автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение режущих свойств инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов нанесением многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий

На правах рукописи

Хожаев Ойбек Хужамбердиевич

ПОВЫШЕНИЕ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЕЗВОЛЬФРАМОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ НАНЕСЕНИЕМ МНОГОСЛОЙНО-КОМПОЗИЦИОННЫХ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических на)к

Москва-2013

005539652

005539652

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Научный руководитель: Верещака Анатолий Степанович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кузнецов Владимир Анатольевич,

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО МГМУ «МАМИ»

Кущева Марина Евгеньевна,

кандидат технических наук,

вед. науч. сотрудник ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

Ведущая организация: ОАО Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей (НИИД), филиал ФГУП «НПЦ» Газотурбостроения «САЛЮТ» г. Москва

Защита состоится » ОКТ^дг. в « » часов на заседании диссертационного

совета Д 212.142.01 на базе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения (организации) просим высылать по указанному адресу в диссертационный совет Д 212.142.01.

Автореферат разослан «Ю » се.н~>я$рЯ

2013

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

М.А. Волосова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Основным инструментальным материалом, используемым в современных металлообрабатывающих производствах, является твёрдый сплав. Следует отметить, что широкое применение стандартных твёрдых сплавов, содержащих дефицитные и дорогостоящие элементы типа \\\ Та, ЫЬ, Со и др., существенно увеличивает производственные расходы, что стимулировало появление ещё одной группы твердых сплавов не содержащих указанные элементы. Такие твердые сплавы получили наименование «безвольфрамовые» или «керметы», однако по своим свойствам и областям технологического применения они существенно уступают соответствующим свойствам вольфрамо содержащих сплавов. В этой связи восстановление производства, совершенствование свойств безвольфрамовых твёрдых сплавов и расширение области их применения является важной научно-практической задачей современных металлообрабатывающих производств.

Отказы инструментов в процессе резания совершаются вследствие интенсивного изнашивания его контактных поверхностен при интегрально протекающих процессах хнмико-термпческой оксидации, адгезионных явлений, сопровождающихся циклическим характером взаимодействия, интердиффузионных явлений и т.д. В этой связи одновременное снижение склонности к физико-химическому взаимодействию обрабатываемого и инструментального материалов при росте твёрдости и теплостойкости последнего может служить универсальным средством кардинального повышения режущих свойств инструмента. Таким средством является износостойкое покрытие, имеющее двойственную природу со способностью одновременного воздействия на процессы физико-химического взаимодействия при направленной трансформации кристаллохимических и физико-механических свойств инструментального материала.

Поэтому разработка методологии формирования инновационных покрытий на рабочих поверхносгях инструмента удовлетворяющих двойственности природы покрытий в виде промежуточной среды между инструментальным и обрабатываемым материалами является актуальной научно-практической задачей, результатом решения которой будет повышение режущих свойств и надежности инструмента, а также производительности резания различных обрабатываемых материалов. Кроме того замена стандартных вольфрамосодержащих сплавов на более дешёвые, но не менее эффективные безвольфрамовые твердые сплавы является важной научной н практической проблемой. Поэтому установление закономерностей формирования структуры, составов и свойств многофункциональных покрытый в зависимости от параметров процесса нанесения при осаждении покрытий на инструменты из безвольфрамовых твердых сплавов с целью повышения их режущих свойств п расширения области технологического применения является весьма актуальным, так как это позволяет установить физическую природу взаимосвязи структуры, состава и строения измененного слоя инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов с режущими свойствами инструмента и закономерностями его изнашивания.

Научные и практические результаты работы реализованы при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ по государственному заданию №01201254483 от 01.01.2012 г. Министерства образования и науки и в соответствии с

критическими технологиями «Технология получения и обработки функциональных наноматериалов».

Цель работы. Повышение режущих свойств инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС) и расширение области их применения при обработке конструкционных сталей и жаропрочных сплавов путём разработки и применения многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий (МКНП).

Указанная цель исследования может быть достигнута при решении следующих задач:

1. Разработка методологии рационального выбора функций элементов, архитектуры и формирования многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий на режущих инструментах из безвольфрамовых твердых сплавов.

2. Исследование параметров процесса резания инструментом из безвольфрамовых твердых сплавов с многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями.

3. Исследование влияния составов многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий и технологии их получения на режущие свойства инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов.

4. Исследование механизма изнашивания инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов с различными составами многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий.

5. Разработка математических моделей резания инструментом из безвольфрамовых твердых сплавов с многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями при резании конструкционных сталей и жаропрочных сплавов.

Методы исследования.

Работа выполнена на основе применения основных положений теории резания материалов, физического материаловедения, статистического анализа результатов экспериментальных исследований, математического моделирования многопараметрических процессов резания. Исследования механизмов влияния параметров получения многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий на различные свойства системы «МКНП -БВТС» и вторичные структуры, возникающие при изнашивании в процессе резания выполняли при использовании методов ЭДС (энерго-дисперсионная спектрометрия), ВИМС (вторичной ионной масс-слектрометрии) и СЭМ (сканирующая электронная микроскопия) и др.

Научная новизна заключается в:

— методологии рационального выбора функций и параметров архитектуры многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий, формируемых при использовании процессов фильтруемого катодпо-вакуумно-дугового осаждения для инструментов из безвольфрамовых твердых сплавов;

— функциональных связях параметров фильтруемого катодно-вакуумно-дугового осаждения нанодисперсных покрытий многослойной структуры с режущими свойствами инструмента из безвольфрамовых твёрдых сплавов для чистовых и получистовых операций обработки сталей и жаропрочных сплавов;

— математических моделях процесса резания конструкционных сталей и жаропрочных сплавов для инструмента из безвольфрамовых твёрдых сплавов с многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями, устанавливающих зависимость износа

инструмента и главной составляющей силы резания от скорости и времени резания.

Практическая ценность.

На основе выполненных исследований получены следующие практические результаты:

- методика выбора состава, структуры и свойств многослойно-композиционных нанодисперспых покрытий, осаждаемых на инструменты из безвольфрамовых твёрдых сплавов для резания различных материалов, исходя из функционального назначения каждого из компонентов покрытия;

- опытная технология нанесения многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий на инструменты из безвольфрамовых твердых сплавов на основе процессов фильтруемого катодно-вакуумпо-дугового осаждения;

- рекомендации по применению инструмента из различных марок безвольфрамовых твердых сплавов с разработанными многослойно-композиционными нанодисперспыми покрытиями для операций точения конструкционных сталей;

- расширены области применения и разработаны рекомендации по применению инструмента из безвольфрамовых твёрдых сплавов с многослойно-композиционными нанодисперспыми покрытиями для чистовой обработки жаропрочных сплавов иа основе хрома (типа Х65НВФТ).

Публикации.

Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 8 статьях, три из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий рекомендованных ВАК.

Реализация работы. Методика получения многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий (МКНП) была реализована в технологии нанесения МКНП на СМП из БВТС для обработки жаропрочных сплавов на основе хрома, которая используется в ЗАО ЭКОТЕК при производстве СМП из БВТС с МКНП и принята ФГУП «Композит» для чистовой обработки заготовок из сплавов на основе хрома.

