покрутия. Износостойкие покрытия. 2. Виды износа кромок режущего инструмента Абразивный износ
 Скачать 21.15 Kb.
|
|
Содержание: 1. Введение 2. Виды износа кромок режущего инструмента 2.1. Абразивный износ 2.2. Термический износ 2.3. Химический и механический износ 3. Физический способ нанесения износостойкого покрытия 3.1. Преимущества и недостатки PVD покрытий 3.2. Область применения PVD покрытий 4. Химический способ нанесения износостойкого покрытия 4.1. Преимущества и недостатки CVD покрытий 4.2. Область применения CVD покрытий 5. Износостойкие покрытия 6. Способы упрочнения 7. Заключение 1. Введение. Инструментальный материал образует режущую кромку всех режущих инструментов. Он влияет не только на надёжность процесса обработки, но также на его производительность. Режимы резания и стойкость инструмента, которые зависят от износостойкости и прочности режущей кромки, определяют время цикла обработки, число остановов станка, гибкость и, в конечном счёте, производительность механического цеха. Первые серийные образцы сменных многогранных пластин с износостойкими покрытиями компания Sandvik Cоromant продемонстрировала еще в 1969 году. С тех пор развитие всех инструментальных материалов идет в основном по пути совершенствования методов нанесения покрытий с целью управления их химическим составом, структурой для обеспечения наилучшего сочетания свойств покрытия и основы в различных областях применения. Сегодня абсолютное большинство сменных многогранных пластин выпускается с покрытием, следовательно, разработки в этой области имеют огромное значение для повышения производительности. Существенное усовершенствование двух основных процессов нанесения покрытия и свойств материалов привело к созданию новых сплавов, которые дополняют друг друга, как никогда прежде. 2. Виды износа режущего инструмента Чтобы понять преимущества и недостатки каждого инструментального материала, важно иметь представление о различных механизмах износа, которым подвержены изготовленные из них режущие инструменты и пластины. Износ пластин характеризуется избыточными локализованными повреждениями как на передней, так и на задней поверхностях на уровне глубины резания. 2.1. Абразивный износ: 1) Износ по задней поверхности – это самый распространенный и самый предпочтительный тип износа, так как срок службы инструмента при таком износе обычно предсказуемый и стабильный. Износ по задней поверхности происходит из-за истирания, вызываемого твёрдыми компонентами материала заготовки. 2) Наростообразование – возникает из-за приваривания стружки в пластичном состоянии к пластине. Наиболее распространён при обработке вязких материалов, таких как низкоуглеродистая сталь, нержавеющая сталь и алюминий. Наростообразование повышается с уменьшением скорости резания. 3) Образование проточин – возникает из-за адгезии и деформации закалённой поверхности. Распространенный тип износа при обработке нержавеющей стали и жаропрочных сплавов. 2.2. Термический износ: 1) Пластическая деформация имеет место при размягчении материала инструмента. Это происходит тогда, когда температура резания оказывается слишком высокой для определенного сплава. Как правило, стойкость к пластической деформации повышается при использовании более твёрдых сплавов и более толстых покрытий. 2) Термотрещины возникают, когда температура режущей кромки быстро изменяется с высокой на низкую. Термотрещины нередко появляются при прерывистом резании, часто возникают при фрезеровании и усугубляются при использовании СОЖ. 2.3. Химический и механический износ: 1) Лункообразование локализуется на передней поверхности пластины. Оно возникает из-за химической реакции между материалом заготовки и режущим инструментом. Чрезмерное лункообразование ослабляет режущую кромку и может привести к поломке. 2) Сколы на режущих кромках это результат механических перегрузок на растяжение. Перегрузки на растяжение могут возникать по ряду причин, таких как слишком большая глубина резания или слишком высокая подача, твердые включения в материале заготовки, наростообразование, вибрации, чрезмерный износ пластины. 