Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
ГРНТИ 55.03 Машиноведение и детали машин
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
Представлены результаты экспериментальных исследований стойкости упрочняющих покрытий твёрдосплавных пластин при точении коррозионно-стойкой жаропрочной стали 08Х18Н10Т. Эксперимент проводился в производственных условиях с применением действующего промышленного оборудования, технологической оснастки и инструмента. В качестве обрабатываемого изделия использовался тройник – соединительная деталь трубопроводов. Особенностью проведения эксперимента являлся прерывистый характер резания с ударными нагрузками. Исследовалась стойкость твердосплавных пластин с различными методами нанесения упрочняющих покрытий. С использованием электронного микроскопа выполнен анализ микроструктуры режущих пластин после воздействия тепловых, силовых и ударных нагрузок процесса резания. Установлено влияние технологических режимов точения на стойкость инструмента, выявлены особенности износа в зависимости от метода нанесения упрочняющего покрытия. Полученные результаты позволяют обоснованно назна-чать технологические режимы и прогнозировать стойкость инструмента при точении жаропрочной стали в условиях ударных нагрузок.
износостойкие покрытия, метод нанесения покрытий, точение коррозионно-стойкой жаропрочной стали, стойкость твёрдосплавного инструмента, результаты микроиссле-дования режущих пластин.
Введение. В инструментальном производстве наибольшее промышленное применение получили два основных метода нанесения износостойких покрытий: метод химического осаждения покрытий CVD (Chemical Vapour Deposition) и метод физического осаждения покрытий PVD (Physical Vapour Deposition) [1].
Метод химического осаждения покрытий CVD основан на протекании гетерогенных химических реакций в парогазовой среде, окружающей инструменты, в результате которых образуется износостойкое покрытие. Получение покрытий из тугоплавких соединений путем осаждения их из газовой фазы основано на восстановлении летучих соединений металлов водородом в присутствии активных составляющих газовой смеси, которые, взаимодействуя с выделяющимся в свободном виде металлом, образуют соответствующие тугоплавкие соединения. Конденсация покрытий осуществляется на поверхности инструмента, нагретого до необходимой температуры 900–1200 °С при давлении близком или равном атмосферному [2].
Метод физического осаждения покрытий PVD основан на получении в среде вакуума пара осаждаемого материала в результате воздействия на изготовленный из него катод различных источников энергии. Данный метод позволяют получать пар практически любого твердого вещества, а для синтеза его соединений на поверхности инструмента, например нитридов, оксидов или карбидов, используются нетоксичные газы – азот, кислород, ацетилен и другие, не представляющие опасности для окружающей среды. Метод физического осаждения покрытий универсален с позиции получения гаммы одно и многослойных покрытий практически любого состава, в том числе с алмазоподобной и наноразмерной структурами, а также позволяет реализовывать процессы нанесения при более низких температурах 500–600°С [3].
Метод нанесения износостойкого покрытия оказывает существенное влияние на стойкость режущего инструмента в различных технологических условиях. Покрытия CVD позволяют вести обработку на более высоких скоростях резания, но являются более хрупкими, по сравнению с PVD покрытиями. Задачей исследования являлось сравнение стойкости и выявление особенностей износа многослойных покрытий, полученных методами CVD и PVD, при одинаковых технологических режимах в условиях ударных нагрузок при точении труднообрабатываемого материала.
Методика. Эксперимент проводился в производственных условиях на ОАО «Ракитянский Арматурный Завод» с использованием действующего оборудования, инструмента и технологической оснастки. В качестве основного оборудования использовался токарный обрабатывающий центр для тяжелых условий обработки модели PUMA480LM, в качестве режущего инструмента – токарный резец со сменной многогранной пластиной из твердого сплава, состоящий из державкиA25R-DWLNR08 и пластины. Применялись два типа твердосплавных пластин с покрытием, полученным разными технологическими способами – CVD и PVD. Для качественного и бесперебойного отвода стружки из зоны резания, а также для ее эффективного ломания, был выбран стружколом геометрии ММ [4]. Для закрепления инструмента была использована базовая револьверная головка станка DOOSAN модели PUMA480LMс 12 инструментальными позициями для закрепления инструмента. Обрабатываемое изделие – тройник из коррозионно-стойкой жаропрочной стали 08Х18Н10Т [5], соединительная деталь трубопровода, предназначенная для разветвления и изменения направления потока среды основной магистрали (рис. 1) [6]. Технологической особенностью обработки тройника являются периодически возникающие ударные нагрузки, связанные с точением прямоугольного сечения заготовки при формировании цилиндрического сечения магистрали и горловины тройника.
