Повышение стойкости быстрорежущего инструмента за счет вакуумно-плазменной поверхностной обработки

Анализ перспектив развития металлообрабатывающего производства показывает, что обработка резанием остается наиболее предпочтительной для окончательного формирования размеров деталей, несмотря на значительный прогресс в развитии таких альтернативных методов, как точное литье, штамповка и электрофизическая обработка. Такая тенденция обусловлена возрастающими требованиями к точности размеров и качеству обработанных деталей, что в свою очередь, предопределяет совершенствование технологии обработки резанием в направлении интенсификации скорости резания и снижения снимаемого припуска.

В настоящее время развитие металлообрабатывающего производства связано как с созданием нового, так и с совершенствованием имеющегося станочного оборудования, режущего и вспомогательного инструментов.

Режущий инструмент является особым объектом технологии металлообработки. Разнообразные условия эксплуатации и, следовательно, нагружения его режущей части вызывают многообразные виды повреждений и отказов технологической системы, а скорости изнашивания инструмента значительно выше, чем скорости изнашивания деталей и узлов станка. Поэтому работоспособность технологической системы в целом в первую очередь зависит от качества применяемого режущего инструмента.

Несмотря на возрастающее с каждым годом потребление инструмента из твердых сплавов, режущей керамики и сверхтвердых материалов, объем быстрорежущих сталей, использующихся при изготовлении металлообрабатывающего инструмента, нисколько не уменьшается. Сегодня в машиностроительных отраслях промышленности широко используется инструмент из быстрорежущих сталей с различными вариантами износостойких покрытий на основе нитридов, карбидов и карбонитридов тугоплавких металлов. Однако эти покрытия, обладающие отличными служебными характеристиками — высокой микротвердостью, низким коэффициентом трения и инертностью по отношению к обрабатываемому, материалу, зачастую преждевременно разрушаются, особенно под воздействием циклических термомеханических нагрузок, возникающих в процессе прерывистого резания, что резко снижает эффект от применения инструмента с покрытием.

В большинстве случаев разрушение системы покрытие-подложка начинается с пластической деформации подложки вблизи границы раздела, когда эта система подвергается достаточно высокому нагружению и таким образом, сопротивление нагрузке существенно зависит от поверхностных свойств подложки. Формирование на поверхности быстрорежущей основы перед нанесением покрытия диффузионного слоя, обладающего высокой твёрдостью и теплостойкостью, будет увеличивать сопротивление режущего клина термомеханическим нагрузкам. Создание такого слоя методом ионного азотирования с последующим нанесением более твёрдого покрытия вакуумно-дуговым способом является одним из вариантов комбинированной вакуумно-плазменной обработки и позволяет получить слоистый композит с уникальной комбинацией свойств.

Первые исследования по созданию таких комбинаций, начались в нашей стране более двадцати лет назад на кафедре «Резание материалов» МГТУ «СТАНКИН» под руководством д.т.н., проф. Верещака А. С. и показали высокую эффективность быстрорежущего инструмента с такой обработкой. Главной преградой для широкого производственного освоения разработанных принципов комбинированной обработки, была высокая себестоимость процесса из-за необходимости проведения двух последовательных технологических циклов вакуумно-плазменной обработки на разном оборудовании, что делало использование такой технологи экономически нецелесообразным.

К настоящему моменту в России на основе вакуумно-дуговых источников плазмы созданы и успешно эксплуатируются образцы современного многофункционального оборудования, позволяющего в одном технологическом цикле, без перезагрузки обрабатываемых изделий производить все этапы комбинированной обработки: нагрев и очистку инструмента, ионное азотирование и нанесение вакуумно-плазменных покрытий.

В связи с этим оптимизация процесса вакуумно-плазменной обработки с целью формирования на поверхности быстрорежущего инструмента слоя, обеспечивающего минимальную интенсивность изнашивания инструмента, а также определение условий рациональной эксплуатации инструмента с вакуумно-плазменной обработкой, снова представляется чрезвычайно актуальным.

На основании изложенного была сформулирована основная цель работы, которая заключается в повышении стойкости быстрорежущего инструмента на двух различных по характеру нагрузок процессов резания — непрерывного (точения) и прерывистого (фрезерования) за счет вакуумно-плазменной поверхностной обработки, включающей процессы азотирования и нанесения износостойкого покрытия.

Настоящая работа является продолжением ряда работ, выполненных в Московском государственным технологическом университете «СТАНКИН».

Научная новизна работы заключается:

— в установлении влияния содержания аргона в газовой среде на структуру поверхностного слоя быстрорежущей стали при азотировании в плазме двухступенчатого вакуумно-дугового разряда;

— в математических зависимостях, учитывающих факторы времени, температуры, состава газовой среды при азотировании, времени последующего процесса осаждения покрытия и их влияние на износ инструмента при непрерывном точении и прерывистом фрезеровании.

