автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение режущих свойств инструмента путем выбора рационального сочетания параметров твердых сплавов ВРК и наноструктурированных функциональных покрытий

На правах рукописи

Аоээии-»

Дачева Анна Владимировна

'¿и

ПОВЫШЕНИЕ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТА ПУТЕМ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОГО СОЧЕТАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ВРК И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ

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

1 О НОЯ 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011

4859534

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

ВЕРЕЩАКА Анатолий Степанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Маслов Андрей Руффович

кандидат технических наук, доцент Меркулов Леонид Петрович

Ведущая организация: ГНЦ РФ ОАО НПО "ЦНИИТМАШ"

Защита состоится 6 декабря 2011 г. в '-(90 на заседании диссертационного совета Д212.142.01 при ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127994, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д.За, ауд._.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения (организации), высылать по указанному адресу в диссертационный совет Д212.142.01

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» (127994, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д.За)

Автореферат разослан « ^ » Н-^ЯдрА 2011 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, к.т.н

ВолосоваМ.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации. Особенность современного производства в технологически развитых странах - применение новых конструкционных материалов, имеющих высокую жаропрочность, коррозионную стойкость. Причем конструкция подобных материалов может быть композиционной, порошковой, полимерной и др. Это напрямую связано с увеличением требований к характеристикам конечных изделий, от авиационных двигателей до протезов суставов в теле человека. Материал с различными функциональными свойствами необходимо обработать, прежде чем использовать на следующем этапе жизненного цикла конечного изделия. В большинстве случаев по ряду причин (как технологических, так и экономических) в качестве метода обработки выбирают лезвийную обработку резанием, слабым звеном которой является режущий инструмент. В этой связи совершенствование режущего инструмента путем оснащения его инновационными инструментальными материалами с многофункциональным покрытием для повышения эффективности системы резания при обработке функциональных материалов, обычно называемых труднообрабатываемыми, является актуальной задачей металлообрабатывающих производств.

Краткий анализ труднообрабатываемых материалов с точки зрения процесса резания выявил, что основными причинами отказов инструмента можно считать:

— потери формоустойчивости режущей части инструмента (пластическое разрушение);

- физико-химические виды изнашивания контактных площадок режущего инструмента, в частности адгезионно-усталостное изнашивание.

Таким образом, при лезвийной обработке труднообрабатываемых

материалов возникает задача разработки инструментального материала

улучшенного состава с учетом приведенных особенностей процесса резания

труднообрабатываемых материалов. Одним из важнейших показателей

инструментального материала в данном случае является повышенная

3

теплостойкость, которая может быть достигнута за счет применения твердого сплава рационального состава, включающего твердосплавной субстрат повышенной теплостойкости, и многофункциональное наноструктурированное износостойкое покрытие, выполняющее комплекс важных функций.

Научные и практические результаты работы реализованы, в частности, при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ по проеюу №2.1.2/13646 в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 гг.)», раздел 2.1. «Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук», проекту № 2.1.2/4385 «Разработка методологии создания нанострукгурированной высокопрочной композиционной керамики с многофункциональным покрытием для широкого применения в машиностроении» на 2009-2011 гг.

Цель работы: повышение режущих свойств инструмента из твердого сплава группы ВРК при обработке резанием труднообрабатываемых материалов на основе выбора рационального соотношения состава, структуры и свойств твердого сплава и многослойно-композиционного нано-структурированного покрытия.

Задачи работы:

1. Разработка рационального состава и свойств твердого сплава с Со-Ке-связкой в качестве субстрата под нанесение покрытия.

2. Разработка рациональных состава, свойств, параметров и архитектуры многослойно-композиционных наноструктурированных функциональных покрытий для осаждения на сменные многогранные пластины из разработанного твердого сплава.

3. Обоснование выбора параметров процесса осаждения функционального покрытия разработанной архитектуры.

4. Исследование влияния технологических параметров процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения на состав, структуру, параметры и основные свойства композиции «твердый сплав-покрытие».

5. Исследование режущих свойств инструмента из разработанного твердого сплава с функциональными наноструктурированными покрытиями и обоснование области их рационального использования.

6. Проведение аттестационных испытаний инструмента из разработанного твердого сплава с износостойкими покрытиями в лабораторных и производственных условиях.

Методы исследования. Работа выполнена на основе использования фундаментальных положений теории резания материалов и физики твердого тела, а также методов статистического анализа результатов экспериментальных исследований, математического и компьютерного моделирования при теплофизическом анализе процесса резания с использованием программ REZMAT, Cutting Force, Temper.pokr. и др. Изучение получаемых структур твердых сплавов и функциональных покрытий производили на основе современных методов металлографического и металлофизического анализов с использованием методик электронно-сканирующей микроскопии.

Научная новизна заключается в:

- установлении рационального соотношения состава, структуры, свойств твердого сплава и функциональных покрытий при резании труднообрабатываемых материалов, что позволило повысить режущие свойства инструмента из этих сплавов в 2-5 раз по сравнению со стандартным инструментом;

- математических моделях процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения функциональных покрытий на твердосплавные инструменты, позволяющих получать функциональные покрытия при рациональных параметрах процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения.

Практическая ценность. На основе выполненных исследований разработаны:

- процесс получения твердого сплава ВРК13 рационального состава под покрытие для обработки труднообрабатываемых материалов, позволяющий повысить теплостойкость связки инструментального материала;

- процесс нанесения функционального наноструктурированного покрытия на разработанный твердый сплав при использовании технологии фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО);

- рекомендации по применению сменных многогранных пластин (СМП) из разработанного твердого сплава с функциональным покрытием для операций продольного точения труднообрабатываемых материалов, применяемых в авиационном двигателестроении, ракетно-космической, оборонной промышленности, эндопротезировании.

Публикации. Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 14 статьях, из них 5 - в изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК.

Реализация работы. Режущий инструмент из разработанного твердого сплава рационального состава и функционального наноструктурированного покрытия успешно используется на ОАО «Чебоксарский агрегатный завод».

Апробация работы. Материалы настоящей диссертационной работы были представлены на всероссийских и международных научно-технических конференциях и симпозиумах, среди которых наиболее важными являются: I Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России» (Муром, МИ ВлГУ, 2009); Международный научный симпозиум «Автотракторостроение-2009», 65-ая Международная научно-техническая конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (Москва, МГТУ МАМИ, 2009); III Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям (Саров, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2009); I Международная научно-техническая конференция «Современные технологии в газотурбостроении» (Харьков, НТУ «ХПИ», 2009); IV Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов (Саров, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2010); Международная научно-техническая конференция ААИ

6

«Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» (Москва, МГТУ «МАМИ», 2010); III Научно-образовательная конференция «Машиностроение - традиции и инновации» (Москва, МГТУ «СТАНКИН», 2010); Международная научно-техническая конференция «Технические науки: проблемы и перспективы» (Санкт-Петербург, 2011).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы, 102 источника. Содержит 182 страницы печатного текста, 46 таблиц, 65 рисунков и фотографий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, обозначена цель исследований, изложены методические и теоретические положения работы, научная новизна и практическая ценность.

В первой главе приводятся результаты обзора научных публикаций по особенностям процесса резания труднообрабатываемых материалов, современным инструментальным материалам с покрытием, а также тенденциям совершенствования твердых сплавов и износостойких покрытий.

Приведен краткий анализ современных инструментальных материалов и износостойких покрытий, рекомендованных отечественными и зарубежными производителями при обработке резанием труднообрабатываемых материалов. Определены основные направления совершенствования состава и структуры твердых сплавов, проведен анализ архитектуры, свойств и структуры износостойких покрытий последнего поколения, приведен анализ современных методов нанесения покрытий.

Проблеме разработки и совершенствования твердого сплава, повышению эффективности применяемого инструмента, в том числе за счет нанесения износостойких покрытий, исследованию процесса изнашивания режущего инструмента посвящено большое количество работ как российских, так и зарубежных ученых: Г.А. Меерсона, Л.П. Малькова, В.И. Третьякова, И.Н.

Чапоровой, В.А. Фальковского, Л.И. Клячко, А.И. Аникеева, В.Н. Аникина, H.A. Кудрявцевой, И.В. Кобицкого, Д.М. Гуревича, H.H. Зорева, В.Н. Латышева, Т.Н. Лоладзе, В.П., A.C. Верещака, A.A. Верещака, М.А. Волосовой, С.Н. Григорьева, Ю.Г. Кабалдина, М.Ш. Мигранова, В.П. Табакова, Н.В.Талантова, A.B. Циркина, Е.М. Трента и др.

