Реферат на тему: Современные виды покрытий, применяемых для повышения стойкости металлорежущего инструмента (нанопокрытия)

Реферат на тему: Современные виды покрытий, применяемых для повышения стойкости металлорежущего инструмента (нанопокрытия)

3. Методы нанесения нанопокрытий………………………………… 9

4. Покрытия CVD (Сhemical Vapor Deposition)…………………… 14

5. Покрытия PVD (Physical Vapor Deposition) или КИБ (конденсация с ионной бомбардировкой)…………. 17

6. Покрытия DLC (Diamond Like Coatings)………………………… 19

1. Введение

Нанопокрытие – новый этап в развитии функциональных покрытий. Оно наносится методом газотермического напыления.

Использование нанопокрытий позволяет значительно снизить коэффициент трения при сохранении износостойкости, повысить вязкость покрытий при сохранении антикоррозионных свойств и увеличения температуры эксплуатации на 50°C. Все это особо актуально в области машиностроения. В процессе создания нанопокрытия мы не стали снижать толщину покрытия, ведь большинство машиностроительных задач решается при соответствующей величине в десятки и сотни микрон.

Для создания нанопокрытий используются наноструктурированные материалы, суспензии, золь-гнели. В покрытия внедряются специальные добавки, которые модифицируют их структуру и обеспечивают получение необходимых свойств.

Работа по разработке нанопокрытий ведется в опытном режиме, однако покрытия уже широко используются в нефтедобывающей и аэрокосмической отрасли, а также в атомной промышленности. Работы выполняются молодыми учеными-практиками на собственном оборудовании, а также в сотрудничестве с ГК «Роснанотех». Команда наших специалистов с интересом проводит опытно-конструкторские и научно-исследовательские мероприятия. В результате, сотрудники ЗАО «Плакарт» разработали способ нанесения покрытий, структура которых целиком или частично формируется из наночастиц.

За счет изменения температуры и варьирования скорости газовой струи, взаимодействующей с частицами материала можно добиться оптимального уровня адгезионных и когезионных характеристик, а также обеспечить более высокую плотность покрытий.

Преимуществом высокоростного напыления является возможность создания тонких, но в тоже время прочных наноструктурированных покрытий.

Наиболее эффективным методом направленной модификации поверхностных свойств инструментального материала является нанесение функциональных покрытий на рабочие поверхности режущего инструмента.

Последовательное нанесение нескольких видов покрытий обеспечивает дополнительную прочность режущей кромки, эффективный теплоотвод из зоны резания, низкую адгезию с обрабатываемым материалом, демпфирование и уменьшение виброакустических явлений за счет многослойности покрытий.

Актуальнольность работы

1. Объектом для исследования являлись нанопокрытия используемые для современного металлорежущего инструмента.

2. Цель исследования получение практических и теоретических сведений о структуре поверхности инструмента, образованных с использованием нанопокрытий.

3. Актуальность темы очевидна так как нанопокрытия все более широко используются в промышленности, помогая продлить срок службы инструмента, способствуя защите металлорежущего инструмента от быстрого износа.

2. Типы нанопокрытий

Микрозернистые по структуре вакуумно-дуговые покрытия на основе соединений тугоплавких металлов характеризуются высокой твёрдостью (20–35 ГПа) [1], износостойкостью, низкими коэффициентами трения, однако их недостаток – значительная хрупкость, что ухудшает эксплуатационные характеристики покрытий. Анализируя существующие нанопокрытия, можно выделить три основные группы:

Рис. 1. Типы нанопокрытий: а – наноструктурное; б – нанокомпозитное; в – нанослойное. [1]

2. Нанокомпозитные покрытия состоят из основной нанокристаллической твердой фазы, на границах зёрен которой располагается тонкий слой второй нанокристаллической или наноаморфной фазы. Таким образом, твёрдые зёрна упрочняющей фазы разделены между собой тонкими прослойками атомов другой фазы. Такие покрытия обладают сверхвысокой твёрдостью, большими коэффициентами упругого возврата, высокой термостойкостью (рис. 1, б). [1]

Ультрадисперсные материалы с увеличенной площадью межзеренных границ имеют более сбалансированное соотношение между твердостью, оказывающей определяющее положительное влияние на износостойкость и прочностными характеристиками материала, в том числе и в условиях действия циклических термомеханических напряжений.

3. Нанослойные покрытия обладают повышенной трещиностойкостью. Предпосылки для их получения возникли еще 20 лет назад, при разработке многослойных покрытий на основе TiN/NbN, TiN/VN, (TiAl)N/CrN и др. с чередующимися слоями металлов или соединений. Нанослойные покрытия обладают различными внутренними напряжениями (модулями упругости) и близкими по величине коэффициентами термического расширения. Толщина отдельных слоёв должна быть настолько мала, чтобы внутри них не появлялся источник дислокаций, а дислокации, которые под действием напряжений двигались бы к границе раздела из более мягкого слоя, отталкивались бы силами, создающимися упругими напряжениями в более твёрдом слое. Общее количество слоев покрытия выбирается в зависимости от решаемых технологических задач и в ряде случаев может достигать двухсот (рис. 1 в). [1]

Рис. 2. Твердость покрытий по HV. [2]

Титановые покрытия значительно повышают поверхностную твердость основы даже при очень высоких температурах, в результате износостойкость инструмента многократно увеличивается. За счет снижения трения между инструментом и объектом обработки, зачастую отпадает необходимость применять охлаждение, а скорость работы возрастает от 10 до 50 %. [2] Обыкновенно, их используют для обработки твердосплавных инструментов, например, сверл и разнообразного режущего оборудования. Покрытие нитрид титан-алюминия (TiAlN) позволяет сохранять твердость 2800 HV даже при температуре 7500, применяется для работы по материалам сложным для обработки. Нитрид титана (TiN) остается твердым при 5400, его используют для модификации хирургических инструментов и оборудования пищевой промышленности. Очень твердое покрытие карбонитрид титана 4000 HV (TiCN) применяется для работы по чугуну, кремнистому алюминию, абразивным материалам.

