Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса повышения эффективности использования лезвийного режущего инструмента, путем формирования на его поверхности износостойких функциональных слоев. Цель и задачи исследования 11
1.1 Влияние химического, структурного, фазового состава и дефектной структуры режущей части металлообрабатывающих инструментов на их физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики. 11
1.2 Причины снижения работоспособности твердосплавного металлорежущего инструмента при обработке материалов в условиях прерывистого резания . 15
1.3 Методы упрочнения инструментов. Ионно-вакуумная модификации режущей части инструмента. 21
1.3.1 Нанесение покрытий методами ионно-вакуумного конденсационного напыления (метод PVD). 28
1.3.2. Терморезистивное напыление ионно-вакуумных покрытий. 37
1.3.3 Ионно-вакуумное распыление поверхности. 41
1.3.4. Определение цели и задач диссертационной работы. 45
2. Модифицированный поверхностный слой твердосплавных инструментов. Структура, состав, обеспечение . 53
2.1. Функциональные барьерные подслои в составе модифицированного поверхностного слоя инструментов. 53
2.2. Подбор модифицирующих элементов для обеспечения формирования заданных свойств функциональных подслоев модифицированного поверхностного слоя . 56
2.3. Определение и обеспечение наиболее эффективных свойств и состава модифицированного поверхностного слоя металлообрабатывающего инструмента. 61
2.4. ИВМ поверхности режущего инструмента. Рекомендации по выбору модифицирующих элементов. 64
2.5. Прогнозирование эффективности выбранных модифицирующих элементов и сформированных из них подслоев 68
2.6. Основные технологические операции и параметры для ИВМ 70
3. Экспериментальные исследования по влиянию элементов, применяемых в ходе ионно-вакуумной модификации, на качество и работоспособность инструментов с модифицированным рабочим поверхностным слоем . 73
3.1. Модификация дефектной структуры и состава поверхностного слоя металлорежущего инструмента ИВО 73
3.2. Изменение физико-механических свойств режущих пластин под влиянием ионно-вакуумной модификации их режущей части. 79
3.3. Исследование влияния ионно-вакуумной модификации на повышение эффективности лезвийного режущего инструмента . 83
3.4. Определение необходимого числа проведения параллельных экспериментов при исследовании стойкости твердосплавных пластин. 92
4. Технологические рекомендации по разработке операций ионно-вакуумной модификации поверхностного рабочего слоя металлорежущего инструмента . 97
4.1. Проектирование технологического процесса ионно-вакуумной модификации рабочих поверхностей режущих инструментов. 98
4.2. Выбор способов ионной обработки и химических элементов для реализации технологических переходов ионно-вакуумной модификации 100
4.3. Рекомендуемое оборудование и его параметры для реализации методов ИВО поверхности инструментов 103
4.4. Экономические составляющие метода ИВМ поверхности инструмента 103
Основные выводы и результаты работы. 105
Список литературы 107
Приложение 119
- Причины снижения работоспособности твердосплавного металлорежущего инструмента при обработке материалов в условиях прерывистого резания
- Подбор модифицирующих элементов для обеспечения формирования заданных свойств функциональных подслоев модифицированного поверхностного слоя
- Исследование влияния ионно-вакуумной модификации на повышение эффективности лезвийного режущего инструмента
- Выбор способов ионной обработки и химических элементов для реализации технологических переходов ионно-вакуумной модификации
Причины снижения работоспособности твердосплавного металлорежущего инструмента при обработке материалов в условиях прерывистого резания
Особенности структурного, фазового и химического составов металлокерамических твердых сплавов обеспечивают высокие показатели их физико-механических, а также и эксплуатационных свойств, определяя их повышенную работоспособность. Однако, параметры разрушения инструментов, изготовленных из этих материалов, также обусловлены особенностями их состава. Так как обработка металлокерамикой сопровождается высокими силовыми и тепловыми нагрузками, соответственно инструментам из этого материала характерны как все известные виды износа – абразивный, адгезивный, диффузионный [58, 66], так и глубинное вырывание отдельных участков инструментального материала, таких как срыв нароста, возникшего в ходе адгезионных явлений. Причиной разрушения металлокерамики является невысокая способность этого материала сопротивляться разрушению, при работе с ударными нагрузками в условиях растяжения и изгиба при циклических изменениях сил и температур (силовая и термическая усталость в условиях прерывистого резания). Типовая картина износа пластины из твердого сплава приведена на рис.1.1.