Апробация работы. Материалы настоящей работы представлялись на всероссийской и международных научно-технических конференциях, среди которых: «Машиностроение -традиции и инновации» (Москва, МГТУ «СТАНКИН», 2011): Интерпартнёр-12 «Высокие технологии: тенденции развития», (Харьков -НТУ «ХПИ»-Алушта, 2012); «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике» (Звездный городок, 27-29 июня, 2012) и другие.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения и 4 глав, выводов, списка использованной литературы, 123 источников, содержит 162 стр. печатного текста, 33 таблицы, 58 рисунков и фотографий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуатыюсть проблемы, обозначена цель исследований, указаны методические и теоретические положештя работы, изложена научная новизна и практическая ценность.

В первой главе содержится аналитический обзор основных направлений развития и совершенствования инструмента из БВТС в отечестве и за рубежом. Подробно рассмотрены особенности физико-механических и режущих свойств БВТС, включая зарубежные исследования, а также немногочисленные работы, в которых рассмотрены попытки применения инструмента из БВТС с покрытием. Приведен подробный анализ структуры и свойств инструмента из БВТС на основе TiC и TiCN отечественного и зарубежного производства в сравнении со стандартными вольфрамосодержащими твердосплавными инструментами.

Большое внимание уделено исследованиям по проблемам повышения режущих свойств инструментов из БВТС. Значительный вклад в исследования различных аспектов проблемы резания с использованием режущего инструмента из БВТС с покрытием и без покрытия, а также в создание теории его проектирования внесли Третьяков В. И., Самойлов B.C., ЧапороваИ. Н., Верещака А.С., Эйхманс Э.Ф., Гуревич Я.П., Иванов В В., Андреев В Н., и др., а также ряд зарубежных исследователей (Р. Кифер, JT. Жаворска, М. Розмус и т.д.), в работах которых вскрыты механизмы и природа изнашивания инструментов с покрытиями и без покрытий для разл1гчных условий резания лезвийным инструментом.

Учитывая малочисленность исследований различных аспектов проблемы разработки и применения инструментов из БВТС с покрытием, показана недостаточность изученности взаимосвязей изнашивания инструмента с составом, структурой и свойствами покрытий, в зависимости от параметров процесса фильтруемого катодно-вакуумно-дутового осаждения (ФКВДО), существенно повышающего качество покрытия и режущего инструмента.

Исходя из изложенного вьпле, целью настоящей работы является повышение режущих свойств инструмента из БВТС и расширение области их применения при обработке конструкционных сталей и жаропрочных сплавов путём разработки МКНП.

Во второй главе приводятся результаты разработки методологии и рабочих гипотез исследований, изложена общая методика проведения исследовании.

При анализе функциональной роли покрытия на контактных площадках режущего инструмента, использовалп положеште о двойственной природе покрытия, выполняющей роль некой «промежуточной технологической среды» (ПТС) между инструментальным и обрабатываемым материалами (рис. 1). Таким образом, покрытие с одной стороны способно направленно улучшить такие важные свойства инструментального материала как физико-химическая инертность по отношению к обрабатываемому материалу, износостойкость (твердость, теплопроводность и теплостойкость), с другой - может благоприятно влиять на контактные процессы и параметры резания, определяющие интенсивность изнашивания режущего инструмента.

На основе роли покрытия как ПТС была сформулирована концепция архитектуры покрытия и систематизированы требования к покрытиям для режущих инструментов in БВТС.

Установлено, что при нанесении многослойных покрытий с наноразмерной толщиной субслоёв возможна активизация различных процессов поглощения энергии, воздействующей на контактные площадки инструмента. При рациональной структуре и архитектуре функционального покрытия обеспечивается повышение прочности материала МКНП с незначительным снижением по твердости. На рис. 2 представлены наиболее характерные способы управления свойствами покрытий.

Рисунок I. Двойственная природа покрытия как промежуточной технологической среды (17ТС) между инструментальным и обрабатываемым материалами:

£}•(:, О „им, О „ом ~ тепловые потоки в инструмент, стружку и деталь от фрикционных источников тепла; С) и С '„ - длины полного контакта по передней и задней поверхностям инструмента. РИ — режущий инструмент; ОМ - обрабатываемый материал; П -покрытие.

Показано, что БВТС типа TiCN-Ni/Mo и TiC-Ni/Mo имеют меньшее значение модуля упругости и большую склонность к разупрочнению по сравнению с двукарбидными вольфрамосодержащими сплавами с содержанием кобальтовой связки менее 6 %. Указанное является причиной большей склонности БВТС к хрупкому микро- и макровыкрашиванию режущей кромки инструмента при воздействии эксплуатационных термомеханических нагрузок.

В соответствие с указанным, было сформулировано первое важнейшее требование к покрытию, наносимому на БВТС, - покрытие должно обладать повышенной хрупкой прочностью в условиях высокой склонности инструмента к хрупкому микро- и макровыкрашиванню режущей кромки, поэтому оно должно снижать склонность инструмента из БВТС к указанному характеру разрушения режущей кромки. Такую роль может выполнять покрытие многослойно-композиционного типа с уменьшенной общей толщиной. Многослойное покрытие с наноразмерными субслоями и зернистостью обеспечивает стабилизацию определенной текстуры всех слоев покрытия и тем самым позволяет формировать покрытия с более сбалансированным соотношением двух важнейших характеристик покрытия - твердости и вязкости. Создание нанодисперсных покрытий, обеспечивающих высокие физико-механические свойства за счет минимизации энергии граничных поверхностей, является весомым аргументом, позволяющим говорить о них, как о покрытиях последнего поколения.

Рисунок 2. Зависииасть свойств покрытий от управляющих факторов: 1П- граничная поверхность, Т -трещина, слои 2, слой / - слои покрытия на основе разных элементов и функционального назначения

Низкая теплопроводность БВТС в сочетании со значительным значением коэффициента термического расширения (КТР) приводит к формированию больших термических напряжений на границе раздела «БВТС-покрытие» при температурах резания. Учитывая особенности структуры субстратов из БВТС по сравнению со стандартными вольфрамосодержащими сплавами (более мелкое зерно, неравномерность распределения связующей фазы), а также более низкую адгезионную способность субстратов из БВТС по отношению к различным типам обрабатываемых металлов (более высокие значения тсмперат5рного порога начала адгезии), при разработке состава и конструкции покрытия необходимо обеспечить максимально высокую прочность адгезии субстрата и покрытия. Указанное можно достигнуть введением в покрытие слоев, повышающих прочность адгезионной связи системы «БВТС-покрытие» за счёт содержания металлов, имеющих энергетически стабильные конфигурации с металлическим типом связи в кристаллической решётке (СВАСК ер3, СВАСК з2р6 или СВАСК с)5).

Покрытия формировали на основе трехслойной многослойно-композиционной архитектуры, состоящей из: износостойкого слоя (контактирует с обрабатываемым материалом), промежуточного слоя (обеспечивает прочную адгезионную связь между износостойким и адгезионным слоями) и адгезионного подслоя (рис. 3). Износостойкий (1) и промежуточный (2) слои МКНП в зависимости от условий обработки могут иметь как монослойную, так и многослойную архитектуру, при этом размеры зерен и толщина субслоев могут иметь как микроразмерную, так и наноразмерную величину.

Рисунок 3. Архитектура многослоино-композиционного нанодиспсрсиого покрытия (МКНП):

I - износостойкий слои; 2 - промежуточный слои; 3 -адгезионный подслои: 4 - субстрат (БВТС).

Выбор химического состава износостойкого слоя МКНЛ производили исходя из принятого допущения о том, что основным механизмом изнашивания режущего инструмента из БВТС является адгезионно-усталостное изнашивание.