3. Методы нанесения нанопокрытий

Рис. 3. – Методы нанесения нанопокрытий. [3]

В таблице 1 представлены основные коммерчески значимые методы газотермического напыления и их характеристики. [4]

Источник образования тепла (рабочие газы)

Проволоки сплошного сечения и композиты

Электрическая дуга (воздух или другие газы)

Порошки и проволоки, шнуровые и стержневые материалы

Горение газообразных углеводородов в среде кислорода или воздуха (продукты сгорания)

Порошки и проволоки

Прямая или косвенная электрическая дуга (ионизированный газ)

Высокоскоростные методы напыления (HVOF, HVAF, Детонация, Cold Spray)

Горение углеводородов (в том числе жидких) или водорода в среде кислорода или воздуха (продукты сгорания)

Высокоскоростные методы напыления наноструктурированных покрытий

Порошки, коллоидные растворы, истинные растворы

Горение углеводородов (в том числе жидких) кислорода или воздуха (продукты сгорания)

Улучшение свойств инструментальных сталей в производстве универсального инструмента

Основной метод повышения режущих свойств универсального инструмента (выполненного из быстрорежущего материала и оснащенного твердосплавными пластинами) – это нанесение покрытий на режущую часть. Такие покрытия представляют собой твердые пленки толщиной около 100 мкм. Для их производства применяются:

• оксиды ряда металлов;
• искусственно выращенные алмазы;
• соединения азота, углерода, бора и переходных металлов.

Инструментальная легированная сталь или твердый сплав, имеющие упрочняющую пленку, отличается более высокими режущими свойствами. При неизменной стойкости инструмента допустимая скорость резания увеличивается на 10…30% либо повышается период стойкости в 3…5 раз.

Условно все покрытия, которые наносятся на основной материал, делятся на ковалентные, металлические и ионные. Ниже в таблице 1 приведены свойства основных соединений.

Если сравнивать отдельные покрытия по критерию твердости, самыми твердыми из них будут кубический нитрид бора (5000 МПа по шкале Виккерса), карбид бора (4000 МПа), борид титана (3000 МПа). Максимальное значение параметра имеет алмаз – 8000 МПа.

На рис.1 представлены величины твердости основных покрытий.

Сегодня специальные стали и сплавы нередко покрываются твердыми пленками из искусственного алмаза. Согласно ГОСТ, свойства этого вещества близки к натуральному минералу. Производство заменителя происходит при высоких температурах и большом давлении, что позволяет получить расположение атомов углерода С, аналогичное природному составу.

Лазерная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента

Источник: Материалы выступления на практическом занятии по курсу «Нанотехнологии и наноматериалы», 17 марта 2011г., Донецк

Введение

Наиболее эффективным методом направленной модификации поверхностных свойств инструментального материала является нанесение функциональных покрытий на рабочие поверхности режущего инструмента.

Последовательное нанесение нескольких видов покрытий обеспечивает дополнительную прочность режущей кромки, эффективный теплоотвод из зоны резания, низкую адгезию с обрабатываемым материалом, демпфирование и уменьшение виброакустических явлений за счет многослойности покрытий.

Типы нанопокрытий

Микрозернистые по структуре вакуумно-дуговые покрытия на основе соединений тугоплавких металлов характеризуются высокой твёрдостью (20. 35 ГПа), износостойкостью, низкими коэффициентами трения, однако их недостаток — значительная хрупкость, что ухудшает эксплуатационные характеристики покрытий. Анализируя существующие нанопокрытия, можно выделить три основные группы:

— Наноструктурные покрытия, в отличие от традиционных, совмещают в себе повышенную микротвердость и достаточную пластичность. Поведение нанокристалических материалов с размерами зерен 10 нм и менее определяется главным образом процессами в пограничных областях, поскольку количество атомов в зернах сравнимо или меньше, чем в их границах. Это обстоятельство существенно изменяет характер взаимодействия между соседними зернами, например, тормозит генерацию дислокаций, препятствует распространению трещин из-за упрочнения границ зерен. При этих условиях дислокации в нанозернах отсутствуют (рис. 1 а).

а) наноструктурное	б) нанокомпозитное	в) нанослойное
Рис. 1 — Типы нанопокрытий

— Нанокомпозитные покрытия состоят из основной нанокристаллической твердой фазы, на границах зёрен которой располагается тонкий слой второй нанокристаллической или наноаморфной фазы. Таким образом, твёрдые зёрна упрочняющей фазы разделены между собой тонкими прослойками атомов другой фазы. Такие покрытия обладают сверхвысокой твёрдостью, большими коэффициентами упругого возврата, высокой термостойкостью (рис. 1 б).

Ультрадисперсные материалы с увеличенной площадью межзеренных границ имеют более сбалансированное соотношение между твердостью, оказывающей определяющее положительное влияние на износостойкость и прочностными характеристиками материала, в том числе и в условиях действия циклических термомеханических напряжений.

— Нанослойные покрытия обладают повышенной трещиностойкостью. Предпосылки для их получения возникли еще 20 лет назад, при разработке многослойных покрытий на основе TiN/NbN, TiN/VN, (TiAl)N/CrN и др. с чередующимися слоями металлов или соединений. Нанослойные покрытия обладают различными внутренними напряжениями (модулями упругости) и близкими по величине коэффициентами термического расширения. Толщина отдельных слоёв должна быть настолько мала, чтобы внутри них не появлялся источник дислокаций, а дислокации, которые под действием напряжений двигались бы к границе раздела из более мягкого слоя, отталкивались бы силами, создающимися упругими напряжениями в более твёрдом слое. Общее количество слоев покрытия выбирается в зависимости от решаемых технологических задач и в ряде случаев может достигать двухсот (рис. 1 в).

