавного инструмента путем формирования износостойких комплексов на его рабочих поверхностях методами комплексной поверхностной обработки.

2. Разработать методы реализации комплексной поверхностной обработки за один технологический цикл с разделением операции очистки поверхности с оптимальным уровнем энергетического воздействия и его нагрева.

3. Установить основные закономерности контактных процессов, теплового состояния и изнашивания режущей части инструмента из твердого сплава с износостойким комплексом с оптимальными параметрами.

4. Выявить влияние износостойкого комплекса на критерии надежности инструмента в различных условиях его эксплуатации.

5. Разработать математические модели процесса резания инструментом из твердого сплава с комплексной поверхностной обработкой и выявить рациональные условия его использования.

В главе 2 изложены общие методические принципы комплексной поверхностной обработки твердосплавйого инструмента и общая методика исследований.

На основе исследований и анализа основных причин, приводящих к разрушению износостойких покрытий, наносимых на твердосплавные инструменты (по результатам обширного литературного об-

зора), в работе сформулированы рабочие гипотезы исследований:

1. Для повышения долговечности покрытий на стандартных не-танталосодержащих твердосплавных пластинах, которые преждевременно разрушаются вследствие повышенной склонности субстрата к термопластическим прогибам и вязкому разрушению, а также возникновения на границах раздела "покрытие-субстрат" концентраций опасных напряжений, необходимо (гипотетически) непосредственно под покрытием сформировать диффузионный термостаСильный слой (ДТС), повышающий пластическую прочность твердого сплава и снижающий уровень опасных напряжений на границе раздела "покрытие-субстрат", возникающих вследствие разницы физико-механических и тепло-физических характеристик материалов покрытия и субстрата.

2. Для повышения надежности функционирования покрытия (особенно покрытий, генерируемых методом ФОП - КИБ), необходимо повысить прочность их адгезионной связи с твердосплавным субстратом введением промежуточного адгезионного подслоя мезду покрытием я твердосплавным субстратом или дополнительной активирующей термической обработкой после получения ДТС.

Сформулированные рабочие гипотезы исследования были использованы для разработки принципиальной схемы износостойкого комплекса (ИК), формируемого методом КТО на твердосплавном инструменте при использовании ионно-плазменных установок с дуговым источником (метод КИБ). Согласно разработанной схеме ИК, формируемый путем КТО твердого сплава, состоит из диффузионного термостабильного слоя (ДТС), адгезионного подслоя и многослойно-композиционного покрытия. ДТС образуется в поверхностных слоях твердого сплава за счет диффузионного насыщения элементами внедрения (азот, углерод), активируемых плазмой независимого газового разряда (ИГР), и предназначен повысить сопротивляемость твердого сплава пластическим деформациям (вязкому разрушению) под

воздействием термомеханических нагрузок процесса резания. Многослойно-композиционное покрытие (ИП) способствует повышению износостойкости твердого сплава в условиях активных адгезионно-усталостных, коррозионно-окислительных и диффузионных процессов. Адгезионный подслой способствует повышению прочности адгезионной связи ДТС и ИП.

В главе представлены исследования по разработке 1фитериев оценки качества ИК на твердосплавном субстрате. В частности, вероятность формирования адгезии между диффузионным термостабильным слоем и адгезионным подслоем с одной стороны и адгезионным подслоем - с другой, оценивали термодинамическим критерием АСТ°, который рассчитывали по стандартным значениям энтальпии элементов АС^дд. Оптимальность состава износостойкого покрытия (ИП) оценивали интенсивностью адгезионного изнашивания Ыа, массы причем полагали, что при Ма т1п ИП имеет оптимальный состав. С учетом затруднений, расчетов Ма, использовали также и качественный метод оценки состава ИП. При этом исходили из следующих положений. Интенсивность схватывания двух тел пропорциональна числу активных центров схватывания на единицу площади контакта при термическом и механическом контактировании. Энергозатраты на механическое активирование резко возрастают с ростом Н^, а энергозатраты на термическое активирование растут с увеличением температуры плавления Т^, коэффициента теплопроводности А, и уменьшением коэффициента термического расширения ат и работы выхода электронов А0. Таким образом, оптимальность состава ИП можно качественно оценить коэффициентом:

Ка= V V - шах-

При Ка шах склонность ИА к адгезионному взаимодействия с обрабатываемым материалом (ОМ) будет максимально снижаться.