Исходя из принятой модели изнашивания инструмента из БВТС максимальное снижение адгезионно-усталостного изнашивания режущего инструмента обеспечивается при минимуме теряемой массы материала инструмента, т.е. при Ма—чтил:

Ма = К а ' Р ' Рц{] ' °а/ар)- (П

где Ка - коэффициент адгезии (объемный); р - плотность инструментального материала; -номинальная площадь контакта; / - интенсивность адгезии. оа - прочность связей в узлах адгезии; ар — сопротивляемость инструментального материала разрушению. В частности, интенсивность адгезии определяли следующей зависимостью

/ = {ИТ + Мм )Ра. (2)

где Ыт, Ым - число активных центров на единицу площади контакта, соответственно при термическом и механическом активировании. А'т определяли гю формуле

Ыт =у-Т ■ е~Ыкв. (3)

где v - частота собственных колебаний валентных атомов; Т - время; Qc - энергия термической активации; К - постоятпгая Больцмана; в - абсолютная температура. NM определяли при использовании следующей формулы:

NM=Pl-S-b, (4)

где рх - плотность дислокаций; S - средняя длина пробега дислокации; Ъ - вектор Бюргерса.

Скорость движения дислокаций определяли по следующей формуле:

Vn=S-т" (5)

где г - напряжение; п - показатель степени, зависящий от твердости материала.

NT и NM производили по табулированным справочным значениям.

По температуре плавления износостойкого слоя 1 установили термическую составляющую адгезии NT по формуле:

NT = C-Te'B™, (6)

где С — постоянная, 0 - абсолютная температура; впл — температура плавления соединения металлов.

Механическая составляющая интенсивности адгезии NM коррелирует с твёрдостью вещества, причём при снижении подвижности дислокаций с увеличением твёрдости соответственно уменьшается склонность износостойкого слоя 1 МКНП к адгезии с обрабатываемым материалом.

Отметим, что согласно конфигурационной модели вещества (КМВ), все свойства твердого тела (твердость, температура плавления, адгезионная активность, диффузионная активность и т.д.) зависят от статистического веса атомов со стабильной конфигурацией (СВАСК) spi п ¿/-конфигураций вещества.

Для оценки рациональных составов износостойкого (1). промежуточного (2) и адгезионного (3) слоев МКНП для инструмента из БВТС разработаны тугоплавкие соединения, с учетом их кристаллохимических и физико-механических свойств, которых применяли при создании многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий. В качестве материала износостойкого слоя МКНП при доминирующем влиянии процесса адгезионно-усталостного изнашивание инструмента из БВТС использовали тугоплавкие соединения, содержащие максимальное количество атомов со статистически стабильной конфигурацией типа sp3 (характерны металлические связи кристаллической решетки), s2p6 (характерны смешанные типы связей решетки - металлические и ионные) и d5 (характерны ковалентные и ионные связи кристаллической решетки), при формировании промежуточного слоя использовали соединения с металлическими и ионными связями (типа TiN, AIN и др.).

В соответствии с принятыми положениями (см. рис. 3), при выборе материала износостойкого слоя МКНП руководствовались следующими положениями. На основе предложенной концепции покрытия дтя режущего инструмента, требований к слоям МКНП и систематизации соединений наиболее предпочтительных для указанных целей разработаны рекомендации по их составам (таблица 1), а также обосновано положение о формировании нанодисперсной структуры износостойкого (1) и промежуточного (2) слоев МКНП.

Таким образом, установленная двойственность природы МКНП как промежуточной технологической среды и следствия такой природы позволила сформулировать рабочие гипотезы исследований:

1. МКНП наносимое на инструменты из БВТС должно иметь многослойно-композиционную архитектуру с нанодисперсной структурой и обеспечивать минимизацию

процессов приводящих к адгезионно-усталостному изнашиванию его контактных площадок и микрохрупкого разрушения (выкрашивания) режущей кромки.

2. Повышешиле режущие свойства инструмента из БВТС с МКНП должны обеспечиваться при рациональном выборе состава, характеристик слоев покрытия и параметров процесса осаждения.

Таблица /. /'екомендацнн по составам слоев МКНП

Предпочтительные составы слоев износостойкого комплекса

Износостойкий слой « 1 » Адгезионный подслой «3» Промежуточный слой «2»

СгЬ1—»ОС—*СгВ—»У!4*1—»¿гС—* Карбиды, нитриды, карбоннтриды, бор иды: Шг^ТЮ^ТШ^гКЬ^гСг-» 2гА1-^ПМЬСг^"ПСгА1—ТИгСг^ ПггСгА! Металлические подслои: гг-»Сг-»\г-»"П; Металлические композиты: Т\7.х—г\Сг-*"ПСг-*'П'V Соединения: Р-С-»МО52->(МОТ08Х-> —Мех(ЮД—А1Ы^А1203 -^ТЧАШ—*А1Ы—>СгМ—»ТШ—*

Основные требования

1. Д0г°>0 для пары «слон 1-ОМ» 2. Ма —» min 3. Максимальные значения параметров: НУ, сть, К ¡г 1. ДС}°<0 для пары «слой 3-субстрат (ИМ)». 2. ДСто<-0 для пары «слой 3-слой 2», 3. Необходимость соблюдения правила «Юм-Розери» для пар: «слой 3-субстрат (ИМ)», «слой 3 -слон 2» 1. А0т°>0 для пар «слой 2-ОМ» 2. А0т°<0 для пар «слой 2-слой 1»; «слой 2 -слой 3» 3. Необходимость соблюдения правила «Юм-Розери» для пар: «слой 2- слой 1»; «слой 2 -слой 3»

* Примечание. ЛОг" - изобарный потенциал реакции при температуре эксплуатации режущего инструмента. Правило «Юм-Роэсрп» -взаимная растворимость элементов возможна, если размер их атомных диаметрам не превышает 15%; СгК - > СгГ --СгВ —- — предпочтительны!! ряд соединении для различных слоев МКНП (по мере возрастания). ИМ. ОМ — соответственно инструментальный и обрабатываемый материалы

3. Повышение режущих свойств инструмента из БВТС при осаждении МКНП может служить обоснованием для установления области расширенного технологического применения для резания жаропрочных сплавов.

В главе 3 представлена методика подготовки инструмента из БВТС перед нанесением покрытия, последовательность самого процесса ФКВДО, контроля основных параметров полу ченных СМП из БВТС с МКНП, исследования параметров функционирования процесса резаиия и режущих свойств инструмента, оснащенного СМП из БВТС с разработанными МКНП.

В главе также представлены результаты разработки и исследование МКНП для инструмента из БВТС для различных условий обработки (конструкционные стали, жаропрочные сплавы).

Разработку МКНП для инструмента из БВТС выполнили по следующей схеме.

После проведения анализа особенностей функционирования инструмента из БВТС при обработке конструкционных сталей и жаропрочных сплавов, пршшмали решение по выбору архитектуры, состава и свойств МКНП с учётом физико-мехатшеских и теплофизических свойств БВТС, требований к слоям МКНП и методических разработок по выбору различных параметров МКНП. При этом окончательный выбор условий получения МКНП и назначение основных параметров процесса ФКВДО проводили по результатам 1гх влияния на основные свойства МКНП.

