Нанесение износостойких покрытий

Нанесение таких покрытий получило широкое распространение как у изготовителей инструмента, так и у его потребителей. Существует ряд способов: электроискровой (самый старый), плазменный, детона­ционный и др. Наиболее широко применяются газофазное осаждение (ГТ) и катодное напыление с ионной бомбардировкой (КИБ) некото­рых материалов на рабочие поверхности инструментов.

С помощью газофазного метода наносят пленку карбида титана, толщиной 3 – 10 мкм. Процесс протекает в специальных камерах, где из газовой фазы при температуре 1000 – 1100 °С на поверхности детали осаждается карбид титана. Высокая температура ограничива­ет область применения метода нанесением только покрытий на твер­дый сплав. Стойкость инструмента увеличивается в три раза, однако на 30 – 40 % понижается прочность основы.

Метод катодного напыления основан на нанесении тонких пленок карбидов, нитридов, окислов металлов IV – VI групп таблицы Менде­леева на поверхность изделия в вакууме (1,33*10⁷ – 1,33*10⁹ Па). Сущность процесса состоит в том, что под действием напряжения между анодом (изделием) и катодом (металлом-испарителем) ме­талл с катода испаряется, образуя ионное поле. Инструмент нагревается до температуры 300 – 600 °С. При прокачке через камеру азота или другого газа, содержащего азот, ионы испарившегося металла (титана, молибдена), взаимодействуя с ионами азота, образуют нит­риды и осаждаются на поверхность анода, создавая тонкую пленку толщиной 2 – 12 мкм. При наличии нескольких испарителей из различ­ных металлов можно чередовать их работу, нанося слои различных покрытий разной толщины и создавая таким образом многослойное покрытие, прочно сцепляющееся с основой и имеющее на поверхности материал с высокой абразивной стойкостью. Известны самые различные комбинации покрытий: TiC+ TiN, TiC + TiN + Аl₂О₃ и др. Число слоев может достигать 13 и более. Многослойные покрытия более эффективны в некоторых конкретных условиях применения. Поскольку температура процесса не очень высокая, метод приемлем для нанесения покрытий на инструменты из быстрорежущей стали, стойкость которых после однослойного покрытия нитридами титана повышается в 1,5 – 5,0 раз, в зависимости от вида инструмента, мате­риала обрабатываемой детали и режима резания.

По данным исследований износостойкость покрытий повышается почти в два раза после термомеханической обработки, заключающей­ся в механическом воздействии вращающейся металлической щетки на поверхностные слои пластины, подогретой до 300 – 500 °С.

Очень высокой эффективностью отличается алмазоподобное пле­ночное покрытие, наносимое при температуре 380 °С. Стойкость про­резных и отрезных фрез с таким покрытием повышается в 230 раз.

Нанесение антифрикционных покрытий

Эти покрытия мягче, чем материал основы, и выполняют функции твердых смазок, понижающих коэффициент трения и уменьшающих тем самым износ инструмента. Особенно полезны для инструментов, работающих в условиях повышенного трения, а именно, инструментов с малыми задними углами при обработке вязких металлов, склонных к налипанию на инструмент. Покрытия наносятся при комнатной темпе­ратуре на подготовленные специальным способом рабочие поверхности инструмента. Для улучшения сцепления с основой инструменты под­вергаются нагреву до 200 °С. Низкая температура позволяет приме­нить эти способы для инструментов из любых режущих материалов.

В качестве материалов для покрытий используют сульфиды и фосфаты различных металлов, ангидрид молибдена, а также эпилам (фторсодержащее поверхностно-активное вещество 6МФК-180 или 6СФК-180-05). Наибольшее применение получили дисульфид молиб­дена МоS₂, никель-фосфорное покрытие NiP и эпилам. Стойкость инструментов с такими покрытиями в 1,5 – 6,0 раз выше, чем без них, особенно инструментов с малыми задними углами.

В случае никель-фосфорного покрытия на поверхности инструмен­та наносится слой химически восстановленного никеля, обладающий высокой твердостью, что наряду с создаваемым диффузионным барь­ером способствует дополнительному повышению стойкости инстру­мента.