Анализ некоторых соединений тугоплавких переходных метал-

лов IV - VI груш Периодической таблицы элементов по мере убывания согласно оценки по формуле (I) можно представить следующим образом: Т1В2-> НГВ2 - TIC TIN -> ZrB2 НГС ZrG ZrN •» HfN -» ■» Nb2B -♦ NbC NbH -» СГВ2 Cr203 ■» CrSl2 - W£B5 - WC.

В главе представлены данные по особенностям модернизированной установки на базе серийного агрегата "Булат-6" для реализации метода КПО твердых сплавов за один технологический цикл.

На основе проведенного анализа по предложенным критериям оценки состава ИК, формируемого в результате КПО твердого сплава, разработаны рекомендации составов и требования к функциям слоев ИК (рис. I). Эти требования были использованы для разработки новых технологий КПО, включающих ионное азотирование поверхности, последующую импульсную лазерную обработку в инертной среде и нанесение Ш1 (А. с. N 1423834); импульсную лазерную обработку азотированного слоя без применения инертной среды с последующим нанесением ИП (А. с. N 173926); ионную очистку металлической плазмой твердосплавного субстрата с последующим осаждением металлического подслоя, азотирования в среде аргона и осаждения ИП (А. с. N 1653376).

В главе подробно описаны методики формирования ИК на твердосплавном субстрате и оценки параметров ИК и режущих свойств твердосплавных инструментов.

КПО твердосплавного инструмента проводили на модернизированной установке "Булат-6". Контроль качественных параметров покрытия и обработанных поверхностей деталей проводили с использованием современной аппаратуры. В частности, степень наклепа и микротвердость поверхностного слоя твердосплавного инструмента производили на микротвердомере "Pollvar Met" Австрийской фирмы "Reicher".

Микрорентгеноспектральный анализ и морфологию поверхности

-Ii-

Рекомендуемые составы Особые требования

Г1Б2,НГВ2,Т1С,Г1К, ZrB^,2гС,ZrN,NbB , NbC,NbN,CrB2,Cr2C3 карбиды, нитриды, карбонитриды,бори-дн двойных соеди-нений:Т1-Сг, И-Мо, Tl-Zr,Ti-Nb,Zr-Nb. a-BN,a-SIC,Si3N4. 1 .Максимальное значение К (сочетание высоких твердости,тугоплавкости ,теплопроводности и низких значений работы выхода электронов и KT?), обе спе чивающего М - min (2.5) 2.Гетерофазность состава .обеспечивающего снижение склонности к физико-химической активности по отношению к ОМ.

Zr - Сг - V - n-> Mo - Mb - w Zr - Cr, Ti - Cr, Zr - Wo, Tl - Mo, TIN , ZrN, (Tl-Zr)N 1 .Должны обладать- максимальной адгезионной активностью по отношению к фазам твердого сплава WC,!TiC,Co, Nl-Mo. 2.Изобарный потенциал реакции между элементами слоя "в" и фазами твердого сплава (WC,TIC,Со,Nl-Mo) должен быть электроотрицательным AG^s 0 при температурах эксплуатации инструмента

Фазы,формируемые в результате термодиффузионных реакций между элементами С, N,0 и др. и фазами твердого сплава Нежелательно формирование хрупких фаз типа 1) - фазы (w3co3o

Рис. I. Рекомендуемые составы и трёбования к функциям слоев "а", "в","с" износостойкого комплекса (ИК),формируемого методом КПО.

производшш на электронно-сканирующих микроскопах Французской фирмы "Сашеса" и "РЭММА-202М" производства ПО "Электрон" (Украина).

Математическую обработку результатов экспериментальных данных исследований, их планирование производили с использованием методов математической статистики, оптимального планирования экспериментов, корреляционного анализа с расчетами на ПЭВМ типа IBM PC.

В экспериментах использовали твердосплавные пластины ВК6, МС 321, TI5K6, T5KI0, МС 131, ТН-20 производства МКТС, опытного завода ВНИИТС, квадратной формы ОЗШ, 033II, 03II3, 03II4. В качестве обрабатываемого материала использовали чугун СЧ 32 РИ 200 (ГОСТ 1412-79), сталь 45 РИ 180 (ГОСТ 1050-74) и 40Х РИ 200 (ГОСТ 4541-71), коррозионностойкую сталь I2XI8HI0T (ГОСТ 5949-75).