Таким образом, создание покрытий для режущего инструмента нового поколения наиболее эффективно осуществлять при использовании инновационной концепции многослойно-композиционных архитектуры с нанометрической структурой и чередующимися слоями наноразмерной толщины различного композиционного состава и функционального назначения.

Титановые покрытия значительно повышают поверхностную твердость основы даже при очень высоких температурах, в результате износостойкость инструмента многократно увеличивается. За счет снижения трения между инструментом и объектом обработки, зачастую отпадает необходимость применять охлаждение, а скорость работы возрастает от 10 до 50 %. Обыкновенно, их используют для обработки твердосплавных инструментов, например, сверл и разнообразного режущего оборудования. Покрытие нитрид титан-алюминия (TiAlN) позволяет сохранять твердость 2800 HV даже при температуре 7500, применяется для работы по материалам сложным для обработки. Нитрид титана (TiN) остается твердым при 5400, его используют для модификации хирургических инструментов и оборудования пищевой промышленности. Очень твердое покрытие карбонитрид титана 4000 HV (TiCN) применяется для работы по чугуну, кремнистому алюминию, абразивным материалам.

Методы нанесения нанопокрытий

Первые серийные образцы сменных многогранных пластин с износостойкими покрытиями компания Sandvik Cоromant продемонстрировала еще в 1969 году.

Покрытия CVD (Сhemical Vapor Deposition)

Первые износостойкие покрытия были получены путем химического процесса осаждения при высоких температурах 950–1050 &#176C из парогазовой среды. Данный процесс принято сокращенно называть CVD (Сhemical Vapor Deposition). Следует отметить, что данная технология широко применяется не только для нанесения износостойких покрытий на режущем инструменте, но и в других областях техники, где требуется получение слоев покрытия и пленок из кристаллических материалов с высокой чистотой и заданной структурой. Первые износостойкие CVD покрытия были однослойными с толщиной порядка 4–7 мкм.

Удивительно, что даже довольно примитивное по сегодняшним меркам однослойное покрытие TiC, применявшееся на первых покрытых сменных неперетачиваемых пластинах, дало выраженный эффект в повышении производительности обработки примерно на 50%. Повышение производительности было достигнуто в основном за счет увеличения скоростей резания. Так за десять лет с 1970 по 1980 год скорости резания при снятии основного припуска при токарной обработке возросли в среднем со 100–120 до 150–200 м/мин.

Наибольшие проблемы вызваны недостаточной адгезией СVD покрытий, а также и негативным влиянием на механические свойства основы. Уровень этого влияния можно пояснить на простом примере. То есть простейшие СVD смещают область применения твердых сплавов в сторону высоких скоростей резания, ухудшая их прочностные характеристики. Учитывая это, можно было бы сделать вывод, что такие сплавы наилучшим образом будут подходить для чистовой обработки, но тут вступает в силу другое ограничение.

Процесс химического осаждения характеризуется увеличенной скоростью на заострённых участках поверхности изделий. С ростом толщины слоя покрытия адгезия катастрофически снижается. Для инструментальных применений СVD это означает, что толстый и легко откалывающийся слой покрытия ляжет как раз в зоне режущей кромки. Так для цельных твердосплавных фрез типовая толщина стружки на уровне 20–40 мкм вообще оказывается ниже уровня возможной для СVD остроты кромки, что сравнимо с попыткой аккуратно нарезать колбаску тупой стороной ножа.

Эволюция CVD покрытий шла в трех направлениях. Первое – это снижение негативного влияния покрытия на прочность твердосплавной основы. Второе – улучшение адгезии. Третье – возможность наращивания толщины слоев покрытия для усиления защитных свойств, желательно, не в ущерб двум первым задачам.

Первые попытки поднять защитные свойства покрытий за счет наращивания толщины слоя TiC не дали большого эффекта. Больший эффект был достигнут от внедрения многослойных покрытий СVD, где поверх слоя карбида титана TiC наносились слои оксида алюминия Al2O3 и нитрида титана TiN (рис. 4).

При этом первый слой покрытий служил основой для создания хорошей адгезии, а последующие слои усиливали защитные функции от различных факторов износа. Оксид алюминия, как очень простое химическое соединение с высокой химической инертностью и температурной стабильностью, является идеальным компонентом покрытия для защиты твердого сплава от воздействия высокой температуры и химических видов износа.

Для первых покрытий СVD была характерна диффузия из компонентов основы в покрытие в процессе нанесения. В результате на границе твердого сплава и покрытия образовывался аморфный слой, богатый свободным углеродом, так называемая Эта-фаза, снижающая адгезию и повышающая хрупкость основы. Увеличенное округление режущей кромки несколько снижало негативный эффект, но не решало проблему. Практически полностью исключить образование Эта–фазы удалось только с внедрением модифицированного процесса СVD, когда нанесение первого слоя покрытия начинается при пониженных до 700 &#176С температурах. При таких температурах не возникает условий для диффузии компонентов основы и покрытия, а вырастающий слой карбида титана TiC получает структуру в виде узких вертикальных кристаллов, хорошо сопротивляющихся сдвигу. Данный процесс получил название MT-CVD. Адгезия MT-CVD покрытий значительно выше. Для них не характерен такой вид износа как отслоение покрытия.

Покрытия PVD (Physical Vapor Deposition) или КИБ (конденсация с ионной бомбардировкой)

Тем не менее во всем мире признается первенство советских, а впоследствии российских разработок в создании второго по объему рынка технологии нанесения покрытий на режущий инструмент, а именно PVD (Phisical Vapor Deposition), или MEVVA (Metal Vapor Vacuum Arc), или КИБ (конденсация с ионной бомбардировкой – термин, применяющийся в русскоязычной литературе). Инструменты с покрытием PVD появились в начале 80-х годов прошлого столетия.