В настоящее время предпринимаются попытки по созданию инструментального материала нового поколения по различным направлениям -уменьшение размера зерен, нанесение многослойных композиционных покрытий с толщиной слоя в несколько нанометров и т.д., однако в настоящее время практически не сформулированы методические принципы получения наноструктурированных покрытий с многослойной архитектурой на субстратах из твердого сплава со связками повышенной теплостойкости, не реализовано практическое производство инструмента с подобным покрытием.

Таким образом, целью настоящей работы является повышение режущих свойств твердосплавного инструмента при обработке резанием труднообрабатываемых материалов на основе выбора рационального соотношения состава, структуры и свойств твердого сплава и многослойно-композиционного наноструктурированного покрытия.

Во второй главе приводятся результаты разработки методологии процесса резания труднообрабатываемых материалов на основе применения твердого сплава рационального состава и наноструктурированного износостойкого покрытия, общая методика проведения исследований.

В качестве перспективного направления в разработке твердых сплавов для обработки труднообрабатываемых материалов принято использование высокопрочных связок повышенной теплостойкости, содержащих, кроме кобальта, тугоплавкие металлы, не взаимодействующие с углеродом с образованием устойчивых карбидов.

При выборе рационального состава и свойств твердого сплава руководствовались следующими рабочими гипотезами исследований:

1. Субстрат под покрытие должен подвергаться минимальной пластической деформации. Твердость инструментального материала НУии должна значительно превосходить твердость обрабатываемого материала ИУ1Ш. Однако увеличение твердости НУт, как правило, приводит к увеличению хрупкости, снижению трещиностойкости и вязкости разрушения, поэтому в зависимости от условий обработки, необходимо придерживаться такого соотношения НУим/НУа11, которое может быть обеспечено при использовании инструментального материала с рациональным соотношением твердости и прочности (вязкости).

2. Инструментальный материал должен:

• обладать высокой механической прочностью и сопротивляемостью разрушению при знакопеременных нагрузках (высокий предел выносливости);

• иметь способность сохранять твердость и прочностные характеристики при повышенных температурах, соответствующих температурам резания;

• быть малочувствительным к циклическим температурным изменениям;

• иметь низкую физико-химическую активность по отношению к обрабатываемому материалу;

• обладать способностью сопротивляться удалению собственных частиц при контактном взаимодействии с обрабатываемым материалом (износостойкость).

В качестве легирующего элемента, наиболее подходящего по требованиям, взят рений (Яе).

Рений обладает рядом уникальных свойств:

- высокая температура плавления (Тпл=3180±20°С) и рекристаллизации;

- высокий модуль упругости;

- прочностные и пластические свойства, близкие к кобальту;

- не образует устойчивых карбидов;

- взаимодействует с кобальтом с образованием непрерывного ряда твердых

растворов.

Особенно важно, что рений сохраняет высокий уровень свойств при повышенных температурах, что способствует повышению температуры рекристаллизации связки. Также рений обладает очень хорошими технологическими свойствами. При производстве твердых сплавов большое значение имеет его способность непосредственно не реагировать с азотом и водородом.

Легирование связующей фазы рением повышает ее прочность, сопротивляемость высокотемпературной ползучести и, кроме того, предотвращает формирование хрупкой г)-фазы. Следует отметить, что появление жидкой фазы твердого раствора Co-Re происходит при температуре выше на 100-300 °С, а твердость сплава с Co-Re-связкой на 200-300 HV выше, чем у твердого раствора Co-W-C. Рений является ингибитором роста зерен и увеличивает смачиваемость зерен WC, что, в свою очередь, приводит к росту прочности адгезионной связи между WC и Со. Сплавы с Co-Re-связкой хорошо сопротивляются механическим ударам и термической усталости.

Для обработки труднообрабатываемых материалов разработаны твердые сплавы группы ВРК с Co-Re-связкой, позволяющей увеличить в первую очередь теплостойкость режущего инструмента при последующем нанесении покрытия с обязательным учетом параметров процесса нанесения покрытия, а также его состава и структуры.

Покрытие, наносимое на твердый сплав, играет роль «промежуточной технологической среды» между контактирующими поверхностями инструментального и обрабатываемого материалов (рис. 1). В работе принята многослойно-композиционная архитектура функционального покрытия, на рис. 2 показаны перечень требований к каждому слою, методы их достижения и получаемые эффекты.

износостойким СШ1 Мкиимаяыдае фюи*а-химическое взаимодействие с ОМ я высокая износостойкость;

йКмод ;№СГИА^вя _ _Эф<йп<1Ы_

Миинмизвцяя:

- тарадагенив формирована и распространения трещин;

- создзни&Бнугренш» граии'^нихповеряюсгей

- коиСмад.'я рагличиых функция су бел оеЕе «ногзсаоююйархнгектурв слои_

Шхсвирнькав прочность адгезии ыснстеие Ц-МА Метод достижение Эффекты

- создание ыахситоюьисиэ кристалполтнеского подо бич стр*етур ыятеривлозП и ИМ;

сип иных и направленна« саягеи (эпитаксмя}

- омхеюе уровня теппсаьк малря«ений:

- перемешивание *зыпон2'1тс0сса»цееыого ионденипань фхкедш раздвпа :туб слоев

Функциональное назначение и свойства слоев покрытия, представленного на рис. 2:

адгезионный подслой (3) должен обладать максимальным кристаллохимическим подобием по отношению к материалу субстрата (инструментальному материалу) и обеспечивать прочную адгезию между материалами многофункционального покрытия (МФП) и субстрата (4);

вмимгдекстБНЯ в систем. «ГЮМ»;

-трения ыода П и ОМ - мониыагация тр^бопо-гнчвсхих процеесоее системе -¡П-ОМ»

- лотощеже знеуш:

- рагветвленяетреи^ик

- снижение внутренних напряжений:

- согданпелолей напряжений сжатия за мг1 удлинения енутр&«и* гранитных поверхностей

- изгс11«альноеп*аыи.е*1е

сип окности с хитом еокму вгаииодействио в оистеж-«Л-ИМ»;

-снижение -рядиемгг напряжений на границах раздела «П-ИМ>>

МФП

Рис. I. Покрытие как промежуточная технологическая среда (ПТС) между

инструментальным и обрабатываемым материалами: & > Оз , Олп - тепловые потоки в инструмент и деталь от фрикционных источников тепла; С и С2 - длины контакта по передней и задней поверхностям инструмента. ИМ - инструментальный материал; ОМ - обрабатываемый материал; П - покрытие

Рис. 2. Систематизация общих требований к покрытию для режущего инструмента: 1 - износостойкий слой; 2 -барьерный (промежуточный) слой; 3 -

адгезионный подслой; 4 - субстрат (инструментальный материал); МФП -многофункциональное покрытие

- промежуточный слой (2) должен выполнять различные функции по снижению трения (антифрикционные функции), повышению сопротивляемости инструментального материала высокотемпературной коррозии

(антикоррозионные функции), уменьшению передаваемого тепла от

фрикционных источников, или интенсивность диффузии между инструментальным и обрабатываемым материалами (барьерные функции);

износостойкий слой (1) должен обладать максимальной физико-химической пассивностью по отношению к обрабатываемому материалу (положительное значение разности изобарного потенциала Ло°т реакции в двухмерном моноатомном пограничном слое между материалом слоя 1 МФП и контактирующими слоями обрабатываемого материала), повышать сопротивляемость изнашиванию контактных площадок инструмента.

Разработаны рекомендации по выбору предпочтительных составов износостойкого 1, промежуточного 2 и адгезионного 3 слоев МФП (табл. 1).