В качестве параметров оценки надежности твердосплавного инструмента с КТО использовали среднеарифметическое значение стойкости Т, коэффицент вариации стойкости vT, среднеквадратичное отклонение стойкости ат и гамма-процентную стойкость TQ

В главе 3 приведены данные по разработке условий получения износостойких комплексов, результаты исследований их составов и свойств.

Особое внимание было уделено оптимизации условий получения и параметров ИК, формируемых на рабочих поверхностях твердосплавного инструмента методами КПО.

С учетом того, что ионное азотирование твердого сплава в плазме несамостоятельного газового разряда (ИГР) может быть использовано как самостоятельный метод упрочнения инструмента, так и как компонент ИК, в качестве критериев оптимизации условий получения и свойств азотированного слоя (АС) использовали показа-

тели надежности инструмента Т, ут, а в некоторых случаях и значение гамма-процентной стойкости Тп

Анализ модели, полученной на основе матрицы планирования экспериментов с установленными уровнями варьирования факторами процесса азотирования, показал, что наиболее сильно влиявдими на параметры Т, Т0>д, являются время и температура азотирования. Оптимизация условий получения азотированного слоя на твердосплавных субстратах ВК6, Т5К10, МС 131, ТН-20 с использованием полученных моделей процесса позволила получить оптимальные значения давления р^, тока разряда I, времени а и температуры Т азотированного слоя применительно к точению сталей 40Х, 12Х18Н10Т, 45 и серого чугуна.

Исследование характера распределения микротвердости и толщины азотированного слоя производили с использованием лазерной масс-спектрометрии по специально разработанной методике1. Характер распределения азота по глубине упрочненного слоя образца ВК6 показан на рис. 2. Данные о характере распределения азотированного слоя и его микротвердости по глубине позволили получить математические модели в виде экспоненциального степенного уравнения толщины слоя йцд в зависимости ог времени азотирования т^ при использовании одного модернизированного испарителя в установке "Булат-6":

= 0,495-Ь^45б-ехр(0,0322-Ьм) (2)

Приведены данные по установлению оптимальных значений толщины азотированного слоя для твердосплавных пластин ВК6 (точение чугуна СЧ 32) и Т5К10 (точение стали 40Х).

1 Работа выполнена совместно с Савостиковым А.И. и Григорьевым С.Н.

Ск, %, мае.

V С1+1

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Ж

©

200 Ь^.мкм

ччччччч

У////////Ш

100

гоо.й^.мкм

Рис. 2. Характер распределения азота по глубине -упрочненного слоя образца из сплава ВК6. Режимы азотирования &• плазме НГР: ри = 1,3-10 Па;

I = 80 А; г = 90 мин; Т = 1000 °С.

С учетом сильного влияния адгезионного подслоя ИК на р< щие свойства твердосплавных пластин выявлены оптимальные п; метры этого подслоя (состав, толщина). В частности, показ; что применительно к точению стали 40Х пластинами T5KI0 с ИК » симальную работоспособность имеют пластины с толщиной под< 1,5-2 мкм, а его состав соответствовал оптимальному , соотнс нию 85 % Т1 - 15 % Сг. Для твердосплавных субстратов ВК6, Т5Р ТН-20 получено экспоненциальное уравнение, устанавливающее зе симость между временем осаждения адгезионного подслоя т0д и толщиной Ьдц:

тш = 0,625-^¿592-exp(0,0269 hon)

Исследования по влиянию процесса азотирования на интерл фузнонные процессы между элементами твердосплавного субстр ВК6 (W, Со, С) и подслоем Т1-Сг, проведенные с использован полуколичественного анализа концентрации на микроанализат "САМЕБАХ" позволили установить наличие переходной зоны азоти ванным термодиффузионным слоем и адгезионным подслоем Т1-Сг также сильную трансформацию структуры, фазового состава свойств самого подслоя.

Показано, что лучшие результаты по работоспособности им пластины ВК6 с адгезионным подслоем 85 % Т1 - 15 % Сг, азоти ванные в плазме НГР, состоящей из смеси аргона (30 %) и аз (70 %) (рис. 3).

