загрузка...
 
2.7. Роль та ефективність застосування зносостійких покриттів
Повернутись до змісту

2.7. Роль та ефективність застосування зносостійких покриттів

Досвід експлуатації інструментів з покриттям дозволяє визначати й умови, при яких досягається найбільше підвищення їхньої працездатності. Ефективність покриттів  визначальною мірою залежить не тільки від їхніх властивостей (твердості, термостабільносты, хімічної інертності до оброблюваного матеріалу, стійкості до утворення лунки зношення, розміру зерна та ін. (табл. 6.2), які змінюють характер перебігу контактних процесів при різанні, але й можливої зміни властивостей матриці (основи) у процесі нанесення покриття, що супроводжується зміною в першу чергу його міцнісних характеристик.

Таблиця 6.2 – Ефективність покриттів залежно від їхніх властивостей

Властивості покриттів

Покриття

за спаданням ефективності

Термостабільність, хімічна інертність до конструкційної сталі, стійкість до утворення лунки зношення

Al2O3; TiN; TiC

Твердість

TiC; TiN; Al2O3

Стійкість до зношення при обробці конструкційної сталі

Al2O3; TiC; TiN

Коефіцієнт тертя щодо конструкційних сталей

TiN; Al2O3; CTi

Мінімально допустимий розмір зерна

TiN; TiC; Al2O3

Для високотемпературних методів нанесення покриттів найбільш характерними процесами, які призводять до сильних змін властивостей твердосплавної матриці, є дифузійна взаємодія конденсату і твердого сплаву, а також тепловий вплив на його структуру за об?ємом У результаті при осадженні покриття на твердий сплав змінюються не тільки його поверхневі властивості (мікротвердість, стійкість проти окислювання, опірність мікроруйнуванню та .ін.), але й властивості, які проявляються в об?ємі всього матеріалу (в'язкість руйнування, міцність, мікроповзучість тощо). Процес фізичного осадження покриттів відбувається при значно менших температурах, тому він впливає лише на поверхневі структури і мікрогеометрію інструментульного матеріалу.

Слабка дифузійна взаємодія покриттів, отриманих методом ФОП, і інструментульної матриці є головною причиною меншої міцності їхнього зчеплення у порівнянні з міцністю зчеплення матеріалу і покриття, отриманого методами хімічного осадження покриттів (ХОП). Ця обставина визначає специфічну область використання інструментів з покриттями, які одержані цими методами.

Сприятлива зміна властивостей інструментульної матриці після нанесення покриття приводить до істотного поліпшення експлуатаційних характеристик інструменту і до збільшення його працездатності. Наприклад, при більшій мікротвердості і теплостійкості, збільшенні стійкості проти окислювання спостерігається зростання зносостійкості контактних площадок інструменту. Стабілізація міцнісних властивостей інструментульного матеріалу, зростання опірності контактних площадок макро- і мікроруйнуванню в умовах дії стосовно високих напруг і температур, особливо якщо вони мають змінний характер, приводять до поліпшення різальних властивостей інструменту і збільшення його експлуатаційної надійності.

Таким чином, існує взаємозв'язок між зміною основних властивостей інструментульного матеріалу при нанесенні покриття, характером перебігу контактних процесів при різанні і основними експлуатаційними характеристиками різального інструменту (рис. 1.46).

Широке промислове використання різального інструменту зі зносостійким покриттям дозволяє вирішувати такі завдання:

1) підвищення стійкості і надійності металорізального інструменту;

2) збільшення продуктивності процесів обробки деталей різанням;

3) скорочення питомих витрат дорогих інструментульних матеріалів і гостродефіцитних елементів (вольфрам, молібден, тантал, кобальт) для їхнього виготовлення;

4) розширення ефективної області використання твердих сплавів і скорочення номенклатури застосовуваних сплавів стандартних марок;

5) збільшення якості поверхневого шару і точності розмірів оброблених деталей;

6) поліпшення оброблюваності складнолегованих сталей і сплавів;

7) підвищення різальної здатності інструментів, виготовлених з низьколегованих матеріалів.

