Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

• Содержание

1. Подготовка поверхности режущего инструмента к нанесению покрытия

2. Комбинированная обработка рабочих поверхностей режущего инструмента

2.1 Ионное азотирование и нанесение покрытий

2.2 Лазерная обработка и нанесение покрытий

2.3 Лазерное легирование и азотирование

2.4 Криогенно-эрозионная обработка

Список литературы

1. Подготовка поверхности режущего инструмента к нанесению покрытий

Одним из ключевых факторов, оказывающих решающее влияние на работоспособность инструмента с покрытием при его эксплуатации, является качество подготовки инструмента перед нанесением покрытия. Поэтому, прежде чем загрузить инструмент в камеру вакуумной установки для нанесения PVD-покрытий или в реактор для нанесения CVD- покрытий, его надо тщательно подготовить.

Состояние поверхности перед нанесением покрытий определяет качество осажденного покрытия и многие его функциональные характеристики, в частности прочность его адгезионной связи с инструментальной матрицей, являющуюся обязательным условием успешной эксплуатации инструмента с покрытием.

В общем случае состав и строение поверхностной пленки зависят от предыстории поверхности, т.е. от условий получения, хранения и транспортировки того или иного изделия. Для облегчения доступа атома испаряемого (распыляемого) материала к поверхности инструмента необходимо удалить имеющиеся на нем пленки загрязнений и адсорбционные пленки, т.е. очистить поверхность.

Бывают такие виды загрязнений как органические загрязнения, возникающие, когда на предшествующей операции шлифования используются масляные СОЖ; трудноудаляемые оксидные пленки, образуемые при использовании для шлифования СОЖ на водной основе.

Для удаления загрязнений могут быть использованы различные методы, на физических принципах которых разрабатывают процессы очистки.

В основу существующих способов очистки положен один из трех принципов удаления загрязнений с поверхности:

• механическое удаление частиц загрязнителя потоком жидкости, газа или различных гранул;

• растворение в воде;

• химическая реакция.

Для режущего инструмента процесс удаления с его поверхности различных загрязнений, как правило, начинается с химической очистки. Первый этап химической очистки - так называемая грубая химическая очистка, которая состоит в удалении с поверхности видимых слоев органических загрязнений: остатков масел, смазочных материалов, красителей, отпечатков пальцев и жировых пятен. При этом используют органические растворители: бензин, ацетон, этиловый спирт и др.

Растворители подразделяют на органические и неорганические. Важнейший неорганический растворитель - вода. Для технических целей важно знать такие характеристики растворителей, как плотность, вязкость, предельно допустимая концентрация, токсичность и др. Практически все органические растворители, применяемые для химической очистки поверхности, токсичны.

Для удаления продуктов очистки с поверхности обрабатываемых инструментов и обеспечения качественного состояния поверхности после грубой химической очистки используют мягкие ткани, смоченные в растворителе. Очистку режущего инструмента часто проводят в ультразвуковых ваннах с применением органических растворителей. При ультразвуковой очистке крупные жировые загрязнения удаляются вследствие интенсивного локального перемешивания под действием, создаваемых в растворителе ударных волн. Растворитель, насыщенный примесями, непрерывно удаляется с поверхности подложки; его заменяет свежий растворитель. Механические колебания, создаваемые в подложке, способствуют удалению макрозагрязнений чешуек металлов, пыли и др.

Эффективность ультразвуковой очистки в основном определяется частотой колебаний; кроме того, на нее влияет температура растворителя. Поскольку ультразвуковая очистка позволяет удалять только крупные загрязнения, она часто завершается обезжириванием в парах органических растворителей.

Сушка очищенных инструментов - еще один важный этап их подготовки перед нанесением покрытий. На этой стадии возможно повторное загрязнение поверхности, если не принимать соответствующих мер предосторожности. Сушку проводят в паровом очистителе или в чистой печи горячим отфильтрованным воздухом или азотом. Приспособления и кассеты, используемые при очистке и транспортировании инструментов (подложек), должны быть абсолютно чистыми, а окружающая атмосфера - свободной от загрязнений, обычно присутствующих в воздухе.