Таблица 1. Рекомендации по выбору предпочтительных составов слоев многофункциональных покрытий (МФП)

Верхний износостойкий слой «1» Промежуточный (барьерный) слой «2» Адгезионный подслой «3»

Рекомендуемые составы Соединения (карбиды, нитриды, карбо-нитриды, бориды): CrN>CrC>VN>ZrN>ZrC> >TiN>TiC>(Zr,Cr)>(Ti,Cr)>> (Ti,Mo)>(Ti,Al)>(Ti,Zr)> >(Zr,Nb)>(Ti,Nb,Cr)> >(Ti,Cr,Al)>(Ti,Zr,Al)> >CrB>ZrB>TiB2>HfB2 Соединения (карбиды, нитриды, окиды, карбо-нитриды, оксинитриды, оксикарбиды): Н1Ы>ггК>™>ШФ>СгЫ> >еп,А1)М, (Л,гон (и,сг)ы Металлические подслои: гг > Сг > V > XI; Металлические композиты: гг-Сг >И-Сг > Т1-У>ПЫЬ Соединения (карбиды, нитриды, карбо-нитриды): ггк>(Т1,гг)м>(Т1,сг)м> > ™ >

Важнейшие требования 1. AGT°>0 для пар ОМ-«1», при этом AGt°(om-«1») < AGt°(om-pk) 2. Ма min 3. Мах. значения параметров: HV, сть, Kic, при этом HV«,,» < НУрк 1. Д0т°>0 для пар «2»-ОМ 2. Д0т°<0 для пар «2»-«1»; «2»-«3»; 3. Необходимость соблюдения правила «Юм-Розери» для пар: «2»-«1», «2»-«3» 1. ДСт°<0 для пар «3»-ВРК, «3»-«2», 2. Необходимость соблюдения правила «Юм-Розери» для пар: «3»-ВРК, «3»-«2»

•Примечание. АО]0 - изобарный потенциал реакции при температуре эксплуатации режущего инструмента; Юм-Розери - правило растворимости двух элементов друг в друге (разница в их атомных диаметрах не должна

превышать 15%); Т1В2 > НШ2 >Т1С >.....- предпочтительный ряд соединений для различных элементов МФП

(по мере возрастания). Дополнительно при использовании ИГС требуются элементы из ряда Т1-Т1Ы>А1-АШ> Т1,А1-(Т1,АЦК>Т1Ы-(Т1,А1)1\1>А1-(Т1,А1)К- (Мо,Т1)Бх (правила Д0т°<0 по отношению к активным элементам из ИГС (типа О*, С*).

На основе принятой концепции МФП как промежуточной среды сформулированы следующие рабочие гипотезы исследований:

1. При адгезионно-усталостном изнашивании твердосплавного инструмента при резании труднообрабатываемых материалов МФП, наносимый на рабочие поверхности инструмента, должен обеспечивать минимизацию процессов приводящих к такому разрушению:

• необходимо использовать многослойно-композиционную архитектуру каждого из слоев МФП, имеющих строго индивидуальные функции, удовлетворяющие соответствующему служебному назначению инструмента;

• в качестве материала каждого слоя МФП необходимо использовать ультрадисперсные материалы с нанометрической структурой, имеющих увеличенную площадь межзеренных и межслойных границ, более сбалансированное отношение «вязкости и твердости», что существенно повышает устойчивость инструментального материала с подобным покрытием к зарождению и развитию «хрупких» трещин и способность сопротивляться разрушению в условиях воздействия циклических термомеханических напряжений.

2. Верхний слой 1 МФП должен максимально повышать температурный порог начала адгезии между инструментальным и обрабатываемым материалами и обеспечивать низкую склонность к формированию застойной зоны на контактной площадке передней поверхности инструмента.

3. Для повышения эффективности твердосплавного инструмента с покрытием необходимо обеспечение максимально высокой теплостойкости МФП и инструмента (твердый сплав группы ВРК) при резании труднообрабатываемых материалов, при этом должны учитываться в комплексе свойства твердого сплава, его состав, структура, а также метод и технология нанесения покрытия.

Приведена методика проведения экспериментальных исследований по получению твердого сплава рационального состава и контролю его параметров (прочность при изгибе, коэрцитивная сила, наличие фазы г)1 и её характер,

13

величина зерна \УС-фазы, степень пористости, включение свободного графита, распределение Со-фазы, микрорентгеноспектральный анализ), получению функциональных покрытий на установке ВИТ-2 по технологии ФВДО с фильтрацией паро-ионной составляющей с последующим контролем параметров архитектуры МФП (толщина, прочность адгезии между МФП и субстратом, морфология поверхности МФП, микротвердость, вязкость разрушения, химический состав). Рассмотрена методика проведения исследований режущих свойств разработанных твердосплавных пластин с функциональными покрытиями, методы статистической обработки экспериментальных данных.

В третьей главе изложена процедура получения твердого сплава ВРК рационального состава с использованием современного оборудования. Приведены результаты контроля параметров полученных твердосплавных пластин (табл. 2). Микроструктура твердого сплава ВРК13 показана на рис. 3.

Таблица 2. Результаты определения предела прочности и коэрцитивной силы

раз] эаботанных твердых сплавов

Марка образца Предел прочности <ти, кгс/мм2 Не, эрст.

ВРК 15 174 130,9

ВРК 13 260 157,1

ВРК 12 211,5 141,1

ВРК15 \¥С марки «КС» 140,7 138,7

Рис. 3. Микроструктура сплава ВРК13 (х1250)

Степень пористости твердых сплавов (табл.2) не превышала 0,1% об., небольшие включения графита (0,1-0,2% об.). Фаза т^ в образцах не обнаружена, Средний диаметр зерна сплавов ВРК15 (партия 1) и ВРК13 составлял 1,8 мкм, для сплавов ВРК12 - 1,9 мкм и ВКР15 (партия 4) - 2,0 мкм. Выявлено, что для получения плотных образцов сплавов этого состава необходимы более высокая температура спекания и более длительная выдержка заготовок в горячей зоне лечи.

Установлено, что введение рения в кобальтовую связку сплавов на основе \УС повышает их сопротивление окислению при нагреве на воздухе до 970 °С (рис.4). Повышение жаростойкости выражается в увеличении температуры интенсивной стадии окисления. Покрытие из НАГЫ, нанесенное на сплавы ВРК методом КИБ, способствовало дальнейшему значительному повышению их жаростойкости.

О V-................................................................................1....................:..................!'

8К6-ОМ ВХЮ-ХОМ ВРК13 ВРШл" ВРК15 8РК15п*

Рис. 4. Температура Т6 начала второй (быстрой) стадии окисления

Выявлено, что сплавы группы ВРК обладают большей жаростойкостью

по сравнению со стандартными сплавами группы ВК. При этом ВРК 13

отличается более высокими прочностными характеристиками по сравнению с

ВРК15. Целесообразно использовать данный твердый сплав в качестве основы

для нанесения на него износостойкого покрытия специального состава.

На основе рабочих гипотез исследования по выбору архитектуры,

структуры и свойств функциональных покрытий, систематизации соединений,

пригодных для определенных слоев МФП, разработаны архитектура и составы

функциональных покрытий, используемых при обработке

15

труднообрабатываемых материалов (табл. 3). Обоснован выбор нано-дисперсной структуры износостойкого (1) и промежуточного (2) слоев МФП. Таблица 3. Архитектура и параметры слоев МФП на основе композиции

Архитектура элементов МФП на основе 7г-2гМ-(7г,Сг^ Состав, %; толщина Микротвердость, МПа Прочность адгезии МФП, Р ,Н кр'

Износостойкий слой (7г,Сг)Ы (1) (многослойный) (гг05,сг05)к И = 2,0 мкм и й = 20 нм с 3000 90

Промежуточный слой (2) (много слойный) И = 1,8 мкм п А =25 нм с -

Адгезионный подслой Zr (3) (монослойный) й =0,3 мкм а -

Рассмотрена методика и результаты оптимизации условий получения функциональных покрытий на примере покрытия

В качестве критериев оценки оптимальности параметров процесс синтеза МФП выбраны: стойкость твердосплавного режущего инструмента Т (время наработки инструмента на отказ) и предельное значение фаски износа задней поверхности твердосплавной пластины к3. В качестве варьируемых факторов процесса синтеза покрытия (¿г,Сгуы были выбраны давление азота рм,

напряжение смещения на субстрате (пластинах) Не, величина тока циркониевого катода

Описание интенсивности изнашивания при точении разработанным твердосплавным инструментом с МФП, полученном при вариациях параметров процесса осаждения, как динамического процесса, осуществляется функцией следующего вида:

/ = С /А"-р^-и^ ЕХРСВ, •/ + Вр -р + Вц•£/)

где / - интенсивность изнашивания инструмента, мм/мин; I - ток циркониевого катода, А; р - давление азота в камере, Па; V - напряжение смещения, В; С, В} - коэффициенты; А; - показатель степени.

Значения уровней варьируемых факторов:pN= 5-Ю"2 - 3-Ю"1 Па, Uc= 20 -200 В, IZr= 40 -120 А.

Обработку экспериментальных данных в соответствии с планом эксперимента проводили при использовании компьютерной программы OMEN extrasoft, разработанной в МГТУ «СТАНКИН» и программного пакета SPSS 11.5.1 фирмы SPSS.

Математическая модель, устанавливающая связи между наиболее значимыми параметрами вакуумно-дугового процесса IZr, Pn, Vc и интенсивностью изнашивания инструмента J, оснащенного пластинами ВРК13 с МФП, имеющим архитектуру Zr-ZrN-(Zr,Cr)N, применительно к точению сплава ХН77ТЮР с t=l,0 мм; S=0,1 мм/об и v=24 м/мин, имеет следующий вид: J =2,39-1 ()''-17г'ш -р ы^2'-Uс"'33 ехр(8,26-1(Г2 IZr+ 13,7 pN+ 7,88-КГ3ис) Разработанная модель позволяет выявить степень влияния параметров ФВДО (IZr, Pn, Uc) на интенсивность изнашивания инструмента из разработанного сплава ВРК13 с покрытием Zr-ZrN-(Zr,Cr)N при резании труднообрабатываемых материалов.

