Инструмент "под прикрытием"
В процессе работы режущего инструмента, основная нагрузка приходится на его рабочую поверхность, что, в конечном счете, приводит к частичному или полному ее износу. Существует ряд технологических способов обработки рабочей поверхности, направленных на ее упрочнение. Наиболее прогрессивным и эффективным из которых является метод нанесения на поверхность инструмента покрытий из более твердых соединений.
В настоящее время разработана широкая гамма различных по составу покрытий, применяемых в различных отраслях машиностроения и трибологии. Универсальные свойства покрытий позволяют использовать их для увеличения износостойкости, снижения коэффициентов трения и защиты от коррозии. Повышение эксплуатационной стойкости режущего и металлообрабатывающего инструмента из быстрорежущей стали и твердых сплавов позволяет снизить дефицит таких материалов, как вольфрам, молибден, кобальт, никель и увеличить срок службы инструмента в 2-10 раз.
Виды покрытий
Однокомпонетные покрытия
Наиболее часто на практике осуществляется синтез нитридных и карбидных соединений – это металлоподобные образования, обладающие высокой твердостью, плавящиеся без разложения на составляющие при высокой температуре.
Таблица 1. Физические свойства различных одноэлементных износостойких покрытий
| Свойства | Материал покрытия | ||||||
| Нитрид титана, TiN | Нитрид циркония, ZrN | Нитрид хрома, CrN | Нитрид гафния, Hf3N4 | Карбид хрома, Cr3C2 | Карбид титана, TiC | Карбид циркония, ZrC | |
| Твердость/ микротвердость | высокая/ 22-27 ГПа | высокая | мягкое покрытие | высокая | высокая | высокая/ 31,7 ГПа | высокая/ 24,5 ГПа |
| Температура плавления, град. | 2950 | 2955 | 1720 | 3330 | 1895 | 3257 | 3530 |
| Плотность, г/см3 | 5,44 | 7,3 | 6,14 | 13,38 | 6,68 | 4,92 | 6,66 |
| Электропроводимость, мкОМ*м | 40 | 18 | 640 | 32 | 2 | 5 | |
| Модуль упругости, ГПа | 620 | 460 | 475 | ||||
Покрытия сложного состава
Поскольку композиционное покрытие для всех групп обрабатываемости создать практически невозможно, каждое из них имеет узкое служебное назначение, обеспечивающее максимальную эффективность при резании металлов конкретной группы обрабатываемости. Анализ наиболее часто применяемых в инструментальной промышленности покрытий сложного состава позволяет выделить следующие преимущества многокомпонентных покрытий по сравнению с однокомпонентными:
- стойкость режущего инструмента с покрытиями сложного состава в зависимости от состава покрытия и условий резания в 1,5-4 раза выше стойкости режущего инструмента с однокомпонентными покрытиями;
- работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями сложного состава определяется параметрами структуры покрытия. Причем, целенаправленно управляя этими параметрами, можно существенно изменить свойства покрытия;
- покрытия сложного состава, благодаря высокой трещиностойкости, прочностным свойствам, высокому уровню сжимающих остаточных напряжений, сдерживают процессы образования и развития трещин. Низкий уровень контактных и тепловых нагрузок в сочетании с более высокой сопротивляемостью процессам трещинообразования, является одной из причин большей работоспособности инструмента с покрытиями сложного состава.
Экономическое обоснование применения покрытий
Использование металлорежущего инструмента с предварительно нанесенными износостойкими покрытиями обеспечивает ряд важных преимуществ:
- повышение производительности обработки резанием на 200-200%;
- увеличение срока службы инструмента до 1,5-10 раз при обработке конструкционных сталей, до 4 раз – при резании коррозионно стойких и жаропрочных сталей, в 1,5-2,5 раза – при обработке титановых и никелевых сплавов;
- снижение расхода сложнопрофильного инструмента вследствие уменьшения количества его переточек.
| Комментарий специалиста |
| Колесник Владимир Петрович, к.т.н., доц., заместитель проректора по науке НАУ им. Н.Е. Жуковского, г. Харьков В каких случаях применяются однокомпонентные покрытия, а в каких – многокомпонентные? Можно ли сказать, что есть универсальное покрытие? Для каждого конкретного случая используется покрытие, которое в наибольшей мере удовлетворяет поставленной задаче. В зависимости от предъявленных требований (тип материала, скорость и глубина резания) и происходит выбор. Однокомпонентные покрытия во многих случаях полностью отвечают поставленной задаче. Их вполне можно использовать вместо многокомпонентных покрытий, тем более, что они значительно дешевле. Это относится и к вопросу об универсальности покрытий. Нет универсальных покрытий. Покрытия и представлены в таком широком выборе, потому что вариантов и нюансов их применения огромное количество. Какие технологии нанесения покрытий обычно используются в Украине? В свое время в Национальном Научном Центре Харьковский Физико-Технический Институт велись работы (и продолжают вестись по сегодняшний день) по разработке технологий упрочнения инструмента средствами плазменно-дуговых методов. Нужно отметить, что ННЦ ХФТИ – родоначальник использования плазменно дуговых методов для упрочнения режущего инструмента. Недостатком дуговых методов генерации потока материала покрытия является наличие большого количества капель, которые значительно снижают качество упрочняющих покрытий на поверхности инструмента. Применением специальных методов (сепарации потока) количество капельной фазы покрытия можно существенно уменьшить. На Западе для этих целей более широкое распространение получили так называемые магнетронные методы осаждения покрытий, которые позволяют существенно уменьшить количество капельной фазы в покрытии. Есть ли перспективные направления? Перспективные направления конечно есть. И те, что уже стали традиционными, и те, что только разрабатываются. В настоящее время в нашем университете разработаны новые типы генераторов плазмы, которые позволяют формировать покрытия из большого количества компонентов при широкой возможности изменения количества каждого из компонентов в покрытии. |
Суздальцева Екатерина