Последняя ступень при очистке - промывка в деионизированной воде, из которой инструмент необходимо извлекать таким образом, чтобы на поверхности оставалось минимальное количество жидкости. Остающиеся на поверхности капли воды при высыхании образуют видимые пятна, изменяющие свойства формируемого покрытия; поэтому капли воды после промывки следует сдувать струей воздуха или удалять центрифугированием. Очистку инструмента желательно проводить непосредственно перед помещением в вакуумную камеру или реактор для нанесения покрытий, так как именно "свежеочищенные" поверхности обеспечивают наилучшее качество осаждаемой пленки.

Заключительным этапом любого процесса очистки является ее контроль, осуществляемый, как правило, визуально с помощью лупы или бинокулярного микроскопа. На поверхности подготовленного инструмента не должно быть следов и пятен от влаги и других загрязнений, а также ворсинок от ткани. Инструменты, не удовлетворяющие этим требованиям, подвергаются повторной очистке.

Зачастую в технологический цикл процесса очистки инструмента перед нанесением покрытий включают виброабразивную обработку на установке типа "Вибринд" (схема установки представлена на рисунке 1). Ее применение не только обеспечивает очистку поверхностного инструмента, но и способствует получению требуемого радиуса скругления режущих кромок пластин.

Рисунок 1. Схема установки «Вибринд»: 1-основание; 2 - опора пружинная; 3 - поддон; 4 - разделитель; 5 - ложемент; 6 - электродвигатель.

Виброабразивная обработка может осуществляться сухим или влажным способом. Скругление режущих кромок и очистка поверхности инструментов проходят путем удаления частиц инструментального материала абразивными зернами в процессе вибрации в емкости, содержащей инструменты и абразив.

Производственный опыт показывает, что в случае наличия на поверхности инструмента перед очисткой оксидных пленок, применение описанных выше процедур оказывается неэффективным.

Для эффективного удаления трудноудаляемых оксидных пленок дополнительно может быть использовано, например, химическое травление в кислотном растворе или пескоструйная обработка.

Несмотря на то, что химическое травление в кислотных растворах позволяет добиться высокой степени чистоты поверхности даже при наличии сильных загрязнений, его применение на производстве ограничивается экологическими аспектами и рядом технологических трудностей: необходимостью наличия дополнительных помещений для хранения растворов, мощных вытяжных систем и т.д.

При использовании струйных методов очистки (пескоструйной обработки) необходимо принимать во внимание, что их применение способствует увеличению шероховатости поверхности инструмента.

На рисунке 2 представлены профилограммы, снятые с поверхности образцов после трех различных вариантов обработки: шлифования, виброабразивной обработки и пескоструйной обработки. Видно, что шероховатость поверхности образца после виброабразивной практически не отличается от шероховатости шлифованной поверхности, в то время как струйная обработка заметно увеличивает этот показатель.

Рисунок 2. Профилограммы, снятые с поверхности твердосплавных пластин: а - после шлифования; б - после виброабразивной обработки; в - после пескоструйной обработки

Таким образом, способ очистки инструмента перед нанесением покрытий должен выбираться исходя из анализа количества и характера поверхностных загрязнений.

На рисунке 3 представлен типовой производственный процесс подготовки твердосплавных пластин перед нанесением покрытий.



Рисунок 3. Типовая схема подготовки твердосплавных пластин перед нанесением покрытий (УЗУ - ультразвуковая установка).

2. Комбинированная обработка рабочих поверхностей режущего инструмента

Все группы методов поверхностной упрочняющей обработки - нанесение покрытий, поверхностное легирование, термическое и деформационное воздействия -- при правильном выборе области их применения и технологических условий реализации могут существенно повысить работоспособность режущего инструмента, качество обрабатываемых деталей, снизить материалоемкость механообрабатывающего производства и улучшить ряд других технико-экономических показателей. Однако зачастую эффективность применения того или иного метода оказывается значительно ниже ожидаемой, и поэтому на практике могут применяться методы комбинированной поверхностной обработки инструмента.