Получена также зависимость, устанавливающая взаиыосв, мевду временем осавдения покрытия TIN и его толщиной hj износостойком комплексе, формируемом методом КТО:

= 0,485-h^,426-exp(0,034-^I) (3)

Установлено (методом масс-спектроскопии), что при нанесе] покрытия (Т = 850 °С; tjj = 40 - 45 мин) происходит незначите.

насыщение поверхностей твердого сплава (в пределах 2 - 5 % iac.) азотом, что практически не влияет на параметры азотиро-

юго слоя.

11+ г0,9' 10-- мин „ 9- ° а-

7-&■•

54 ■• 321--

Ш

ш

З.Гамма-ресурсная стойкость пластин ВК6-Ш-Сг)-ИА-Т1И (а), • Т5К10-(Т1-Сг)-ИА-Т1М (б), МС131-(Т1-Сг)-ИА (в) при точении чугуна СЧ 32 с V= 120 м/мин; S= 0,4 мм/об; t= 2,0 мм

(а), стали 40Х с V= 220 м/мин; S= 0,4 мм/об; t= 1,0 мм

(б) и коррозионно-стойкой стали I2XI8HI0T с V= 150 м/мин; S= 0,3 мм/об; t= 2,0 мм (в).

- пластины азотированные в плазме ИГР (N2)

Г

2 - пластины азотированные в плазме ИГР (ЗОЖ Аг - 70% N2)

главе также приведены данные по исследованию свойств осшгавных субстратов с ИК, формируемых методом КТО (трещи-Якость, прочность). Показано, что ионное азотирование в з ИГР различных твердых сплавов ВК6, МС 131, Т5К10, включая 1 повышенной хрупкости ТН-20, снижает трещиностойкость >в (критерий оценки - коэффициент критической интенсивности гений К1С) в пределах 5 - 10 %, однако, для сплавов ВК6, МС '5К10, ТН-20, подвергнутых КПО £(Т1-Сг) - ИА - TшJ, трещи-!кость практически не изменяется. Последнее свидетельствует шении вязкой прочности твердого сплава без увеличения его сти. Результаты исследований оценки "эксплуатационной" сти твердосплавных пластин с разработанными составами ИК терто Тр (время наработки на отказ до поломки) при увели-

ченной ("ломающей") подаче показали, что прочность твердых с вов (ВК6,Т5КЮ,ТН-20), подвергнутых КТО, практически не уст) прочности контрольных сплавов без упрочняющей обработки, подтверждает положение о возможности повышения надежности с сительно малопрочных стандартных твердых сплавов (TI5K6, К методом комплексной поверхностной обработки.

В четвертой главе представлены результаты исследований яния процесса КПО на характеристики процесса резания и хара изнашивания твердосплавных пластин при точении. Исследс пластины T5KI0 с различными видами упрочняющей обработки |ис азотирование ИА, покрытие TIN, комбинации ИА - TIN, ИА -(Т1-- TIN, (Tl-Cr) - ИА - TIN].

Исследования контактных характеристик резания проводили свободном прямоугольном поперечном точении. Полученные знач усилий резания Р2, Ру, коэффициента продольной деформации от ки К^, длин полного С^ и пластического С^ контактов по пере поверхности, величины угла сдвига Ф использовали для рас контактных напряжений по методике Н.Н.Зорева по специальной грамме на ПЭВМ IBM PC.

Установлена сильная зависимость контактных характеристи только от состава покрытия, но и параметров азотированного с В частности, для твердосплавного инструмента с упрочняющей о боткой заметно снижаются длины полного С^ и пластического контактов по передней поверхности, а также коэффицент К^, тавляицих сил резания Pz и Ру, увеличивается значение угла с га Ф. Последнее свидетельствует о снижении уровня пластиче деформаций для инструмента с КПО, Изменение контактных напр ний о7 и для твердосплавных пластин T5KI0 с различными в ми упроняющей обработки было неоднозначным. В частности, при лых толщинах среза (а < 0,06 мм) нормальные о и касательные

эякения по передней поверхности для пластин T5KI0 с покрытием эзличными вариантами НПО были меньше на 5 - 10 %, чем соот-зтвуицие напряжения для контрольных пластин. При повышенных ¡инах среза (а > 0,212 мм) напряжения о^ для пластин без уп-шщей обработки были уже на 15 - 20 % ниже соответствующих [ений Oj, и т^ для пластин с КПО и покрытием.