3. Физический способ нанесения износостойкого покрытия Различают 2 способа нанесения износостойкого покрытия: Физический (PVD) Химический (CVD) PVD покрытия (сокр. от английского physical vapour deposition – физический процесс осаждения паров) используются для того, чтобы снизить растягивающие напряжения в материале за счет возникновения напряжения сжатия. Сжимающие напряжения повышают прочность режущих кромок и их устойчивость к образованию термических трещин. Эффект достигается благодаря процессу нанесения покрытия, который аналогичен образованию льда на дороге, в результате чего образуются более острые, прочные и надежные режущие кромки. Это, к примеру, обеспечивает огромные преимущества на операциях торцевого фрезерования, когда врезание и выход фрезы сопровождаются высокими ударными нагрузками. PVD покрытия получают путём осуществления физической реакции при относительно низких температурах (400–600 °C). К типовым покрытиям относятся нитриды, карбонитриды, оксиды и оксинитриды. Исходные металлы, обычно титан и алюминий в различных пропорциях, испаряют в атмосфере азота, и на поверхности режущего инструмента образуется тонкий слой нитридного покрытия. 3.1. Преимущества и недостатки PVD покрытий Преимущества: Во-первых, PVD реализуется при принципиально более низких температурах от 400 до 600 °С, что позволяет покрывать как твердосплавные пластины, так и инструменты из быстрорежущих сталей и даже просто детали машин, работающие в условиях интенсивного трения. Во–вторых, покрытие PVD может быть нанесено на острую кромку и вследствие равномерного характера осаждения не вызывает ее притупления. Таким образом, данный тип покрытий может с успехом использоваться для мелкоразмерных концевых инструментов. В России широкое промышленное применение получили PVD-способы нанесения защитных покрытий на режущий инструмент. Это связано с тем, что технологии CVD предполагают использование дорогостоящих высокочистых химических реагентов и точный контроль продуктов химических реакций в рабочей камере. А нанесение PVD покрытий при помощи дугового или тлеющего разряда обладает большей производительностью и не столь чувствительно к незначительным отклонениям технологических параметров. Недостатки: Однако, тонкий слой покрытия PVD (1-3, 5 мкм) не может соперничать с более мощными покрытиями СVD, суммарная толщина слоев которых может достигать 20 мкм, поэтому по сей день уступает им долю рынка сменных неперетачиваемых пластин. 3.2. Область применения PVD покрытий Сплавы с покрытием PVD рекомендуются для получения прочных, но острых режущих кромок, а также для обработки материалов, подверженных образованию нароста. Сплавы имеют широкую область применения: все цельные концевые фрезы и свёрла, а также большинство пластин для обработки канавок, резьбы и фрезерования. Широко используются в чистовой обработке и в качестве материала центральной пластины сверл, также используются для устранения образования проточин и выкрашивания вне зоны резания. Также наблюдается высокая эффективность обработки чугунов, углеродистых, нержавеющих и жаропрочных сталей 4. Химический способ нанесения износостойкого покрытия CVD покрытия (сокр. от английского chemical vapour deposition – химический процесс осаждения паров) характеризующиеся низкими внутренними напряжениями и требующие незначительной последующей обработки пластин, позволили создавать более износостойкие пластины с покрытием большой толщины. Это свойство прежде всего полезно на операциях, где существует большой риск разрушения режущей кромки от тепловых и химических нагрузок. Также обеспечивается высокая прогнозируемая стойкость пластины даже при работе с повышенной скоростью резания. Благодаря этому операции черновой фрезерной и токарной обработки стали более производительными. CVD покрытия состоят из карбонитрида титана (TiCN), оксида алюминия (Al2O3) и нитрида титана (TiN) в различных пропорциях. Они образуются в результате химической реакции при высоких температурах (700–1050 °C). Чем толще покрытие, тем больше время процесса. 