Такие методы сочетают в себе различные типы воздействия (поверхностное легирование и последующее нанесение покрытий, термическую обработку и последующее деформационное воздействие и др.) и интегрируют их преимущества. Рассмотрим несколько характерных примеров комбинированной обработки режущего инструмента.

2.1 Ионное азотирование и нанесение покрытий

При правильно выбранных составе и режиме нанесения износостойких покрытий эксплуатационные показатели режущего инструмента могут быть существенно улучшены. Однако вследствие неизменности свойств покрытия в пределах одного слоя на границе раздела с инструментальной основой резко изменяются физико-механический и теплофизические свойства (в первую очередь модуль упругости и коэффициент термического расширения), что приводит к образованию в покрытии высоких остаточных напряжений и снижению прочности его адгезионной связи с основой, которая является наиболее важным условием успешной эксплуатации режущего инструмента с покрытием.

Указанное, а также изменения контактных и тепловых процессов при обработке инструментом с покрытием, требуют создания между инструментальной основой и покрытием промежуточного переходного слоя, повышающего сопротивление режущего клина с покрытием, действующим нагрузкам.

Наиболее распространенный метод формирования такого слоя - ионное азотирование. При этом азотированный слой, формируемый перед нанесением покрытия, в зависимости от конкретных условий эксплуатации инструмента должен обладать определенной структурой, толщиной и микротвердостью. На практике такой обработке обычно подвергаются инструменты из быстрорежущих сталей.

Рисунок 4. Принципиальная схема вакуумно-дуговой установки для комбинированной обработки инструмента, включающей в себя ионное азотирование и нанесение покрытий: 1 - мишень; 2 - анод; 3 - экран; 4 - вакуумная камера; 5 - нейтральные атомы; 6 - ионы; 7 - электроны; 8 - обрабатываемые инструменты

Для ионного азотирования и последующего нанесения покрытия целесообразно применение установки на базе вакуумно-дугового разряда, в которой за один технологический цикл без перегрузки обрабатываемых инструментов можно реализовать все этапы комбинированного упрочнения.

Принцип работы такой установки заключается в следующем (рисунок 4).

Мишень испаряется катодными пятнами вакуумной дуги и используется в качестве катода дугового разряда. Специальный экран, расположенный между мишенью и анодом, делит камеру на две зоны, заполненные металлогазовой (слева от экрана) и газовой плазмой (справа). Этот экран непроницаем для микрокапель, нейтральных атомов и ионов металла, эмитируемых катодными пятнами на поверхности мишени. Только электроны проникают через экран, ионизуют по дороге к аноду подаваемый в камеру газ и таким путем образуют не содержащую металлических частиц газовую плазму.

Погруженные в плазму инструменты нагреваются электронами при подаче на них положительного потенциала, а при подаче отрицательного потенциала осуществляется их азотирование. По окончании азотирования экран смещается в сторону, а после того как частицы металлической мишени начинают поступать на поверхность инструмента, осуществляется синтез покрытия.

Осаждение покрытий - весьма энергоемкий процесс, сопровождающийся воздействием высокоэнергетического потока плазмы, особенно в момент ионной бомбардировки. В результате этого характеристики слоя, полученного при ионном азотировании, могут существенно изменяться.

Поэтому при оптимизации процесса комбинированной обработки быстрорежущего инструмента необходимо учитывать факторы не только процесса азотирования, но и последующего процесса нанесения износостойкого покрытия - в первую очередь время нанесения, от которого напрямую зависит толщина покрытия. С одной стороны, ее увеличение благоприятно сказывается на повышении износостойкости контактных площадок инструмента, а 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 условиями 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 данного процесса: давление азота, опорное напряжение, ток дуги на катоде - влияют главным образом на характеристики покрытия и должны назначаться такими же, как и в случае осаждения традиционных покрытий.

В зависимости от типа режущего инструмента и условий его последующей эксплуатации при комбинированной обработке ее режимы обычно варьируют в следующих пределах: температура азотирования 420...510 °С; атомная доля азота N₂ в газовой смеси с аргоном 10...80 %; 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 (?- и ?'-фазы), существенно ограничивает эффект от применения комбинированной обработки.

