Ионное азотирование и нанесение износостойких покрытий

КОМБИНИРОВАННАЯ УПРОЧНЯЮЩАЯ ОБРАБОТКА КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Эффективность режущего инструмента с покрытиями может быть

повышена путем воздействия на покрытие дополнительной поверхностной

упрочняющей обработки. Дополнительная упрочняющая обработка изменяет

механические свойства покрытия, что в свою очередь оказывает влияние на

работоспособность режущего инструмента. Рассмотренные выше методы

повышения износостойкости контактных площадок режущего инструмента

могут использоваться в сочетании друг с другом, однако производственное

применение нашли лишь некоторые из них. Рассмотрим несколько

характерных примеров комбинированной обработки режущего инструмента.

Нанесение износостойких покрытий и лазерная обработка

Лазерная обработка может предшествовать нанесению покрытий, а также

осуществляться после нанесения. Предварительная лазерная обработка

позволяет повысить сопротивляемость режущего клина инструмента упруго-

пластическим прогибам и его способность сохранять свою форму. Лазерная

обработка после нанесения покрытия обеспечивает дополнительное повышение его микротвердости, прочности адгезионной связи с инструментальной основой, а также способствует образованию мелкозернистой структуры, которая существенно повышает устойчивость покрытия к процессам трещинообразования.

При обработке импульсным лазерным излучением упрочняемый профиль

образуется совокупностью отдельных зон термического влияния, полученных от воздействия единичных импульсов. Поэтому от формы пятен лазерного излучения, степени заполнения ими упрочняемого профиля, а также частоты следования импульсов в значительной мере зависит производительность процесса упрочнения, его эффективность.

Пространственное формирование лазерного излучения с помощью

сферической оптики является наиболее простым и широко распространенным способом. При этом лазерное пятно, а, следовательно, и зона термического влияния в плане ограничивается окружностью диаметра dП. После лазерного упрочнения обработанная поверхность представляет собой совокупность таких зон. При относительном перемещении обрабатываемой поверхности и луча оптического квантового генератора могут реализовываться различные технологические схемы лазерной обработки.

Импульсная лазерная обработка контактных площадок режущего

инструмента с покрытием изменяет его структурные параметры.

Изменение параметров структуры покрытий после импульсной лазерной

обработки находит свое отражение в изменении их физико-механических

свойств.

Микротвердость Нμ покрытий, нанесенных как на твердосплавную, так и

быстрорежущую основу, увеличивается на 10…16 % в зависимости от его

состава. Снижение темпа роста микротвердости покрытия по мере увеличения плотности мощности лазерного излучения связано с появлением микротрещин в объеме твердосплавной основы.

Повышение микротвердости покрытий и прочности их сцепления с

инструментальной основой после импульсной лазерной обработки способствуют снижению интенсивности износа режущего инструмента.

Плотность мощности лазерного излучения, при которой наблюдается

минимум интенсивности износа режущего инструмента после импульсного

лазерного излучения, зависит от состава покрытия. Интенсивность износа

режущего инструмента с покрытиями после импульсной лазерной обработки

снижается в 1,5 – 1,9 раза в зависимости от состава покрытия и обрабатываемого материала.

Трансформация контактных и тепловых процессов в результате

проведения импульсной лазерной обработки оказывает существенное влияние на износ контактных площадок режущего инструмента, сдерживает процессы трещинообразования в покрытиях и сдвигает их начало в сторону большего времени работы инструмента. Характер износа контактных площадок режущего инструмента с покрытиями, прошедшими импульсную лазерную обработку, не отличается от инструмента с обычными покрытиями.

Применение импульсной лазерной обработки покрытий повышает

период стойкости режущего инструмента в 1,5 – 3,2 раза в зависимости от

состава покрытия и обрабатываемого материала.

Практика показывает, что наибольший эффект от применения комбинированной обработки достигается при эксплуатации инструмента на

повышенных скоростях резания при чистовой и получистовой обработке заготовок из легированных и коррозионностойких сталей и сплавов на тита-

новой основе.

Ионное азотирование и нанесение износостойких покрытий

Для повышения сопротивления режущего клина инструмента упруго-

пластическим прогибам можно использовать ионное азотирование. При этом

азотированный слой, формируемый перед нанесением покрытия, в зависимости от конкретных условий эксплуатации инструмента должен обладать определенными структурой, толщиной и микротвердостью. На практике такой обработке обычно подвергаются инструменты из быстрорежущих сталей.

Для ионного азотирования и последующего нанесения покрытия целесообразным является использование установки на базе вакуумно-дугового разряда в которой за один технологический цикл без перегрузкиобрабатываемых инструментов можно реализовать все этапы

комбинированного упрочнения.

Осаждение покрытий является весьма энергоемким процессом, сопровождающимся воздействием высокоэнергетического потока плазмы,

особенно в момент ионной бомбардировки, в результате чего, характеристики слоя, полученного при ионном азотировании, могут существенно изменяться.

Поэтому при оптимизации процесса комбинированной обработки быстрорежущего инструмента необходимо учитывать не только факторы процесса азотирования, но и факторы последующего процесса нанесения напрямую зависит толщина покрытия. С одной стороны ее увеличение

благоприятно сказывается на повышении износостойкости контактных

площадок инструмента, с другой – приводит к заметному увеличению

количества дефектов в покрытии, снижению прочности сцепления покрытия с инструментальным материалом и уменьшению способности покрытия

сопротивляться упругопластическим деформациям.

Важнейшими факторами проведения комбинированной обработки

являются температура и продолжительность процесса азотирования, объемная доля азота в газовой смеси с аргоном, а также время последующего процесса нанесения износостойкого покрытия. Другие факторы процесса нанесения покрытия – давление азота, опорное напряжение, ток дуги на катоде оказывают влияние, главным образом, на характеристики покрытия и должны оставаться такими же, как и в случае осаждения традиционных покрытий.

В зависимости от типа режущего инструмента и условий его последующей эксплуатации режимы комбинированной обработки варьируют в следующих пределах: температура азотирования 420…510оС; концентрация

азота N2 в газовой смеси с аргоном 10…80% ат.; время азотирования 10…70

мин; давление газовой смеси ~ 9,75·10-1 Па; время нанесения покрытий 40…80 мин.

Практика эксплуатации инструментов из быстрорежущих сталей после

комбинированного упрочнения на различных операциях механообработки

показывает, что наличие под покрытием азотированного слоя в котором

присутствует хрупкая нитридная зона (ɛ и ɤ-фазы) существенно ограничивает эффект от применения комбинированной обработки. Данная структура формируется при азотировании в атмосфере чистого азота с использованием плазмы вакуумно-дугового разряда. Наличие сравнительно толстой нитридной зоны (более 0,5 мкм) при непрерывном резании (точении и сверлении) не обеспечивает существенного увеличения стойкости инструмента по сравнению с инструментом с традиционным покрытием, а при прерывистом резании (фрезеровании и долблении) часто ведет к выкрашиванию режущих кромок уже в первые минуты работы инструмента.

Создание на контактных площадках режущего инструмента износостойкого комплекса, формируемого путем ионного азотирования с

последующим нанесением покрытий в плазме вакуумно-дугового разряда,

оказывает значительное влияние на интенсивность и характер изнашивания

инструмента.

Производственный опыт показывает, что комбинированная обработка,

предусматривающая предварительное азотирование и последующее нанесение покрытий, позволяет увеличить стойкость быстрорежущего инструмента самой широкой номенклатуры до 5 раз по сравнению с инструментом без упрочнения и до 3 раз по сравнению с инструментом с традиционным покрытием.