Популярность нового метода нанесения покрытий определилась в первую очередь тем фактом, что PVD наиболее успешно улучшает свойства тех режущих инструментов, где технология CVD неэффективна или бесполезна. Во-первых, PVD реализуется при принципиально более низких температурах, не превышающих 500 &#176С, 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 то же время тонкий слой покрытия PVD не может соперничать с более мощными покрытиями СVD, суммарная толщина слоев которых может достигать 22–25 мкм, поэтому по сей день уступает им долю рынка сменных неперетачиваемых пластин.

Они обладают хорошей адгезией, не влияют на прочность основного инструментального материала и даже создают благоприятные сжимающие напряжения в поверхностном слое.

Простейшие однослойные PVD покрытия TiN сейчас применяются для метчиков и быстрорежущих фрез средней производительности, используемых для обработки простых материалов на низких скоростях. Эти же покрытия можно увидеть на сверлах из быстрореза, предлагаемых для домашнего использования.

В серьезных индустриальных применениях требуются более теплостойкие покрытия. Однослойное покрытие ТiCN продолжает использоваться для быстрорежущих и твердосплавных фрез общего назначения. Оно обладает высокой абразивной износостойкостью. Однако оно повсеместно вытесняется еще более производительным покрытием со структурой титан-алюминий нитрид TiNAl.

Покрытия DLC (Diamond Like Coatings)

Принципиально отличными от вышеописанных, но также относящихся к классу PVD, являются покрытия DLC (Diamond Like Coatings). Получаемые при этом углеродные нанопленки близки по свойствам к алмазу. Такие покрытия обладают очень высокой, превосходящей до 50 раз другие типы покрытий абразивной износостойкостью. К сожалению, их температурная стабильность и стойкость к окислению ограничены величиной 300 &#176С, что недостаточно для большинства случаев металлообработки, за исключением резания алюминия и силумина. Но, благодаря своей абразивной стойкости покрытия, DLC показывают хорошие результаты при обработке резанием различных композиционных материалов на основе стекло- и угле- наполненных пластиков, находящих все более широкое применение в технике.

Литература

1. «Нанология сегодня и завтра», Вохидов А. С., Добровольский Л. О. / Станочный парк №5(61), Санкт-Петербург, 2009 — с. 38-42.

2. «Увеличение эксплуатационных свойств инструмента при использовании поверхностно-активных веществ», Бойко В. М., Физулаков Р. А., ОАО «КнААПО».

3. «Инновационные функциональные покрытия для режущего инструмента», Верещака А.А., Верещака А.С, Зинченко Г.В., Козлов А.А., Устинов А.А. ИКТИ РАН, МГТУ «СТАНКИН», МГТУ «МАМИ».

Ультразвуковые методы обработки в машиностроении

• посмотреть текст работы

• скачать работу можно здесь

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Общая характеристика электрохимических методов обработки, основанных на законах анодного растворения при электролизе: полирование, размерная, электроабразивная и электроалмазная обработка. Технологические возможности размерной ультразвуковой обработки.

реферат [1,2 M], добавлен 18.01.2009

Правила обработки деталей резанием – удаление с заготовки с помощью режущего инструмента припуска, последовательно приближая ее форму и размеры к требуемым, превращая ее в готовое изделие. Управление качеством поверхности химико-термической обработкой.

контрольная работа [22,7 K], добавлен 23.10.2010

Методы и необходимость совершенствования конструкции изделия РЭС. Сущность и порядок реализации электроэрозионной обработки материалов. Электрохимическая обработка, основанная на явлении анодного растворения. Ультразвуковые и лучевые методы обработки.

курсовая работа [1,6 M], добавлен 15.09.2009

Определение, назначение и сущность процесса сверления и растачивания. Применяемое оборудование и его классификация. Инструменты и технологическая оснастка, применяемые при сверлении и растачивании. Экономическое обоснование выбора методов обработки.

курсовая работа [1,6 M], добавлен 05.12.2009

Изучение химико-термической обработки металлов и сплавов. Характеристика возможностей методов отделочно-упрочняющей обработки для повышения износостойкости поверхностей. Описание фосфорирования, наплавки легированного металла и алмазного выглаживания.

курсовая работа [2,5 M], добавлен 01.12.2013

Классификация физико-химических способов обработки материалов. Электроэрозионная обработка металлов. Размерная электрохимическая обработка. Ультразвуковая, светолучевая и электроннолучевая обработка материалов. Комбинированные методы обработки металлов.

реферат [7,3 M], добавлен 29.01.2012

Ультразвуковая обработка поверхностей как одно из направлений существенного повышения производительности и качества механической обработки материалов. Изучение практического опыта применения ультразвука в процессах абразивной обработки и их шлифования.

контрольная работа [25,6 K], добавлен 30.01.2011

Характеристика электрохимических методов обработки. Физико-химическая сущность метода. Электрохимическое маркирование, полирование, отрезка, удаление заусенцев, объемное копирование или размерная ЭХО. Струйное электрохимическое прошивание, оборудование.

реферат [545,2 K], добавлен 23.12.2011

Перспективы развития САМ-систем. Теоретическое обоснование высокоскоростной обработки. Принципы генерации траектории режущего инструмента. Резание параллельными слоями. Минимум врезаний инструмента. Рекомендации для предварительной обработки сталей.

курсовая работа [2,3 M], добавлен 14.11.2010

Выбор технологического оборудования, приспособления, режущего и мерительного инструмента. Организация рабочего места. Конструкция и принцип работы металлообрабатывающих станков, методы их наладки, правила работы на них. Технология обработки деталей.