Определены оптимальные значения параметров IZr, Pn, Uc синтеза нанодисперсного многофункционального покрытия (МФП) на основе системы Zr-ZrN-(Zr,Cr)N: IZr= 104,2 A,pN= 0,24 Па, Uc = 210,0 В. Аналогично проведена оптимизация параметров синтеза покрытий других составов и архитектуры для исследования.

Результаты исследований архитектуры, химического состава покрытия Zr-ZrN-(Zr,Cr)N, нанесенного на твердосплавные пластины ВРК13, по границе сферического шлифа представлены на рис.5, результаты исследований поэлементного химического состава в точках спектр 1, спектр 2 (рис. 5) вынесены в табл.4. Использовался сканирующий электронный микроскоп NVision 40 фирмы Zeiss с высокоразрешающей электронной автоэмиссионной колонной GEMINI, в том числе для микрозондового рентгенографического анализа и получения микрофотографий.

Рис. 5. Результаты исследований химического состава покрытия 2г-2гЫ-(гг,Сг)К и субстрата ВРК13 по сферическому шлифу

Таблица 4. Химический состав покрытия гг-2г1ч[-(2г,Сг)1\[ на субстрате ВРК13 в точках: спектр 1, спектр 2 (рис. 3.5)

Спектр Содержание химического элемента, % атомных

Ъх Сг N Со \¥ Ие

Спектр 1 62,76 - 10,4 6,16 18,83 1,55

Спектр 2 70,43 10,51 18,95 - - -

Выявлено, что возникает диффузия отдельных элементов твердого сплава в покрытие при температурах конденсации покрытия (порядка 700 °С) - в покрытии присутствуют элементы твердого сплава - XV, Со и, что особенно важно, К е. Эти элементы в результате увеличивают прочность покрытия.

В результате анализа данных исследований параметров слоев МФП и микрофотографий, полученных на сканирующем электронном микроскопе, отмечено, что морфология поверхности износостойкого слоя (1) (2г015,Сг05)Ы, полученная при использовании процесса ФВДО (рис. 6, в) имеет значительно более высокое качество (практически полное отсутствие макро- и микрокапель) по сравнению с качеством поверхности аналогичного слоя, полученного при использовании стандартного процесса КИБ-МеЛ'Уа (рис.6, б). Износостойкий слой (1) МФП имеет нанодисперсную структуру с толщиной субслоев порядка 15-25 нм. Толщина субслоев промежуточного слоя (2) также составляет порядка 25 нм (табл. 3, рис. 3, а), что позволяет классифицировать разработанное многофункциональное покрытие как наноструктурированное.

Рис.6. Структура износостойкого слоя @г05,Сг05^ (а, х 100000) и морфология его поверхности, полученная при использовании стандартного КИБ-МеУУА (б, хЗООО) и фильтруемого ФВДО (в, хЗООО) процессов

Для технологии ФВДО характерно формирование супермелкозернистой структуры кристалла за счет сепарации микрокапельной составляющей.

В четвертой главе приведены результаты исследования параметров процесса резания и изнашивания разработанных сплавов с МФП, зарубежных твердых сплавов для обработки труднообрабатываемых материалов при продольном точении сплава ХН77ТЮР (ЭИ437Б) и стали 50Г. Исследовано влияние глубины резания, подачи, скорости на силы резания Рг, Рх, Р„.

Для процесса резания труднообрабатываемых материалов инструментом, оснащенным твердосплавными пластинами ВРК13 со стандартными ("ПМ) и многофункциональными покрытиями на основе систем 2г-гг]Ч-(2г,Сг)Ы и П-

!

Т1К-('П,А1^ отмечено заметное (на 20-30%) снижение усилий Р„ характер и степень изменения Р1 с ростом /, Л', V при резании инструментом с покрытием и без покрытия принципиально не изменяются.

Исследования позволили установить, что максимальные и средние температуры по передней поверхности резцов ВРК13 с покрытием Хг-Тг^-(2г,Ст)Ъ1 на 100-150°С ниже соответствующих температур при резании резцами ВРК13 без покрытия. По сравнению с контрольными пластинами ВК60М также замечено снижение максимальных и средних температур по передней поверхности инструмента.

В главе приведены исследования кинетики и механизмов изнашивания разработанного твердосплавного инструмента с покрытием при продольном точении закаленной стали 50Г (рис.7, 9а) и жаропрочного сплава ХН77ТЮР (рис. 8, 96) для операций чистового и получистового резания (810-820).

Рис. 7. Зависимость фаски износа задней поверхности Ь3 твердосплавных пластин

от времени резания при точении закаленной стали 50Г с 1=0,5 мм; 8=0,15

мм/об; у=170 м/мин: 1 -ВРК13 без покрытия; 2 - ВРК13 с покрытием Тл'Ы;

3- 8016 (РгатеЦ с покрытием РУО ИА^М-ТШ; 4 - ВРК13 с покрытием Ъх-2гЫ-(2г,Сг)Н; 5 - СК15М (ЭапауИс) с покрытием СУБ Т1СЫ-А1203-Т1Ы

j 5 1С IS W iS

Рис. 8. Зависимость фаски износа задней поверхности h3 твердосплавных пластин

от времени резания при точении жаропрочного сплава ХН77ТЮР с t = 1,0 мм; S =0,15 мм/об; v = 35 м/мин: 1 -ВРК13 без покрытия; 2 - ВРК13 с покрытием TiN; 3- 8016 (Pramet) с покрытием PVD TiAlSiN-TiN; 4 - ВРК13 с покрытием Zr-ZrN-(Zr,Cr)N; 5 - СК15М (Sandvik) с покрытием CVD TiCN-Al203-TiN

и

hs мл'

0.7 0,6 0,5 0.4

В

Рис. 9. Результаты исследования величины фаски износа по задней поверхности Ь3 твердосплавных пластин при точении стали 50Г (а), (режимы см. рис. 7) и сплава ХН77ТЮР (б), (режимы см. рис. 8) после 15 мин. обработки: 1 -ВРК13 без покрытия; 2 - ВРК13 с покрытием ТШ; 3- ВРК13 с покрытием Хг-1тЩ1т,Сг)П, 4 - СК15М (вапЛак) с покрытием СУО Т1СЫ-А1203-Ш; 5 - 8016 (Ргатеу с покрытием РУТ) ТШБМ-™

Результаты экспериментальных исследований работоспособности твердосплавного инструмента с покрытием при продольном точении стали 50Г и хромоникелевого сплава ХН77ТЮР представлены на рис. 10, 11.

í . 'J-V"

V, V.&MÍH

» !......................1.............................................1...................

m i» m m

Рис.10. Зависимость стойкости резцов, оснащенных СМП, от скорости резания

закаленной стали 50Г в различных условиях обработки с t=0,5 мм; S=0,15 мм/об: 1-ВРК13 без покрытия; 2-ВРК13 с покрытием TiN; 3-8016 (Pramet) с покрытием PVD TiAlSiN-TiN; 4 - ВРК 13 с покрытием Zr-ZrN-(Zr,Cr)N; 5 - СК15М (Sandvik) с покрытием CVD TiCN-Al203-TiN

□

ш и

0

25 25 35 40

Рис. 11. Зависимость стойкости резцов, оснащенных СМП, от скорости резания сплава ХН77ТЮР в различных условиях обработки с 1=1,0 мм; 8=0,15 мм/об: 1 -ВРК13 без покрытия; 2-ВРК 13 с покрытием ТШ; 3-8016 (РгатеО с покрытием РУО ТШЗШ-ТйЯ; 4 - ВРК 13 с покрытием гг-гг>1-(2г,Сг)М; 5-СК15М (йапсЫк) с покрытием СУО 'ПСМ-АЬОз-'Ш

Установлено, что инструмент из твердого сплава ВРК13 с разработанным функциональным наноструктурированным покрытием Zr-ZrN-(Zr,Cr)N дает наилучшие результаты при обработке труднообрабатываемых материалов, а также способен конкурировать с иностранными твердыми сплавами с покрытиями, рекомендованными для такого вида обработок, в некоторых случаях превосходя их по стойкости. При этом стойкость СМП из ВРК13 с покрытием Zr-ZrN-(Zr,Cr)N превосходит стойкость СМП из ВРК13 с покрытием TiN при обработке жаропрочного сплава ХН77ТЮР в 2-3 раза, а в сравнении с СМП из ВРК13 без покрытия - в 3-4 раза. Следует отметить, что разработанный твердый сплав ВРК13 с функциональным покрытием Zr-ZrN-(Zr,Cr)N близок по стойкостным характеристикам к сплаву 8016 (Pramet) зарубежного производства с покрытием PVD TiAlSiN-TiN.

