8.2 Повышение стойкости инструмента за счет нанесения износостойких покрытий.

Инструмент с покрытием обладает высокой износостойкостью за счет повышения твердости поверхностных слоев. Однако, это достигается только в том случае, если связь покрытия и материала инструмента сильная. При слабой связи возможно отслаивание покрытия, его частицы, попав в зону резания, вызовут ускоренный износ инструмента. Следует также учитывать, что покрытия являются концентраторами напряжений и повышают вероятность поломок инструмента. Поэтому нанесение покрытий на инструмент, для которого с типичным отказом являются поломки и сколы (например, мелкоразмерный) нецелесообразно.

Наиболее эффективны покрытия для инструмента, основной износ которого развивается по одним граням, а переточка по другим (затылованный инструмент - червячные фрезы, метчики и др.).

Износостойкие покрытия наносятся на инструменты из БРС и твердых сплавов.

Применяются следующие виды покрытий:

- диффузионные (азотирование, нитроцементация и др. виды);

- электролитические (хромирование);

- адгезионные (ионно-плазменное напыление, осаждение из газовой фазы).

8.2.1. Диффузионные покрытия.

Эти покрытия наносятся на инструмент из БРС. Диффузия обеспечивает весьма сильную связь покрытия и материала инструмента. В промышленности используют технологии насыщения поверхностных слоев азотом или азотом и углеродом. Атомы этих элементов диффундируют в быстрорежущую сталь, при этом на поверхности образуются нитридные или карбо-нитридные фазы высокой твердости. Слои имеют пониженный коэффициент трения. Процессы выполняются в газовых или жидких средах.

Азотирование (насыщение азотом), нитроцементация (насыщение азотом и углеродом) – газовые процессы. Азотирование выполняются в среде аммиака, нитроцементация – в среде аммиака и науглероживающего газа (например, пропана). Температура процессов - 540 –550⁰С, продолжительность 1 – 2ч (в отличие от длительного, до 72ч, азотирования конструкционных деталей). На поверхности образуется тонкий слой из нитридов и карбонитридов на основе вольфрама (молибдена) и хрома. Глубина упрочненного слоя – 0,01 – 0,025 мм, твердость слоя – 1300 –1400 HV (твердость быстрорежущей стали около 850HV). Существенным недостатком газовых процессов является невозможность или сложность местного упрочнения.

Упрочнение необходимо только для режущей части инструмента, для хвостовиков оно вредно. Из-за снижения коэффициента трения инструмент может проворачиваться в зажимной оснастке.

Газовые процессы не могут быть использованы для сварного инструмента, т.к. при температуре 540 – 550⁰С происходит потеря твердости хвостовиков, изготовленных из конструкционных сталей (стали 45, 40Х, 40ХФА).

Цианирование и карбонитрация – жидкостные процессы насыщения поверхностных слоев инструмента азотом и углеродом. Процессы отличаются составом рабочих сред. Цианирование проводят в расплаве солей NaCN (80%) и Na₂CO₃ (20%); карбонитрацию – в расплаве NaCNO. Эти процессы являются токсичными. NaCN – токсичная соль, NaCNО – нетоксичная, однако в процессе работы с этой солью над ванной возникают токсичные пары.

Температура процессов - 540 – 550⁰С, продолжительность - от 5 до 25 мин в зависимости от необходимой глубины слоя. При минимальной продолжительности процесса глубина слоя составляет 0,007 – 0,010 мм (такие слои используют для мелкоразмерного инструмента), при максимальной – 0,015 – 0,030 мм. Твердость слоя 1000 – 1100HV.

Жидкостные процессы позволяют производить местное упрочнение, они весьма оперативны.

Серьезный недостаток – токсичность процессов. Это требует обеспечения жестких мер безопасности работающих и серьезной экологической защиты.

Рассмотренные процессы упрочнения поверхностных слоев достаточно надежны и стабильны, они обеспечивают повышение стойкости инструмента (его износостойкость) до полутора раз.

Голубое оксидирование (воронение), выполняемое после цианирования или карбонитрации, позволяет дополнительно (примерно на 30%) повысить стойкость инструмента.

Процесс выполняют в смеси NaNO₃ (60 – 54%) и КNO₂ (40 – 46%) при температуре 400 –500⁰С. На поверхности образуется тонкая (несколько мкм) оксидная пленка серо-черного цвета с голубоватым отливом, обеспечивающая хороший товарный вид инструмента. Пленка обладает высокой коррозионной стойкостью (важно при хранении), она хорошо задерживает смазку. Кроме того, дополнительный отпуск позволяет снизить хрупкость ранее упрочненного слоя.