контрольная работа [633,7 K], добавлен 05.11.2013

Покрытие CVD

С начала использования твёрдосплавного инструмента производители увеличивали износостойкость и прочность путём добавления в состав металла небольшое количество карбида титана (TiC). Данный сплав давал ожидаемый результат, но ценой уменьшения прочности и увеличения хрупкости инструмента. В какой-то момент повышение концентрации TiC в сплаве становилась настолько высокой, что эффект становился обратным и инструмент становился менее стойким и более хрупким.

В 1970 году проблема хрупкости твёрдосплавного инструмента была решена путём создания тонкой плёнки TiC на поверхностях и режущих кромках инструмента что позволило, не изменяя внутренней структуры твёрдого сплава повысить стойкость и скорость обработки. Дальнейшее развитием этой идеи стало применение в качестве материала покрытия нитрида титана (TiN) и оксида алюминия (Al2O3).

Основные свойства указанных покрытий:

• Карбид титана TiC – повышает износостойкость твёрдосплавного инструмента и предотвращает образование сколов
• Нитрид титана TiN – предотвращает формирование заусенцев и налипание обрабатываемой заготовки на режущую кромку, повышая качество обработки поверхности
• Оксид алюминия Al₂O₃ – значительно увеличивается стойкость к высоким температурам и препятствует критическому нагреву инструмент так как является хорошим термоизолятором

В основе данного метода нанесения покрытия лежит процесс, происходящий в камере в которой поддерживается высокая температура (до 1200 градусов Цельсия). Материал покрытия подаётся в паровом агрегатном состоянии и под действием высокой температуры вступает в реакцию с поверхностным слоем металлорежущего инструмента или детали (заготовки). Данный процесс получил название – химическое осаждение из парового агрегатного состояния (СVD – Chemical Vapor Deposition).

Преимущества покрытия CVD

Не смотря на очевидные преимущества данного метода:

• относительная простота и дешевизна процесса;
• возможность создания покрытий необходимой толщины;
• возможность создания многослойных покрытий с уникальными свойствами и большим количеством комбинаций этих слоёв. В каталогах некоторых производителей можно найти в доступных к заказу до 18 типов покрытий для каждого инструмента.

Недостатки покрытия CVD

К недостаткам данной технологии относят:

• сильный нагрев инструмента в процессе нанесения покрытия для получения удовлетворительной адгезии наносимого материала к инструменту, под влиянием сильного нагрева прочность основного материала инструмента из твёрдого сплава снижается. Возникает риск образования хрупких фаз;
• химикаты используемые для процесса покрытия инструмента и побочные продукты являются токсичными, огнеопасными и разъедающими веществами;
• не смотря на относительную низкую удельную стоимость процесса некоторые изготовители инструмента и твёрдосплавных пластин удерживают цену продукции на обосновано высоком уровне.

Лазерная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента

• Главная
• График
• Архив
• Статьи
• Авторы
• Свидетельства
• Доставка

Научный аспект №1-2013

НАУЧНЫЙ АСПЕКТ № 1 – 2013 – Самара: Изд-во ООО «Аспект», 2012. – 228с. Подписано к печати 10.04.2013. Бумага ксероксная. Печать оперативная. Формат 120х168 1/8. Объем 22,5п.л.

Научный аспект №4-2012

НАУЧНЫЙ АСПЕКТ № 4 – 2012 – Самара: Изд-во ООО «Аспект»,2012. – Т.1-2. – 304 с. Подписано к печати 10.01.2013. Бумага ксероксная. Печать оперативная. Формат 120х168 1/8. Объем 38п.л.

Является ли трудовой спор подведомственным арбитражному суду, если этот спор касается «золотых парашютов» директора?

Лапочкина Полина Сергеевна «Научный аспект №4-2014» — Гуманитарные науки

Россия передает самую современную ядерную технологию Вьетнаму

Нгo Тxи Тyeт Xoнг «Научный аспект №1-2017» — Гуманитарные науки

Управление рисками в банковской отрасли

Ремпель Анастасия Витальевна «Научный аспект №2-2020» — Экономика и финансы

Отдельные перспективы использования нетрадиционных видов топлива в России

Юдина Наталья Анатольевна «Научный аспект №1-2017» — Гуманитарные науки

К вопросу о роли родителей детей с ОВЗ в условиях инклюзивного образования

Голоухова Галина Николаевна «Научный аспект №4-2018» — Гуманитарные науки

Роль пространственных представлений в формировании предложно-падежных конструкций у дошкольников с общим недоразвитием речи (ОНР)

Иванова Наталья Викторовна «Научный аспект №2-2019» — Гуманитарные науки

Систематичность организации самостоятельной работы младших школьников

Шамырканова Надира Бейшенбековна «Научный аспект №1-2019» — Гуманитарные науки

Формирование границ в Северном Поонежье

Побежимов Андрей Иванович «Научный аспект №4-2012» — Гуманитарные науки

Разрешение вопроса о праве, применимом при определении порядка извещения иностранного лица о судебном процессе, в истории международного частного права

Кондрахина Наталья Андреевна «Научный аспект №3-2020» — Право и общество

Преобразование ансамблевых мизансцен в процессе развития мюзикла

Ольга-Лиза Монд «Научный аспект №2-2012» — Гуманитарные науки

Счастье и возраст

Липатьев Георгий Владимирович «Научный аспект №1-2018» — Гуманитарные науки

Тенденции прогнозирования социально-экономических процессов на базе транспортной отрасли

Захарченко Екатерина Владимировна «Научный аспект №1-2019» — Гуманитарные науки

Модель национальной безопасности Республики Казахстан

Мамонов Василий Владимирович «Научный аспект №2-2020» — Политология

Анализ усилий, приводящих к кривизне и выпучиванию бревен в деревянном домостроении

Черных Александр Григорьевич «Научный аспект №3-2020» — Архитектура

Анализ фонда оплаты труда на примере подразделения производственного предприятия

Галкина Юлия Евгеньевна «Научный аспект №4-2017» — Гуманитарные науки

Влияние объемного импульсного лазерного упрочнения на абразивную износостойкость твердосплавных режущих инструментов

Пинахин Игорь Александрович — к.т.н., доцент Северо-Кавказского федерального университета. (г.Ставрополь)

Ягмуров Михаил Алексеевич – студент Северо-Кавказского федерального университета. (г.Ставрополь)

Аннотация: Рассматриваются результаты исследований влияния упрочнения твердосплавных инструментов методом импульсной лазерной обработки. Исследования проводились путем определения сопротивления абразивному изнашиванию на машине трения.