Порядка 40…45% технологических операций от всего объема лезвийной обработки осуществляются в условиях прерывистого резания. Приведенные ниже факторы объясняют различия в значениях стойкости режущих инструментов, работающих в условиях непрерывного и прерывистого резаний:
1) Циклическое воздействие механических напряжений на материал инструмента [2];
2) Тепловое нагружение и разгружение режущего клина;
3) Взаимодействие инструментального материала с окружающей средой.
Качественное и количественное значения механических и температурных напряжений, возникающих в материале режущего клина инструмента, определяют закономерности изменения толщины срезаемого слоя. В большинстве случаев возникающие напряжения сохраняют свой знак на всем протяжении рабочего хода. Во время холостого хода прекращается процесс резания, соответственно механические напряжения становятся равными нулю, а температурные сохраняют свое действие и, как правил, меняют знак, так как нагретые поверхности инструмента снижают свою температуру в виду контакта с охлаждающей средой. Цикл повторяется после окончания холостого хода [9].
Изменение интенсивности хрупкого разрушения режущего инструмента в виде сколов и выкрашиваний, а так же параметров шероховатости поверхности проявляются под воздействием теплового нагружения и разгружения элементов режущего клина инструмента. В случае, если температурное поле является стационарным, внутренние источники теплоты отсутствуют, а тепловым деформациям ничто не препятствует, то констатируется отсутствие температурных напряжений в материале [84]. При прерывистом резании всегда имеет место нестационарное температурное поле, а тепловые деформации элементов режущего клина ограничиваются внутренними (слой инструментального материала) и внешними (контакт с обрабатываемой заготовкой) связями [88]. Наличие в режущем клине инструмента температурных градиентов приводит к удлинениям слоев материала, а в виду постоянства сплошности материала, в нем возникает система температурных деформаций и напряжений. Далее целесообразно рассматривать изменение параметров материала в области поверхности инструментов в виду наибольших изменений температур, а, следовательно и температурных напряжений.
Напряжения при нагреве могут достигать или превышать предел прочности при сжатии с увеличением воздействия тепловой нагрузки, а за период охлаждения, когда запас прочности при сжатии быстро исчерпывается, напряжения возрастают и могут превысить предел прочности при растяжении, при повышении интенсивности охлаждения [57]. Эти процессы сопровождаются образованием трещин и, как следствие, приводят к потере работоспособности режущего инструмента [62]. Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что температура, возникающая в зоне резания, оказывает существенное влияние на состояние поверхностного слоя. Нагрев металла повышает его пластичность, способствуя увеличению глубины упрочнения, но, начиная с определенного значения температуры, способствует ускорению процессов разупрочнения [37]. Образование трещин, или развитие фазовых превращений в материале инструмента провоцируется при неблагоприятном температурном воздействии (рис.1.2).
На интенсивность адгезионных процессов, посредством изменения физико-химических характеристик материала поверхностного слоя, также оказывает влияние температурный фактор. Механизм влияние скорости резания и температур на образование адгезионного износа режущего инструмента подробно исследован Т.Н. Лоладзе [58].
Характер распространения трещин может быть самым разнообразным: фиксировались как внутрикристаллические разрушения карбидов, так и трещины по границам между карбидов (рис.1.3) по кобальтовой связке. Необходимо принимать во внимание и механизм разрушения металлокерамических твердых сплавов в результате механической усталости [56]. Характер и расположение возникающих микротрещин, в таком случае, схожи с аналогичными при термической усталости (рис. 1.4).
Так же, при изучении процессов, приводящих к потере работоспособности режущих инструментов из твердых сплавов, необходимо учитывать негативное влияние диффузионных процессов, происходящих как в инструментальных, так и в обрабатываемых материалах. Принято считать, что диффузионный износ происходит только при высоких температурах. Конечно, диффузионный износ преобладает над другими видами износа именно при высоких температурах, однако сам процесс диффузии происходит и при относительно низких температурах [61].
Резюмируя приведенные сведения по процессам диффузии, которые сопровождают обработку резанием с применением твердых сплавов, рассмотрим основные положения:
1) В процессе обработки происходит ослабление приграничных подповерхностных слоев инструмента в результате переконцентрации углерода из инструментального материала в пограничную область, что способствует образованию карбидов в контакте с обрабатываемым материалом. В результате возникают дефектные поры, которые ускоряют адгезионно-усталостное разрушение инструментального материала.