Предварительная подготовка СМП из БВТС включала: - визуальный осмотр СМП с помощью оптического микроскопа с увеличением х100-х150, с отбраковкой СМП с

видимыми дефектами в виде сколов, микровыкрашиваний режущих кромок, механическим повреждением рабочих поверхностей; - загрузку в ванну и очистку в течение 15 мин в техническом ацетоне пли в бензине «калоша» (98-99 ОКЧ) с последующей промывкой в дистиллированной воде при активации ультразвуком; - десятиминутную мойку в активированном ультразвуком щелочном растворе и промывку в дистиллированной воде; -мойку в химически чистом изопропиловом спирте в течение пяти минут; - финальную сушку чистым воздухом при температуре 70-80 "С продолжительностью 10-12 минут; - загрузку подготовленных СМП осуществляли в специализированную технологическую оснастку с последующей установкой на специальное устройство осуществляющее планетарное движение СМП в вакуумной камере установки ВИТ-2.

Особенностью формирования МКНП из БВТС были связаны с низкой теплопроводностью и относительно невысокой теплоемкостью в сравнении со стандартными вольфрамосодержащнми твёрдыми сплавами. В этой связи ионную очистку (бомбардировку) и термоактивацию (ионами) СМП из БВТС проводили при импульсной подаче напряжения смещения Uc, что позволяло производить термоактивацию при относительно медленном нагреве субстрата без риска формирования термотрещин в поверхности СМП. Температура термоактивацип составляла 600-650 °С.

Процесс осаждения МКНП осуществляли при оптимальном сочетании основных параметров процесса ФКВДО, оптимальном значении частоты вращения рабочего стола установки (до 5 об/мин) и частот вращения технологической оснастки с СМП, что обеспечивало формирования наноразмерных толщин субслоев износостойкого, промежуточного и адгезионного слоев, а также нанодисперсной стр>тстуры МКНП.

Анализ условий получения МКНП при использовании процессов ФКВДО во взаимосвязи с их параметрами и свойствами позволил установить, что содержание азота в нитриде тугоплавкого соедипегаи и соотношение «азот-металл» в формируемых слоях МКНП определяется давлением реакционного газа (азота) p.v, энергией ионов W,. Последняя сильно зависит от напряжения смещения на субстрате Uc и тока дуги 1л при испарении катода (Ti, Zr, Cr, AI и др.). Поэтому параметры процесса синтеза адгезионного (3), промежуточного (2) и износостойкого (1) слоев МКНП оказывают сильное влияние па их структуру, фазовый состав, параметр кристаллической решетки, струтстурпые и геометрические дефекты, эксплуатационные свойства МКНП в целом.

В главе приведены результаты исследований состава, структуры и параметров МКНП на примере системы Ti-TiN-TiCrAlN в зависимости от параметров процесса ФКВДО. Исследования выполнены с использованием методик вторичной ионной масс-спектрометрин (ВИМС), энерго-дисперспонной спектрометрш! (F.DS). мнкрореитгеноспектрального анализа, электрошю-скатф^тощей микроскопии на полевом эмиссионном электронно-сканирующем микроскопе.

Результаты оценки влияния параметров процесса ФКВДО на толщину МКНП на примере системы Ti-TiN-TiCrAlN, нанесенного на СМП из КНТ-16, представлены на рис. 4 и 5. В качестве примера изучения влияния параметров осаждения покрытий использовали три основных параметра процесса ФКВДО - ток дуги Ti-катода, напряжение смещения на субстрате при осажденни покрытия и давление азота (реакционный газ).

Установлено, что для исследуемого процесса ФКВДО с ростом силы тока ¡п титанового катода толщина покрытия повышается, а с увеличением напряжения смещения

С/с снижается, однако давление реакционного газа N2 не оказывает заметного влияния на толщину МКНГТ.

Рисунок 4. Влияние тока дуги 1Т| на толщину МКНП на основе системы Т1-Т1М-'ПСгА1Х при использовании процесса ФКВДО

Рисунок 5. Влияние напряжения смещения 1'с на толщину МКНП при использовании процесса ФКВДО

Параметры структуры СМП из БВТС с разработанным покрытием Ть'ПМ-'ПСгАШ представлены в таблице 2.

Таблица 2. Химический состав (элементное соотношение) и зернистость износостойкого слоя разработанных покрытий

Инструментальный материал Химический состав (атомная концентрация %) Размеры зерен, нм

Состав износостойкого слоя Соотношение элементов

КНТ-16 - - 1000-2000

КНТ-16-(Т|-Т|'Ы-Т1 ,.хСгх)Ы (КИБ-МеУУЛ) (Т1',.хСгх)Ы 45,2/54,8 120-160

КНТ-16-(Т1-та-Т1,.х.уСгхА1у)Ы (ФКВДО) (Т1,.х.уСгкА1у)Ы 43,31/30,31/26,38 15-20

Экспериментальные данные по оценке кристалло-химических свойств разработанных МКНП позволяют отметить следующее. Размеры зёрен износостойкого слоя (1) МКНП полученного при использовании технологии ФКВДО составили 15-20 им, что позволяет классифицировать полученное МКНП как нанодисперсное. в то время как размеры зёрен аналогичных по составу покрытий полученных при использовании стандартной технологии КИБ-МеУУА составляют в 120-160 нм (см. табл. 2). Среднее значение содержания 'П, Сг и А1 в 'ПСгАИЧ-слое составило соответственно 43.3 1/30,31/26,38.

Анализ параметров МКНП позволяет отметить следующее. Качество МКНП (ФКВДО), разработанных для нанесения на пластины из БВТС, существенно превосходят качество стандартных покрытий, формируемых при использовании стандартной технологии КИБ-МеУУА. Кроме того, использование разработанной технологии ФКВДО позволяет формировать высококачественную поверхность покрытий практически без микрокапель, характерных для стандартной технологии. Микрокапли, особенно расположенные на поверхности МКНП и на границе «МКНГ1-БВТС» являются опасным дефектом, поэтому их фильтрация позволяет повысить прочность адгезионной связи, увеличить сопротивляемость БВТС окислению и коррозии, повысить износостойкость.

На рисунке б представлены СЭМ микрофотографии морфологии поверхностей (а,б) и структура износостойкого слоя МКНГ1 (в).

В таблице 3 представлена архитектура элементов и механические свойства МКНП. Установлено, что износостойкий слой "ПСгАМ имеет многослойную архитектуру с толщиной субслоев порядка 15-20 нм со структурой, ориентированной перпендикулярно плоскости адгезионного подслоя Т1, обычно именуемой столбчатой. Толщина субслоев ТПЧ-слоя также составляет порядка 15-18 нм.

I В

Рисунок 6. СЭМ микрофотографии поверхностей (а, б) и структура износостойкого слоя МКНП (в):

а — TiCrN. полученное при использовании стандартной технологии КИБ-MeVVA: ô — TiCrAIN. полученное при использовании процесса ФКВДО: в -поперечное сечение слоя TiCrAIN полученного при использовании процесса ФКВДО

Таблица 3. Парамет|)ы структуры разработанной МКНП - Ti-TiN-TiCr AIN

Архитектура элементов МКНП на основе Ti-TiN-TiCr A1N Толщина слоев и субслоев МКНП Микротвердость, МПа* Прочность адгезии МКНП"', Ркр.„. H

Адгезионный подслой Ti (3) (монослойный) ha = 0.4 м км - по

Износостойкий слой TiCrAIN ( 1 ) (многослойный) TI43 31 СГзо.З IА126.38^ h„ 1,8 м км hc = 20 нм 3100

Промежуточный слой TiN (2) (многослойный) h„- J.8 мкм h, = 18 нм -

/;., - толщина адгезионного подслоя: '(.,./(„ - толщина износостойкого и промежуточного слоев. /т. - толщина субелоев износостойкого и промежуточного слоев: '- значение мпкротвердости получено на наноиндентометрс с поверхности образца: "* -критичсскос значению усилия, прилагаемого к скрайбирующему Сцарапывающему) индентору. при котором происходит разр\ шение МКНП вдоль царапины

В главе 4 рассмотрены влияния условий обработки на силу резания различных материалов, что позволило уяснить причины низкой обрабатываемости жаропрочного сплава на основе хрома и определить оптимальные условия их лезвийной обработки. Для оценки значений составляющих сил резания Р-, Р, и Рх применяли универсальный тензометрический динамометр (конструкции ВНИИ) УДМ — 600. оснащённый ПК с программным обеспечением для измерения силы резания устройством с максимальной нагрузкой на опоры 600 кГ. Непосредственно перед проведением экспериментов проводили тарировку прибора.

