Лекция 33. Способы и средства модификации поверхностного слоя инструмента

Модификация рабочих поверхностей инструментов позволяет создать инструмент, обладающий уникальным сочетанием высокой прочности и твердости его режущей части.

Использующиеся в инструментальной промышленности методы модификации можно разделить на 4 группы (Слайд 2): 1) нанесение покрытий; 2) поверхностное легирование; 3) термическое воздействие; 4) деформационное воздействие.

Указанные методы характеризуются различными механизмами воздействия на рабочую поверхность режущего инструмента. При нанесении покрытий на поверхности режущего инструмента формируется тонкая пленка. Поверхностное легирование изменяет химический состав поверхностного слоя режущего инструмента, а термическое воздействие – его структуру. При деформационном воздействии происходит наклеп поверхностного слоя режущего инструмента и изменяется его микрогеометрия.

Модификация рабочих поверхностей режущих инструментов улучшает наиболее важные показатели эффективности процесса резания (Слайд 3).

Эффекты от модификации методом нанесения покрытий проявляются в следующем: - повышение размерной стойкости режущего инструмента, которое ведет к существенно более экономному использованию инструментальных материалов;

- смещение допустимых скоростей резания для данного инструментального материала в область более высоких значений, что обеспечивает повышение производительности обработки;

- снижение шероховатости обработанных деталей;

- минимизация количества применяемых СОТС.

Для нанесения покрытий на рабочие поверхности инструмента наиболее широко применяются методы химического осаждения из газовой фазы – Chemical Vapour Deposition (CVD) и физического осаждения покрытий в вакууме – Physical Vapour Deposition (PVD).

К разновидностям метода CVD относятся: высокотемпературное осаждение покрытий (HT-CVD); среднетемпературное осаждение покрытий (MT-CVD); осаждение покрытий с плазменным сопровождением (PA-CVD).

К разновидностям метода PVD относятся: электронно-лучевое испарение; вакуумно-дуговое испарение; магнетронное распыление. Методы CVD и PVD существенно различаются по температурам и давлениям, при которых они реализуются, по составам наносимых покрытий, а также по областям применения (Слайд 4).

При методе CVD образуются соединения на основе нитридов, карбидов и карбонитридов тугоплавких металлов TiN, TiC, ZrN, TiCN и соединений типа Al₂O₃.

Получение этих соединений осно­вано на протекании гетерогенных химиче­ских реакций в паро­газовой среде, окру­жающей инструмент, в результате которых образуется износостойкое покрытие.

Осаждение покрытий происходит в специальной печи (Слайд 5) в присутствии водорода при взаимодействии газообразных хлоридов типа TiCl₄ с составляющими смесей – азотом при осаждении нитридов тугоплавких металлов, метаном при осаждении карбонитридов и углекислым газом при осаждении оксидов.

При нанесении покрытий на основе карбидов и карбонитридов на твердосплавный инструмент методом высокотемпературного CVD происходит диффузия кобальта Co и вольфрама W из твердого сплава в покрытие. В результате этого на границе раздела покрытие – твердый сплав формируется хрупкая фаза, толщина которой может достигать 4 мкм. Формирование этой фазы существенно повышает склонность твердосплавного инструмента к хрупкому разрушению в процессе резания.

Покрытия, которые формируются методом CVD при температуре порядка 750^oC, невозможно наносить на инструмент из быстрорежущих сталей, так как происходит существенное снижение его твердости.

Другим недостатком метода CVD является невозможность управления составом, свойствами и структурой формируемых покрытий в необходимых диапазонах. Третьим недостатком этого метода является взрывоопасность из-за применения водорода.

Методы физического осаждения покрытий PVD универсальны с точки зрения получения гаммы монослойных, многослойных и композиционных покрытий на основе нитридов, карбидов, карбонитридов, оксидов и боридов тугоплавких металлов и позволяют реализовывать процессы нанесения при температурах 500-600^оС, что дает возможность их применения для инструмента из быстрорежущих сталей.

Как показывает производственный опыт, при обработке резанием на повышенных скоростях PVD-покрытия имеют преимущество перед CVD-покрытиями. Это связано с тем, что по мере повышения скорости резания и температуры в зоне обработки PVD-покрытия значительно меньше теряют в твердости.

Нанесение PVD-покрытий может осуществляться различными способами, но наибольшее распространение в инструментальном производстве получили электронно-лучевое испарение, вакуумно-дуговое испарение и магнетронное распыление.

На Слайдах 6, 7 и 8 приведены примеры конкретных эффектов от применения покрытий.