Износостойкие покрытия инструментов
Инструментальные материалы для обработки резанием должны обладать таким сочетанием свойств, которые нельзя обеспечить в одном конкретном материале.
Например, с повышением твердости и износостойкости происходит снижение ударной вязкости, изгибной и циклической прочности.
Одним из эффективных способов обеспечения рационального сочетания различных свойств инструментальных материалов является модификация их поверхностного слоя путем нанесения износостойких покрытий.
Они могут быть однослойные и многослойно-композиционные на основе карбидов, нитридов, боридов и оксидов тугоплавких металлов.
Наиболее широкое применение получили покрытия на основе соединений титана, хрома, алюминия.
Требования к свойствам покрытий условно можно свести к трем группам [2]:
I группа:
а) покрытия должны быть устойчивыми против коррозии;
б) сохранять эксплуатационные свойства при температурах резания;
в) не иметь дефектов в виде пор, включений и др.;
г) обладать высоким пределом выносливости.
II группа:
а) твердость (микротвердость) покрытия должна быть в 1,5…2 раза больше твердости инструментального материала;
б) низкая склонность к адгезии с обрабатываемым материалом;
в) минимальная способность к диффузионному растворению в обрабатываемом материале;
г) максимальное отличие кристаллических структур покрытия и инструментального материала.
III группа:
а) минимальное отличие физико-механических и теплофизических свойств материала покрытия и инструмента;
б) минимальная склонность к твердофазным диффузионным реакциям на границе раздела «покрытие – инструментальный материал» при температурах резания.
|
|
Строение (архитектура) многослойного композиционного покрытия показано на рис.6.3.
Рис.6.3. Архитектура многослойного композиционного покрытия (МКП):
а – слой, примыкающий к инструментальному материалу (ИМ);
б – промежуточный слой;
в – слой, примыкающий к обрабатываемому материалу (ОМ).
Слой «а», примыкающий к инструментальному материалу, должен обеспечить прочную адгезионную (диффузионную) связь между инструментальным материалом и покрытием.
Слой «в», непосредственно контактирующий с обрабатываемым материалом, выполняет основную функцию и должен иметь максимальные эксплуатационные свойства (износостойкость, теплостойкость, химическую пассивность к обрабатываемому материалу и окружающей среде).
Назначение слоя «б» состоит в обеспечении прочной связи между слоями «а» и «в», в замедлении диффузионных процессов между инструментальным и обрабатываемым материалом, снижении интенсивности теплового потока в инструмент (тепловой барьер) и др.
При производстве инструмента наиболее широко применяют следующие покрытия:
карбид титана (TiC), нитрид титана (TiN), карбонитрид титана (TiCN), смесь нитридов титана и алюминия (Ti, Al) N, нитрид хрома (CrN).
TiC – износостойкое покрытие максимальной толщиной 
= 8 мкм, микротвердостью 
= 2800…3000 МПа, стабильно против окисления до 720ОС, нагрузка разрушения 45…55 Н (низкая).
TiN – износостойкое покрытие толщиной = 10 мкм универсального назначения для нанесения на инструменты из быстрорежущих сталей и твердых сплавов.
|
|
Обладает высокой твердостью, но низкой сопротивляемостью низкотемпературному окислению (до 550ОС).
Не рекомендуется для операций прерывистого резания с использованием СОЖ.
TiCN – имеет хорошую адгезию с быстрорежущими сталями и твердыми сплавами, высокую твердость, превышающую твердость TiC, пластичность, не уступающую пластичности TiN, удовлетворительную сопротивляемость окислению при повышенных температурах (до 550ОС), хорошую окалиностойкость.
Имеет преимущества перед покрытиями TiC и TiN при нанесении на инструменты, которые используются на операциях прерывистого резания (например, фрезы из быстрорежущих сталей и твердых сплавов), особенно при использовании СОЖ. Максимальная толщина покрытия = 8 мкм.
Смесь (Ti, Al)N имеет более высокие свойства (твердость, сопротивляемость высокотемпературному окислению до 800ОС) в сравнении со свойствами TiN.
Рекомендуется для высокотемпературного резания, в том числе для резания без СОТС, а также для обработки материалов повышенной твердости с применением СОТС.
Свойства покрытия сильно зависят от содержания алюминия, поэтому для черновой обработки эффективны покрытия с содержанием алюминия более 50% (по объему), для чистовой обработки – с содержанием титана более 50%. Максимальная толщина покрытия = 20 мкм.
CrN – обладает наилучшим из имеющихся покрытий соотношением «твердость – пластичность» при хорошей коррозионной стойкости и сопротивляемости окислению при повышенных температурах (до 700ОС).
Покрытие имеет повышенную трещиностойкость, в том числе при циклических нагрузках и использовании СОЖ высокой химической активности. Его свойства позволяют сформировать покрытия на быстрорежущих сталях и твердых сплавах значительно больших толщин ( = 50 мкм), чем покрытия на основе титана.
|
|
Покрытие CrN рекомендуется для черновых и получистовых операций прерывистого резания с использованием СОТС.
Свойства покрытия и области эффективного применения инструментов с тем или иным видом покрытия зависят также от метода нанесения (синтеза) покрытия.
Для получения покрытий на режущих инструментах в основном используют процессы химического – ХОП (CVD), физического – ФОП (PVD) осаждения, а также комбинированные процессы, каждый из которых имеет свои преимущества, недостатки и рациональные области применения.
Процессы ХОП основаны на термохимических реакциях и формировании соединений, образующих покрытие, как в окружающей инструмент парогазовой среде (с последующим осаждением на инструмент), так и непосредственно на его рабочих поверхностях.
Процессы ХОП происходят при высоких температурах (800…1500ОС), имеют большую длительность и часто не отвечают требованиям экологической безопасности.
Применение комбинированных процессов, использующих физические и химические методы, например, ХОП + лазерное воздействие (LACVD), позволяет снизить температуру процесса синтеза покрытий до 200…600ОС, уменьшить время их охлаждения и снизить «эффект охрупчивания» твердосплавного инструмента.