Ключевые слова: Импульсная лазерная обработка, абразивное изнашивание, твердые сплавы, машина трения, рентгеноструктурный анализ.

Существуют различные методы упрочнения режущих инструментов, но объемное импульсное лазерное упрочнение(ОИЛУ) [1]имеет важное преимущество по сравнению с другими методами – оно обеспечивает объемный характер упрочнения.

При черновой обработке наблюдается повышение стойкости твердосплавных режущих инструментов, прошедших ОИЛУ, поэтому важно оценить изменение их абразивной износостойкости. Это является целью данной статьи.

Сущность метода измерения сопротивления абразивному изнашиванию состоит в определении потери массы обработанных ОИЛУ и исходных образцов, подвергаемых истиранию о вращающийся абразивный круг.

Для исследования абразивного изнашивания режущего инструмента были созданы условия трения на образце, форма и размеры которого приближены к форме и размерам режущей части инструмента.

Использовалась установка для абразивного изнашивания (типа машины трения АЕ-5) по схеме торцевого трения пальчикового образца об абразивный круг. Для снижения влияния продуктов износа на результаты эксперимента после каждого опыта осуществлялась зачистка круга алмазным наконечником. Скорость образцов – 42 м/мин, сила прижатия – 40 Н.

Образцы из сплавов Т5К10, Т15К6, ВК8, ВК6ОМ подвергали ОИЛУ в режимах В1, В2, В3, отличающихся по плотности мощности луча лазера.

Взвешивание образцов осуществлялось на аналитически весах ВЛА-200 М с точностью до 0,1 мг.

Испытания проводились чередованием исходных и упрочненных образцов.

Объем выборки был принят n=18 [2].

Таблица 1. Результаты испытаний образцов твердых сплавов на абразивное изнашивание.

Марка твердого сплава

Средняя величина износа, мг

Среднее квадра-тическое распреде-
ление

Коэф. вариации износа

Из результатов исследований (таблица 1) следует, что ОИЛУ способствует снижению величины износа массы испытываемых образцов в 1,29 – 1,40 раза, а, следовательно, повышению абразивной износостойкости твердого сплава.

Испытания показали, что наивысший эффект достигается при режиме упрочнения В2. В то время при режиме В1 этот эффект ниже в 1,11 раза по сравнению с режимом В2, а при режиме В3 наблюдается отрицательный эффект. Таким образом режим В2является наиболее оптимальным, что подтверждает результаты ранее проведенного нами рентгеноструктурного анализа [3].

Рисунок 1. Изменение ширины линий карбида вольфрама по длине образца твердого сплава ВК6: 1 – исходные образцы; 2 – В2; 3 – В3; 4 – В1

На рисунке 1 приведены графики изменения ширины линий карбида вольфрама на различных участках широкой грани твердосплавных пластин. Из анализа рисунка 1, следует, что вследствие влияния импульсного лазерного воздействия происходит наклеп карбида вольфрама, т. к. ширина линий характеризует искажения кристаллической решетки, обусловленные наклепом. Качественный характер кривых упрочненных ИЛО образцов одинаков: это кривые с экстремумом. Наибольший экстремум (возрастание ширины линий) соответствует режиму упрочнения В2.

Статистический анализ результатов испытаний показал, что средняя квадратическая величина распределения износа и коэффициент вариации износа для упрочненных образцов меньше, чем для исходных образцов в 1,8 – 2,3 раза. Это говорит о том, что ОИЛУ способствует повышению стабильности свойств инструментального материала, несмотря на то, что абразивный износ связан с хаотическим характером протекания этого процесса, а, следовательно, обычно увеличивает рассеивание результата по сравнению с другими видами износа.

Также необходимо отметить, что после удаления поверхностного слоя твердосплавных образцов, прошедших ОИЛУ, наблюдается сохранение прочностных характеристик материала. Это указывает на объемный характер упрочнения, т. е. после переточек сохраняется повышение стойкости режущего инструмента, достигнутое ОИЛУ.

Таким образом, для твердосплавных режущих инструментов, прошедших ОИЛУ, характерно повышение абразивной износостойкости в 1,3 – 1,4 раза и снижение ее коэффициента вариации в 1,8 – 2,3 раза.

1. Пинахин И.А.,Копченков В. Г. Влияние импульсной лазерной обработки твердосплавных режущих инструментов на эффективность обработки металлов резанием//Вестник ДГТУ.– Ростов н/Д, 2010.– №8.С. 1235 – 1240.
2. Пустыльник В. И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968. 288 с.
3. Пинахин А.М., Пинахин И.А., Корниенко Ю.А. Рентгеноструктурный анализ образцов из твердого сплава после лазерной обработки // Материалы XXXI научно-технической конференции СевКав ГТУ. Ставрополь, 2001. С. 21 – 23.

Тенденции развития режущего инструмента

Современный режущий инструмент по используемым при производстве материалам можно разделить на 4 основных группы. Это инструмент из быстрорежущей стали, твердосплавный инструмент, режущая керамика и сверхтвердые поликристаллические синтетические материалы.