При обробці матеріалів зносостійкі покриття дозволяють на 20-30% збільшити швидкість різання, а отже, і продуктивність  при одночасному підвищенні стійкості інструменту. Найбільший ефект застосування інструментів досягається при різанні з малими (а<0,05 мм) і середніми (а=0,1 - 0,25 мм) значеннями товщини зрізу. У першому випадку - за рахунок підвищення зносостійкості задньої поверхні інструменту, а в другому випадку - за рахунок гальмування ззростання лунки зносу на передній поверхні.

При товщинах зрізу а=0,05 - 0,1 мм, а також а>0,3 мм покриття інтенсивно руйнується: у першому випадку через високі навантаження на покриття з боку задньої поверхні, а в другому - з боку передньої поверхні. Ці рекомендації необхідно враховувати при призначенні режимів різання.

Інструменти зі швидкорізальної сталі з покриттями показують значне підвищення стійкості при різних видах обробки вуглецевих, конструкційних і низьколегованих сталей, а також сірих чавунів низкої і середньої твердості. Разом з тим при обробці титанових і жароміцних сплавів на основі нікелю, високолегованих і високоміцних сплавів ефективність від застосування швидкорізальних інструментів з покриттям істотно нижча, а в ряді випадків стійкість може навіть знижуватися.

Твердосплавні пластини з покриттями з карбіду і нітриду титану ефективні для більшості найпоширеніших видів обробки різанням конструкційних сталей і сірих чавунів, особливо для точіння, а також чистового і напівчистового фрезерування з помірними подачами.

При важких умовах різання, коли спостерігаються викришування та відколи і на сплавах без покриттів ефективність пластин зі зносостійкими покриттями знижується. Результати випробування пластин з різними покриттями при обробці важкооброблюваних матеріалів різних груп оброблюваності показують, що чим важче обробляється матеріал різанням (чим вища група оброблюваності), тим менше проявляється ефект покриття.

Необхідно відзначити, що, незважаючи на більш високу вартість інструментів з покриттям, витрати споживача на обробку одиниці продукції у порівнянні з аналогічними витратами при застосуванні непокритих інструментів нижчі завдяки підвищенню або стійкості інструменту, або швидкості різання та продуктивності обробки.

У промислово розвинених країнах випуск СМП зі зносостійкими покриттями становить 60-90% від загального випуску твердосплавних пластин і близько 70% усіх типів інструментів зі швидкорізальної сталі.

Ефективність застосування зносостійкого покриття значною мірою залежить від його товщини, вибір оптимального значення якої багато в чому визначається не лише складом покриття і його міцністю (крихкістю), але також і умовами перебігу процесу різання та фізико-хіміко-механічними властивостями власне самої інструментульної матриці. Наприклад, ефективність покриттів зростає зі збільшенням твердості матриці та її здатностей опиратися термопластичній деформації.

Значною мірою  на товщину покриття впливають умови перебігу процесу різання. З одного боку, «товсте» покриття помітно підвищує зносостійкість інструментульної матриці за рахунок зростання твердості, температурної стійкості проти окислення і корозії, зростання пасивності інструментульного матеріалу проти твердофазних і рідкофазних дифузійних реакцій з оброблюваним матеріалом, зниження граничної адгезії. З іншого боку, зростання товщини покриття приводить до помітного збільшення кількості дефектів в об'ємі покриття, причому таких небезпечних дефектів, як макро- і мікропори, мікротріщини, нестехіометрія (ступінь сталості) складу, неоднорідність зерна та зростання його розміру по перетину покриття  залежно від віддалення від матриці і ін. Таким чином, зі збільшенням товщини покриття різко зростає ймовірність появи того або іншого небезпечного дефекту, що може призвести до динамічного руйнування покриття. Звідси й зв'язок оптимальної товщини покриття з умовами перебігу процесу різання.