Такая структура формируется при азотировании в атмосфере чистого азота с использованием плазмы вакуумно-дугового разряда. Наличие сравнительно толстой нитридной зоны (> 0,5 мкм) при непрерывном резании (точении и сверлении) не обеспечивает существенного увеличения стойкости инструмента по сравнению с инструментом, имеющим традиционное покрытие, а при прерывистом резании (фрезеровании и долблении) часто ведет к выкрашиванию режущих кромок уже в первые минуты работы инструмента.

Введение аргона в состав азотсодержащей атмосферы при азотировании, предшествующем нанесению покрытия, позволяет управлять фазовым составом формируемого слоя и в зависимости от конкретных условий эксплуатации режущего инструмента и его служебного назначения получать необходимую структуру.

При эксплуатации быстрорежущего инструмента с комбинированной обработкой в условиях прерывистого резания оптимальной структурой азотированного слоя является вязкий и устойчивый к переменным нагрузкам твердый раствор азота в мартенсите, в котором допустимо образование незначительного количества дисперсных нитридов легирующих компонентов.

Указанная структура может быть получена при азотировании в среде, содержащей ~ 30 % N₂ и 70 % Аr.

В случае эксплуатации инструмента в условиях непрерывного резания наибольшей работоспособностью характеризуется слой, состоящий из азотистого мартенсита и специальных нитридов легирующих элементов (W, Mo, Cr, V).

Кроме того, допустимо наличие очень небольшого количества ?-фазы. Данная структура повышает сопротивление поверхностного слоя инструмента термическим нагрузкам и может быть сформирована при азотировании в среде, содержащей ~ 60% N₂ и 40% Аг.

Покрытие из (Ti, Al)N, нанесенное на образцы, азотированные в разовых смесях, содержащих, %, 60 N₂ + 40 Ar и 30 N₂ + 70 Ar, отличается удовлетворительной прочностью адгезионной связи. На образцах не наблюдается ни отслаивания покрытия, ни явных трещин, которые были обнаружены на образцах, азотированных при 100 % N₂.

Создание на контактных площадках режущего инструмента износостойкого комплекса, формируемого путем ионного азотирования с последующим нанесением покрытий в плазме вакуумно-дугового разряда, значительно влияет на интенсивность и характер изнашивания инструмента.

На рисунках 5 и 6 представлены экспериментально полученные профилограммы износа инструмента с покрытием и с комбинированной обработкой при продольном точении и торцевом фрезеровании конструкционной стали 45. Видно, что по сравнению с однослойным покрытием азотирование в сочетании с покрытием практически не изменяет характера изнашивания инструмента, но сильно снижает его интенсивность.

Для рассматриваемых условий эксплуатации отмечается невысокая эффективность инструмента с покрытием без азотирования, как при фрезеровании, так и при точении. Это связано с тем, что очень быстро разрушается покрытие и условия трения по задней поверхности все более приближаются к тем, которые характерны для инструмента без покрытия. А это означает, что увеличивается количество выделяющейся теплоты, возрастает температура вблизи задней поверхности, в результате чего в инструментальном материале начинаются необратимые процессы разупрочнения, которые и приводят к катастрофическому износу.

Исследования природы затупления инструмента с азотированием и покрытием позволяют сделать вывод, что основной вклад в снижение интенсивности изнашивания быстрорежущего инструмента вносит так называемый "краевой эффект", который состоит в следующем.

Уже в первые минуты работы инструмента, как видно из профилограмм его рабочих поверхностей (рисунки 5 и 6), покрытие разрушается на всю свою толщину на участках вблизи режущей кромки. Однако дальнейший рост очагов износа по длине и глубине сдерживается краями площадок контакта, сохраняющими износостойкую комбинацию покрытия и азотированного слоя.

Кроме того, поверхностный азотированный слой, обладающий повышенной твердостью в сочетании с высокой теплостойкостью, отличается более высоким сопротивлением микропластическим деформациям и способствует торможению процессов разупрочнения у задней поверхности.