При этом эксплуатационные свойства материалов всех этих групп полностью зависят от качественного и количественного химического состава инструмента. Ранее, в статье «Твердые порошковые сплавы с точки зрения металловедения», мы писали о зависимости свойств сплавов от химсостава, структуры, формы и дисперсности фаз. Эти закономерности актуальны для всех инструментальных материалов без исключения. На схеме показано распределение инструментальных материалов по их эксплуатационным свойствам: твердости, износостойкости, теплостойкости, ударной вязкости, склонности к трещинообразованию. Также по этой схеме с большой долей вероятности можно определить основное направление развития режущего инструмента.

Здесь можно выделить 3 основных вектора развития:

Разработка новых материалов с одновременно высокими комплексом свойств «прочность — пластичность»

Как известно, характеристики пластичности (прочность при изгибе, ударная вязкость) находятся в обратной зависимости от характеристик прочности. Т.е чем больше предел прочности, твердость (соответственно износостойкость), тем меньше ударная вязкость и пластичность. На сегодняшний день производители инструмента не нашли идеального химического состава, который бы имел твердость кубического нитрида бора (КНБ), пластичность быстрорезов Р6М5 и дешевизну углеродистой стали У10. Поэтому в современном производстве и используется большое число инструментальных материалов «заточенных» под определенные условия работы.

Оптимизация производства существующего инструмента

Это направление основывается на увеличении степени воспроизводимости процессов и качества инструмента, а также на ужесточении нормативной документации на химический состав, свойства и структуру материалов. В качестве примера можно привести всё ту же сталь Р6М5. По ГОСТ 19265 она имеет следующий химсостав основных легирующих элементов:

Углерод (С) = 0,82…0,9%

Вольфрам (W) = 5,5…6,5%

Молибден (Мо) = 4,8…5,3

Т.е по этому стандарту, в пределах одной марки материала, возможных вариаций химического состава инструмента может быть огромное количество. Это влияет на количественный состав карбидной фазы WC, ее дисперсность и форму. Даже если основные показатели качества (твердость HRC или HV) будут в пределах требований КД, то микроструктура при разном химсоставе может отличаться. В результате может изменяться теплостойкость, скорость изнашивания, склонность к образованию и развитию трещины и т. д. Такая анизотропия свойств не критична, т. к. имеет мизерные отклонения от усредненных значений требуемых свойств, но всё же необходимо стремиться находить один оптимальный химический состав инструментального материала и ужесточать требования нормативной документации под эти значения. Это позволит снизить дисперсию показателей качества в пределах одной марки материала и производить инструмент с отклонениями ±0,5 HRC по механическим свойствам и ±0,1 нм по размеру структурных составляющих. В большей степени, ужесточение требований по свойствам, форме и размеру структуры положительно скажется на стойкости твердых сплавов, т. к. эти факторы являются лимитирующими при формировании их механических и эксплуатационных свойств.

Разработка новых химических и физико-химических покрытий

Как правило, режущий инструмент редко эксплуатируется без покрытия, которое существенно снижает температурную нагрузку, вероятность «схватывания» с обрабатываемым материалом, увеличивает износостойкость и поверхностную твердость. На сегодняшний день, в качестве таких покрытий, широко используются газовое и плазменное азотирование, физико-химические PVD и CVD способы нанесения нитридов и карбонитридов титана, алюминия и др.

PVD-покрытия (Physical vapour deposition, в пер. с англ. «физическое осаждение из газовой фазы»)

CVD-покрытия (Сhemical vapour deposition, в пер. с англ. «химическое осаждение из газовой фазы»)

Разработка новых способов покрытия инструмента, так же как и разработка новых инструментальных материалов, требует больших капиталовложений. Большую роль здесь играю коммерческие компании, которые серьезно занимаются продажами инструмента по всему миру. Движущей силой исследований и новых научных разработок является высокая конкуренция на мировом рынке и желание сделать изделие с более низкой себестоимостью и более высоким комплексом тех самых свойств «прочность — пластичность». Поэтому постоянно появляются новые инструментальные сплавы, новые конструкции инструмента и новые технологии поверхностного химико-термического упрочнения. Нам же остается только пожелать производителям творческого и научного успеха и ждать их новых инновационных разработок.

Оснащение деревообрабатывающего инструмента пластинками из твердых сплавов.

Оснащение деревообрабатывающего инструмента пластинками из твердых сплавов самый распространенный способ повышения износостойкости. Тема настолько обширна, что ей будет посвящена отдельная статья на нашем сайте, а здесь только обозначу общие моменты.

Пластинки из твердого сплава крепятся к телу деревообрабатывающего инструмента различными способами:

• Пайкой
• Приклейкой
• Механическими креплениями

Припаивание пластин твердого сплава к телу деревообрабатывающего инструмента осуществляется специальными тугоплавкими припоями. Качество пайки зависит от материала тела (корпуса) деревообрабатывающего инструмента, его подготовки к пайке и свойств припоя и флюса.

Приклеивание пластин твердого сплава к телу деревообрабатывающего инструмента производится синтетическими клеями.

Механическое крепление пластин твердого сплава к телу деревообрабатывающего инструмента осуществляется винтами и дополнительными элементами в виде клиньев и прихватов.

Термическое упрочнение

Для повышения общей прочности и износостойкости деталей в судоремонте применяют термическую и химико-термическую обработку.

К термической обработке относятся:

• поверхностная закалка деталей токами высокой частоты, при злектронагреве в электролите, с контактным нагревом переменным током промышленной частоты, нагревом кислородно-ацетиленовым пламенем;
• изометрическая закалка сталей и чугунов;
• обработка холодом.

Термическая обработка

Поверхностную закалку токами высокой частоты (ТВЧ), разработанную академиком В. П. Вологдиным, широко применяют в судоремонте. Метод основан на использовании явлений электромагнитной индукции. В детали, внесенной в высокочастотное магнитное поле, индуцируются вихревые токи, которые вызывают нагревание ее поверхностного слоя. Глубина проникновения тепла (в сантиметрах) соответствует глубине проникновения тока.