Проведены сравнительные исследования сил резания при продольном точении стали 45 и жаропрочного сплава Х65НВФТ инструментом из КНТ-16 с разработанными МКНП и без покрытий в острозаточенном виде. В качестве примера на рисунке 7 показаны результаты исследований сил резания при точешш сплава Х65НВФТ.

Установлено снижение силы резания Рг. до 1.6 раз и силы Р5 до 1,3 раза по сравнению с силами резания для инструмента без покрытия. Незначительное снижение силы резания Ру при резании стали 45 и сплава Х65НВФТ по сравнению со снижением силы резания Р, (см. рис. 7) связано с: - относительно высокой склонностью к упрочнению сплава Х65НВФТ. что приводит к росту величины упругого последействия обработанной поверхности и увеличению длины контакта по задней поверхности; - относительно сильной зависимостью Ру от геометрш! режущего клина инструмента при точении стали 45, которая практически не изменяется при нанесении МКНП и небольшим влиянием снижения сил трения на контактных площадках инструмента на радиальную составляющую Ру.

С£Ш pzmni:?. в H-iO Сшарс.ганпя Р„ в Ií-10

ai т

Рисунок 7. Значение силы Ру при продольном точении сплава Х65НВФТ инструментом, оснащенном СМП из КНТ-16 без покрытия (1) и с МКНП основе Ti-TiN-TiCrAIN (2): V = 250 м/мип, S= 0,3 мм/об. t- 1.0 мм при h-, - 0,1 мм

В главе также представлены результаты исследование режущих свойств инструмента из БВТС с МКНП, построение математических моделей резания и кинетики механизмов изнашивания. Полученные результаты позволили определить рациональные условия обработки стали 45 и жаропрочного сплава на основе хрома — Х65ИВФТ, а также установить возможность расширения области применения БВТС с разработанными МКНП дня соответственно чистовой обработки сплава Х65НВФТ (область применения S05-S10) и получистовой обработки стати 45 (Р20).

В качестве критерия отказа инструментов из БВТС различных марок был принят износ по задней поверхности h3=0,3 мм. Исследования проведены при варьировании режимов резания в следующем диапазоне: - при обработке стали 45 -1 =1,0 мм, s = 0,3 мм/об, v=250-350 м/мин; - при обработке жаропрочного сплава Х65НВФТ — t = 1,0 мм, s = 0,1 мм/об; v=20-40 м/мин.

Точение конструкционных сталей (область применения Р20). Рассмотрена кинетика изнашивания инструмента, оснащённого СМП из КНТ-16 при изменении скорости резания v=250-350 м/мин. Установлено, что при v=250 м/мин не наблюдается видимого преимущества инструментов оснащённых СМП со стандартными покрытиями TiN, TiCrN (технология КИБ-MeVVA) по сравнению с инструментом без покрытия. При этом показана, что использование СМП с разработанными МКНП на основе системы Ti-TiN-TiCrAIN (технология ФКВДО) обеспечивает повышение стойкости инструмента как по сравнению с контрольным инструментом КНТ-16, так и по сравнению с инструментом со стандартными покрытиями TiN, TiCrN (технология КИБ-MeVVA) (рис. 8). Причем с повышением скорости резания от 250 до 350 м/мин преимущество инструмента с разработанным МКНП несколько уменьшается (сравни кривые 4.5 с кривыми 1,2,3).

преимуществах разработанных МКНП на основе систем Ti-TiN-TiZrCrN (рис. 9, кривая 2), Ti-TiN-TiAlZrCrN (см. рис. 9. кривая 3) и Ti-TiN-TiCrAIN (см. рис. 9, кривая 4). СМП из КНТ-16 с разработанным МКНП в 2 - 3 раза превосходили по стойкости СМП из КНТ-16 без покрытия.

Установлено отсутствие экстремума кривых функции Т = f(v) для исследуемого диапазона процесса резания, осуществляемого как для СМП из КНТ-16 без покрытия, так и для инструментов с разработанными МКНП, что подтверждает принятую выше гипотезу о превалирующем влиянии адгезионно-усталостных процессов на изнашивание инструмента из БВТС с МКНП и стабильности термомеханических напряжений в зоне контактирования покрытий (МКНП) и сплава Х65НВФТ для исследованного диапазона скоростей резания (v = 20-40 м/мин).

Рисунок 9. Влияние скорости резания на стойкость инструмента, оснащенного пластинами КНТ-16 с различными МКНП при точении жаропрочного сплава на основе хрома (Х65НВФТ), I — 1,0 мм; s = ОД мм/об:

I -исходный КНТ-16; 2- KHT-16-fTi-TiN-TiZrCrN); н 3 - КНТ-16-(Ti-TiN-Ti AIZiCrN); 4 - КНТ-16-( Ti-TiN-TiCrAIN)

Установлено, что для процесса резания инструментом, оснащенным СМП из БВТС с МКНП снижается вероятность внезапных отказов инструмента связанных с микровыкрашиванием и скалыванием локальных объёмов режущей кромки, что положительно влияет на изнашивание инструмента и формирует высококачественную обработанную поверхность деталей.

Отмечается также, что инструменты, оснащённые СМП из БВТС с МКНП, обладающих многослойно-композиционной архитектурой и наноразмерной структурой, существенно лучше сопротивляется хрупкому разрушению режущего клина инструмента даже при достаточно сильных упруго-пластических деформациях

МКНП на основе ТКП1М-Т1СгА1Ы особенно эффективно при обработке сплава Х65НВФТ. Показано, что в этом случае инструменты из КНТ-16-('П-Т1М-Т1СгА1Ы) имеют наименьшую интенсивность изнашивания с ростом скорости резания.

Необходимо отметить установленный факт, что разработанная система 'П-'ПЫ-Т1А17гСгМ, нанесенная на СМП из КНТ-16 при использовании процесса ФКВДО, обеспечивала повышения стойкости до 2-3 раз по сравнению со стойкостью инструмента без покрытия, в то время как это же МКНП при обработке стали 45 не имело преимуществ по отношению к инструменту без покрытия во всем диапазоне изменения условий резания. Это позволяет полагать, что в настоящее время не существует универсально функционирующих покрытий для режущих инструментов и для каждого конкретного варианта резания необходимо разрабатывать покрытия со специальной структурой, составом и архитектурой.

Разработаны математические модели резания при точении стали 45 и жаропрочного сплава Х65НВФТ резцами, оснащёнными СМП из БВТС без покрытия и покрытиями различного состава, устанавливающие зависимость параметров резания (износ по задней

рассмотренные факторы стимулируют снижение физико-механических свойств БВТС и прежде всего связки, усиливая более интенсивное изнашивание инструмента.