а) б)
Рис. 1. Тройник по ОСТ24.125.16-89: а – заготовка; б – деталь после операции точения
В качестве измерительного инструмента применялся ручной микроскоп TWNU-80. Износ измерялся по задней поверхности, критическое значение принято – 0,3 мм. Замер износа проводился после каждого прохода [7]. Для исследования микроструктуры износа многослойного покрытия использовался электронный микроскоп MIRA3 TESCAN.
Основная часть. Для сравнения стойкости многослойных покрытий использовались пластины WNMG080408-MM (рис. 2) с покрытиями KMM253 и KMG203.
Двухслойное покрытие KMM253 состоит из нижнего слоя TIN и верхнего слоя.AL2O3. Уравнение химической реакции при формировании покрытий имеют вид [8, 9]:
Рис. 2. Внешний вид пластины WNMG080408-MM
при осаждении нитрида титана TiN
, (1)
при осаждении оксида алюминия AL2O3
. (2)
Нижний слой TiN обладает твердостью по Виккерсу 22–24 ГПа. Верхний слой AL2O3 имеет более высокую микротвердость, которая в зависимости от типа кристаллической решетки и режимов осаждения может составлять до 35 Па [10]. Покрытие AL2O3 сохраняет механические свойства при больших температурах резания и характеризуется повышенной пассивностью по отношению ко многим обрабатываемым материалам, но при этом является чрезвычайно хрупким. Применяется в качестве барьерного слоя, сдерживающего диффузионные процессы, а также окисление и коррозию режущих кромок инструмента при высоких температурах.
Покрытие KMG203 – это нано покрытие на основе TiAlN. Характерной особенностью покрытия является образование в процессе резания на его поверхности слоя AL2O3, служащего тепловым барьером. Обладает повышенной стойкостью к окислительному износу, высокой твердостью по Виккерсу (до37 ГПа) и имеет коэффициент трения по стали 0,6 [11]. Применяется для операций с большими термическими нагрузками: при высокоскоростной обработке, резании материалов с пониженной теплопроводностью, а также обработке твердых материалов, в том числе без применения СОЖ [12].
В результате планирования эксперимента второго порядка по схеме рототабельного планирования получены эмпирические модели стойкости режущего инструмента в зависимости от скорости резания и подачи при постоянной глубине резания [13–15]:
для сплава KMM253
, (3)
для сплава KMG203
. (4)
Результаты измерения стойкости при разных технологических режимах представлены в табл. 1, рис.3. В большинстве экспериментов покрытие KMG203(PVD) показало более высокую стойкость, за исключением двух режимов с максимальной скоростью 102 м/мин и максимальной подачей 0,18 мм/об. Максимальная стойкость покрытий наблюдается на режимах с минимальной скоростью (18 м/мин, 0,11 мм/об) или минимальной подачей (30 м/мин, 0,06 мм/об).
Таблица 1
Стойкость покрытий при различных режимах резания
|
|
Глубина резания, мм |
Скорость резания, м/мин |
Подача, мм/об |
Стойкость инструмента, мин |
|
|
KMM253 (CVD) |
KMG203(PVD) |
||||
|
1 |
2,5 |
90 |
0,16 |
4,54 |
9,57 |
|
2 |
2,5 |
30 |
0,16 |
9,7 |
38,41 |
|
3 |
2,5 |
90 |
0,06 |
44,04 |
40,67 |
|
4 |
2,5 |
30 |
0,06 |
62,18 |
153,11 |
|
5 |
2,5 |
102 |
0,11 |
13 |
4,99 |
|
6 |
2,5 |
18 |
0,11 |
97,67 |
152,26 |
|
7 |
2,5 |
60 |
0,18 |
12,76 |
6,75 |
|
8 |
2,5 |
60 |
0,04 |
57,42 |
71,91 |
|
9 |
2,5 |
60 |
0,11 |
19,07 |
29,36 |
|
10 |
2,5 |
60 |
0,11 |
22,69 |
33,28 |
|
11 |
2,5 |
60 |
0,11 |
20,88 |
29,36 |
|
12 |
2,5 |
60 |
0,11 |
20,2 |
29,7 |
Рис. 3. Стойкость покрытий (мин) при различных режимах резания
В результате исследования с применением электронного микроскопа MIRA3 TESCAN был выявлен характер износа по задней поверхности режущих кромок. У сплава с двухслойным покрытием CVD ярко выражен износ и имеет место разрушение режущей кромки по основному материалу. У сплава с покрытием PVD режущая грань осталась недеформированной, а износ по задней поверхности расположен только в области пятна контакта при резании. В обоих покрытиях выявлено истирание покрытия в области возвышения стружколома и образование бороздки на боковой поверхности кромки, не участвующей в резании. Данный износ вызван удалением стружки из зоны обработки и не влияет на стойкостные параметры инструмента.