Установлено, что рост нормальных напряжений на контактных [адках твердосплавного инструмента с КПО при а > 0,212 мм ловлен более интенсивным снижением параметров С^, С^ (пло-приложения нагрузки уменьшается до 50«) по сравнению с ыпением сил резания (не более, чем на 20 - 30 %). Исследование теплового состояния твердосплавных пластин с ичными вариантами КПО при точении стали и чугуна с использо-эм метода многопозиционных термоиндикаторных веществ (типа - 53, ТХИ - 54), позволяющего за один рабочий ход инструмен-элучить температурные поля в сечении, перпендикулярном режу-кромке, показали сильную трансформацию температурных полей эумента с КПО в сравнении с температурными полями инструмен-зз упрочнения. Наиболее характерным является смещение эпюры шальных температур к режущей кромке и задней поверхности юсплавных резцов с КПО для всего диапазона исследованных щ среза (подач).

Таким образом, исследованиями напряженного и теплового сос-[я инструмента с упрочняющей обработкой (ионное азотирова-покрытие, КПО) подтвердили высказанное предположение о том, епосредственной причиной снижения эффективности упрочненно-струмента с ростом толщин среза и скорости резания, явля-большая вероятность потери формоустойчивости режущей части умента за счет роста нормальных напряжений и увеличения те-й напряженности локальных объемов твердого сплава непосред-

ственно у режущей кромки.

Исследования кинетики изнашивания и изменения формы pei го клина инструмента по специально разработанной методике твердили, что при толщинах среза а>0,2-0,3мм и скорс резания V > 120 - 150 м/мин для твердосплавного инструмен] покрытием TIN уровень пластических деформаций (параметр Da) личивается на 10 - 15 X, а для пластин с различными вариа* КТО уменьшается на 15 - 20 % по сравнению с соответствующим раметром для контрольного инструмента без КПО и покрытия, видно, что за счет возрастания сопротивляемости пластичес изменению формы для субстратов из твердого сплава с КПО, aj тивность покрытий резко возрастает. Подтверждением установле го является результаты исследований кинетики изнашивания тве сплавных пластин с КПО, которые имели самые низкие показа изнашивания I^ (площадка износа передней поверхности) и h3 ( ка износа задней поверхности) при предельном времени наработ на отказ.

В главе приведены данные по исследованию интенсивности нашивания твердосплавных пластин с разработанными технолог КПО для широкого диапазона изменения скорости резания. Показ что интенсивность изнашивания резцов, оснащенных твердосплав пластинами с КПО на 40 - 60 % ниже да диапазона скоростей р ния 140 - 170 м/мин (адгезионно-усталостное изнашивание) i 60 - 100 % ниже для диапазона скоростей резания 200 м/мин и в сравнении с соответствующими показателями для контрольных трументов.

Исследования по установлению роли износостойких компле: (ИК), формируемых на рабочих поверхностях твердосплавного струмента методом КПО, проводили с использованием 0ЖЕ - спек метрических и микрорентгеноспектральных анализов на электро:

зканируицем микроскопе JAMP-I05 Японской фирмы Jeol. Анализ них этих исследований позволил уяснить причину высокой эффекте ти твердосплавного инструмента с КПО на скоростях резания ше 200 м/мин. В частности, в главе приведены данные микро-тгеноспектрального и ОЖБ - спектрометрического анализа плас-u T5KI0 - ИА - (Ti-Сг) - TIN после 18 мин наработки на отказ У = 220 м/мин; S = 0,3 мм/об; t = 2,0 мм, которые показали, даже при полном разрушении ИК (дно лунки износа) в структу-твердого сплава не обнаружено следов диффузии элементов рдого сплава (W, Ti, Со) в верхних слоях ИК. Установленный г свидетельствует о сильных барьерных функциях ИК, формируе-j в процессе КПО твердосплавных пластин.

В главе 5 приведены данные исследований надежности инстру-га из твердого сплава с КПО при точении конструкционных ста-4QX и 12И8НЮТ, которую оценивали величиной гамма-процент-стойкости Т0 д.