Отмеченные выше эффекты существенно нивелируются при использовании инструмента из БВТС с разработанными многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями, что подтверждено исследованиями их режущих свойств.

Основные результаты работы п выводы

В работе решена актуальная научно-практическая задача, заключающаяся в повышении режущих свойств инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов на основе научно обоснованного выбора состава, структуры и свойств нанодисперсных многослойно-композиционных покрытий, наносимых на режущий инструмент при использовании разработанной технологии фильтруемого катодно-вакуумно-дугового осаждения.

В процессе выполнения теоретических и экспериментальных исследований получены следующие научные результаты и выводы.

1. Разработана методология рационального выбора функций и компонентных параметров архитектуры многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий, формируемых при использовании процессов фильтруемого катодно-вакуумно-дутового осаждения для инструментов из безвольфрамовых твёрдых сплавов, позволившая существенно повысить режущие свойства инструмента из БВТС при резании конструкционных сталей и жаропрочных сплавов.

2. Разработана архитектура многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий для режущего инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов, состоящая из трёх основных элементов с индивидуальными функциями, соответствующими их расположешпо в архитектуре многослойно-композиционного наноднсперсного покрытия и оказывающих сильное влияние на износостойкость и прочную адгезионную связь как внутри самого покрытия, так и на границе с инструментальным материалом.

3. Установлено, что каждый из элементов многослойно-композиционных нанодисперсных покрытии должен поддерживать строго фиксированные функции, в соответствии с которыми износостойкий слой должен состоять из материалов максимально возможной и допустимой твёрдости при высокой химической инертности относительно обрабатываемого материала и высокой износостойкости; адгезионный подслой, контактирующий с БВТС, должен иметь максимальную кристаллохимическую совместимость с инструментальным материалом, что позволяет обеспечить высокую адгезионную прочность с БВТС; промежуточный слой, имеющий кристаллохимическую совместимость с износостойким слоем и адгезионным подслоем, призван поддерживать прочную адгезионную связь между ними и препятствовать интенсификации тепловым и диффузионным потокам в режущий инструмент и обрабатываемую поверхность при действующих термомеханических напряжеш1ях.

4. Рекомендовано при формировании многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий для инструмента из БВТС использовать процесс фильтруемого катодно-вакуумно-дугового осаждения (ФКВДО) что, позволяет увеличить качество покрытий благодаря фильтрации макро- н микро капель паро-нонного потока (до 90-95 %) и формирования нанодисперсной структуры покрытий.

5. Результаты исследования состава и структуры многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий, осаждаемых на субстраты из безвольфрамовых твердых сплавов

ТН-20 и КНТ-16 при использовании процесса ФКВДО, позволили классифицировать сформированные многослошго-композишкншые наподнсперсиые покрытия как нанострутп-урированные. В частности, на примере системы 'П-'ПМ-'ПСгАМ, установлено, что наружный ТСгАШ и промежуточный ТМ слои при толщине 1,8 мкм соответственно, имеют нанослоистую структуру с толщиной субслоев порядка 15-20 им, а средняя величина размера их зерен составляет 12-15 им.

6. Разработаны математические модели процесса резания инструментом из БВТС с многослойно-композиционными нанодпсперсными покрытиями, устанавливающие связь между износостойкостью режущего инструметгта, силами резания, которые могут быть использованы при проектировании технологических процессов с использованием инструмента из БВТС.

7. Показано, что инструмент из БВТС хуже сопротивляется «вырыву» зёрен, чем их изнашиванию, а известный «провал» прочности связки в БВТС при увеличении температуры при резании может являться одной из причин перехода к интенсивному изнашиванию, при этом сглаженные карбиды или карбошггриды титана, краппе неравномерно распределённые по поверхности изнашивания, дополнительно снижают сопротивление изнашиванию. Поэтому нанесение многослойно-композиционных наноднсперсных покрытий, снижающих склонность к адгезии и мощность фрикционных нсточгпгков тепла в значительной степени нивелирует органические недостатки стандартных БВТС и позволяет повысить их износостойкость.

8. Исследования режущих свойств инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов с разработаш1ыми многослойно-композиционными нанодпсперсными покрытиями при точении стали 45 (область применения Р10-Р20) и жаропрочного сплава Х65НВФТ (область применения 505-310) установили повышение стойкости инструмента соответственно в 2,5-4 раза и в 3-4 раза по сравнению со стойкостью инструмента без покрытия и со стандартными покрытиями. Полученный результат устанавливает возможность расширения области применения безвольфрамовых твердых сплавов с разработанными многослойно-композиционными наноднсперсньгаш покрытиями для операций чистовой обработки жаропрочных сплавов.

Основное содержание диссертации изложены в следующих работах:

1. Верещака А. С. Исследование режутцих свойств слоистой композиционной режущей керамики с много компонентными функциональными покрытиями ZA. С. Верещака, М. Н. Лазарева, К. В. Крючков, Д. Н. Лыткии, Д. Л. Шегай, О. X. Хожаев ZZ Вестник МГТУ «Станкин»: научный рецензируемый журнал, № 1 (18). - М.: МГТУ «Стаикин», 2012. - с. 26 -32.

2. Максимов Ю. В. Нанодисперсные многослойно-композиционные покрытия для режущих инструментов. Ю. В. Максимов, Ю. И. Бубликов, А. А. Верещака, А. С. Верещака, О. Ю. Хаустова, А. А. Козлов, О. X. Хожаев ZZ Известия МГТУ «МАМИ». Научный рецензируемый журнал. - М., МГТУ «МАМИ», № 2(14), 2012, т.2, с. 222-229.

3. Кириллов Л. К. Исследование обрабатываемости резанием жаропрочных сплавов на никелевой и хромовой основах / А. К. Кириллов, В. Н. Бугрим, В. В. Каширцев, О. X. Хожаев, Л. В. Смурыгин ZZ Вестник машиностроения: научно-технический и пронзводствешгый журнал. - М., Машиностроение, №7, 2013, с. 70-73.

4. Верещака А. С. Применение инструмента из композиционной режущей керамики с функциональными покрытиями. А. С. Верещака М. Н. Лазарева, О. X. Хожаев. Физика, химия и механика трибосистем: Межвуз. Сб. науч. тр. - Иваново: Иван. гос. ун-т, 2011. -Вып. 10. - С.69-79.

5. Аникеев А. И. Разработка новых марок твердььх сплавов для обработки резанием. А. И. Аникеев, И. В. Кобицкий, П. Б. Кобицкая, А. С. Верещака, А. А. Козлов, О. X. Хожаев Физика, химия и механика трибосистем: Межвуз. Сб. науч. тр. - Иваново: Иван. гос. ун-т, 2011.-Вып. 10,-с. 79-83.

6. Хожаев О. X. Безвольфрамовые твердые сплавы как альтернатива стандартным вольфрамосодержащим твердым сплавам. О. X. Хожаев. Труды всероссийской научно-образовательной конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (МТИ-2011). Сборник докладов. — М.: МГТУ «СТАНКИН», 2011.-122-125 с.

7. Каширцев В. Исследование обрабатываемости сплава Х65НВФТ. В. Каширцев, О. X Хожаев, Д. Шегай. Труды конференции Наука. Технология. Производство. М.2012. С. 4552.