Рисунок 2.17 - Вплив товщини hп покриття на середню стійкість Тсер твердосплавних інструментів при точінні (1, 3, 4) сталі 45 (1, 4) і чавуну СЧ32 (3) і фрезеруванні сталі 40Х (2, 5, 6) пластинами:

1 - ВК6 - TiС ГТ (v =150 м/хв; S=0,15 мм/об; t=1 мм);

2 -ТТ10К8Б – TiN КІБ (v =170 м/хв; Sz=0,32 мм/об; t=2 мм; z=1; В=140 мм);

3 - ВК6 - TiC ГТ (v =130 м/хв; S=0,15 мм/об; t=2 мм);

4 -Т5К10 – TiС ГТ (v =170 м/хв; Sz=0,32 мм/об; t=2 мм; z=1; В=140мм);

5 - ТТ10К8Б – TiС ГТ (v =170 м/хв; Sz=0,32 мм/об; t=2 мм; z=1; В=140 мм);

6 – ВК6 – TiN КІБ (v =170 м/хв; Sz=0,32 мм/об; t=2 мм; z=1; В=140 мм)

Для квазістаціонарних процесів різання з утворенням зливних стружок (тобто процесів, що відбуваються при високих швидкостях різання, малих товщинах зрізу при обробці пластичних матеріалів) товщина покриттів може бути гранично збільшена. Для нестаціонарного і переривчастого різання (тобто при формуванні дискретних типів стружок, у виражених адгезійно-втомних процесах при різких коливаннях за часом швидкості, перетину зрізу, напруг і температур) товщину покриттів необхідно знижувати через їхню здатність до крихкого руйнування. Наприклад, оптимальна товщина покриття  TiС ГТ (рис. 2.17) знижується до 5,0 - 7,0 мкм  при точінні чавуну (крива 3) і збільшується до 6,0 - 10 мкм при точінні сталі (криві 1 і 4). При цьому покриття TiС більш ефективне на сплаві ВК6 (криві 1 і 3), ніж на сплаві Т5К10 (крива 4): при оптимальній товщині 8 мкм для пластин із ВК6 їхня стійкість в 1,5 - 2,0 рази вища, ніж для пластин з Т5К10 з оптимальною товщиною покриття 6 мкм.

Таким чином, товщина покриття є параметром, який підлягає оптимізації в кожному конкретному випадку. У загальному випадку оптимальні товщини покриттів для твердосплавних інструментів широкої області використання наведені в табл. 2.3.

Таблиця 2.3 - Оптимальні товщини покриттів для твердосплавних пластин

Покриття

hп, мкм, для твердосплавних пластин

ВК6

Т5К10

ТТ10К8Б

ВК6

ТТ10К8Б

ТТ7К12

Точіння

Фрезерування

Чавун

Сталь

Сталь

TiC ГТ;  TiCN ГТ; TiN ГТ; TiC-TiCN-TiN ГТ

4 - 6

6 - 8

3 - 6

TiC ДТ

8 - 10

14 - 18

6 - 10

TiN КИБ; ZrN КИБ; (Ti-Cr)N КИБ; MoN КИБ; CrN КИБ

6 - 8

6 - 8

3 - 5

Для операцій переривчастого різання (фрезерування, зубодовбання, стругання та ін.) екстремальний характер залежності стійкості від товщини покриття проявляється в значно більшому ступені, ніж для безперервного різання, причому оптимальне значення товщини покриття зрушується в менший бік (рис. 2.17 криві 2, 5 й 6). Так, для покриття TiС ГТ це значення перебуває в межах 2,5 - 3,0 мкм (крива 5), для покриття TiN КІБ оптимальна товщина покриття коливається в межах 4,0 - 6,0 мкм (криві 2 і 6).

 

У табл. 2.4 представлений рекомендований склад покриттів для широкого діапазону умов обробки і гами оброблюваних матеріалів.

