Работоспособность режущих инструментов с композитными покрытиями

С.Ю. Жачкин, А.В. Коростылев

Приводятся данные по исследованию влияния композитных покрытий на контактных поверхностях режущих инструментов на их работоспособность.

Качество продукции инструментального производства обеспечивается работоспособностью изготовляемого инструмента. Работоспособность зависит от многих факторов, но прежде всего определяется сопротивляемостью контактных площадок инструмента изнашиванию и разрушению, которые происходят в результате их взаимодействия с обрабатываемым материалом. Изнашивание контактных площадок происходит непрерывно и обусловлено несколькими параллельно протекающими механизмами — абразивным, адгезионно-усталостным, химико-окислительным и диффузионным. В зависимости от условий резания и характера контактного взаимодействия (непрерывный, прерывистый, нестационарный) может превалировать один из указанных механизмов, который и будет определять работоспособность инструмента. От стабильности процесса резания, в свою очередь, будет зависеть надежность режущего инструмента [1].

Полученные данные свидетельствуют о том, что композитное покрытие замедляет развитие очагов износа передней и задней поверхностей инструмента. Отмечено практически полное отсутствие проточин и усов износа у краев контактных площадок инструмента, где наиболее сильно реализуются химико-окислительные виды износа. Последнее хорошо подтверждают представленные выше данные о значительном повышении стойкости быстрорежущей стали против окисления после нанесения покрытия. Отсутствие дополнительных очагов износа у краев контактных площадок положительно влияет на стойкость инструмента, так как при этом устраняются источники интенсивного трения и тепловыделения.

Разрушение покрытия на контактных площадках инструмента из быстрорежущей стали протекает достаточно интенсивно, и уже в первые 1 - 1,5 мин работы инструмента покрытие на контактной площадке имеет сетку усталостных трещин. В дальнейшем покрытие частично или полностью разрушается. Частичное сохранение покрытия на «полочке» вдоль контактной площадки передней поверхности можно объяснить защитным действием застойной зоны; она же сохраняет покрытие и на локальных участках задней поверхности.

Остатки покрытия продолжаются сдерживать развитие очагов износа; особенно заметно замедляется рост лунки износа в ширину. Разрушение остатков покрытия происходит вследствие их «выламывания».

Анализ профилограмм очагов износа после различного временя работы инструмента позволил установить причины увеличения фактического переднего угла . Для инструментов с покрытием. Это происходит вследствие более интенсивного роста лунки на передней поверхности в ширину для инструментов без покрытия. Большее значение переднего угла для инструмента из быстрорежущей стали с покрытием является причиной снижения энергозатрат на пластическое деформирование срезаемого слоя и общего уменьшения термомеханических напряжений режущей части. Последнее является еще одной причиной роста стойкости для инструментов с покрытием.

Анализ зависимостей износ—время для инструментов из быстрорежущей стали показывает, что с увеличением скорости резания стойкость инструмента с покрытием становится заметно больше по сравнению со стойкостью инструмента без покрытия. Одновременное рассмотрение соотношения времени работы покрытия до разрушения к периоду стойкости инструмента показало, что непосредственной причиной роста эффективности инструментов из быстрорежущей стали с покрытием на больших скоростях резания является резкое увеличение этого соотношения по мере роста скорости резания. При этом покрытие более длительное время замедляет рекристаллизационные процессы в быстрорежущей стали и тем самым снижает преждевременное разупрочнение стали. Обобщенная схема трехстадийного разрушения.

В период приработки инструмента покрытие, полностью сохранившее свою сплошность на передней и задней поверхностях инструмёнта, эффективно снижает мощность твидового источника тепла. Одновременно уменьшаются нормальные и касательные напряжения по контактным площадкам. Таким образом, термомеханическое состояние инструмента с покрытием становится более благоприятным, что и предопределяет его лучшую сопротивляемость изнашиванию. Однако относительно хрупкое покрытие плохо сопротивляется адгезионно-усталостным процессам, особенно в условиях неустойчивого наростообразования, что приводи к разрушению покрытия на контактных площадках инструмент;) по усталостному механизму с развитием сетки хрупких трещим. Частично разрушенное покрытие продолжает сдерживать развитие очагов износа по контактным площадкам вследствие большой сопротивляемости абразивному истиранию. Одновременно, за счет благоприятного изменения параметров лунки износа и роста фактического переднего угла для инструментов с покрытием, мощность деформационного источника тепла ниже, чем у инструментов без покрытия. В дальнейшем по мере роста очагов износа все больше нивелируется разница между инструментом с покрытием и без покрытия и наступает катастрофический износ.