Рисунок 5. Профилограммы изношенных участков режущих пластин из стали Р6М5 при точении стали 45: а - Р6М5 + (Ti, A1)N; б - Р6М5 + азотирование + (Ti, A1)N; режимы обработки: v = 82 м/мин; S = 0,2 мм/об; / = 1,5 мм (без СОЖ)



Рисунок 6. Профилограммы изношенных участков режущих пластин из стали Р6М5 при торцевом фрезеровании стали 45: а - Р6М5 + (Ti, Al)N; б - Р6М5 + азотирование + (Ti, Al)N; режимы обработки: v = 89 м/мин; S= 0,15 мм/зуб; В = 45 мм;

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

На рисунке 7 показаны зависимости изменения износа во времени h₃=f(T) режущих пластин из стали Р6М5, прошедших различные виды поверхностного упрочнения, при точении и торцевом фрезеровании стали 45. Видно, что стойкость до катастрофического износа инструмента при точении увеличивается в 2,6 раза, а при фрезеровании - в 2,9 раза по сравнению с инструментом с покрытием, но без азотирования.

Рисунок 7. Зависимость износа по задней поверхности инструмента из стали Р6М5 с различными вариантами поверхностной обработки от времени резания: -- *-- Р6М5 + (Ti, A1)N; --*-- Р6М5 + азотирование + (Ti-Al)N; а - точение стали 45 при v = 82 м/мин; S = 0,2 мм/об; /=1,5 мм; б - фрезерование стали 45: v = 89 м/мин; 5= 0,15 мм/зуб; В = 45 мм; t = 1,5 мм

2.2 Лазерная обработка и нанесение покрытий

Другим распространенным способом комбинированного воздействия на рабочие поверхности режущего инструмента является сочетание лазерной обработки и нанесения износостойких покрытий. При этом лазерная обработка может, как предшествовать нанесению покрытий, так и осуществляться после него. Эффект от лазерной обработки перед нанесением покрытий аналогичен тому, который достигается предварительным ионным азотированием.

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 трещинообразованию.

Эффективность применения комбинированной обработки напрямую будет зависеть от выбора режимов ее проведения. В случае лазерной обработки и нанесения покрытий одними из важнейших параметров являются мощность лазерного излучения и время нанесения покрытия, определяющее его толщину.

Данные, представленные на рисунке 8, демонстрируют влияние плотности мощности лазерного излучения q на микротвердость поверхностного слоя режущих пластин из стали Р6М5К5 при длительности импульса излучения 4 мс и диаметре пятна лазерного излучения 1 мм при двух вариантах комбинированной обработки:

1) импульсной лазерной обработке и последующем нанесении покрытий TiN, (Ti,Zr)N и (Ti,Zr)CN вакуумно-дуговым методом на установке типа "Булат";

2) нанесении покрытий TiN, (Ti,Zr)N и (Ti,Zr)CN и последующей импульсной лазерной обработке.

Там же приведены данные о влиянии плотности мощности лазерного излучения на коэффициент отслоения покрытий, характеризующий прочность сцепления покрытия с основой.

По мере увеличения плотности мощности излучения повышается микротвердость покрытий (рисунок 8, а). Зависимость коэффициента отслоения К₀ от q носит экстремальный характер (рисунок 8, б). Увеличение значения К₀ при q > 40 кВт/см² связано с сильным оплавлением и снижением твердости быстрорежущей основы.



Рисунок 8. Влияние плотности q мощности лазерного излучения на микротвердость Ни покрытия (а) и коэффициент отслоения К0 (б): 1- ЛО + TiN; 2 - TiN +ЛО; 3 - ЛО + (Ti,Zr)N; 4 - (Ti,Zr)N + ЛО; 5 - ЛО + (Ti,Zr)CN; 6 - (Ti, Zr)CN + ЛО (основа - Р6М5К5; толщина покрытий 5 мкм)

После комбинированной обработки микротвердость покрытий Н_µ увеличивается на 8...16 %, а коэффициент К₀ снижается на 10...40 % в зависимости от состава покрытия и варианта обработки. Наибольшее влияние на эти параметры оказывает второй вариант комбинированной обработки - лазерная обработка после нанесения износостойких покрытий. Аналогичные закономерности отмечаются при комбинированной обработке твердосплавных пластин из сплава.