а) б)
в) г)
Рис. 4. Характер износа режущей пластины: а, в – для сплава KMM253 с покрытием CVD;
б, г – для сплаваKMG203 с покрытием PVD
Для исследования микроструктуры и структурных изменений под действием тепловых и ударных нагрузок были использованы функции электронного микроскопа, позволяющие получить увеличенное изображение с ценой деления 0,2 мкм. Данное увеличение позволяет исследовать слои поверхностного слоя и адгезию между ними (рис. 5, рис. 6).
а) б) в)
Рис. 5. Слои покрытия сплава KMM253 с технологией CVD:
а – увеличение до цены деления 20 мкм; б – увеличение до цены деления 2 мкм,
в – увеличение до цены деления 0,2 мкм
а) б) в)
Рис. 6. Слои покрытия сплава KMG203 с технологией PVD:
а – увеличение до цены деления 20 мкм; б – увеличение до цены деления 2 мкм,
в – увеличение до цены деления 0,2 мкм
На рис. 5 при увеличении до 0,2 мкм в структуре покрытия KMM253 с технологией CVD ярко выражены границы слоёв, верхний AL2O3 и нижний TiN слои покрытия имеют различную характерную структуру, наблюдается нарушение адгезии с основным материалом пластины. Покрытие KMG203 с технологией PVD (рис. 6) имеет однородную структуру покрывающего слоя TiAlN, нарушение адгезии с основным материалом не выявлено.
Исследования химического состава показало зоны износа внешних и внутренних покрытий, а также зоны высвобождения основного инструментального материала (табл. 2).
Таблица 2
Химический состав покрытий в зоне режущей кромки
|
Покрытие KMM253CVD |
Покрытие KMG203 PVD |
|
|
верхний слой AL2O3 |
|
|
|
|
||
|
нижний слой TiN |
||
|
|
||
|
основной инструментальный материал |
||
|
|
|
|
+6 
Выводы. Выполнено экспериментальное исследование, разработаны эмпирические модели стойкости сменных многогранных твердосплавных пластин с износостойкими покрытиями, полученными разными методами: методом химического осаждения CVD и методом физического осаждения PVD, при точении коррозионно-стойкой жаропрочной стали 08Х18Н10Т в условиях ударных нагрузок. Анализ показал, что в данных технологических условиях покрытие KMG203 с технологией PVD имеет более высокую стойкость по сравнению с покрытием KMM253 технологии CVD в среднем на 45%. Выявлены особенности износа покрытий, у покрытия KMM253 наблюдалось нарушение адгезии слоев при действии тепловых и ударных нагрузок.
1. Блинков И.В. Челноков В.С. Покрытия и поверхностное модифицирование материалов: критерии выбора покрытий, их свойства: учеб. пособие МИСиС. М.: Учеба, 2003. 76 с.
2. Григорьев С.Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента: учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение, 2011. 368с.
3. Нарцев В.М., Зайцев С.В., Прохоренков Д.С., Евтушенко Е.И., Ващилин В.С. Зависимость структуры ALN-покрытий от концетрации азота при осаждении на сапфир магнетронным методом // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. №1. С. 144-149.
4. Пчёлкин В. М., Дуюн Т.А Эмпирические модели износостойкости твердосплавных пластин при точении коррозионно-стойкой жаропрочной стали // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. №12. С. 126-131.
5. Сорокин В.Г. Волосникова А.В., Вяткин С.А. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.
6. ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные Марки. М.: ИПК Издательство стандартов, 1997. 64 с.
7. Пчёлкин В.М. Особенности износа твердосплавных пластин при высокоскоростной обработке // Образование, наука, производство. 2015. Т.1. БГТУ им. В.Г. Шухова. C.1703-1707.
8. Anurag Srivastava, Bhoopendra Dhar Di-wan, Structural and elastic properties of ZrN and HfN: ab initio study// Canadian journal of Physics. 2014. Vol. 92. Pp.1058-1061
9. Stroibe W. Comminution Technology and Energy consumption. Part 1 // Cement Interrational. 2003. №2.
10. Шпур Г. Справочник по технологии резания материалов / Г. Шпур, Т. Штеферле // - М.: Машиностроение, 1985. 616 с.
11. Greyer К., Hintze W., Muller М. Schnittstoffezur Trockenbearbeitung // Werkstatt und Betrieb. 130 (1997). № 6. Pp. 420-425.
12. Дуюн T.A., Гринек А.В., Сахаров Д.В. Управление тепловыми параметрами процесса механической обработки с использованием численного моделирования их тепловых зависимостей // Промышленные контроллеры АСУ. 2015. №10. С. 43-50.
13. Реброва И.А. Планирование эксперимента. Омск: СибАДИ, 2010. 105 с.
14. Бойко А.Ф. Теория планирования и организация многофакторных экспериментов / А.Ф. Бойко, М.Н. Воронкова. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2013. 73 с.
15. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. 184 с.