4.1. Преимущества и недостатки СVD покрытий Преимущества: Высокая устойчивость к абразивному износу и создание надёжного барьера к воздействию термических нагрузок являются главными преимуществами CVD-покрытий. Большая толщина покрытия (4-20 мкм). Недостатки: В качестве недостатков можно выделить: невозможность применения CVD покрытий в чистовой обработке, так как в ней необходима более острая режущая кромка, а также высокую стоимость и точность технологического процесса, а также его высокая температура, следовательно, не на всякий материал можно нанести покрытие. Некоторые газы, используемые для инструментальных CVD покрытий, токсичны, поэтому требуется соблюдение строгих мер безопасности. 4.2. Область применения CVD покрытий Сплавы с покрытием CVD - идеальный выбор для широкого спектра областей применения, где важна износостойкость. Например, токарная обработка и растачивание отверстий в деталях из стали, где толстое CVD покрытие обеспечивает стойкость к лункообразованию; токарная обработка нержавеющей стали. Во фрезеровании CVD сплавы рекомендуется использовать при обработке материалов групп P, M, K. При сверлении сплавы CVD обычно используются в периферийной пластине. Для покрытий MT-CVD, т.е. покрытия среднетемпературного нанесения, не характерен такой вид износа как отслоение покрытия. 5. Износостойкие покрытия Существуют следующие разновидности износостойких покрытий: 1) Нитрид титана (TiN) Нитрид титана - это керамическое покрытие золотого цвета, наносимое методом PVD. Высокая твердость и низкий коэффициент трения этого покрытия увеличивают стойкость инструмента и позволяют поднять режимы резания по сравнению с непокрытым инструментом. Покрытие TiN главным образом используется для сверл и метчиков. 2) Карбонитрид титана (TiCN) Покрытие из карбонитрида титана, также наносимое методом PVD, имеет большую твердость и более низкий коэффициент трения по сравнению с покрытием TiN. Свойства этого покрытия определили его использование для фрезерного инструмента, существенно улучшающее эксплуатационные характеристики фрез. 3) Алюмонитрид титана (TiAlN) TiAlN представляет собой многослойное PVD покрытие, имеющее высокую прочность и стойкость к окислению. Оно идеально подходит для высоких скоростей и подач, в тоже время, увеличивая стойкость инструмента. Это покрытие может наноситься на сверла и метчики. Рекомендуется для обработки без СОЖ. 4) Алюмонитрид титана X (TiAlN – X) Покрытие TiAlN - X содержит большее количество алюминия по сравнению с покрытием TiAlN и характеризуется высокой теплостойкостью. Фрезерный инструмент с этим покрытием превосходно работает при обработке закаленных материалов без СОЖ. 5) Нитрид хрома (CrN) Нитрид хрома - прекрасно подходит для обработки алюминиевых и медных сплавов, низколегированных сталей. Также CrN может быть использован, как один из вариантов покрытия при обработке титановых и никелевых сплавов. Это покрытие снижает вероятность образования нароста на режущей кромке. 6) Super-R покрытие (Ti, C, N) Покрытие Super R разработано специально для фрезерования. Оно имеет низкие внутренние напряжения, хорошую прочность и износостойкость. Высокая температура окисления обуславливает прекрасную стойкость этого покрытия к окислению. 7) Super G (AlCrN) Покрытие Super G в основном используется для фрез. Высокая твердость и стойкость к окислению этого покрытия делают его незаменимым при обработке материала, в ходе которой возникают большие термические и механические напряжения. 8) Нитрид циркония (ZrN) Нитрид циркония - керамическое покрытие, наносимое методом PVD, обладает низким коэффициентом трения и высокой температурой окисления. Используется для нанесения на метчики для алюминия и алюминиевых сплавов. 