2) Происходит разрушение, предохраняющей карбиды от окисления, окисной пленки на поверхности твердого сплава в результате диффузии углерода. Так же, разрушение окисных пленок способствует и активизации адгезионно-диффузионных процессов в зоне резания.
3) Окисление твердого сплава из-за диффузии в него из окружающей среды кислорода по межкристаллитным границам. В результате ослабления связей между зернами карбидов происходит их окисление, что ускоряет износ инструмента.
4) В ходе обработки железосодержащих сплавов происходит диффузия железа по кобальтовой связке, что приводит к ослаблению сил, удерживающих карбиды в связке и, как следствие, провоцирует интенсивный износ инструмента. Кроме того, железо, вступая в соединение с компонентами твердого сплава и кислородом, образует интерметаллиды и окислы.
5) В ряде случаев фиксируется диффузия кобальта в стружку.
Подбор модифицирующих элементов для обеспечения формирования заданных свойств функциональных подслоев модифицированного поверхностного слоя
В основе теории взаимодействия модифицирующих элементов и материала основы, заложен механизм, основанный на анализе эволюции конфигурационной модели вещества и описывающий взаимодействие их электронных структур. Конфигурационная модель вещества позволяет объяснять закономерности изменения свойств материалов и их сплавов при изменении содержания компонентов, образующих материалы, а также прогнозировать свойства вещества в зависимости от его химического состава [35, 36].
Для оценки физико-механических свойств материалов с помощью конфигурационной модели вещества необходимо рассмотреть структуры внешних электронных оболочек элементов, образующих материал изделия [78]. Главным определяющим понятием конфигурационной модели является статистический вес атомов со стабильными электронными конфигурациями (СВАСК), которыми, например, для переходных металлов являются d0, d5 и d10, для s – и p – элементов – sp3 и s2p6. Основные физико-химические свойства материалов (прочность, пластичность) зависят от соотношения статистических весов (долей) атомов с различными стабильными конфигурациями. Легирующие элементы приводят к перераспределению СВАСК ов в материале изделия, что в свою очередь, изменяет физико-механические характеристики сплава [39, 40].
Стабильные электронные конфигурации у атомов возникают в зависимости от количества внешних валентных электронов. Так, если атом в изолированном состоянии имеет один d-электрон, то велика вероятность того, что он его отдаст для создания СВАСК ов d5 или d10, а у ионного остова появиться СВАСК d0. При дальнейшем рассмотрении элементов периодической системы Д.И.Менделеева в данной подгруппе с увеличением их порядкового номера растет количество d-электронов от одного до десяти и, соответственно, вероятность возникновения d0 – состояния уменьшается, а возможность появления d5 – стабильного состояния увеличивается. При числе внешних электронов больше пяти повышается вероятность образования d10 – стабильной конфигурации. Основные параметры электронной структуры ряда элементов, наиболее часто используемых в качестве модифицирующих, приведены в табл.2.1. [39].
В качестве примера, пользуясь табл.2.1., можно произвести анализ конфигурационных моделей, например, основных твердых сплавов.
Входящие в состав метало- и минералокерамик тугоплавкие соединения WC, Ti C, Ti N и Al2O3 определяют их свойства. Соединение Al2O3 состоит из алюминия с конфигурацией электронов s2p1 и кислорода с конфигурацией s2p4. Возникающая за счет перехода к кислороду электронов металла конфигурация, вследствие стремления его к достройке до стабильного состояния s2p6, определяет устойчивость системы к температурным воздействиям. Карбиды и нитриды имеют высокие СВАСК и sp3, а также d5 – конфигурации за счет вольфрама и титана. Это объясняет их твердость и хрупкость. С понижением доли sр3 и d5 – конфигураций, при учете связки – кобальта с высоким СВАСК d10 на границах зерен, происходит некоторое повышение прочности и твердости, за счет повышается пластичности материала. Кроме того, к увеличению пластичности приводит возрастание концентрации коллективизированных d10 электронов, которые, обеспечивая типичную металлическую связь, определяют пластические свойства сплава.
Приведенные рассуждения позволяют определить прочностные и пластические свойства инструментального материала. Для достижения цели применения концепции оценки направления эволюции диссипативной системы «материал основы - модифицирующие элементы», которая базируется на предположении, что химические элементы стремятся занять энергетически выгодные положения, определяющие общий минимум энергии системы [39], изменяя соотношения долей стабильных электронных конфигураций за счет электронов внедренных модифицирующих элементов, можно управлять свойствами поверхностных слоев инструментов, такими как твердость, прочность, пластичность и др.