В главе также представлены технологические рекомендации по применению разработанных твердых сплавов с функциональным покрытием для чистовых и получистовых операций токарной, фрезерной обработки различных труднообрабатываемых материалов (закаленные стали, жаропрочные стали и сплавы и т.д.) взамен стандартного инструментального материала.

Основные результаты работы и выводы.

В работе решена актуальная научно-техническая задача повышения режущих свойств инструмента путем выбора рационального сочетания параметров твердых сплавов группы ВРК и наноструктурированных функциональных покрытий, наносимых на режущий инструмент по технологии фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО).

1. Разработан процесс получения твердого сплава ВРК13 рационального состава под покрытие для обработки труднообрабатываемых материалов, позволяющий повысить теплостойкость связки инструментального материала.

2. На основе анализа данных и проведенных исследований, в работе было

принято положение об использовании многослойно-композиционной

архитектуры покрытий для режущего инструмента, получившей наименование

22

многофункциональные покрытия (МФП), позволяющие решать комплекс задач при проектировании покрытия для режущего инструмента.

3. При выборе материала износостойкого слоя 1 МФП использовали предельно твердые соединения металлов. При этом руководствовались принятой моделью адгезионно-усталостного изнашивания инструмента, в соответствии с которой предпочтение отдавали соединениям тугоплавких металлов, обеспечивающих минимизацию потери массы инструментального материала Ма—>гшп.

4. Разработана математическая модель, устанавливающая связь между интенсивностью изнашивания режущего инструмента с МФП и основными параметрами его синтеза по технологии ФВДО. Определены оптимальные значения параметров 1т ру, ис синтеза нанодисперсного многофункционального покрытия (МФП) на основе системы 2г-7г1\'-(2г,Сг)М: 1гг = ] 04,2 А, рм= 0,24 Па, 17с =210,0 В.

5. Осажденное на твердосплавный субстрат ВРК13 многофункциональное покрытие на основе системы при использовании процесса ФВДО имеет ультрадисперсную структуру с толщиной субслоев порядка 1525 нм, что позволяет классифицировать сформированное покрытие как нано-структурированное.

6. Стойкость сменных многогранных пластин (СМП) из ВРК13 с покрытием гг-гг№(2г,Сг)К превосходит стойкость СМП из ВРК13 с покрытием Т11ЧГ при обработке жаропрочного сплава ХН77ТЮР в 2-3 раза, а в сравнении с СМП из ВРК13 без покрытия - в 3-4 раза. Разработанный твердый сплав ВРК13 с функциональным покрытием гг-7гМ-(2г,Сг)К способен конкурировать с СМП зарубежного производства.

7. Сменные многогранные пластины из ВРК13 с функциональным покрытием 2г-2г>1-(7г,Сг)К могут быть рекомендованы для чистовых и получистовых операций токарной, фрезерной обработки различных труднообрабатываемых материалов (закаленные стали, жаропрочные стали и

сплавы и т.д.) взамен стандартного инструментального материала.

23

Основные публикации по теме диссертации: - публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Дачева A.B., Верещака A.C., Аникеев А.И. Разработка высокоэффективного инструмента для резания труднообрабатываемых материалов на основе применения ультрадисперсных твердых сплавов с жаропрочной Re-Co-связкой и наноструктурированным многослойно-композиционным покрытием.// Резание и инструмент в технологических системах: Межд. науч,-техн. сб. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2009. - Вып. 77. - С. 8-21.

2. Верещака A.C., Дачева A.B., Аникеев А.И. Повышение работоспособности режущего инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов путем комплексного применения наноструктурированного износостойкого покрытия и твердого сплава оптимального состава.// Известия МГТУ «МАМИ» -М:2010. - №1 (9) - С. 99-106.

3. Верещака A.C., Аникеев А.И., Дачева A.B. Повышение эффективности резания труднообрабатываемых материалов с применением инструмента с наноструктурированным износостойким покрытием.// Технология машиностроения -2010. —№ 3 (93) - С. 17-22.

4. Верещака A.C., Кириллов А.К., Сотова Е.С., Дачева A.B. Применение высокопрочной композиционной керамики с наноструктурированным покрытием в технологиях экологически дружественной сухой обработке резанием с компенсацией физических функций СОТС.//Ежемесячный научно-технический журнал «СТИН»- 2010.- №6 - С. 32-37.

5. Верещака A.C., Кириллов А.К., Сотова Е.С., Дачева A.B. Применение высокопрочной композиционной керамики с наноструктурированным покрытием в технологиях экологически дружественной сухой обработке резанием с компенсацией физических функций СОТС.//Ежемесячный научно-технический журнал «СТИН»- 2010,- №7 - С. 38-40.

- публикации в материалах конференций, журналах, сборниках трудов

6. Верещака A.C., Дачева A.B. Режущие инструменты для высокоэффективной обработки.// Всероссийская межвузовская научная

24

конференция «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России»: сб. тез. докл. В 3 т. Т. 2. - Муром: Изд,-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2009. - С. 19-20.

7. Дачева A.B., Верещака A.C., Аникеев А.И. Повышение работоспособности режущего инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов путем комплексного применения нано-структурированного износостойкого покрытия и твердого сплава оптимального состава.// Материалы международного научного симпозиума «Автотракторостроение-2009», -М.: МГТУ «МАМИ», 2009. - Книга 8.- С.4-11.

8. Дачева А.В, Верещака A.C. Ионизированная газовая среда как средство интенсификации обработки резанием.// Сб. докл., - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2009. - С.148-150.

9. Верещака A.C., Дачева A.B., Режущий инструмент из твердого сплава оптимального состава.// Всероссийская молодежная научная конференция «Научный потенциал молодежи - будущее России»: сб. тез. докл. В 5 т. Т. 3. -Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2009. - С. 256-258.

10. Аникеев А.И., Верещака A.C., Дачева A.B. Вакуумно-дуговой синтез наноструктурированных износостойких покрытий с фильтрацией паро-ионной составляющей.// Сб. докл., - Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2010. - С.90-95.

11. Дачева A.B., Верещака A.C., Аникеев А.И. Обработка труднообрабатываемых материалов инструментом из твердого сплава с Re-Co-связкой повышенной теплостойкости и нано-структурированным износостойким покрытием.// Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», - М.: МГТУ «МАМИ», 2010.- Книга 8.- С.39-45.

12. Дачева A.B., Верещака A.C. Твердые сплавы улучшенного состава с покрытием как прогрессивное направление развития современного режущего инструмента.// Материалы III научно-образовательной конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (МТИ-2010): сб. докл., - М.: МГТУ «Станкин», 2010. - С. 48-53.

13. Верещака A.C., Дачева A.B., Шеремет M.B. Верещака A.A. Применение твердосплавного инструмента с наноструктурированным покрытием для высокоэффективного резания труднообрабатываемых материалов.// Физика, химия и механика трибосистем: межвуз. сб. науч. тр. / под ред. В.Н. Латышева. -Иваново: Иван. гос. ун-т, 2010. -Вып. 9. - С. 79-87.

14. Дачева A.B. Особенности режущего инструмента с многофункциональным покрытием для резания труднообрабатываемых материалов.// Материалы междунар. научно-технич. конф. «Технические науки: проблемы и перспективы». / Под общ. ред. Г. Д. Ахметовой. — СПб.: Реноме, 2011. —С. 45-48.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дачева Анна Владимировна

Повышение режущих свойств инструмента путем выбора рационального сочетания параметров твердых сплавов врк и наноструктурированных функциональных покрытий

Подписано в печать 28.10.2011. Формат 60 90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 2,00. Тираж 110 экз. Заказ 178.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин» 127055, Москва, Вадковский пер., За Тел.: 8(499) 973-31-93

Введение.

Глава 1. Анализ состояния вопроса, цели и задачи исследований.

1.1. Анализ особенностей процесса резания труднообрабатываемых материалов.

1.2. Инструментальные материалы, применяемые для обработки труднообрабатываемых материалов.

1.3. Основные направления совершенствования твердых сплавов.

1.4. Многофункциональные износостойкие покрытия, основные тенденции совершенствования.

1.5. Анализ данных литературного обзора, постановка цели и задач исследования.

Глава 2. Разработка методологии процесса резания труднообрабатываемых материалов на основе применения твердого сплава рационального Состава и наноструктурированного износостойкого покрытия, методика исследований.

2.1. Разработка рабочих гипотез и методологических принципов процесса резания труднообрабатываемых материалов.

