Новое износостойкое многослойное покрытие как способ многократного повышения стойкости торцовых фрез

РЕФЕРАТ

на тему: «Новое износостойкое многослойное покрытие как способ многократного повышения стойкости торцовых фрез».

Нанесение износостойких покрытий (ИП) методом КИБ является эффективным способом повышения стойкости режущего инструмента (РИ). В различных отечественных и зарубежных работах отмечается факт повышения периода стойкости от 1,5 до 10 раз и более. Однако на различных технологических операциях обработки резанием эффективность инструмента с покрытием неодинакова. В частности, при переходе от непрерывного к прерывистому резанию эффективность применения ИП снижается примерно в 2 раза. Данный факт объясняется механизмом разрушения, действующим при прерывистом резании. Известно, что потеря работоспособности твердосплавного РИ при прерывистом резании обусловлена разрушением в результате трещинообразования из-за переменных теплосиловых нагрузок, возникающих при чередовании рабочего и холостого ходов, а также адгезионно-усталостным разрушением при отделении «застойной зоны» — области стружки на участке пластического деформирования [1]. Процессы трещинообразования интенсифицируются с ростом тепловой напряженности процесса резания, то есть при увеличении скорости резания, подачи и ширины фрезерования. В случае тяжелых условий работы разрушение режущего клина в результате трещинообразования наступает раньше достижения критерия износа по задней поверхности и до полного разрушения покрытия на контактных площадках. При этом различные виды изнашивания играют второстепенную роль [1, 2]. В случае РИ с ИП имеют место два процесса: трещинообразование в инструментальном материале (трещины 1-го типа образуются на границе с ИП и прорастают в основу и покрытие) и трещинообразование в ИП (трещины 2-го типа образуются на поверхности покрытия и прорастают в инструментальную основу) [3, 4]. Таким образом, покрытие подвергается разрушающему воздействию трещин как со стороны поверхности, так и со стороны основы [4, 5]. На эффективность работы ИП в этих условиях влияют его трещиностойкость; способность снижать контактные температуры, влияющие на интенсивность трещинообразования; высокие сжимающие остаточные напряжения, предотвращающие возникновение и развитие трещин; прочность сцепления с основой. Очевидно, что реализовать данный комплекс свойств в составе однослойного покрытия невозможно. В связи с этим наибольшую перспективу в области прерывистого резания имеют многослойные покрытия (МП). трещиностойкость работоспособность износостойкое покрытие Для решения задачи повышения стойкости РИ исследователями предлагаются различные конструкции МП, в том числе и сконструированные с учетом условий прерывистого резания [4, 5, 6]. Причем некоторые из них, как, например, покрытие, предложенное в работе [5], реализуют принцип разделения функций между слоями. Данная конструкция МП предусматривает наличие верхнего слоя TiN, предназначенного для снижения контактных температур и амплитуды их колебания, и нижнего слоя TiCN, создающего высокие сжимающие напряжения, препятствующие образованию и росту трещин. Недостатками этой конструкции являются низкая трещиностойкость, а также недостаточная прочность сцепления с основой и между слоями и, как следствие, относительно невысокая эффективность.

На основании анализа механизма разрушения твердосплавного режущего инструмента были выдвинуты требования к МП, предназначенному для работы в условиях прерывистого резания. Согласно ИМ, для того, чтобы уменьшить вероятность возникновения трещин, покрытие должно обеспечивать снижение контактной температуры, которая является основной причиной трещинообразования, а также должно иметь высокие остаточные сжимающие напряжения, препятствующие образованию и росту трещин. Для успешного торможения появившихся в процессе работы трещин МП должно включать в состав слои с высокой трещиностойкостью и сочетать слои переменной твердости. Как известно из физики разрушения, слоистые композиции, особенно с чередующимися слоями переменной твердости, наиболее эффективно тормозят трещины [7]. Кроме этого, очевидно, что существенно повысить эффективность РИ с МП возможно только при условии, что примененное покрытие будет длительное время сохраняться на контактных площадках. Необходимыми условиями для этого являются высокая прочность сцепления с основой и внутри МП (прочность сцепления слоев между собой) и наименьший перепад напряжений в процессе резания на границе «покрытие — инструментальная основа». Очевидно, что последнее свойство вступает в противоречие с необходимостью обеспечения высоких сжимающих напряжений в покрытии. Обеспечение таких противоречивых свойств требует создания МП, у которого указанные функции распределены между слоями. Для разработки конструкции МП, то есть определения материалов его слоев и их взаимного расположения и толщины необходимо исследовать напряженное состояние в покрытии при росте в нем трещины, а также изучить механические свойства, как материалов слоев, так и МП в целом.