На рисунке 9 представлены данные о влиянии плотности q мощности лазерного излучения и толщины h_п покрытия TiN на интенсивность изнашивания J. Как видно, существуют определенные значения технологических параметров комбинированной обработки (q и h_п), которые определяют минимум интенсивности изнашивания инструмента.

При увеличении значения q до 36...39 кВт/см² интенсивность изнашивания снижается вследствие повышения микротвердости покрытия и прочности его сцепления с основой. При дальнейшем росте значения q микротвердость покрытия и прочность его адгезионной связи с основой уменьшаются, а износ инструмента интенсифицируется. Степень снижения интенсивности изнашивания зависит от материала основы, типа покрытия и варианта комбинированной обработки.

Рисунок 9. Зависимости интенсивности J изнашивания режущего инструмента из быстрорежущей стали Р6М5К5 (а) и твердого сплава МК8 (б) с покрытием TiN от плотности q мощности лазерного излучения и толщины h_п покрытия при точении стали ЗОХГСА [скорость резания v = 55 (Р6М5К5) и 170 м/мин (МК8); подача s = 0,3 мм/об; глубина резания t = 0,75 мм]

В таблице 1 приведены данные об оптимальных параметрах комбинированной обработки, проводимой по двум различным вариантам:

1) лазерная обработка перед нанесением покрытий;

2) нанесение покрытий и лазерная обработка.

Эксплуатация инструмента с комбинированной обработкой, проведенной по оптимальным режимам, показывает, что ее применение обеспечивает по сравнению с инструментом с традиционным покрытием увеличение периода стойкости инструмента, в 1,5-3 раза в зависимости от варианта обработки, инструментального и обрабатываемого материалов, типа покрытия и режимов резания. В качестве примера на рисунке 10 представлены сведения о стойкости режущих пластин из быстрорежущей стали Р6М5К5 и твердого сплава МК8, прошедших различные варианты обработки, при точении стали ЗОХГСА на различных скоростях резания.

Таблица 1. Оптимальные условия комбинированной обработки различных инструментальных материалов

Материал	Вариант комбинированной обработки	Мощность излучения q, кВт/см2	Толщина покрытия hn, мкм
основы	покрытия
	TiN	1	36/36	4,5/4,0
		2	39/39	5,5/5,0
Р6М5К5	(Ti, Zr)N	1	36/36	5,0/4,5
		2	38/37	6,0/5,0
	(Ti, Zr)CN	1	36/36	5,0/4,5
			37/36	5,5/5,0
	TiN	2	34/33	6,0/5,0
МК8	(Ti, Zr)N		32/32	6,0/5,5
	(Ti, Zr)CN		32/31	6,0/5,0

Примечание: в числителе дробей приведены значения параметров при обработке стали ЗОХГСА, в знаменателе - при обработке стали 12Х18Н10Т.

Рисунок 10. Зависимость периода стойкости инструмента из стали Р6М5К5 (а) и твердого сплава МК8 (б) с покрытием TiN от скорости резания при точении стали ЗОХГСА (s = 0,3 мм/об; t = 1 мм): 1 - традиционное покрытие; 2 - лазерная обработка и нанесение-покрытия; 3 - нанесение покрытия и лазерная обработка

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 титановой основе.

Существенным недостатком, ограничивающим производственное применение рассмотренного комбинированного упрочнения, является то, что для его реализации необходимо использовать две различные технологические установки, что существенно увеличивает стоимость и продолжительность процесса.

2.3 Лазерное легирование и азотирование

Перспективным методом комбинированного воздействия на поверхностный слой режущего инструмента является лазерное легирование нитридообразующими элементами с последующим азотированием. При этом вторая стадия комбинированной обработки (азотирование) может осуществляться как в низкотемпературной плазме газового разряда, так и по традиционным технологиям - в газовой или жидкой среде.