2.1.1. Рабочие гипотезы по выбору инструментального материала для обработки труднообрабатываемых материалов.

2.1.2. Методика подбора элементов многофункционального износостойкого покрытия для повышения работоспособности режущего инструмента из твердого сплава рационального состава.

2.2. Методика проведения исследований.

2.2.1. Методика получения твердого сплава рационального состава.

2.2.1.1. Технология получения твердого сплава.

2.2.1.2. Определение механических свойств и микроструктуры спеченных материалов.

2.2.2. Получение многофункциональных износостойких покрытий.

2.2.2.1. Технология нанесения покрытий.

2.2.2.2. Контроль качества покрытий.

2.2.3. Методика проведения исследований процесса резания.

2.2.3.1. Инструмент.

2.2.3.2. Оборудование, обрабатываемый материал.

2.2.4. Методика оценки эффективности режущего инструмента.

2.2.5. Методика статистического анализа результатов сравнительных испытаний.

Выводы по главе.

Глава 3. Разработка и исследование процесса резания труднообрабатываемых материалов инструментом из твердого сплава рационального состава и многофункциональным износостойким покрытием.

3.1. Исследование процесса получения твердого сплава рационального состава.

3.2. Выбор архитектуры, структуры и свойств многофункционального покрытия.

3.3. Исследование влияния параметров процесса формирования многофункциональных покрытий на их состав и свойства.

3.3.1. Исследование химического состава.

3.3.2. Исследование основных механических свойств покрытия.

Выводы по главе.

Глава 4. Исследование параметров процесса резания и изнашивания инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов.

4.1. Исследование сил резания.

4.1.1. Теоретические предпосылки и методика проведения экспериментов.

4.1.2. Результаты экспериментальных исследований.

4.2. Исследование тепловых явлений.

4.2.1. Теоретические предпосылки.

4.2.2. Исследование теплового состояния задней поверхности инструмента для различных условий обработки.

4.3. Исследование шероховатости обработанной поверхности.

4.3.1. Теоретические предпосылки.

4.3.2. Исследование шероховатости обработанной поверхности для различных условий обработки.

4.4. Исследование работоспособности инструмента.

4.4.1. Исследование кинетики изнашивания режущего инструмента.

4.4.1.1. Методика исследований.

4.4.1.2. Исследования изнашивания инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов.

4.4.2. Исследование влияния скорости резания на стойкость.

Выводы по главе.

Особенность современного производства в технологически развитых странах - применение новых конструкционных материалов, имеющих высокую жаропрочность, коррозионную стойкость. Это напрямую связано с увеличением требований к характеристикам конечных изделий, от авиационных двигателей до протезов суставов в теле человека. Очевидно, что требования к материалам, из которых производят изделие, в этом случае будут различными. В некоторых случаях лимитирующим фактором будет теплостойкость, в других - коррозионная стойкость или химико-биологическая совместимость с мышечными тканями человеческого тела. Однако материал с различными функциональными свойствами необходимо обработать, прежде чем использовать на следующем этапе жизненного цикла конечного изделия. В большинстве случаев по ряду причин (как технологических, так и экономических) в качестве метода обработки выбирают лезвийную обработку резанием, слабым звеном которой является режущий инструмент. При лезвийной обработке труднообрабатываемых материалов возникает задача разработки инструментального материала улучшенного состава с учетом особенностей процесса резания труднообрабатываемых материалов. Одним из важнейших показателей инструментального материала в данном случае является повышенная теплостойкость, которая может быть достигнута за счет применения твердого сплава рационального состава, включающего твердосплавной субстрат повышенной теплостойкости, и многофункциональное наноструктурированное износостойкое покрытие, выполняющее комплекс важных функций.

В этой связи совершенствование режущего инструмента путем оснащения его инновационными инструментальными материалами с многофункциональным покрытием для повышения эффективности системы резания при обработке труднообрабатываемых материалов является актуальной задачей металлообрабатывающих производств.

Решение данной задачи можно рассматривать как особый резерв повышения эффективности технологической системы резания любых обрабатываемых материалов, в том числе труднообрабатываемых. Установление закономерностей формирования составов, структуры и свойств твердого сплава и многофункциональных покрытий в зависимости от параметров процесса их получения является весьма актуальным, так как позволяет определить физическую природу взаимосвязи состава, структуры и строения материала твердого сплава и наносимого на него покрытия, рассматривая их в комплексе.

Актуальность работы подтверждена научными и практическими результатами, реализованными при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ по проекту №2.1.2/13646 в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 гг.)», раздел 2.1. «Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук», а также по заданию Минобрнауки, проекту № 2.12/4385 «Разработка методологии создания нанострукгурированной высокопрочной композиционной керамики с многофункциональным покрытием для широкого применения в машиностроении» на 2009-2011 гг.

Методы исследования. В работе использованы фундаментальные положения теории резания материалов и физики твердого тела, а также методы статистического анализа результатов экспериментальных исследований, математического и компьютерного моделирования при теплофизическом анализе процесса резания с использованием программ REZMAT, Cutting Force, Temper.pokr. и др. Изучение получаемых структур твердых сплавов и функциональных покрытий произведено на основе современных методов металлографического и металлофизического анализов с использованием методик электронно-сканирующей микроскопии.

Научная новизна заключается в:

- установлении рационального соотношения состава, структуры, свойств твердого сплава и функциональных покрытий при резании труднообрабатываемых материалов, что позволило повысить режущие свойства инструмента из этих сплавов в 2-5 раз по сравнению со стандартным инструментом;

- математических моделях процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения функциональных покрытий на твердосплавные инструменты, позволяющих получать функциональные покрытия при рациональных параметрах процесса фильтруемого вакуумно-дугового осаждения.

Практическая ценность. На основе выполненных исследований разработаны:

- процесс получения твердого сплава ВРК13 рационального состава под покрытие для обработки труднообрабатываемых материалов, позволяющий повысить теплостойкость связки инструментального материала;

- процесс нанесения функционального наноструктурированного покрытия на разработанный твердый сплав при использовании технологии фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО);

- рекомендации по применению сменных многогранных пластин (СМП) из разработанного твердого сплава с функциональным покрытием для операций продольного точения труднообрабатываемых материалов, применяемых в авиационном двигателестроении, ракетно-космической, оборонной промышленности, эндопротезировании.

Реализация работы. Режущий инструмент из разработанного твердого сплава рационального состава и многофункционального наноструктурированного покрытия успешно используется на ряде предприятий.

Материалы настоящей диссертационной работы были представлены на всероссийских и международных научно-технических конференциях и симпозиумах. Основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 14 статьях, из них 5 - в изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК.

Общие выводы

В работе решена актуальная научно-техническая задача повышения режущих свойств инструмента путем выбора рационального сочетания параметров твердых сплавов группы ВРК и наноструктурированных функциональных покрытий, наносимых на режущий инструмент по технологии фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО).

1. Разработан процесс получения твердого сплава ВРК13 рационального состава под покрытие для обработки труднообрабатываемых материалов, позволяющий повысить теплостойкость связки инструментального материала.

2. На основе анализа данных и проведенных исследований, в работе было принято положение об использовании многослойно-композиционной архитектуры покрытий для режущего инструмента, получившей наименование многофункциональные покрытия (МФП), позволяющие решать комплекс задач при проектировании покрытия для режущего инструмента.

3. При выборе материала износостойкого слоя 1 МФП использовали предельно твердые соединения металлов. При этом руководствовались принятой моделью адгезионно-усталостного изнашивания инструмента, в соответствии с которой предпочтение отдавали соединениям тугоплавких металлов, обеспечивающих минимизацию потери массы инструментального материала Ма—»min.

4. Разработана математическая модель, устанавливающая связь между интенсивностью изнашивания режущего инструмента с МФП и основными параметрами его синтеза по технологии ФВДО. Определены оптимальные значения параметров Izn Pn, Uc синтеза нанодисперсного многофункционального покрытия (МФП) на основе системы Zr-ZrN-(Zr,Cr)N: IZr~ 104,2 А, pN= 0,24 Па, Uc = 210,0 В.

5. Осажденное на твердосплавный субстрат ВРК13 многофункциональное покрытие на основе системы Zr-ZrN-(Zr,Cr)N при использовании процесса ФВДО имеет ультрадисперсную структуру с толщиной субслоев порядка 15

25 нм, что позволяет классифицировать сформированное покрытие как нано-структурированное.

6. Стойкость сменных многогранных пластин (СМП) из ВРК13 с покрытием 2г-£г№(2г,Сг)К превосходит стойкость СМП из ВРК13 с покрытием ТОТ при обработке жаропрочного сплава ХН77ТЮР в 2-3 раза, а в сравнении с СМП из ВРК13 без покрытия — в 3-4 раза. Разработанный твердый сплав ВРК13 с функциональным покрытием 7г^гК-(7г,Сг)К способен конкурировать с СМП зарубежного производства.