В работе [7] представлен анализ механизма распространения трещин в гетерогенных средах. Установлено, что в случае, когда трещина пересекает границу слоев при движении из более твердого материала в более мягкий, возникают напряжения, способствующие расслоению слоистой композиции (разрыву слоев в направлении, перпендикулярном их плоскости). В том же случае, когда трещина движется из мягкого в твердый слой, более вероятно разрушение композиции при сдвиге слоев друг относительно друга [7]. Учитывая, что в случае прерывистого резания трещины растут как с поверхности, так и из основы (то есть покрытие пронизывается трещинами с двух сторон), а также имеют место как разрушение сдвигом при движении стружки вдоль поверхности РИ, так и расслоение при отделении «застойной зоны», возможно создание двух принципиальных конструкций МП. Первая (К1) сочетает нижний и верхний мягкие слои и твердый промежуточный слой, а вторая (К2), наоборот, имеет мягкий промежуточный и твердые нижний и верхний слои. С точки зрения процесса трещинообразования обе конструкции равноправны, однако резание сопровождается и другими явлениями, в частности трением и адгезионно-усталостными процессами, оказывающими влияние на механизм разрушения, в связи с чем преимущества той или иной конструкции могут быть выявлены экспериментальным путем. Для определения составляющих слоев были проведен анализ напряженного состояния при росте трещины в различных материалах ИП, а также исследованы их механические свойства (микротвердость, прочность сцепления с основой и трещиностойкость). В результате анализа напряженного состояния было установлено, что наиболее благоприятные условия характерны сложным покрытиям TiCN, TiAlN и, особенно, TiZrN, для которых отмечаются наименьшие величины раскрытия берегов трещины, напряжений перед ее вершиной и больший уровень напряжений сжатия. Результаты исследований механических свойств ИП показали, что наилучшим их сочетанием (высокой микротвердостью, наименьшими коэффициентом отслоения (характеризующим прочность сцепления с основой) и коэффициентом трещиностойкости) обладает ИП TiZrN (табл. 1.). Высокая трещиностойкость сложных покрытий объясняется упрочнением их при введении легирующих элементов (твердорастворное упрочнение), а также созданием слоистых структур с чередованием большого количества тонких слоев TiN, TiZrN и ZrN при осаждении ИП TiZrN из раздельных катодов (микроструктурное упрочнение).

Таблица 1. Трещиностойкость износостойких покрытий.

Коэффициент трещиностойкости определялся на твердомере ТК-2М (нагрузка 1000 Н) как отношение площади разрушенного покрытия вокруг отпечатка алмазного конического индентора к площади «потенциально возможного отслоения» — площади многоугольника, вершинами которого являются концы радиальных трещин.

Таким образом, в результате анализа напряженного состояния в покрытии при трещинообразовании и исследований механических свойств однослойных ИП было выявлено покрытие TiZrN, которое необходимо использовать в составе МП в качестве трещиностойкого барьера.