Практическая ценность работы состоит:

— в рекомендациях по выбору режимов вакуумно-плазменной обработки инструмента, обеспечивающих минимальную интенсивность изнашивания быстрорежущего инструмента при точении и фрезеровании;

— в рекомендациях по назначению режимов эксплуатации быстрорежущего инструмента с вакуумно-плазменной обработкой, обеспечивающих максимальную производительность инструмента на операциях точения и фрезерования.

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки МГТУ «СТАНКИН», на Международных научно-технических конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью — 2001» в Звенигороде, «Производство. Технология. Экология — 2001» в Москве, а также были удостоены бронзовой медали и диплома 30-го Международного салона изобретений, новой техники и товаров (Швейцария, г. Женева, 2002 г.) и серебряной медали и диплома II московского международного салона инноваций и инвестиций (г. Москва, ВВЦ, 2002 г.).

Производственное внедрение результатов работы осуществлено в рамках контрактов на поставку технологии и оборудования для комбинированной ионно-плазменной обработки, заключенных МГТУ «СТАНКИН» с ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение» (2001г.) и инструментальным производством ОАО «АВТОВАЗ» (2003г.).

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы зав. кафедрой «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н. С. Н. Григорьеву, а также преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» за помощь, оказанную при выполнении работы.

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Стойкостные испытания показали, что вакуумно-плазменная обработка, включающая процессы азотирования и нанесения покрытия TiN, является эффективным способом повышения стойкости быстрорежущего инструмента. Установлено, что азотирование в сочетании с нанесением покрытия TiN по сравнению с нанесением однослойного покрытия TiN, позволяет повысить стойкость инструмента из стали Р6М5 до достижения катастрофического износа при точении стали 45 в 2,6 раза и в 2,9 раза при фрезеровании.

2. Сравнительные исследования природы затупления инструмента с азотированным слоем в сочетании с покрытием TiN и инструмента только с покрытием TiN при точении и фрезеровании стали 45 показали, что механизм изнашивания и причины отказа обоих инструментов одинаковы, но в случае формирования перед нанесением покрытия азотированного слоя, интенсивность изнашивания инструмента резко снижается. Это связано с тем, поверхностный слой, формируемый азотированием с нанесением покрытия TiN, более эффективно, чем однослойное покрытие TiN тормозит развитие лунки износа по передней и фаски износа по задней поверхности инструмента.

3. Исследования влияния процентного содержания инертного газа (аргона) в составе газовой среды при азотировании на структуру поверхностного слоя быстрорежущей стали Р6М5 показали, что азотирование в газовой среде, содержащей 60% азота и 40% аргона, позволяет подавить образование на поверхности 8 — фазы и обеспечивает минимальную интенсивность изнашивания инструмента при точении. В случае азотирования в газовой среде, содержащей 30% азота и 70% аргона, удается подавить образование на поверхности не только 8 — фазы, но и у'-фазы и получить азотированной слой, состоящий только из азотистого мартенсита. Такая структура является оптимальной для инструмента, работающего в условиях прерывистого резания.

4. С помощью разработанных математических зависимостей, учитывающих влияние факторов вакуумно-плазменной обработки на износ инструмента при точении и фрезеровании, расчетным путем были определены оптимальные режимы процесса вакуумно-плазменной обработки (время азотирования тА, температура азотирования 0А, концентрация азота в газовой смеси с аргоном KN при азотировании и время последующего процесса осаждения покрытия TiN тп), обеспечивающие минимальный износ инструмента.

5. На основе обработки результатов стойкостных и металлографических исследований установлено, что износостойкий слой, обеспечивающий минимальную интенсивность изнашивания быстрорежущего инструмента при обработке стали 45, соответствует следующим характеристикам. При непрерывном точении: эффективная толщина азотированного слоя hA ~ 50 — 55 мкм с микротвердостью Нпзо ~ 1220 — 1240 кгс/мм2 при толщине нитридо-титанового покрытия hn = 6 мкм. При прерывистом фрезеровании: эффективная толщина азотированного слоя hA ~ 30 — 35 мкм с микротвердостью Нп30 ~ 1080 — 1100 кгс/мм2 при толщине нитридо-титанового покрытия hn = 4 мкм.

6. На основе проведенных экспериментов, определены режимы эксплуатации быстрорежущего инструмента с вакуумно-плазменной обработкой, включающей азотирование и нанесение покрытия TiN, обеспечивающие максимальную производительность инструмента на операциях точения и фрезерования стали 45. Установлено повышение производительности инструмента с азотированием и покрытием TiN при точении в 1,5 раза, а при фрезеровании в 1,8 раза по сравнению с инструментом с покрытием TiN без азотирования.