7. Сменные многогранные пластины из ВРК13 с функциональным покрытием 2г-2г>Ц2г,Сг)Н могут быть рекомендованы для чистовых и получистовых операций токарной, фрезерной обработки различных труднообрабатываемых материалов (закаленные стали, жаропрочные стали и сплавы и т.д.) взамен стандартного инструментального материала.

1. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986. 544 с.

2. Васин С.А., Верещака A.C., Кушнер B.C. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: Учеб. для техн. вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001. — 448 с.

3. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник / B.C. Кушнер, A.C. Верещака, А.Г. Схиртладзе, В.А. Горелов, Д.А. Негров, О.Ю. Бургонова Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. - 520 с.

4. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для студ. высш. учеб. заведений/ В.Б. Арзамасов, А.Н. Волчков, В.А. Головин и др.— М.: Издательский центр «Академия», 2009. 448 с.

5. Кривоухов В.А., Чубаров А.Д. Обработка резанием титановых сплавов М.: Машиностроение, 1970. - 180 с.

6. A.C. Верещака. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. — М.: Машиностроение, 1993. — 336 с.

7. Третьяков В.И., Клячко Л.И. К истории отечественных твердых сплавов. -М.: Визави, 1998.

8. Рабочие процессы высоких технологий в машиностроении: Учебное пособие /Под редакцией А.И. Грабченко. Харьков, ХГПУ, 1999 г. -436 с.

9. Vereshchaka A.S., Lee W.Y. High Precision / High Speed Machining Technologies. Edition of Korea University of Technology and Education, HRDI. S.Korea. Cheonan.2002. 393 p.

10. Фальковский B.A., Клячко Л.И. Твердые сплавы. М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2005.

11. П.Дудкин М.Е., Эйхманс Э.Ф., Белова E.H. Исследование влияния зернистости фазы WC на режущие свойства вольфрамокобальтовых твердых сплавов // Сб. тр. ВНИИТС, 1983.

12. Верещака A.C., Волин Э.М., Вахид X. Режущие инструменты с композиционными покрытиями для обработки различных конструкционных материалов // Вестник машиностроения. 1984. № 8. С.32-35.

13. Верещака A.C., Болотников Г.В. Анализ тенденций развития и областей применения инструментов для труднообрабатываемых материалов. М.: Изд-во ВИЛС, 1989. - 63 с.

14. Табаков В.П. Повышение эффективности режущего инструмента путем направленного изменения параметров структуры и свойств материала износостойкого покрытия. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н., М. МГТУ «СТАНКИН» 1992. 532 с.

15. Касьянов C.B. Исследование режущих свойств и разработка путей дальнейшего развития инструментов с износостойкими покрытиями. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук -М: МГТУ «СТАНКИН», 1979. 248 с.

16. Кириллов А.К. Повышение работоспособности протяжногоинструмента из быстрорежущей стали путем комплексной172поверхностной обработки. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук М: МГТУ «СТАНКИН», 1989. 212 с.

17. Григорьев С.Н. Повышение надежности РИ путем комплексной ионно-плазменной поверхностной обработки. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук — М: МГТУ «СТАНКИН», 1995.486 с.

18. Application of a Novel Vacuum-arc Nechnology for the Design of Advaced Wear Resistant Coatings // Panckow A.N., Steffenhagen J., Weneger B. and others. Surface and Coating Technology 110 (2001). P. 877-882.

19. Moll E., Bergman E. Hard Coating by Plasma-assisted PVD Technologies-Industrial Practice.Surface and Coating Technology, 37 (1989). P. 483 -509.

20. Барвинок. В.А. Управление напряженным состоянием и свойствами плазменных покрытий. М.: Машиностроение, 1990.- 340 с.

21. W.-D.Munz, D.SchuIze, F.M. Hauzer. A new method for hard coatings:ABS (arc bond spattering). Surfase and Coating Technology. 50 (1992)169 178.

22. J.Vetter, W.Burgmer, H.G.Dederichs, A.J.Perry. The architecture and performance of compositionally gradientand multi-lauer PVD coating. Material Science Forum Vols. 163 165 (1994) pp.527 - 532

23. M.L. Сарр, J.M. Rigsbee. Laser Processing of plasma-sprayed Coating.Material Science and Engineering. T.2 , 1 1 (1994). 49 56

24. Верещака A.C., Григорьев C.H. Методы повышения работоспособности инструмента путем комплексной поверхностной обработки. В кн.: Прогрессивные режущие инструменты, Инженерно-технологический центр Академии наук Латвии. Рига . 1990. с.137 149

25. Верещака A.C., Табаков В.П. Физические основы процесса резания и изнашивания режущего инструмента с износостойкими покрытиями. Учебное пособие. Ульяновск: УлГТУ, 1998. 144 с.

26. Касьянов C.B., Верещака A.C., Цырлин Э.С. Повышение производительности быстрорежущего инструмента путем рациональной поверхностной обработки. В кн.: Перспективы развития резания конструкционных материалов. М.: НТО Машпром, 1980. с. 191-196.

27. Додонов А.И., Салаев В.А. Эксплуатационные свойства ультрадисперстных покрытий.: М. ИТО. № 1, 2000. с.38-39

28. Lierat F., Vereschaka A.: The Main Trends of Vacuum-ARC Technology Synthesis of Multilayer Coatings for Cutting Tool Perfection. IX Internationals Productionstechnisches kolloquium PTK-98. Berlin, 1998. p.211-225.

29. Верещака A.C. Некоторые методологические принципы созданияфункциональных покрытий для режущих инструментов. В кн.174

30. Современные технологии в машиностроении, Харьков: НТУ «ХПИ»,2007. С. 210-231.

31. Vetter J., Burgmer W., Dederichs H., Perry A. The architecture and performance of compositionally gradient and multi-layer PVD coating. Material Science Forum Vols. 163 165 (1994)

32. Moll E., Bergmann E. Hard coatings by plasma-assisted PVD technologies:industrial practice. Surface and Coating Technology , 37 (1989)

33. Holleck H. 1990. «Basic principles of specific application of ceramic materials as protective layers». Surface and coatings Tecnnology, 43/44

34. Верещака А.С. Основные аспекты применения и совершенствования режущих инструментов с износостойкими покрытиями //СТИН.2000.-№9.

35. Vereshchaka А., / Lee W.Y. High Precision/High Speed Machining Technologies. Edition of HRDI, S.Korea, Cheonan. 2002.

36. Byrne G., Dornfeld D., Denkena B. Advancing Cutting Technology. CIRP Annals. Vol 52/2/2003.268 (1995)

37. Rauscheudach В., Sienz S, Six S., Gerlach J. Synthesis of metal nitrides by low-energy ion assisted film growth. Surface and Coating Technology. 142144, 2001. P. 371-375.

38. Верещака А.А. Патент на изобретение RU 2198243 C2 Многослойно-композиционное покрытие. Бюл. №4 от 10.02.2003 г.

39. Патент США № 4450205, кл. В 32 В 15/04, 1984

40. Хомяк Б.С. Патент на изобретение RU 2070610 С1 Многослойный материал для покрытия. Бюл. №35 от 20.12.1996 г.

41. Хомяк Б.С., Шумейко В.И., Сысоев В.А., Березуев А.И., Смирницкий В.В., Васильева М.П., Хомяк П.Б., Хомяк И.Б. Патент на изобретение RU 94038737 А1 Многослойный материал для покрытия. Бюл. №25 от 10.09.1996 г.

42. Клушин М.И. Возможные механизмы влияния СОТС на структуру и функционирование системы резания //Физико-химические механизмы контактного взаимодействия в процессе резания металлов. — Чебоксары, ЧувГУ 1984. С. 3 - 10.

43. Технологические свойства новых СОЖ для обработки резанием /Под ред. М.И. Клушина. -М.: Машиностроение, 1979. 192 с.

44. Наумов А.Г. Повышение эффективности лезвийной обработки быстрорежущим инструментом при использовании экологически чистых СОТС. Дисс. на соискание ученой степени д.т.н. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1999. 378 с.

45. Экологически чистые СОТС // Латышев В.Н., Наумов А.Г., Бушуев А.Е., Верещака А.С. Вестник машиностроения. 1999. N 7. С. 32 — 35.