Указанная технология комбинированного упрочнения сталей не умаляет преимуществ лазерного легирования, а, напротив, позволяет получить комплекс физико-механических свойств, существенно превышающий тот, который может быть достигнут лазерной обработкой или азотированием в отдельности.

Применение подобной комбинированной обработки, во-первых, увеличивает растворимость азота в инструментальном материале, что дает возможность повысить микротвердость и толщину азотированного слоя, а во-вторых, способствует формированию в поверхностном слое более благоприятного распределения остаточных напряжений.

После лазерного легирования в поверхностном слое часто можно наблюдать неблагоприятное распределение остаточных напряжений: под областью сжимающих напряжений расположена область с растягивающими напряжениями, что вызывает зарождение и распространение трещин.

Если после лазерного легирования нитридообразующими элементами провести азотирование, растягивающие напряжения, возникшие на границе зоны легирования с матричным материалом при лазерном воздействии, компенсируются сжимающими, формирующимися при образовании азотистых фаз.

Рисунок 11. Распределение остаточных напряжений на поверхности стали 45 в направлении, перпендикулярном к дорожке лазерного легирования (ЛЛ): 1-ЛЛ(У); 2-ЛЛ (V) + N

На величину остаточных напряжений после лазерного легирования существенное влияние оказывает содержание углерода в материале матрицы: чем больше углерода в стали, тем выше уровень сжимающих напряжений в центре зоны лазерного легирования и уровень растягивающих напряжений на границе легированной зоны с матрицей. Последующее азотирование сталей снижает уровень сжимающих напряжений в центре зоны легирования, а в случае возникновения после лазерного легирования растягивающих напряжений меняет их знак на противоположный.

В качестве иллюстрации сказанного, на рисунке 11 представлено распределение остаточных напряжений в стали 45 после лазерного легирования ванадием и комбинированной обработки, сочетающей лазерное легирование ванадием и азотирование.

Эффективность применения комбинированной обработки, сочетающей лазерное легирование и последующее азотирование, сильно зависит от правильного выбора легирующего элемента.

На рисунке 12 представлены зависимости растворимости азота от концентрации легирующего элемента в б-железе. Из этих данных следует, что наиболее высокая растворимость азота наблюдается при легировании железа ванадием, титаном и хромом. Причем эффект повышения растворимости азота наиболее сильно возрастает с увеличением концентрации титана. Несколько ниже степень повышения растворимости азота в присутствии молибдена, марганца и вольфрама.

Рисунок 12. Влияние различных легирующих элементов на растворимость азота в б-железе

Предварительное лазерное легирование нитридообразующими элементами наиболее рационально проводить при упрочнении углеродистых и легированных сталей. Для быстрорежущих сталей эффект от предварительного легирования будет не столь существен, поскольку в их составе и так имеется значительное количество нитридообразующих элементов.

Необходимо учитывать еще одну особенность рассматриваемой комбинированной технологии, а именно: ее эффективность снижается с увеличением содержания углерода в инструментальной стали. Практика показывает, что в сталях с содержанием углерода > 0,5 % прирост твердости менее значителен, чем в сталях с меньшим содержанием углерода. Это связано с тем, что в данных сталях уже в процессе легирования достигается достаточно высокий уровень упрочнения благодаря образованию карбидных фаз. Образующиеся после азотирования карбонитриды легирующих элементов повышают твердость поверхностного слоя в меньшей степени, чем нитриды.

Рисунок 13. Микротвердость поверхностного слоя сталей после лазерного легирования различными (ЛЛ) элементами и после комбинированной обработки (ЛЛ+N)

Практика показывает, что наиболее эффективными легирующими элементами при обработке сталей самого разнообразного химического состава являются ванадий, хром и алюминий.

На рисунке 13 представлены данные о микротвердости поверхностного слоя конструкционных сталей, достигаемой применением лазерного легирования различными элементами и комбинированной обработкой. Видно, что наибольшее увеличение твердости наблюдается в случае предварительного легирования V, Сr и Аl.