Как указывалось выше, в процессе резания на РИ воздействуют кроме трещинообразования и другие факторы, для исключения воздействия которых конструкция МП должна включать соответствующие слои. Так для снижения тепловыделения на площадке контакта по передней поверхности с целью уменьшения интенсивности трещинообразования верхний слой МП, контактирующий со стружкой, должен иметь наименьший коэффициент трения в паре с обрабатываемым материалом. В случае обработки заготовок из конструкционных сталей наименьшее трение и, соответственно, тепловыделение характерно для TiN, который необходимо использовать в качестве верхнего слоя МП. Как показано в работах [5, 6], использование ИП TiN позволяет существенно снизить контактную температуру на передней поверхности и амплитуду ее колебания при чередовании рабочего и холостого ходов. Например, если при фрезеровании заготовок из стали 5ХНМ РИ с ИП TiZrN при скорости резания v = 247 м/мин максимальная контактная температура на передней поверхности равна Т = 975? С, то при использовании ИП TiN температура снижается до Т = 873? С [5]. Для снижения влияния отделения «застойной зоны» МП должно обладать высокой прочностью сцепления с основой, чего можно добиться, применяя в качестве нижнего слоя материалы, близкие по свойствам к твердому сплаву, а также осаждая нижний слой при повышенной температуре с целью повышения прочности адгезионной связи. При этом необходимо, чтобы нижний слой МП обладал возможно меньшими остаточными напряжениями для снижения перепада напряжений на границе с основой, так как известно, что наличие резкого перепада напряжений способствует отслоению ИП. Анализ данных физико-химических и теплофизических свойств материалов ИП показал, что наиболее близкими свойствами к твердым сплавам обладает карбонитрид титана TiCN, который имеет период кристаллической решетки, близкий к компонентам твердых сплавов, и схожие значения коэффициентов термического расширения. Также прочность сцепления с основой может быть повышена за счет осаждения нижнего слоя TiN по технологии КТР (комбинированный температурный режим) при высокой температуре конденсации [8]. С учетом проведенных исследований, а также с учетом анализа трещинообразования в слоистых композициях, показанного в работе [7] были предложены следующие возможные варианты МП для условий прерывистого резания:

• 1. TiCN-TiZrN-TiN (конструкция МП в соответствии с вариантом К1).
• 2. TiN-TiZrN-TiN КТР (вариант К1, нижний слой TiN нанесен при высокой температуре конденсации для обеспечения высокой адгезии, верхний — при низкой температуре для повышения износостойкости).
• 3. TiN-TiZrN-TiN (вариант К1, стандартная технология).
• 4. TiZrN-TiN-TiZrN (вариант К2).

В качестве базового МП для сравнения использовалось МП TiCN-TiN, предложенное в работе [5].

Для определения лучшей конструкции МП были проведены исследования механических свойств (микротвердости, прочности сцепления с основой и слоев внутри МП и трещиностойкости) и работоспособности твердосплавного РИ с разработанными конструкциями МП (оценивалась по числу циклов работы до выхода трещин 1-го типа на режущую кромку, до образования сетки трещин 2-го типа на контактной площадке, до разрушения МП на передней поверхности и по интенсивности износа по задней поверхности). Определение прочности сцепления слоев в МП производилось по коэффициенту К_СС, который определялся на твердомере ТК-2М (нагрузка 1000 Н) как отношение видимой площади нижележащего слоя к площади отслоения. Результаты исследований механических свойств МП приведены в табл. 2. Также было проведено математическое моделирование напряженного состояния РИ с МП в пакете ANSYS 5.4. с целью получения информации об уровне и знаке напряжений, возникающих в МП в процессе работы.

Таблица 2. Механические свойства многослойных покрытий.

Анализ результатов исследований механических свойств МП показал следующее. Все трехслойные МП обладают большей микротвердостью, трещиностойкостью и прочностью сцепления с основой по сравнению с двухслойным МП TiCN-TiN, что связано с использованием в их составе сложного нитрида титана-циркония TiZrN. Применение в МП сложного нитрида TiZrN в количестве одного или двух слоев способствует повышению микротвердости особенно в том случае, когда указанный материал лежит ближе к поверхности. Это связано с тем, что индентор прибора при измерении микротвердости в данной случае достигает твердых слоев сложных покрытий. В связи с этим наибольшую микротвердость имеет МП TiZrN-TiN-TiZrN, которому несколько уступает МП TiCN-TiZrN-TiN. Что касается прочности сцепления с основой, то выше адгезия тех МП, у которых в качестве нижнего слоя использованы сложные материалы TiCN, TiZrN, при этом наименьший коэффициент отслоения характерен для МП TiZrN-TiN-TiZrN и TiCN-TiZrN-TiN. Применение технологии КТР при конденсации позволяет снизить отслоение по сравнению с МП, полученным по традиционной технологии (табл. 2), однако большие преимущества в плане хорошей адгезии с основой все же имеют МП со слоями из сложных материалов (сложные нитриды и карбонитриды). Также трехслойные МП обладают большей прочностью сцепления слоев как за счет снижения отслоения при нанесении более тонких слоев, так за счет применения в ряде случаев в их конструкции материала, обладающего большей прочностью сцепления — TiZrN. Наименьшие расслоения отмечаются у МП TiZrN-TiN-TiZrN и TiCN-TiZrN-TiN. На трещиностойкость МП влияет в первую очередь состав слоев, а также их расположение. Наибольшей трещиностойкостью обладают МП, включающие в свой состав слои сложных материалов, которые сами чрезвычайно трещиностойкие.