Установлено, что при точении сталей 40Х и 12Х18Ш0Т в диа->не скоростей резания 100 - 150 м/мин пластины T5KI0 с опти-,ными составами ИК (КПО) имели стойкость TQ g в 2,0-2,5 раз i пластин TI5K6 (для области применения PIO - Р20) и 6 - 10 превосходили стойкость TQ ^ пластин TI5K6 при V > 200 -м/мин.

Разработаны математические модели стойкости для диапазона остей V = 120 - 300 м/мин, т.е. для скоростного диапазона, в ром проявляется монотонность зависимостей Т= Í(V). Показано, при использовании твердосплавных пластин с КПО заметно сни-ся влияние скорости резания на стойкость инструмента по нению с контрольными пластинами, что коррелизует с установим фактом снижения теплонапряженности процесса резания при льзовании твердосплавного инструмента с ИК, полученным мето-

дом КПО. Влияние подачи и глубины резания на стойкость и» мента с упрочнениеми контрольного примерно одинаково.

На основе анализа существующих методов оценки надеж упрочненного инструмента обоснован и разработан критерий ' оценки, который базируется на сравнении суммарных площадей < ботанной поверхности: F = 103-S-n-T, где n.S.T- соответст] частота вращения, подача и время резания, полученных при ре: на оптимальных для упрочненного инструмента режимах резания Для описания процесса точения твердосплавным инструме] как нестационарного случайного процесса была разработана дш ческая стохастическая модель резания, представляющая собой тему математических соотношений между вероятностью hohbj значений параметров резания (не превышающих заданных R) и 31 ниями этого параметра R при определенных величинах определ*

факторов 1Л. Модель имеет вид: _

г J а 1

Г(Я) = 1-ехр [-(Н^ 1_| Zj ) J, (2]

где CQ- коэффициент; а^.- степень влияния Z^ на выходной пара F(R); а = I/v.

Ha основе реализованных в многофакторных экспериментах чений управляющих факторов резания (t, S, n, Т) и измерений кциональных параметров резания (Pz, Ру, hg, Ra), получены г метры математической модели резания при точении стали 40Х ре ми, оснащенными пластинами T5KI0, T5KI0 - ИА, T5KI0 - ИА -T5KI0 - ИА - (Tl-Cr) - TIN, T5KI0 - (Т1-Сг) - ИА - TIN. Для дого из видов упрочнения, а также для контрольных пластин, определены оптимальные режимы резания, обеспечивающие максю/ ную эффективность резания в условиях заданных ограничений параметры резания, в том числе и вероятность безотказной раб Сравнение инструмента, оснащенного твердосплавными пла нами с различной упрочняющей обработкой, осуществлялось по

знию целевой функции при оптимальном режиме. Установлено, что зердосплавный инструмент с оптимальными вариантами НПО Солее, эм в 10 раз превосходит контрольный инструмент, соответственно раза превосходит инструмент с ионным азотированием и нитридо-иановым покрытием.

Результаты работы внедрены на АО "Московский подшипник", ь "Виртус", НПП "Новатех".

ОСНОВНЫЕ вывода РАБОТЫ

1. Износостойкий комплекс (ИК), формируемый на рабочих по-рхностьях твердосплавного инструмента путем ионного азотирова-я в плазме независимого газового разряда, последующего нанесе-я адгезионного подслоя и многослойно-композиционного покрытия нно-дуговым способом, позволяет увеличить сопротивляемость ердого сплава термопластическому деформированию, повысить эчность адгезии покрытия и сплава, снизить склонность твердого лава к физико-химическому взаимодействию с обрабатываемым ма-риалом и, таким образом, повышает надежность твердосплавного зтрумента.

2. Азотирование твердосплавного инструмента в плазме неза-:имого газового разряда при электронной бомбардировке поверх-:ти может быть использовано как самостоятельный метод упрочне-I инструмента для повышения его надежности, так и в качестве ¡мента процесса КТО.

3. Математические модели, устанавливающие функциональную зь между временем обработки и толщинами азотированного слоя, езионного подслоя и износостойкого покрытия в ИК, позволили ановить оптимальные соотношения этих толщин в ИК, которые со-етственно составили 25 - 30 мкм 1,0 - 2,0 и 4 - 6 мкм.

