В современном производстве одной из важнейших задач признается увеличение срока работоспособности режущих инструментов и их стойкости.
увеличение стойкости режущего инструмента и его работоспособности – один из важнейших вопросов. Роль режущего инструмента в технологическом процессе возрастает при обработке деталей, выполненных из закаленных и жаростойких сплавов, высокоскоростном резании — показатели теплосиловых нагрузок значительно увеличиваются, инструмент быстро выходит из строя.
Существует ли материал, способный гарантировать бесперебойную работу и низкий износ режущего инструмента в неблагоприятных условиях? В настоящее время — нет. Каждый сплав обладает как преимуществами, так и недостатками: быстрорежущих сталей достаточно высокая прочность, но твердость и теплостойкость не на высоте, а у режущей керамики, наоборот, твердость и теплостойкость замечательные, а вот прочностью похвастаться эти материалы не могут.
На сегодняшний день наиболее эффективным методом улучшения характеристик режущего инструмента является нанесение на рабочие поверхности специальных покрытий, обладающих необходимыми свойствами. Износостойкие покрытия дают возможность увеличить срок эксплуатации инструмента:
- в 5–10 раз — при работе с конструкционными сталями;
- в 4 раза — при работе с жаропрочными сталями;
- в 1,5–2 раза — при работе с титановыми сплавами.
Основные требования, предъявляемые к упрочняющим покрытиям:
- Покрытие должно иметь постоянную плотность, должно быть сплошным по всей поверхности, защищая тем самым материал инструмента от материала обрабатываемой поверхности.
- Твердость покрытия должна быть выше твердости материала инструмента, также нельзя допустить схватываемость покрытия с материалом обрабатываемой поверхности при любых температурах резания.
- Устойчивость к механическим воздействиям и разрушению при любых характеристиках напряжения и температуры.
- Стабильность свойств покрытия независимо от времени использования инструмента.
- Совместимость основных свойств материала покрытия со свойствами инструмента.
Методы нанесения упрочняющего покрытия:
- Chemical Vapour Deposition — метод химического осаждения (CVD);
- Physical Vapour Deposition — метод физического осаждения (PVD).
PVD — наиболее распространенный способ. Покрытие в данном случае наносится благодаря применению тлеющего или дугового разряда. Преимущества метода: доступность в финансовом плане и высокая производительность. CVD, в свою очередь, требует использования дорогостоящего оборудования и высокочистых химических реагентов, а также предполагает исключительно точное дозирование химикатов.
Состав упрочняющих покрытий
Твердые материалы, которые применяются в упрочняющих покрытиях, классифицируются по типу химической связи между атомами: металлическая, ковалентная, ионная связи характеризуют, соответственно:
- металлоподобные карбиды, силициды, бориды, нитриды переходных металлов;
- бор, алмаз, бориды, нитриды и карбиды бора, кремния и алюминия;
- оксиды бериллия, циркония, хрома, алюминия, титана.
К возможным парам карбид-карбид относятся: TiC-ZrC; VC-TaC; TiC-TaC; TiC-NbC; ZrC-TaC. Карбид-нитрид: VC-VN; VC-NbN; TiC-TiN; TiC-NbN; ZrC-NbN; ZrC-ZrN. Нитрид-нитрид: VN-NbN; TiN-NbN; TiN-ZrN; ZrN-NbN; TaN-CrN.
Нельзя не заметить, что чаще всего место в упрочняющих покрытиях находят соединения на основе нитридов или карбидов. Все дело в том, что именно эти материалы обладают важным критерием — однородной структурой. Изменяя содержание азота, углерода, кислорода, можно изменять как механические, так и физические свойства материала. Таким образом, для любых условий применения можно добиться необходимых качеств покрытия.
Многослойные, в частности, двухфазные покрытия — огромный шаг вперед в деле улучшения свойств материалов режущего инструмента. Для таких покрытий важен характер взаимодействия фаз на границе раздела слоев. Существует три основных вида поверхностей раздела, выявленных в процессе исследований компактных материалов:
- поверхности слабо взаимодействующие между собой (свободные);
- поверхности когерентные (полностью или частично согласованные);
- поверхности, характеризующиеся смешанной (переходной) зоной.
Твердые металлоподобные вещества могут образовывать с металлами и иными металлическими материалами полусогласованные или же согласованные поверхности раздела. Нитриды, а также карбиды переходных металлов способны образовать согласованные поверхности раздела с диборидами. Такие поверхности характеризуются низкой энергией. На их основе создаются двухфазные или многослойные покрытия, основным достоинством которых становится значительно большая сопротивляемость износу, чем у обычных однофазных.
