Одним из основных направлений развития металлообрабатывающей отрасли является повышение производительности процесса резания. Для достижения этой цели разработаны автоматизированные обрабатывающие центры, позволяющие значительно снизить время на изготовление деталей. Однако даже самый современный инструмент, применяемый в настоящее время, не позволяет реализовать все преимущества оборудования из-за недостаточности эксплуатационных характеристик. Общеизвестно, что чем выше режимы резания, тем быстрее выходит из строя инструмент. Как правило, причиной этого является высокая (свыше 1000^oС) температура, образующаяся в зоне контакта инструмента и детали при обработке на таких режимах.

Над решением этой проблемы инструментальщики бьются каждый раз при появлении нового высокопроизводительного оборудования. Одним из наиболее перспективных способов повышения эксплуатационных характеристик инструмента является применение режущих пластин с износостойкими покрытиями, которые защищают контактные поверхности от действия высоких температур. Эксплуатационные характеристики пластин с покрытием определяются как свойствами покрытия — высокой твердостью, теплостойкостью, инертностью к обрабатываемому материалу, так и заданными свойствами основы — прочностью, вязкостью, сопротивлением усталости и др.

Износостойкие покрытия могут снижать контактные нагрузки, перераспределять тепловые потоки, что приводит к уменьшению термомеханической напряженности режуще-го клина и увеличению стойкости инструмента более чем в 3 раза, скорости резания на 30–60%.

В качестве таких покрытий используются карбиды, нитриды и карбонитриды металлов IVа – VIа групп периодической системы химических элементов, среди которых широкое распространение получили титан, хром, цирконий, алюминий.

В последнее время наибольшее внимание уделяется покрытиям на основе соединений алюминия [1]. Разработано покрытие (Al,Ti)N с содержанием AlN более 50%, позволяющее работать на повышенных скоростях резания [2].

Наиболее эффективным является покрытие, в состав которого входит окись алюминия. До настоящего времени износостойкие покрытия на инструмент наносились методом PVD или СVD с максимальной температурой нанесения 900 и 1080^oС соответственно. Согласно данным [3], температура перехода θ – Al₂O₃ в менее пористую и более твердую модификацию α-Al₂О₃ составляет 1200^oС (рис. 1), поэтому применяемые методы могут получить только метастабильные модификации Al₂O₃.

Рис. 1  Схема получения различных модификаций Al₂O₃

Эксплуатационные характеристики инструмента могут быть улучшены за счет получения в покрытии различных модификаций Al₂O₃: пористые метастабильные модификации Al₂O₃ обладают высокими тепло- и электроизоляционными свойствами, а α-Al₂О₃ имеет высокую твердость и термостабильность.

Несколько лет назад для обеспечения конкурентоспособности отечественного инструмента в ООО «АЛНА — Инструмент» был поставлен вопрос о необходимости проведения исследований в области улучшения эксплуатационных свойств режущего инструмента, в частности твердого сплава, на высоких скоростях резания.

До настоящего времени из-за высокой температуры получения α-Аl₂0₃ такое покрытие для режущего инструмента еще не создано ни одним производителем в мире.

Наиболее приемлемым методом получения указанного покрытия является метод микродугового оксидирования (МДО). МДО — процесс получения покрытий на поверхности электропроводящего материала, находящегося в электролите, в высоковольтном режиме обеспечивающем наличие локальных микроразрядов, перемещающихся по поверхности при его анодной поляризации. Температура в зоне микроразряда при МДО более 1200^oС, что позволяет решить поставленную задачу.

МДО с успехом используется для повышения эксплуатационных характеристик деталей из легких сплавов, для покрытия авиационных деталей, пар трения и т.д.

Однако до настоящего времени для получения износостойких покрытий на режущем инструменте этот метод не применялся.

Процесс оксидирования методом МДО производился на установке, схема которой приведена на рис. 2.