Математическое моделирование напряженного состояния РИ с МП TiCN-TiN и TiCN-TiZrN-TiN при торцовом фрезеровании со скоростью резания v = 247 м/мин, подачей s_Z = 0,4 мм/зуб, шириной фрезерования В = 20 мм, глубиной резания t = 1,5 мм (обрабатываемый материал — сталь 5ХНМ, инструментальный материал — твердый сплав Т5К10) показало следующее. Для трехслойного МП характерны более высокие сжимающие напряжения на участке слоя TiZrN и в некоторых случаях более плавное изменение напряжений при переходе от слоя к слою. Последнее важно для увеличения прочности сцепления слоев между собой. При этом перепад напряжений на границе с инструментальной основой остался на таком же уровне, как и у двухслойного покрытия. Таким образом, из анализа результатов моделирования можно сделать вывод, что трехслойное покрытие будет более эффективно сдерживать возникновение и развитие трещин благодаря высоким сжимающим напряжениям и в то же время будет иметь высокую прочность сцепления с основой и между слоями.

Исследования работоспособности твердосплавного РИ с МП производились по оценке интенсивности его износа при торцовом фрезеровании заготовок из стали 5ХНМ и по числу циклов работы РИ (по методике, описанной в работе [5]). Испытания производились на вертикально-фрезерном станке 6Р12 на двух режимах резания: Р1 (v = 247 м/мин, s_Z = 0,4 мм/зуб) и Р2 (v = 157 м/мин, s_Z = 0,25 мм/зуб) (в обоих случаях ширина фрезерования В = 20 мм, глубина резания t = 1,5 мм). Для оценки влияния температурных перепадов на работоспособность РИ с МП заготовки обрабатывались также с режимом Р3 (соответствует Р1, но с В = 80 мм). Результаты исследований работоспособности приведены в табл. 3 и 4.

Таблица 3. Работоспособность РИ с МП (В = 20 мм).

Режущая кромка.

В числителе — значение для режима Р1, в знаменателе — для Р2.

Таблица 4. Работоспособность РИ с МП (В = 80 мм).

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы. Среди всех рассмотренных МП, как двухтак и трехслойных, наибольшую работоспособность показало МП TiCN-TiZrN-TiN, ему несколько уступило МП TiZrN-TiN-TiZrN. Покрытие TiCN-TiZrN-TiN имело самые длительные периоды работы до выхода трещин на РК, образования сетки трещин и разрушения МП, а также самый низкий износ по задней поверхности, обусловленный благоприятными условиями работы данного МП за счет снижения интенсивности трещинообразования. Покрытие TiZrN-TiN-TiZrN хотя и имело близкие значения интенсивности износа по задней поверхности, однако разрушалось на передней поверхности более интенсивно, что должно было привести впоследствии к потере работоспособности РИ с ним. Большая интенсивность трещинообразования при работе РИ с этим МП связана с большим тепловыделением из-за применения в качестве верхнего слоя TiZrN вместо TiN. Достаточно длительная сохранность данного МП несмотря на очевидно большую интенсивность тепловых процессов и, соответственно, процессов трещинообразования объясняется высокими механическими свойствами двух слоев TiZrN в его составе, существенно затрудняющих рост трещин даже в условиях резких перепадов температур. При фрезеровании с большей шириной (В = 80 мм), когда интенсивность тепловыделения еще выше (о чем наглядно свидетельствуют яркие цвета побежалости на передней и задней поверхностях РИ) покрытие TiZrN-TiN-TiZrN разрушалось еще более интенсивно по сравнению с МП TiCN-TiZrN-TiN (табл. 4). Следует отметить, что трещинообразование на передней поверхности увеличивает и износ по задней, так как крупные трещины, выходящие на режущую кромку, способствуют быстрому разрушению ИП на задней поверхности и выкрашиванию кромки.