8. Адаскип А. М. Режущие свойства кобальт-реииевых твердых сплавов / А. М. Адаскин, А. С. Верещака, А. А. Верещака, В. В. Каширцев, О. X. Хожаев, К. В. Крючков. Резание и инструмент в технологических системах: Междунар. Науч. техн. сб. — Харьков: НТУ «ХПИ», 2012. - Вып. 82. - С. 3-9.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Хожаев Ойбек Хужамбердиевич

Повышение режущих свойств инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов нанесением многослойно-композиционных нанодисперсиых покрытии

Подписано в печать 18.09.2013 Формат 60* 90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 174.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет <(СТАНКИН>> 127055, Москва, Вадковский пер.. За Тел.: 8(499) 973-31-93

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН»

ПОВЫШЕНИЕ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЕЗВОЛЬФРАМОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ НАНЕСЕНИЕМ МНОГОСЛОЙНО-КОМПОЗИЦИОННЫХ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201361841

ХОЖАЕВ ОЙБЕК ХУЖАМБЕРДИЕВИЧ

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор,

Верещака Анатолий Степанович

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение........................................................................................... 6

Глава 1. Анализ состояния вопроса, цель и задачи

исследования.............................................................................. 10

1.1 .Основные свойства и методы совершенствования безвольфрамовых твердых сплавов........................................................................................ 10

1.2. Режущие свойства инструмента, оснащённого сменными многогранными пластинами из безвольфрамовых твердых сплавов при обработке различных материалов................................................................................. 21

1.3. Анализ методов повышения режущих свойств инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов нанесением функциональных покрытий.......................................................................................... 28

1.4. Анализ данных литературного обзора, постановка цели и задач исследования.............................................................................. 33

Глава 2. Разработка научных гипотез и методики исследований.................. 36

2.1. Разработка концепции функциональных покрытий для режущего инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов, рабочие гипотезы исследований............................................................................. 36

2.2 Разработка методики нанесения многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий на сменных многогранных пластин из безвольфрамовых твердых сплавов при использовании фильтруемых катодно-вакуумно-дуговых процессов осаждения.............................. 61

2.3 Методика оценки режущих свойств инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов ........................................................................ 65

Выводы по главе 2.......................................................................... 73

Глава 3 Разработка, формирование и исследование многослойно-

композиционных нанодисперсных покрытий для безвольфрамовых

твердых сплавов при различных условиях обработки........................ 75

3.1 Выбор архитектуры и составов многослойно-

композиционного нанодисперсного покрытия................................ 75

3.2 Формирования многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий на субстрате из безвольфрамовых твердых сплавов........... 86

3.3 Методика контроля параметров многослойно-

композиционных нанодисперсных покрытий................................. 94

3.4 Исследование параметров многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий на субстратах из безвольфрамовых твердых сплавов........................................................................................................ 100

Выводы по главе 3........................................................................ 111

ГЛАВА 4 Исследование режущих свойств инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов с многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями и определение рациональных условий резания................................................. 113

4.1 Исследование кинетики изнашивания и режущих свойств инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов с многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями при точении стали 45...ю.............................................................. 113

4.2 Исследование кинетики изнашивания и режущих свойств инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов с многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями при точении жаропрочного сплава на основе хрома........................................ 122

4.3 Исследование механизма изнашивания инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов с многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями и особенности разрушения такого инструмента................................................. 129

4.4 Построение математической модели резания для инструмента

из безвольфрамовых твердых сплавов без покрытия и с

многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями................135

Выводы по главе 4..................................................................................................................................................146

Основные результаты работы и выводы......................................................................................148

Список использованных источников..................................................................................................151

Введение

Основным инструментальным материалом, используемым в современных металлообрабатывающих производствах является твёрдый сплав. Следует отметить, что широкое применение стандартных твёрдых сплавов, содержащих дефицитные и дорогостоящие элементы типа Та, №>, Со и др. существенно увеличивает производственные расходы, что стимулировало появление ещё одной группы твердых сплавов не содержащих указанные элементы. Такие твердые сплавы получили наименование «безвольфрамовые» или «керметы», однако по своим свойствам и областям технологического применения они существенно уступают соответствующим свойствам вольфрамосодержащих сплавов. В этой связи восстановление производства, совершенствование свойств безвольфрамовых твёрдых сплавов и расширение области их применения является важной научно-практической задачей современных металлообрабатывающих производств.

Отказы инструментов в процессе резания совершаются вследствие интенсивного изнашивания его контактных поверхностей при интегрально протекающих процессах химико-термической оксидации, адгезионных явлений сопровождающихся циклическим характером взаимодействия,

интердиффузионных явлений и т.д. В этой связи одновременное снижение склонности к физико-химическому взаимодействию обрабатываемого и инструментального материалов материалом при росте твёрдости и теплостойкости последнего может служить универсальным средством кардинального повышения режущих свойств инструмента. Таким средством является износостойкое покрытие, имеющее двойственную природу со способностью одновременного воздействия на процессы физико-химического взаимодействия при направленной трансформации кристаллохимических и физико-механических свойств инструментального материала.

Поэтому разработка методологии формирования инновационных покрытий на рабочих поверхностях инструмента удовлетворяющих двойственности природы покрытий в виде промежуточной среды между инструментальным и обрабатываемым материалами является актуальной научно-практической задачей, результатом решения которой будет повышение режущих свойств и надежности инструмента, а также производительности резания различных обрабатываемых материалов. Кроме того замена стандартных вольфрамосодержащих сплавов на более дешёвые, но не менее эффективные безвольфрамовые твердые сплавы является важной научной и практической проблемой. Поэтому установление закономерностей формирования структуры, составов и свойств многофункциональных покрытый в зависимости от параметров процесса осаждения при осаждении покрытий на инструменты из безвольфрамовых твердых сплавов с целью повышения их эффективности и расширения области технологического применения является весьма актуальным, так как это позволяет установить физическую природу взаимосвязи структуры, состава и строения измененного слоя инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов с режущими свойствами инструмента и закономерностями его изнашивания.

Особо важное место в исследованиях, направленных на создание новых материалов, не содержащих вольфрам, но близких по свойству к вольфрамосодержащим сплавам, и технологии их производства имеют работы по созданию инновационных марок БВТС.

Одним из важнейших направлений экономии вольфрама и не менее дефицитного кобальта является внедрение в производство сменных многогранных пластин (СМП) точного исполнения. Известно, что СМП позволяют возвращать во вторичную переработку до 85-90% вольфрама и кобальта, не теряя его при повторной заточке изношенного твердосплавного инструмента (напайного или цельнотвердосплавного), которая превращает вольфрам и кобальт в трудно перерабатываемый «шлам». Важнейшим преимуществом твердосплавных СМП

является возможность нанесения на них износостойких покрытий, которые позволяют в 1,5-2,0 раза увеличить их износостойкость.

БВТС в виде СМП достаточно широко используют в технологически развитых странах. Например в Японии потребляемые СМП из БВТС составляют до 30% от используемого твердосплавного инструмента, в Швеции эта цифра составляет до 20% от общего количества используемого твердосплавного инструмента.

В бывшем СССР также было разработано несколько марок БВТС на основе систем Т1С-№/Мо (ТН-20) и Т1СМ-№/Мо (КНТ-16), которые в незначительном количестве использовали в промышленности взамен некоторых марок твёрдых сплавов групп ТК и ВК.

Таким образом, повышение эффективности БВТС до уровня стандартных марок твёрдых сплавов на основе применения инновационных типов функциональных покрытий, а также расширение области применения инструмента, оснащённого СМП из БВТС с функциональными покрытиями для возможности обработки жаропрочных сплавов, широко используемых в аэрокосмической промышленности, является важной научно-практической задачей настоящей диссертационной работы.

