Повышение режущих свойств инструментальных материалов дополнительным энергетическим воздействием

Методы направленного поверхностного и объемного энергетического воздействия (модификации) на структуры инструментального материала с целью повышения его режущих свойств.

Современные методы поверхностной модификации свойств инструментальных материалов по энергетическим затратам и временному фактору подразделяют на четыре основные группы. К первой отнесены методы механической модификации поверхностных свойств инструментальных материалов путем пластического деформирования ППД. Эти методы включают вибрационное, дробеструйное, взрывное упрочнение. Механическая модификация свойств характеризуется минимальной плотностью энергетического воздействия (до 10⁴—10⁵ Вт/см²) при времени воздействия 10^-1—10² с и уровне удельной энергии до I0⁴ Дж/см².

К методам второй группы относят химико-термическую обработку (ХТО), включающую азотирование, цементацию, карбонитрацию, оксидирование, борирование в газовых, жидких средах, тлеющем газовом электрическом разряде, осаждение покрытий из газовой фазы (CVD) . Для этой группы методов характерно среднее значение плотности энергии 10⁵—10⁷ Вт/см² при времени воздействия 10^-1,5—10 с и уровне удельной энергии до 10^5,5 Дж/см².

К третьей группе методов относят модификацию свойств инструментальных материалов путем физико-химического воздействия, включающего электроискровое, магнитно-импульсное, ультразвуковое упрочнение, осаждение ионно-плазменных покрытий (PVD). Для методов характерен высокий уровень удельной энергии воздействия (до 10⁶ Дж/см²), плотность энергии до 10² Дж/см² и среднее время воздействия.

К четвертой группе методов отнесена модификация свойств инструментальных материалов путем физического воздействия, к которой отнесена лазерная обработка, ионная имплантация. Физическая модификация поверхностных свойств характеризуется максимальной плотностью энергии (до 10⁹ Вт/см²) при достаточно высоком уровне удельной энергии (до 10² Дж/см²).

В мировой и отечественной практике производства режущего инструмента наибольшее применение получили методы ХТО и особенно нанесения износостойких покрытий.

Химико-термической обработкой (ХТО) называют процессы, сочетающие в себе термическое и химическое воздействия на рабочие поверхности инструмента с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя инструментального материала. Как правило, ХТО позволяет повысить твердость и износостойкость приповерхностных слоев инструмента, сопротивляемость коррозии, жаростойкость (теплостойкость), т.е. механические и физико-химические свойства рабочих поверхностей инструмента.

ХТО (низко- или высокотемпературная) в газовой среде может привести к браку инструмента вследствие чрезмерных линейных деформаций. Этого недостатка в значительной мере лишена ХТО в плазме электрического (тлеющего) газового разряда, в частности, ионное азотирование.

Ионное азотирование применяют при производстве инструмента из быстрорежущих сталей, что позволяет повысить стойкость инструмента (сверла, метчики, концевые фрезы) до 1,5 раза.

Лазерная модификация. Сущность лазерной модификации состоит в мощном импульсном (τ = 10^-3— 10^-6с) или непрерывном воздействии светового пучка чрезвычайно большой плотности энергии, что вызывает локальный (мгновенный) нагрев поверхности до температур, превышающих не только температуры структурно-фазовых АС₁превращений металла, но и в некоторых случаях температуру плавления. С учетом чрезвычайно высоких скоростей охлаждения за счет отвода тепла в основную массу металла, которые в 10—100 раз превышают скорости охлаждения при закалке инструмента, в поверхности инструментального материала формируется особомелкозернистая (мартенсит и незначительное количество остаточного аустенита) или даже псевдоаморфная структура, имеющая повышенную (на 20—30 %) твердость на глубине до 0,2 мм. Лазерную модификацию проводят в атмосфере воздуха или защитного газа (например, аргона).

Ионная имплантация (ИИ). Сущность метода ионной имплантации (легирования) режущего инструмента заключается в обработке (бомбардировке) поверхности инструментального материала пучком ускоренных ионов с энергиями порядка 20—200 кэВ, в результате которой происходит внедрение (имплантация в дозированном количестве) ионов и атомов легирующих элементов в тонкие приповерхностные слои инструментального материала с образованием упрочняющих фаз и соединений. Если число внедряемых частиц при непрерывном воздействии на поверхность достигает 10¹⁷—10¹⁸ (высокодозированная ионная имплантация), то происходит модификация структуры и свойств поверхности с соответствующими эффектами.

Ионная имплантация позволяет увеличить стойкость инструмента в 1,5—4 раза без увеличения радиуса округления режущих кромок, что чрезвычайно важно для чистовых операций обработки резанием.

Улучшение свойств инструментальных материаловпри использовании термомеханических напряжений, возникающих при резании (тренировка инструмента). Рассматривается возможность повышения эффективности инструмента за счет модификации свойств его рабочих поверхностей при оптимальном энергетическом воздействии, которое может быть получено при работе инструмента на более мягких режимах резания. Подобный процесс называют тренировкой инструмента.