Таким образом, из анализа полученных данных можно сделать следующие выводы. Применение слоев сложного состава, особенно имеющих микроструктурное упрочнение (таких как TiZrN), позволяет существенно повысить работоспособность РИ с МП. Использование слоев сложного состава в трехслойных МП обеспечивает наивысшее повышение работоспособности в случае, когда расположение этих слоев наиболее полно учитывает процессы, сопровождающие процесс прерывистого резания. Лучше данные по работоспособности имеют МП, обладающие высокими механическими свойствами составляющих слоев, обеспечивающие снижение тепловой напряженности процесса резания и длительное время сохраняющиеся на контактных площадках. Соответственно, наивысший результат по работоспособности показало МП TiCN-TiZrN-TiN, сконструированное с учетом анализа напряженного состояния роста трещин в слоях, механических свойств слоев и самого МП, а также теплового состояния режущего клина при резании.

Для достижения наибольшей эффективности применения разработанного МП была проведена оптимизация его конструкции с целью определения толщин слоев. На выбор целесообразных пределов толщин слоев в составе МП влияет ряд факторов. В частности, увеличение толщины ИП свыше 3 мкм приводит к росту коэффициента отслоения, характеризующего прочность сцепления с основой, то есть к снижению прочности адгезионной связи. Также рост толщины ИП сопровождается снижением уровня остаточных сжимающих напряжений. В то же время технологически затруднительно получение качественных покрытий по традиционной технологии толщиной менее 1 мкм. В связи с этим пределы варьирования толщин слоев в составе МП — от 1 до 3 мкм. Для выбора оптимальной конструкции МП были проведены исследования ее влияния на механические свойства, работоспособность и характер разрушения МП. При этом общая толщина МП варьировалась в пределах от 4,5 до 9 мкм, а толщина слоев — от 1 до 3 мкм. Покрытия наносили на установке «Булат — 6Т» на твердосплавные пластины МК8.

Результаты исследования влияния конструкции МП на механические свойства показали, что микротвердость МП определяется толщиной слоя TiZrN и увеличивается с его ростом. На рост микротвердости оказывает влияние толщина верхнего слоя TiN — при снижении его толщины происходит увеличение микротвердости композиции, что объясняется проникновением индентора микротвердомера сквозь TiN до более твердого слоя TiZrN. В целом трехслойное МП обладает большей микротвердостью по сравнению с двухслойным МП (Н_µ = 35,7…38,7 ГПа в зависимости от сочетания толщин слоев для трехслойного и Н_µ = 34,1 ГПа для двухслойного МП). Увеличение толщины слоя TiZrN и снижение общей толщины МП ведет к повышению адгезионной связи с основой, о чем свидетельствует снижение коэффициента отслоения (табл. 5). Для трехслойного МП практически не отмечается отслоения верхнего и промежуточного слоев, в то время как явление расслоения (отделение слоя TiN от TiCN) имеет место для двухслойного покрытия (табл.5.).