4. Нанесение износостойкого комплекса, имеющего азотирован-слой, полученный в среде газовой смеси 30 % Аг - 70 % ГГ2 и

адгезионный слой оптимального состава 15 % Сг - .85 % Т1 поз! ло повысить надежность твердосплавных пластин при точении лей 4ОХ и 12Х18Ш0Т, чугуна СЧ 32 за счет увеличения их сто! ти в 5 - 10 раз и снижения вариационных разбросов стойкост 10 - 20 Я. '

5. Оценка прочностных свойств композиции твердый сплав (КПО), показала, что их трещиностойкость (коэффициент крип кой интенсивности напряжений) и эксплуатационная прочность | чение "ломающей" подачи) практически не отличается от cooi ствуклцих показателей твердого сплава без упрочнения. Это ci тельствует о достаточно высоком уровне вязкой прочности без жения трещиностойкости твердых сплавов, подвергнутых КПО.

7. Применение твердосплавных пластин с разработанными тавами ИК позволяет положительно измененить функциональные г метры резания (Pz, Ру, Т°), контактные характеристики (С^ , Оу , ij) и параметры стружкообразования (в, ) причем это яние проявляется для пластин с ИК более длительное время, для пластин с покрытием, что предопределяет сильное снш интенсивности изнашивания для пластин с ИК не только по срг нию с контрольными пластинами, но и пластинами с износостс покрытием. Снижение интенсивности изнашивания для пластин особенно сильно проявляется в диапазоне скоростей резания с 200 м/мин, т.е. для условий приводящих к высокой вероятности формирования режущего клина инструмента и протеканию акта диффузионных процессов.

8. Твердосплавные пластины с разработанными состава параметрами ИК имеют гамма-процентную стойкость TQ 9'в 6 раз выше стойкости пластин TI5K6, оптимальных для области менения PIO - Р20 и в 2 - 5 раз выше стойкости пластин Т5Н - TIN, оптимальных для области применения Р20 - РЗО.

9. Оценка эффективности инструмента из твердого сплава с Iличной упрочняющей обработкой на основе сравнения суммарных вдадей обработанных поверхностей при оптимальных режимах обрати позволила выявить области эффективного использования твер-шшвного инструмента с разработанными составами ИК.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ диссертации опубликованы автором в сле-щих работах:

1. Разработка стохастической модели резания при сверлении еродистых сталей. В сб. тезисов докладов Зональной научно-нической конференции "Математическое обеспечение и автомати-кое управление высокопроизводительными процессами механичес-

и физико-химической обработки изделий машиностроения", Ан-пов, 1988, с. 25.

2. Разработка метода комплексной поверхностной обработки грумента из твердого сплава. В сб.- тезисов докладов научно-этической конференции "Пути повышения эффективности использо-1Я оборудования с ЧПУ", Оренбург, 1989, с. 35.

3. Повышение работоспособности инструмента из твердого та путем осаждения композиционно-многослойных покрытий. В тезисов выступлений XI научной конференции болгарских аспи-■ов в СССР с международным участием "Актуальные проблемы совиной науки-89", Москва, 1989, с. 52.

4. Разработка технологии комплексной обработки твердосплав-| режущего инструмента. В сб. тезисов докладов Краевой науч-ехнической конференции "Повышение эффективности использова-автоматизированных комплексов на предприятиях Дальнего Вос-", Комсомольск-на-Амуре, 1989, с. 57.

5. Разработка технологии комплексной обработки инструмента твердого сплава с целью повышения его эксплуатационных

свойств. В сб. тезисов докладов к Региональной конференции ' струментальное обеспечение автоматизированных систем механоос ботки", Иркутск, 1990, с. 3.

6. Авторское свидетельство на изобретение N 165; С 23 С 14/48. Способ получения покрытия вакуумно-длазменным пылением. (Публикация в открытой печати запрещена).

7. Авторское свидетельство на изобретение N 173' С 23 С 14/28. Способ формирования износостойкого покрытия подложках из стали и сплавов. (Публикация в открытой печати : рещена).

8. Авторское свидетельство на изобретение N 172: С 23 С 14/28. Способ обработки изделий из твердого сплава. (I ликация в открытой печати запрещена).