46. De Chiffre, L.: Mechanics of metal cutting and cutting fluid action. Int. J.

47. Mach. Tool Des. Res., 17 (1977) P. 225 234.176

48. Кириллов А.К., Верещака A.C. , Дюбнер Л.Г. Разработка системы экологически безопасной формообразующей обработки резанием. -Межд. Науч.-техн. Сборник. «Резание иинструмент в технологических системах». Харьков: ХГТУ,2001Вып. 60, 2001. - С.96 - 102.

49. Клокке Ф. Гершвилер К. Сухая обработка — основы, границы, перспективы. Сообщение VDI 1240 «На пути к сухой обработке -технологический вызов». Изд-во VDI, Дюссельдорф, 1996. С.1-39.

50. Подураев В.Н., Татаринов A.C., Петрова В.Д. Механическая обработка охлажденным ионизированным воздухом //Вестник машиностроения. 1991. № 11. С. 37-42.

51. Ахметзянов И.Д. Бедункевич В.В., Ильин В.И. Возможности и условия применения метода сухого электростатического охлаждения при резании металлов //Электронная обработка материалов, 1991, № 5. С. 71-74.

52. Верещака A.C., Кириллов А.К., Ноздрина С.О. Разработка экологически безопасного сухого резания. В кн. "Высокие технологии в машиностроении: Современные тенденции развития". Харьков, 1988. ХГТУ. С. 28-29.

53. Верещака А.С., Сладков Д.В., Щелкунова И.Ю. Разработка экологически безопасной технологии сухого резания. Сб. трудов конференции. Москва, МГТУ «СТАНКИН». 1998. С. 123-129.

54. Верещака А.С. Анализ проблемы экологически безопасного резания. Труды IV международного конгресса «Конструкторско-технологическая информатика 2000. М. МГТУ «СТАНКИН», 2000. С.112-115.

55. Экологически безопасная технология резания. // Поклад В. А., Горелов

56. B. А., Полоскин Ю. В., Ахметзянов И.Д., Верещака А. С., Хаустова О.В.Тез. докл. научно-технического симпозиума «Двигатели и экология». М.: ВВДХ. 2000. С. 47 - 54.

57. Yamaga et al. Cooling Method by Use of Corona Discharge. US Patent 3,938,345. Feb. 17, 1976.

58. Верещака А.С. Анализ проблемы экологически безопасного резания. Труды IV международного конгресса «Конструкторско-технологическая информатика 2000. М. МГТУ «СТАНКИН», 2000.1. C.112-115.

59. Harris S., Vlasveld А., С., Doule T.,D. Dry machining commercial viability through filtered arc vapour deposited coatings. Surface and Coatings Technology 133 - 134 (2000) 381-388.

60. Кулешова И.В., Берман З.К. Повышение эффективности обработки резанием труднообрабатываемых материалов: Обзор. — М., 1981. 68 с/

61. Вейлер С .Я., Корбут В.М., Бартеньев Г.М. О методах исследования проникающей способности смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ)при резании металлов. — Физика и химия обработки металлов, 1981, № 5.-С. 119-123.

62. Перцов Н.В., Сердюк В.М. Миграция поверхностно-активных веществ по свежеобразованной поверхности //Коллоидный журнал. 1988. Т. 42. Вып. 5. С. 991-994.

63. Худобин Л.В., Жданов В.Ф. О возможности активации СОЖ импульсными электрическими полями //Чистовая обработка деталей машин.- Саратов: СПИ, 1980.- С. 49-53.

64. Зорев H.H. Вопросы механики резания металлов.- М.: Машгиз, 1956. 238 с.

65. Ахметзянов И.Д., Ильин В.И., Кирий В.Г. Влияние униполярного коронного разряда на процесс обработки резанием. Научные труды ЧувГУ. Чебоксары. Изд. ЧувГУ, 1987. С. 133-139.

66. Солодихин А.Е. Влияние электрического состояния воздушной среды на процесс точения стали //Электронная обработка металлов. 1972. № 3. С.15-19.

67. Болога М.К., Гроссу Ф.П., Кожухарь И.А. Электроконвекция и теплообмен. Кишенев: Штиница, 1977. 320 с.

68. Верещака A.C. Технологические производственные среды: анализ тенденций совершенствования. Вестник МГТУ «Станкин» №4 (12), 2010

69. Чапорова И.Н., Чернявский К.С. «Особомелкозернистые вольфрамокобольтовые твердые сплавы» Твердые сплавы, 1976, №9.

70. Исследование структуры и свойств твердых сплавов на основе карбида вольфрама со связкой, содержащей рений, испытания сплавов в производственных условиях (Отчет), тема №19-76-044, ВНИИТС, Чапорова И.Н., Кудрявцева H.A., Москва, 1979.

71. Кабалдин Ю.Г. Повышение работоспособности и надежности рабочей части режущего инструмента в автоматизированном производстве: автореф. дис. д-ра. техн. наук., 1987.

72. Григорьев С.Н. Нанесение покрытий и поверхностная модификация инструмента: учеб. пособие. /С.Н. Григорьев, М.А. Волосова: ИЦ МГТУ «СТАНКИН», Янус-К, 2007. 324 с.

73. Григорьев С.Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента: учебник для студентов втузов. М.: Машиностроение. 2009.-368 с.

74. Мигранов М.Ш. Повышение износостойкости инструментов на основе прогнозирования процессов адаптации поверхностей трения при резании металлов, дисс. д-ра, техн.наук. /М.Ш Мигранов. М.: 2008.420 с

75. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975.-344 с.

76. П.Кудрявцева В.И., Чапорова И.Н., Сапронова З.Н. Разработка спеченного твердого сплава WC-Re,Co для обработки резанием труднообрабатываемых материалов. — Москва, 1986.

77. Иютина И.А., Куприна В.В., Соколовская Е.М., Спасов И.А. Исследование и применение сплавов рения — М., 1975.

78. Patten, J.W. Multilayer coatings for interrupted cutting /J.W. Patten, M.A.Bayne, D.D. Hays, R.W. Moss,E.D. McClanahan, J.W.Fairbanks. //Thin Solid Films, 64 (1979). 337 p.

79. Knotek, O. Multilayer Coatings for Improved Performance. / O. Knotek, F. Loffler, G. Kramer. //Surface Coating Technology, 59 (1993).- P 14-18.

80. Barnett, S. A. Physics of Thin Films / S.A. Barnett, M. H. Francombe, J. L. Vossen (ets.) //Academic Press, New York (1993) 1-77.

81. Cselle, T. Nanostracturierte Schichten in der Werkstaff. Platit AG. Warkzeugtagung 2002.

82. Tonshoff H.K. Influence of subsurface properties on the adhesion strength of sputtered hard coatings / H.K. Tonshoff, B. Karpuschewski, A. Mohlfeld, H. Seegers. Surf. Coat. Technol. 116-119 (1999) 524-529.

83. Власов В.И. Процессы и режимы резания конструкционных материалов. Справочник. — М. Издательство «ИТО», 2007. — 189 с.

84. Byrne, G. Advancing Cutting Technology. / G.Byrne, D.Dornfeld, B. Denkena. // CIRP Annals. Vol 52/2/2003.

85. Шустер Л.Ш. Адгезионное взаимодействие твердых металлических тел. Уфа: Гилем, 1999. - 199 с.

86. Чихранов А.В. Повышение работоспособности режущего инструмента путем разработки и применении многоэлементных износостойких покрытий на основе модифицированного нитрида титана: дисс. . к-та техн. наук /Чихранов А.В. Ульяновск. 2006. - 310 с.

87. Okumiya, M. Mecfnical properties and tribological behavior of TiN-CrAIN and CrN-CrAIN multilayer coatings. /М. Okumiya, M. Gripentrog.// Surface and Coating Technologies 112 (1999). P.123-128.

88. Cobine J. Introduction to Vacuum Arc Vacuum Arc: Theory and Application J M Lafferty (New York: Wiley, 1980) pp. 1-18.

89. R. Fella, H. Holleck, Materials Science and Engineering, A140 (1991) 676-681.21.

90. Верещака A.C. Резание материалов: Учебник /А.С. Верещака, B.C. Кушнер. М.: высш. шк., 2009. - 535 с.

91. Концерн Тракторные заводы ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

92. ЧЕБОКСАРСКИЙ АГРЕГАТНЫЙ ЗАВОД428000, Россия, Чувашская Республика, г. Чебоксары, пр. Мира, 1 Тел.: (8352) 30-95-05,30-99-54, Факс: (8352) 28-22-12, E-mail: chaz@chaz.ru

93. АКТ ВНЕДРЕНИЯ результатов диссертационной работы A.B. Дачевой

94. Повышение режущих свойств инструмента путем выбора рационального сочетания параметров твердых сплавов ВРК и наноструктурированныхфункциональных покрытий»

95. Исполнительный директор О.1. Технический директор ОАО1. Т.В. Александрычева1. В.В. Чернышев