Таблиця 2.4 - Покриття, рекомендовані для різального інструменту

Оброблюваний матеріал

Операція

Інструментульний матеріал основи

Рекомендований склад покриттів

V, м/хв

Кст

1

2

3

4

5

6

Конструкційні сталі

(45, 40Х, 38ХС, 35ХГА, ШХ15

та ін.)

Точіння

Т5К10,

ТТ10К8Б, МС221

TiC-TiCN-TiN,

TiC- TiN,

(Ti-Cr)N,

TiC-Al2O3,,,….

200 - 280

(150-200)

3-5

Р6М5

TiN, (Ti-Al)N,

(Ti-Cr)N

60 - 100

(40 - 70)

2-4

Фрезерування

ТТ7К12, МС146

TiC-TiCN-TiN,

(Ti-Cr)N,

(Ti-Mo)N

140 - 200

(100 - 150)

2,5-3

Р6М5

TiN

(Ti-Al)N

50 - 80

(20 - 60)

2-3

1

2

3

4

5

6

Чавуни

Точіння

ВК6,

ВК10-ХОМ, МС321

TiC-TiCN-TiN,

(Ti-Cr)N,

TiC-Al2O3- -TiN

160 - 250

(120 - 180)

3-5

Фрезерування

Р6М5

TiCN,

(Ti-Al)N

40 - 80

(20 - 60)

2-2,5

Аустенітні сталі

(Х18Н10Т,Х18Н12Т,

Х23Н18, Х15Н5

та ін.)

Точіння, фрезерування

ВК6-М, ВК6

ВК10-ХОМ

Р6М5К5,

Р12Ф4К5

 

TiC-TiCN-TiN

(Ti-Mo)N

(Ti-Cr)N, TiCN,

(Ti-Al)N

(Hf-Zr-Cr)N

150 - 180

(120 - 150)

15 - 30

(10 - 20)

 

2-2,8

1,5-2,2

 

 

Жароміцні деформівні сплави (ХН608, ХН77ТЮ, ХН35ВТЮ та ін.)

Точіння

ВК6, ВК8

ВК10-ХОМ

 

TiCN,

(Ti-Al)N,

(Ti-Cr)N,

(Ti-Mo)N

25 - 60

(20 - 45)

1,8-2,5

1

2

3

4

5

6

Сплави на титановій основі

Точіння, фрезерування

ВК6, ВК8

ВК10-ХОМ

(Ni-Zr)N

(Ti-Cr)N

(Mo-Zr)N

50 - 100

(40 - 60)

1,8-2,5

Примітка. 1 У колонці «5» без дужок зазначені швидкості різання інструменту з покриттям, у дужках - без покриття. 2. Кст – коефіцієнт підвищення стійкості: визначається як відношення середнього значення періоду стійкості інструменту з покриттям до відповідного значення стійкості інструменту без покриття

Максимальна ефективність різального інструменту зі зносостійкими покриттями, які мають оптимальну величину, досягається на швидкостях різання, що перевищують на 20 - 60% швидкості різання для звичайного інструменту. При цьому доцільно використовувати низькі і середні значення подач.

Можливість використання більш високих швидкостей різання для інструменту з покриттям пов'язана зі зниженням рівня термомеханічного нагруження контактних площадок леза (зменшення температур, тертя, контактних напруг, фізико-хімічних процесів).

Ефективність різального інструменту з покриттям  значною мірою визначається оптимальністю його складу для заданих оброблюваного матеріалу і вимог до обробки.

Таким чином, застосування інструментів зі зносостійкими покриттями дозволяє вирішувати досить широку гаму технологічних завдань щодо підвищення ефективності процесу обробки: підвищення продуктивності праці, зниження трудомісткості виготовлення виробів, а отже, і зниження їхньої собівартості; підвищення надійності різальних інструментів; підвищення точності і якості оброблених поверхонь тощо.



загрузка...