Выбор метода поверхностного упрочнения деталей Интересные результаты дал метод экспертных оценок (метод анкетирования), результаты которого приведены в работах Б.П. Рыковского и др. На основании анкетирования и применения метода экспертных оценок авторами была предложена схема приоритетности применения того или иного метода для обработки деталей различных групп сложности. Всего ими было проанализировано до 30 % от всех типов деталей, подвергающихся поверхностному упрочнению в отечественной промышленности. Предлагаемые методы расположены по порядку, по степени снижения приоритетности для каждой из групп деталей :

• 1 группа — плоскости — обработка дробью (дробеструйная обработка и пневмодинамическая обработка), накатывание, выглаживание, центробежная обработка, обработка механическими щетками; 

• 2 группа — отверстия — раскатывание, дорнование, выглаживание, чеканка, обработка дробью, центробежная обработка; 

• 3 группа — сложные поверхности — обработка дробью, накатывание, выглаживание, обработка механическими щетками, чеканка; 

• 4 группа — обработка дробью, накатывание, выглаживание, обработка механическими щетками, чеканка. 

Современные методы упрочнения металлов

Упрочнение легированием

Формирование благоприятной структуры и надежность работы деталей обеспечивает рациональное легирование, измельчение зерна и повышение качества металла. Упрочнение при легировании увеличивается пропорционально концентрации легирующего элемента в твердом растворе.

Упрочнение пластическим деформированием

В результате холодной пластической деформации изменяются свойства металла: повышается прочность, электросопротивление, снижается пластичность, плотность, коррозионная стойкость. Это явление называется наклепом и может быть использовано для изменения свойств металлических материалов. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации. Металлы наклепываются в начальной стадии деформирования более интенсивно, а при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно. С увеличением степени деформаций предел текучести растет быстрее временного сопротивления. У сильно наклепанных металлов обе характеристики сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла называется предельным; при попытке продолжить деформирование может произойти разрушение металла. В результате наклепа удается повысить твердость и временное сопротивление в 1,5 - 3 раза, а предел текучести в 3 -7 раз.

Наиболее распространенным способом холодного пластического поверхностного деформирования является дробеструйная обработка. Она заключается в воздействии на обрабатываемую поверхность частиц дроби, ускоренных в дробеструйных центробежных или пневматических аппаратах. Для этого используется стальная или чугунная дробь величиной 0,5 - 2,0 мм. Время обработки поверхности детали не превышает 2 - 3 мин., а толщина поверхностного слоя находится в пределах 0,2 - 0,4 мм. В поверхностном наклепанном слое увеличивается плотность дефектов кристаллической решетки, может изменяться форма и ориентация зерен. В поверхностных слоях создаются сжимающие напряжения, тормозящие зарождение и развитие трещин.Основное назначение дробеструйной обработки - повышение усталостной прочности.

Упрочнение термическими методами

Температурное воздействие на различные материалы с целью изменения их структуры и свойств является самым распространенным способом упрочнения в современной технике. Это воздействие может осуществляться чаще при плюсовых температурах, реже - при отрицательных температурах и сочетаться с химическим, деформационным, магнитным, электрическим и др. процессами.

Поверхностное упрочнение

Среди методов поверхностного упрочнения наибольшее распространение получили поверхностная закалка, обработка лазером и электроискровое легирование. При поверхностной закалке на некоторую заданную глубину закаливается только верхний слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.

Плазменное поверхностное упрочнение деталей

Одной из наиболее перспективных обработок является плазменная технология, интенсивно разрабатываемая как в нашей стране, так и за рубежом.

Использование низкотемпературной плазмы эффективно не только для переплава металлов и сплавов; напыления износостойких, жаропрочных и коррозионностойких покрытий резки и сварки различных материалов, но и для поверхностного упрочнения различных изделий.

Вакуумное ионно-плазменное упрочнение, ионное магнетронное распыление, ионное легирование

Среди методов нанесения защитных покрытий, основанных на воздействии на поверхность детали потоков частиц и квантов с высокой энергией, большое внимание уделяется вакуумным ионно-плазменным методам. Характерной их чертой является прямое преобразование электрической энергии в энергию технологического воздействия, основанное на структурно-фазовых превращениях в осажденном на поверхности конденсате или в самом поверхностном слое детали, помещенной в вакуумную камеру.