Для оценки изменения статистического веса (доли) i-ой стабильной электронной конфигурации в системе «материал основы - модифицирующие элементы» можно использовать выражение [92]:
На основе формулы (2.1) можно вывести корреляционные зависимости, оценивающие влияние элементов периодической системы, наиболее часто применяемых для модификации поверхности материалов, на увеличение или уменьшение доли стабильных конфигураций (в процентах) у кобальта - связки металлокерамических твердых сплавов.
Доли (веса) стабильных электронных конфигураций d5, отвечающих за прочность, у кобальта - 28 процентов, из всех валентных электронов. Пластичность зависит от числа конфигураций d10, которых у кобальта - 72 процента. Ниже приведены зависимости, оценивающие изменение долей конфигураций d5 и d10 в процентах для кобальта, при модификации последних рядов элементов IV-VI групп периодической системы элементов
Увеличение долей соответствующих стабильных конфигураций указывает на повышение прочности и пластичности, уменьшение - на снижение этих свойств. Используя выражения (2.1) - (2.3), определяем отвердители и пластификаторы для инструментальных материалов, которые представлены в табл.2.2.[39].
Данные рекомендации по выбору модифицирующих элементов можно использовать не только для ИВМ, но и более широко в процессах упрочнения, обусловленных поверхностным легированием материалов изделий.
Исследование влияния ионно-вакуумной модификации на повышение эффективности лезвийного режущего инструмента
Одним из наиболее емких резервов повышения работоспособности инструментов [20, 53, 61, 62, 89], наряду с применением термических, механических и физико-технических методов повышения качества их поверхностных слоев, является получение заданного микрорельефа на рабочих поверхностях инструментов.
В настоящее время известно порядка 20 различных функциональных свойств поверхности, на которые влияет ее микрогеометрия, такие как адгезия, износостойкость, теплопередача и т.п. [15]. Однако, большая часть исследований по управлению микрогеометрией поверхности базируется на стандартизованных критериях, которые определяют отдельные усредненные характеристики профиля (Rz, Ra). Методика создания параметрического описания микропрофиля с применением усредненных его характеристик не позволяет в полной мере определить вид поверхности, оптимальный для работы конкретного инструмента [29, 34].
Исследования микропрофиля поверхностей инструментов при помощи измерения шероховатости микропрофиля по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 2789-73 и ГОСТ 25142-82 на приборе КАЛИБР-201, а так же, полное измерение параметрических характеристик микрогеометрии профиля и непараметрическая оценка с инвариантным сравнением с применением измерительного комплекса ПРОФИЛЬ [72] показали, что в исходном состоянии профиль рабочих поверхностей режущего инструмента не удовлетворяет заявленным требованиям, в части, касающейся их стационарности.
В ходе анализа микропрофиля поверхностей инструментов после реализации ИВМ установлена их стационарность [15, 95, 96], что является причиной стабилизации процессов, происходящих во время работы инструментов, таких как трение, теплопередача, коррозия и др. Все приведенное может свидетельствовать о повышении работоспособности инструментов в целом.
Набор измеренных параметров шероховатости, необходимых для полного описания профилей [94, 98] приведен в таблице 3.3. При анализе полученных данных, необходимо отметить, что ионно-вакуумная модификация улучшает параметры шероховатости инструментов в целом.
Rz – определяется как среднее арифметическое отклонение экстремумов ординат – пяти максимумов и пяти минимумов – средняя величина микротвердости;
Rа – среднее арифметическое отклонение профиля;
Rq – среднее квадратичное отклонение профиля;
Rmax – наибольшая высота неровностей профиля;
Rpk – усредненная высота выступов;
Rk – глубина неровностей профиля внешней поверхности;
Rvk – усредненная глубина впадин профиля, определяющих смазывающую способность поверхности. Повышение силы адгезионной связи покрытия с основой (адгезионной прочности), является одним из основных показателей, определяющих функциональное назначение переходного подслоя [4, 33, 88]. Часто причиной отслаивания покрытий, или появления в них трещин, является именно недостаточная адгезия. Это является причиной преждевременного выхода из строя режущих инструментов с многослойными покрытиями, особенно это часто наблюдается у инструментов с алмазоподобными покрытиями. В ходе анализа применяемых в настоящее время методик оценки адгезионной прочности тонких пленок и покрытий, был сделан вывод о том, что их объединяет общая трудоемкость и длительность процесса [33]. Для оценки адгезии твердых покрытий лучше подходят косвенные методы, однако они позволяют получать лишь относительные сравнительные сведения об адгезионной прочности. К косвенным методам относятся методы, разрушающие покрытие, такие как царапание, укол, надрез, многократный изгиб и др., общим недостатком которых является необходимость обеспечения одинаковых условий для проведения испытаний образцов. Кроме того, такие методы исследуют не адгезию, как таковую, а фактически сумму адгезионной и когезионной прочности [33].