Поэтому, определение закономерностей получения функциональных покрытий в зависимости от параметров процесса их синтеза при осаждении на субстраты из безвольфрамовых твердых сплавов с целью повышения их эффективности и расширения области технологического применения является весьма актуальным, так как это позволяет установить физическую природу взаимосвязей между составом, структурой, строением модифицированного слоя инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов с покрытием и закономерностями его изнашивания.

Таким образом, целью настоящей работы является повышение режущих свойств инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС) и расширение

области их применения при обработке конструкционных сталей и жаропрочных сплавов путём разработки и применения многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий (МКНП).

На защиту выносится:

- методология рационального выбора функций и компонентных параметров архитектуры многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий, формируемых при использовании процессов фильтруемого катодно-вакуумно-дугового осаждения для инструментов из безвольфрамовых твёрдых сплавов;

- функциональные связи параметров процесса фильтруемого катодно-вакуумно-дугового осаждения многослойно-композиционных нанодисперсных покрытий с режущими свойствами инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов для чистовых и получистовых операций обработки сталей и жаропрочных сплавов;

- математические модели процесса резания конструкционных сталей и жаропрочных сплавов для инструмента из безвольфрамовых твёрдых сплавов с многослойно-композиционными нанодисперсными покрытиями, устанавливающие зависимость износа инструмента и главной составляющей силы резания от скорости и времени резания.

Глава 1 Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования

1.1 Основные свойства и методы совершенствования безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС)

В настоящее время БВТС достаточно широко используются в таких технологически развитых странах (Япония - до 30% инструмента, Швеция - до 12% инструмента, в США до 15% и Южная Корея до 15-18% инструмента), что свидетельствует о широких перспективах использования инструмента из БВТС.

Твердые сплавы используемые для изготовления режущих инструментов классифицируют на следующие группы:

Однокарбидные (вольфрамокобальтовые) твердые сплавы - ВК (\VC-Co).

Двухкарбидные (титановольфрамокобальтовые) твердые сплавы - ТК (ТЮ-\¥С-Со).

Трехкарбидные (танталотитановольфрамокобальтовые) твердые сплавы -ТТК (ТаС-Т1С-\УС-Со).

Безвольфрамовые твердые сплавы - БВТС [Т1С-(№,Мо); Т1СЫ-(№,Мо)].

Можно отметить достаточно сильное снижения стоимости производственных расходов при использовании БВТС, что предопределяет основное преимущество сплавов БВТС. Известно, что при изготовлении только одной тонны БВТС марки КНТ экономия вольфрама составляет более 2 тонн [1].

Кроме того, БВТС имеют ряд преимуществ по сравнению с вольфрамосодержащими твердыми сплавами по твердости, окалиностойкости, износостойкости при высоких температурах. Причем на контактных поверхностях инструмента из БВТС формируются очень прочные, тонкие оксидные пленки типа Т1О2 с высокой адгезионной прочностью по отношению к субстрату и выполняют роль твердой смазки в процессе резания при высоких температурах. Благодаря этому БВТС имеют низкий коэффициент трения и высокую сопротивляемость изнашиванию при различных условиях резания [1,2]. Так,

например, инструмент из БВТС марки МНТ-А2 (ТН-20) имеет стойкость до 2 раз выше стойкости инструмента из Т15К6 [1].

Благодаря низкой склонности к адгезии (температура начала адгезии БВТС со сталью в вакууме примерно на 200 °С выше, чем для сплавов группа ТК) БВТС рекомендуют применять для обработки углеродистых и легированных сталей. Например, при обработке стали 45 наиболее перспективными являются сплавы КНТ-16, КНТ-20, КНТ-30, а для обработки стали ШХ-15 сплав КНТ-16 [1,3].

Некоторые составы БВТС могут содержать карбиды Та, Ni, Al, Mo, V и др., а в качестве связующей фазы обычно используют Ni и Мо и в редких случаях -Со. Металлические связки придают БВТС достаточно высокую ударную вязкость, которая существенно превосходит ударную вязкость режущей керамики. Так как инструмент, оснащенный СМП из БВТС обладает достаточной сопротивляемостью ударным нагрузкам, то имеет по сравнению с керамическими инструментами более широкую область применения, включая прерывистое резание.

При высокоскоростной обработке, температура на контактных площадках инструмента увеличивается до 1000 °С и выше [4], что может ухудшать механические свойства стандартных вольфрамосодержащих сплавов, в то время как, высокая температура оказывает существенно меньшее воздействия на БВТС. В частности соотношение горячей твердости и вязкости современных марок инструментальных материалов (рис. 1.1) показывает, что этот показатель для БВТС даже выше, чем для твердого сплава с износостойким покрытием.

Как видно из представленных данных, инструменты из БВТС на основе TiCN превосходят по твердости вольфрамосодержащие твердые сплавы и быстрорежущие стали и по прочности - режущую керамику, сверхтвердые инструментальные материалы, на основе алмаза и кубического нитрида бора (CBN).

Рисунок 1.1- Диаграмма соотношения твердости, теплостойкости, износостойкости и вязкости разрушения, прочности при изгибе инструментальных материалов: БВТС - безвольфрамовый твердый сплав, БРС - быстрорежущая сталь

Характеристики твердости, теплостойкости и коррозионной стойкости БВТС, определяемые твердой фазой БВТС (ТЮ, Т1Ы, Т1С1М), комбинируют с увеличенной прочностью связующей (металлической) фазы (ТМьМо). Таким образом, износостойкость БВТС является одновременно функцией и твердости и прочности [5-8].

Металлическая связующая фаза (№-Мо) обеспечивает хорошую смачиваемость и адгезию по отношению к твердой (карбидной) фазе, лишь незначительно уступая по этому показателю связующей фазе на основе кобальта. Достаточно большая прочность адгезионной связи между твердой и связующей фазами БВТС являются причинами относительно высокой прочности БВТС в целом, которая поддерживается благодаря тормозящему эффекту зарождения и распространения трещины через пластичную связующую фазу (торможение роста

трещин) [5]. Хотя следует отметить, что металлическая фаза ведет к снижению твердости БВТС.

При высокотемпературном спекании БВТС наблюдается весьма замедленный рост зерен сплава. Впервые БВТС «Ткапк 8» на основе композиции Т1С-Мо2С-(№,Мо,Сг), был получен в Планси в 1930 году, но эта марка БВТС не нашла широкого промышленного применения из-за его повышенной хрупкости и проблем, возникающих при напайке пластин к корпусу режущего инструмента [5]. Однако, позже марки БВТС на основе композиций Т1СЫ-(№,Мо) и Т1С-(№,Мо) нашли широкое применение в металлообрабатывающих производствах таких технологически развитых стран как США, Япония, СССР, Швеция, Германия и др. Успех достаточно широкого применения инструмента, оснащенного СМП из БВТС определялся его превосходной износостойкостью, особенно при обработке железосодержащих и не содержащих железо металлов в широком диапазоне изменения скоростей резания.

В настоящее время производится два основных типа безвольфрамовых твердых сплавов - БВТС на основе карбидов титана и БВТС на основе карбонитридов титана с №-Мо связкой.

БВТС на основе 77С. Эта группа БВТС имеют высокую горячую твердость благодаря карбиду титана (Т1С). При повышенных температурах резания твердость Т