Исследования интенсивности износа проводили при обработке заготовок из стали 5ХНМ. Режимы резания: скорость резания v = 157 — 247 м/мин; подача на зуб s_z = 0,25 — 0,4 мм/зуб; ширина фрезерования В = 20 мм; глубина резания t = 1,5 мм. Выявлено, что эффективность конструкции МП зависит от условий обработки и определяется сочетанием его физико-механических свойств. Так, при фрезеровании с высокой скоростью резания и подачей (Р1) наименьшую интенсивность износа (в 1,6 раза ниже по сравнению с двухслойным покрытием) показало МП общей толщиной 6 мкм и равными толщинами слоев по 2 мкм. При фрезеровании с низкой скоростью резания и подачей (Р2) более эффективно МП общей толщиной 4,5 мкм также со слоями равной толщины по 1,5 мкм. Эффективность МП толщиной 9 мкм существенно ниже, причем его разрушение происходило интенсивнее двухслойного МП. Результаты объясняются различной интенсивностью разрушения МП в результате трещинообразования, которое оценивалось по числу циклов до выхода трещин на режущую кромку, образования сетки трещин и разрушения МП. В частности, для МП толщиной 6 мкм при фрезеровании с высокой скоростью резания характерно увеличение числа циклов в 1,5 раза по сравнению с двухслойным ИП (табл. 2). Покрытие толщиной 4,5 мкм менее эффективно сопротивляется трещинообразованию при резании в этих условиях, а при увеличении толщины МП до 9 мкм отмечается резкая интенсификация разрушения слоев МП. Такая зависимость интенсивности трещинообразования от конструкции МП объясняется сочетанием его микротвердости и прочности сцепления с основой (табл. 5). Так, МП толщиной 6 мкм имеет одновременно высокую микротвердость (Н_м = 38,7 ГПа) и низкий коэффициент отслоения (К₀ = 0,21). Двухи трехслойные покрытия различаются и характером разрушения. Например, если для МП TiCN-TiN отмечается разрушение на больших площадях сразу после образования сетки трещин, то МП TiCN-TiZrN-TiN разрушается сначала только вокруг крупных трещин, оставаясь на прочей площади целым более длительное время.

Таблица 5. Механические свойства и трещиностойкость износостойких покрытий.

В скобках указана толщина слоев (мкм).

Проведенные стойкостные испытания подтвердили высокую работоспособность твердосплавного РИ с разработанным трехслойным МП TiCN-TiZrN-TiN. При торцовом фрезеровании заготовок из стали 5ХНМ с режимами резания v = 157 — 247 м/мин, s_z = 0,25 — 0,4 мм/зуб, В = 20 — 80 мм, t = 1,5 мм твердосплавными пластинами МК8 период стойкости РИ с МП TiCN-TiZrN-TiN выше в 1,6 раза по сравнению с РИ с МП TiCN-TiN и в 2,9 — 3,3 раза — по сравнению с РИ с ИП TiN. Повышение периода стойкости по сравнению с РИ без покрытия составило 5,5 — 6,2 раз в зависимости от режима резания. Следует отметить, что наибольшая эффективность отмечалась при работе на более нагруженных режимах резания, которым соответствует большая интенсивность возникновения и развития трещин, и где МП с промежуточным слоем TiZrN может наиболее полно реализовать свое свойство высокой трещиностойкости.

Таким образом, можно сделать вывод, что разработанное с учетом условий прерывистого резания МП TiCN-TiZrN-TiN позволяет существенно повысить период стойкости твердосплавных торцовых фрез и производительность обработку заготовок из конструкционных и низколегированных сталей.

Библиографический список

• 1. Зорев Н. Н. Обработка стали твердосплавным инструментом в условиях прерывистого резания с большими сечениями среза // Вестник машиностроения. — 1963. — № 2.-с.62−67.
• 2. Андреев Г. С. Работоспособность режущего инструмента при прерывистом резании. //Вестник машиностроения. — 1973, — № 5, с. 72−75.
• 3. Кабалдин Ю. Г. Структура, прочность и износостойкость композиционных инструментальных материалов. — Владивосток: Дальнаука, 1996. — 183 с.
• 4. Паладин Н. М. Создание композиционных инструментальных материалов на основе исследования микромеханизмов разрушения твердых сплавов с покрытиями. Автореферат дисс… канд. техн. наук. Москва, 1990.
• 5. Смирнов М. Ю. Повышение работоспособности торцовых фрез путём совершенствования конструкции износостойких покрытий: Дисс. кон. тех. наук, Ульяновск, УлГТУ 2000, 232 с.
• 6. Табаков В. П., Смирнов М. Ю. Принцип формирования покрытий многослойного типа для прерывистого резания. // Сб. материалов МНТК «Фундаментальные и прикладные вопросы технологии машиностроения — Технология — 2001», Орел: ОГУ, 2001, с. 221 — 223.
• 7. Финкель В. М. Физические основы торможения разрушения. М.: Металлургия, 1977. 360с.
• 8. Табаков В. П. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе сложных нитридов и карбонитридов титана. Ульяновск: УлГТУ, 1998. — 123 с.