Процесс рекристаллизации в быстрорежущей стали является главной причиной разрушения инструмента на стадии катастрофического износа при резании. Для оценки влияния покрытия на сдерживание этих процессов были изучены поля микротвердости ластинок из быстрорежущей стали в сечениях, соответствующих действию максимальных температур.

Из полученных данных видно, что на стадии приработки покрытие толщиной 5 мкм достаточно эффективно предохраняет быстрорежущую матрицу от разупрочнения, что обусловлено снижением термомеханической нагрузки на режущую часть. Если через 30 с работы инструмента без покрытия уже отмечено снижение микротвердости со стороны передней и задней поверхностей, то для инструмента с покрытием такое изменение практически отсутствует, особенно со стороны контактной площадки задней поверхности. На стадии установившегося изнашивания уровень разупрочнения для инструментов с покрытием существенно меньше, хотя время его работы составило 1 мин по сравнению с 6 мин работы инструмента без покрытия. Отмечено частичное пластическое изменение формы режущей части инструментов с покрытием и без покрытия. На стадии катастрофического изнашивания микротвердость пластинки с покрытием практически та же самая, что и для пластинок без покрытий, хотя полное разупрочнение пластинки с покрытием было достигнуто за гораздо большее время (12 и 36 мин соответственно). На стадии катастрофического изнашивания обеих пластинок отмечено значительное измёнение формы режущей части. Следует отметить, что специальные микрорентгеноструктурные исследования по установлению возможности диффузионных процессов при резании инструментами с покрытием и без покрытия позволили констатировать факт отсутствия диффузионного взаимодействия кристаллохимических структур быстрорежущей стали и обрабатываемой стали 45.

Полученные данные позволяют сделать важные практические выводы:

1. Эффективность покрытий возрастает с увеличением твердости и теплостойкости быстрорежущей стали. Это свидетельствует о необходимости разработки специальной термической обработки, обусловливающей повышенную твердость и теплостойкость, или использование комплексной обработки инструмента из быстрорежущей стали, включающей предварительную химико-термическую работку с последующим нанесением покрытия.

2. Покрытие сохраняет стойкость инструментов из быстрорежущей стали после термической обработки (закалки с повышенных температур и отпуска) при температуре выше оптимальной на статочно высоком уровне. Это позволяет не только несколько увеличить интервалы температур закалки и отпуска, но и устранить вредное влияние прижогов, возникающих при заточке инструмента при температурах выше допустимых.

3. Наиболее эффективным путем повышения способности покрытия сохраняться без разрушения на контактных площадках инструмента более длительное время является комплексная обработка быстрорежущей стали. Например, предварительное ионное азотирование контактных площадок инструмента позволяет не только повысить поверхностную теплостойкость быстрорежущей матрицы ее способность сопротивляться термопластической деформации, но и создать промежуточный слой между покрытием и матрицей, таким образом, снизить критические напряжения на границе их раздела.

Было установлено, что для инструментов, работающих при непрерывном резании, оптимальной является глубина азотированного слоя около 40 мкм, которая достигается при температуре азотирования 520 °С в течение 1—1,5 ч.

Для инструментов, работающих в условиях прерывистого процесса резания, глубина азотированного слоя должна быть снижена до 25 мкм (при уменьшении времени азотирование до 30— 45 мин при 520°С).

Литература

1. Гречишников В.А. Системы автоматизированного проектирования режущих инструментов. М.: ВНИИТЭМР. Сер.9. 1987, вып.2. 52 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 627