Применяемая при проведении исследований методика оценки адгезионной прочности покрытий, в основе которой лежит принцип деформации адгезива и субстрата алмазным коническим индентером для измерения твердости, относится к косвенным сравнительным экспресс-методам. В процессе реализации метода происходит, сопровождаемая выделением тепла, деформация, при этом количественный показатель выделенного тепла пропорционален совершаемой работе и служит косвенной мерой прочности материала. Разность в величинах адгезионной прочности можно определить, оценивая количество выделяемого тепла при внедрении индентера на одинаковую глубину в основу с покрытием и без покрытия [48]. Схемы внедрения индентера в образцы представлены на рис.3.8.
В ходе проведенных экспериментов удалось установить, что при внедрении индентера в основу на глубину, на порядок превышающую толщину покрытия, величинами Апокрдеф и АпокрТР в выражении (3.2) можно пренебречь, как не значительными. Приняв работы сил трения при деформации А1ТР и А2ТР приблизительно равными, получаем выражение, характеризующее различия в величине общих работ, совершаемых индентером при внедрении в поверхностные слои образцов с покрытием и без покрытия:
А = А2деф – А1деф (3.3)
Полученная разница в величине работ является косвенной мерой силы, действующей на основу со стороны покрытия и препятствующей деформации основы, т.е. силы адгезионной связи покрытия с основой.
С учетом того, что оценка величины работы осуществляется измерением количества тепла, то для фиксации такого небольшого его количества применялся метод микрокалориметрии [48], отличающийся высокой чувствительностью. Мощность теплового потока dQ/dt, возникающего при деформации материала оценивалась с точностью до 1мкВт, при помощи дифференциального автоматического микрокалориметра ДАК-I-I.
В лаборатории нанотехнологий и производственных условиях, а также в технологической лаборатории ФГАОУ ВПО СПбПУ был протестирован режущий инструмент с различными покрытиями его режущей части, нанесенными методами ИВМ (конденсации в вакууме в условиях ионной бомбардировки КИБ, или PVD-покрытия).
Так в лабораторных условиях были проведены исследования по изменению износостойкости пластин различных марок твердого сплава с покрытиями и без покрытий при точении, растачивании и фрезеровании заготовок из различных сталей и сплавов. Расчеты показали, что погрешность результатов исследований не превышают 8…10%.
Кроме того, были проведены испытания твердосплавных пластин, как с различными покрытиями, так и без них в производственных условиях. Для обработки на токарно-расточном станке модели 1П756ДФ3 с применением инструмента: пластины из твердого сплава Т15К6 в состоянии поставки; Т15К6 после ИВМ [Cr-Cu-(Ti + N)] №1; Т15К6 после ИВМ [Cr-Cu-([Ti + Mo]+ N)] №2, были получены данные, приведенные в табл. 3.4, 3.5, 3.6 и рис. 3.9, 3.10.
Выбор способов ионной обработки и химических элементов для реализации технологических переходов ионно-вакуумной модификации
Для реализации технологических переходов ИВМ рекомендуется применять следующие принципы:
- для распыления дефектного поверхностного слоя использовать бомбардировку поверхности ионами инертных газов (ионно-плазменное и ионно-лучевое травление);
- для формирования переходного слоя использовать низкоэнергетическую ионную имплантацию (энергия ионов 20…40 КэВ);
- для формирования функциональных подслоев покрытия использовать термоионное напыление, конденсацию в условиях ионной бомбардировки и напыление с использованием магнетронной распылительной системы.
В таблице 4.1. приведен перечень методов ИВО с описанием области применения.
На рисунке 4.1 приведена блок-схема и поэтапные результаты выбора химических элементов для ионно-вакуумной модификации металлокерамических твердых сплавов