Особенности применяемых материалов
Каждый сплав для производства режущего инструмента обладает преимуществами и недостатками: у быстрорежущих сталей 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.
Повысить долговечность изделий позволяют износостойкие покрытия для режущего инструмента. Составы наносятся на поверхность продукции, кратно продлевают срок ее службы.
- 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.
Рис. 1 Примеры защитного покрытия на поверхности сверл
Какими параметрами должны обладать защитные составы?
Покрытия фрез, сверл и прочего режущего инструмента обязаны соответствовать следующим требованиям.
- Стабильная плотность, сплошное распределение по всей поверхности инструмента.
- Твердость выше твердости материала инструмента. Нельзя допустить схватываемость покрытия с материалом обрабатываемой поверхности при любых температурах резания.
- Стабильность свойств покрытия независимо от времени использования инструмента.
- Устойчивость к механическому воздействию и разрушению при любых характеристиках напряжения и температуры.
- 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).
Каждый метод имеет собственные преимущества и недостатки
Преимущества и недостатки PVD и CVD
Нанесение защитного состава методом PVD – распространенная практика среди производителей. Покрытие режущего инструмента формируется благодаря применению тлеющего или дугового разряда. Это обеспечивает высокую скорость и качество обработки.
Преимущества PVD:
- нанесение при щадящей температуре, минимальные требования к материалу-основанию;
- широкая распространенность;
- толщина покрытия – 5 мкм, что гарантирует сохранение остроты кромки.
Недостатки PVD:
- высокие требования к навыкам персонала;
- применение дорогостоящего оборудования.
Метод CVD построен на использовании высокочистых химических реагентов, предполагает исключительно точное дозирование химикатов.
Преимущества CVD:
- возможность создания уникальных покрытий;
- многослойное нанесение защитного состава, вплоть до 18 слоев.
Недостатки PVD:
- высокий нагрев заготовки в процессе обработки;
- риск образования хрупких фаз на поверхности инструмента;
- значительная толщина покрытия, снижающая остроту рабочей кромки;
- высокие требования к точности дозирования реагентов.
Каждый тип покрытий оптимален для определенного инструмента. Например, защита по методу CVD станет отличным решением для термостойких сверл, работающих с чугунами и легированными сталями. Для инструмента, взаимодействующего с листовым металлом и нержавейкой, больше подойдет покрытие PVD ввиду сохранения остроты рабочей части.
Твердый сплав
Наряду с перечисленными покрытиями производители применяют твердые сплавы. Они изготавливаются из карбида вольфрама и кобальтовой связки. Массовая доля первого превышает 80%. Материал получают путем прессования или экструзии. Изготовленные инструменты обладают высокой прочностью и температурной стойкостью.
Рис. 2 Структура твердого сплава под микроскопом
Состав упрочняющих покрытий
Твердые материалы, применяемые в упрочняющих покрытиях, классифицируются по типу химической связи между атомами.
- Металлическая: металлоподобные карбиды, силициды, бориды, нитриды переходных металлов.
- Ковалентная: бор, алмаз, бориды, нитриды и карбиды бора, кремния и алюминия.
- Ионная: 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.
Нередко место в упрочняющих покрытиях находят соединения на основе нитридов или карбидов. Это обусловлено однородной структурой и простотой работы с материалом. Изменяя содержание азота, углерода и кислорода, можно корректировать механические и физические свойства покрытия, создавать оптимальные решения для инструментов всех групп.
Таблица №1 Параметры типовых покрытий, применяемых производителями
Определить параметры покрытия, которым обработано сверло, можно по его цвету. Для получения подробной информации о способах идентификации защитных составов воспользуйтесь ссылкой.
Составы, применяемые для сверл и фрез
Защитные покрытия для сверл и фрез представлены следующими решениями.
- AlCrN – хромонитрид алюминия.
- AlCrSiN – нитрид алюминия-хрома-кремния.
- TiAlN – нитрид титана, легированный алюминием.
- TiAlCrSiN – нитрид титана-алюминия-хрома-кремния.
Покрытия наносятся методом напыления, формируют высокопрочный защитный слой. Возможно использование нанокомпозитных составов, сохраняющих устойчивость при нагреве до 1 400 градусов.
Многослойные покрытия
Многослойные, в частности, двухфазные покрытия — огромный шаг вперед в деле улучшения свойств 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 и карбиды переходных металлов образуют 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 однофазных решений.