9) Dialub (Diamond-like Coating) Dialub - покрытие из аморфного алмаза с чрезвычайно низким коэффициентом трения и высокой твердостью. Структурные элементы не являются кристаллитами, это узелки c sp3 связями атомов углерода. Зерна настолько малы, что поверхность кажется зеркально гладкой на глаз. Данное покрытие специально разработано для метчиков, нарезающих резьбы в алюминиевых сплавах, содержащих кремний, а также для сверления нержавеющих сталей. 10) Super B Coating (покрытие) (TiAlN+WC/C) Многослойное покрытие Super B используется в тяжелых условиях обработки и гарантирует высокую надежность операции. Сочетание низкого коэффициента трения и твердости этого покрытия делают его незаменимым для резьбонарезных операций в труднообрабатываемых материалах и материалах, дающих длинную стружку, к примеру, в нержавеющих сталях. 11) Diamond (алмазное) Покрытие из поликристаллического алмаза специально адаптировано к обработке графита и неметаллических материалов. Это покрытие существенно уменьшает износ режущего инструмента. Используется только для твердосплавного инструмента, в основном фрезерного. 6. Способы упрочнения 1) Оксидирование Оксидирование создает на поверхности прочный слой окислов черного цвета, который удерживает СОЖ, препятствует привариванию частиц стружки и образованию нароста на режущей кромке. Оксидирование можно применять для любого инструмента, но наиболее эффективно оно работает на сверлах и метчиках. 2) Покрытие Bronze Finish Это покрытие представляет собой тонкую окисную пленку на поверхности инструмента, используется в основном для быстрорежущих сталей, легированных кобальтом и ванадием. 3) Азотирование (FeN) Азотирование применяется для увеличения твердости и износостойкости поверхности инструмента. В основном азотированию подвергаются метчики, работающие в абразивных материалах, таких как чугун, бакелит. Также используется для увеличения прочности и износостойкости ленточек спиральных сверл. 4) Хромирование (Cr) Хромирование в специальных условиях позволяет существенно увеличить поверхностную твердость, до величины 68 единиц по Роквеллу (HRC). Это особенно важно при нарезании резьбы метчиками в конструкционных и углеродистых сталях, меди, латуни и т.д. 7. Заключение В Заключение хочется сказать, что современные износостойкие покрытия и методы их нанесения – это результат огромной исследовательской работы. С момента появления технология CVD остается дорогим удовольствием, доступным только специализированным инструментальным предприятиям. Технология покрытия PVD доступна. Небольшие инструментальные производства, инструментальные цеха больших предприятий могут себе позволить приобрести один из вариантов PVD-установок, которые активно продвигаются на рынке. Одно из направлений современной модернизации в данной области – это повышение надежности работы пластин для создания условий полностью безлюдной эксплуатации металлорежущего оборудования. Используемые источники: https://www.sandvik.coromant.com/ru-ru/knowledge/materials/cutting_tool_materials/wear_on_cutting_edges/pages/default.aspx https://www.sandvik.coromant.com/ru-ru/industrysolutions/windpower/pages/how-have-tools-developed-to-provide-advantages.aspx http://www.nanonewsnet.ru/articles/2010/iznosostoikie-pokrytiya-kak-dvizhitel-innovatsionnogo-protsessa-v-tekhnologii-instrume https://www.iprom.ru/news/vidy_pokrytiy_i_tverdykh_splavov_dlya_rezhushchego_instrumenta/ https://www.sandvik.coromant.com/ru-ru/knowledge/materials/cutting_tool_materials/coated_cemented_carbide/pages/default.aspx http://lab2u.ru/sravnenie-tekhnologicheskikh-protcessov-po-naneseniiu-pvd-i-cvd-na-poverkhnost-rezhushchego-instrumenta-fizicheskoe-osazhdenie-iz-parovoi-fazy-pri-protcesse-posobie-sandvik-coromant-2009-obrabotka-metallov-rezaniem-str-h53-0328-lab2u.html https://www.sandvik.coromant.com/ru-ru/mww/pages/t_gc1130.aspx https://www.sandvik.coromant.com/ru-ru/knowledge/general_turning/troubleshooting-/Техническое руководство Dormer 2008. https://www.twirpx.com/file/1310958/ |