Контейнеровоз Maribo Maersk, Малаккский пролив
Источник: www.shipspotting.com

Закалку ТВЧ осуществляют следующим образом. Специальный индуктор создает переменное магнитное поле при пропускании через него переменного тока высокой частоты (2 500— 5 000 Гц), вырабатываемого машинным генератором при одновитковом разъемном индукторе или ламповым генератором при непрерывно-последовательном способе.

Благодаря тепловому действию тока происходит быстрый нагрев поверхностных слоев детали (обычно за 2 ÷ 3 с). По достижении температуры закалки ток выключается, и через отверстия на внутренней поверхности индуктора подается под давлением вода. Происходит закалка поверхности на заданную глубину.

При одновременной закалке одновитковым разъемным индуктором вся поверхность детали охватывается индуктором и нагревается одновременно. Этот способ применяют для коротких деталей, например шеек коленчатых и распределительных валов. Детали же, имеющие большую длину, закаливают непрерывно-после­довательным способом.

При этом способе индуктор перемещается относительно шейки вала со скоростью 0,3—3 м/с. Глубина закаленного слоя коленчатых валов обычно не менее 4—7 мм. Нагретую поверхность охлаждают водой, которая подается через гребенку, расположенную рядом с индуктором. Внутренние поверхности втулок цилиндров и других деталей закаливают непрерывно-последовательным способом.

После закалки производятся отпуск (в печи) при температуре 250—300°С и механическое упрочнение посредством обкатки роликами, шариками или обдувки дробью.

Контейнеровоз OOCL Rauma, Роттердамский район
Источник: www.shipspotting.com

Высокочастотную закалку хорошо принимают детали из чугуна. Закалке с нагревом ТВЧ обычно подвергают:

• чугунные поршни;
• втулки цилиндров;
• шестерни;
• эксцентрики;
• параллели;
• золотники и др.

Поверхностную закалку газовым пламенем (ацетилено-кислородным пламенем) осуществляют специальными горелками до закалочной температуры на глубину 1—6 мм и сразу же охлаждают деталь водой или воздухом. Глубина закалки стальных и чугунных деталей при скорости передвижения пламени от 80 до 150 мм/мин составляет 1—5 мм.

Давление кислорода, подаваемого в горелку, равно 0,2—0,4 МПа, ацетилена — 0,002—0,08 МПа. Этот способ используется для закалки стальных и чугунных деталей, подвергающихся интенсивному изнашиванию (шейки коленчатых, гребных и промежуточных валов, кулачки распределительных валов, толкатели клапанов, шестерни и другие детали).

Изотермическая закалка является перспективным видом термической обработки. Различают светлую ступенчатую закалку и закалку в расплавленных щелочах.

При светлой ступенчатой закалке деталь помещают в охлаждающую среду, имеющую температуру 200—300°С, и выдерживают в ней до тех пор, пока деталь не приобретет эту температуру, далее охлаждение ведется в масле или на воздухе. Светлую ступенчатую закалку применяют при изготовлении деталей из легированных и инструментальных сталей марок У7, У12, ШХ15, 85, 60С2А, 65Г и др.

Контейнеровоз Christopher, река Эльба
Источник: www.shipspotting.com

Применение изотермической закалки дает возможность:

• увеличить износостойкость деталей в 2—5 раз и более;
• повысить предел прочности разрыву на 50—80%;
• снизить трудоемкость обработки за счет исключения операций отпуска.

Обработка судовых деталей Электромеханический метод наращивания и электроискровая обработка деталей холодом заключается в медленном охлаждении стальных деталей до температуры минус 80°С и ниже. В качестве холодильных агентов для создания низких температур используют жидкий азот, жидкий воздух или углекислоту в твердом состоянии. В результате глубокого охлаждения происходят дополнительные превращения остаточного аустенита в мартенсит, что повышает твердость и износостойкость деталей.

Обработка холодом для большинства стальных деталей должна производиться непосредственно после закалки во избежание стабилизации аустенита.

Обработку холодом в судоремонте применяют:

• для повышения износостойкости поршневых пальцев, плунжерных пар, кулачных шайб и других деталей;
• для стабилизации размеров закаленных деталей;
• для повышения стойкости режущего инструмента;
• для уменьшения размеров деталей под посадку и т. д.

Химико-термическая обработка

Цель обработки — изменение состава поверхностного слоя детали для придания ей:

• высокой твердости;
• износостойкости;
• коррозионной стойкости;
• жаростойкости и т. д.

При этом сердцевина детали остается сравнительно мягкой и вязкой. Наиболее распространены следующие виды обработки.

Контейнеровоз Madrid Maersk, Красное море
Источник: www.shipspotting.com

Цементация (науглероживание) — насыщение поверхностного слоя детали углеродом до концентрации 0,8—1%, обеспечивает получение (после закалки) детали с высокой твердостью и износостойкостью на поверхности и с вязкой сердцевиной. Применяют эту обработку для деталей, изготовленных из малоуглеродистых сталей (до 0,25% углерода). Цементацию ведут путем нагрева в герметически закрытой среде карбюризатора с последующим медленным охлаждением.

Азотирование (нитрирование) — насыщение поверхностного слоя детали азотом после предварительного улучшения. Придает высокую твердость, износостойкость и коррозионную стойкость поверхностному слою детали при минимальном его короблении. Режим: нагрев в атмосфере аммиака до 500—700°С, выдержка 20 ч с последующим охлаждением в парах аммиака до 100°С.

Цианирование — одновременное насыщение поверхностного слоя детали азотом и углеродом для повышения твердости и износостойкости. Температура нагрева 550°С при низкотемпературном и 850°С при высокотемпературном цианировании.

Упрочнение поверхности метала (видео)