Рис. 2  Функциональная схема установки МДО:
1 — гальваническая ванна; 2 — рубашка водяного охлаждения; 3 — барботер; 4 — электролит; 5, 6, 9 — запорная арматура; 7 — фильтр; 8 — водяной насос; 10 — бак с теплообменником; 11 — деталь; 12 — воздушный компрессор; 13 — вытяжной зонтик; 14 — вытяжной вентилятор. ТИТ — технологический источник питания

В отличие от оксидных защитных покрытий, толщина которых на поверхности деталей из легких сплавов достигает 200–300 мкм, покрытие на режущем инструменте имеет ряд отличительных особенностей, связанных с его эксплуатацией:

1. Действующее напряжение на режущей кромке достигает 250–300 кг/мм², а температура в зоне контакта 900–1100^oС.

2. Процесс резания характеризуется ярко выраженной нестационарностью: изменением термосиловых характеристик и вибрацией инструмента по длине обрабатываемой поверхности и др.

3. Наблюдается наложение остаточных напряжений, возникающих в покрытии, и напряжений в процессе обработки.

В результате указанных условий износостойкие покрытия выходят из строя из-за сколов. Поэтому их толщина не должна превышать 25 мкм.

Для подтверждения правильности указанных выводов были проведены работы по оксидированию методом МДО пластин из твердого сплава с последующими испытаниями по оптимизации толщины наносимого слоя алюминиевого покрытия.

На твердосплавные сменные пластины из сплава ТТ10К8Б формо/размера SNUN120408 наносился слой алюминия толщиной от 10 до 60 мкм и оксидировался на установке МДО.

Экспериментальные исследования по определению стойкости пластин, покрытых с помощью МДО, производились по стандартной методике ВНИИТС, при обработке стали 50 на следующих режимах: V=200 м/мин, S=0,2 мм/об, t=1,0 мм. Пластины для нанесения покрытия брались из одной партии, предварительно проверенной на соответствие качеству по химическому составу, структуре и физико-механическим свойствам. На графике (рис. 3) представлены результаты стойкостных испытаний пластин до износа по задней грани h=0,6 мм. Исследовались пластины с покрытием (Ti,ZrNb)N по сравнению с пластинами, оксидированными методом МДО.

Рис. 3  Зависимость износа пластин от времени испытаний

Анализ результатов, приведенных на графике (рис. 3), показывает, что наибольшую стойкость имеют пластины с общей толщиной 10–20 мкм.

На следующем графике (рис. 4) приведена обобщенная зависимость стойкости пластин от общей толщины покрытия.

Рис.4  Зависимость стойкости пластин от общей толщины покрытия

Низкая стойкость пластин с общей толщиной более 20 мкм связана с повышенным износом из-за выкрашивания режущей кромки пластины.

Многочисленные сравнительные испытания показывают, что стойкость пластин, покрытых методом МДО, на повышенных режимах более чем в 2 раза выше стойкости пластин с традиционным покрытием.

Таким образом, решена проблема негативного влияния на инструмент высоких температур, образующихся при резании.

И, следовательно, областью применения разработанных оксидных покрытий может быть:

• нанесение покрытий на сменные многогранные пластины из твердого сплава для точения, фрезерования, резьбонарезания;
• увеличение стойкости пластин с уже нанесенным, традиционным для этого производителя, покрытием.

А также:

• увеличение срока службы пар трения;
• замена дорогостоящих алмазных волок и фильер на твердосплавные, с повышенным ресурсом;
• увеличение ресурса ребровых шайб для калибровки проволоки;
• повышение срока службы подшипников для насосов высокого давления;
• оксидирование сопел для пескоструйной, гидроабразивной обработки и др.

к.т.н. Пьянов А.И., к.т.н. Аникин В.Н., Пьянов А.А.

Т./ф. +7 495 231 23 54, тел. +7 499 781 13 93

pyanov@alna.su, alnainstrument@mail.ru

www.alna.su

Список используемой литературы:

1. «Основные виды износостойких покрытий» Локтев Д., Ямашкин Е., Наноиндустрия 5/2007 г.

2. «Износостойкие покрытия как движитель инновационного процесса в технологии инструментальных материалов и современной металлообработке» Максимов М., «NanoWeek», 13–19 апреля 2010 г., № 106.

3. «Гидроокиси металлов» Чалый В. П., К. 1972 г.