На практике для увеличения микротвердости и толщины азотированного слоя вместо предварительного лазерного легирования может использоваться ионная имплантация различных нитридообразующих элементов.

2.4 Криогенно-эрозионная обработка

Сочетание криогенной и эрозионной обработки является еще одной разновидностью комбинированного упрочнения. Применение указанной обработки может заметно повысить работоспособность инструмента путем нивелирования различных дефектов поверхностного слоя (трещин, кратеров и др.), возникающих на предшествующих операциях технологической цепочки изготовления инструмента (термической, механической и др.).

Механизм криогенно-эрозионного упрочнения схематично представлен на рисунке 14. Процесс протекает в среде жидкого азота, подаваемого в зону обработки поливом. Инструментом-анодом служит игла из технически чистого титана или его сплава. После установки электродов (инструмента-анода и изделия-катода) в исходное положение (рисунок 14, а) и подачи жидкого азота в зоне микроуглублений начинается резкое охлаждение поверхностного слоя заготовки до стабильной температуры; при этом микроуглубления (рассматриваются дефекты с раскрытием 1... 5 мкм, наиболее часто возникающие, например, при шлифовании) частично или полностью сжимаются (рисунок 14, б).

Далее происходит разряд (рисунок 14, в), длительность которого обычно составляет до 0,3 мс, а плотность энергии импульса может достигать 10⁵...10⁸ Дж/мм², что по значению соизмеримо с удельной мощностью лазера. Разряд приводит к местному нагреву материала изделия, образованию расплава и плазмы на аноде и выбросу в межэлектродное пространство микрочастиц расплавленного металла (например, титана).

Рисунок 14. Модель заполнения микротрещин нитридом титана: а - в исходном положении; б- в конце периода стабилизации теплового режима; в - в момент прохождения импульса тока (разряда); г - после охлаждения зоны разряда; 1 - инструмент-анод; 2 - жидкий азот; 3 -- изделие-катод; 4 - микроуглубление; 5 - зона разряда; б - газообразный ионизированный азот; 7 - микрочастицы титанового материала с инструмента-анода; 8 - нитрид титана

Под действием тепловой энергии разряда часть жидкого азота испаряется и переходит в ионное состояние. Микроуглубление резко раскрывается, возникает насосный эффект, при котором частицы газообразного ионизованного азота и титана с инструмента-анода втягиваются в микроуглубление и заполняют его. Благодаря высокой температуре образуется нитрид титана (рисунок 14, г), который диффундирует в стенки микроуглубления.

После прекращения действия источника тепловой энергии (импульса разряда) холодный жидкий азот вновь вызывает закрытие микроуглубления, заполненного нитридом титана; возникают силы сжатия Р, способствующие усилению диффузии нитрида титана в стенки микроуглубления. Образуется монолитная структура с высокими эксплуатационными свойствами, не имеющая концентраторов напряжений.

Режимы упрочнения определяют экспериментальным или расчетным путем. В первом случае образцы обрабатывают с разными значениями напряжения U или емкости С конденсаторов (при применении RC- генератора импульсов тока). Сначала устанавливают режимы обработки, при которых на изделии образуется слой покрытия. Затем регулируемые параметры процесса снижают до момента, при котором осаждение покрытия на поверхности прекращается, и полученные значения принимают в качестве рабочих режимов.

Рисунок 15. Выбор режимов упрочнения стали Р9 в среде жидкого азота: 1,2- энергия импульса при U= 80 и 100 В соответственно; 3 - граница осаждения покрытия; 4 - граница устойчивого процесса

На рисунке 15 проиллюстрировано влияние указанных параметров на энергию импульса тока при упрочнении образца из стали Р9 игольчатыми инструментами-анодами с использованием многоконтурного генератора импульсов тока. Расчет режимов может быть выполнен для импульсов тока с энергией А_и = 0,05...0,5 Дж.

Кроме того, процессом упрочнения можно управлять путем регулирования объема жидкого азота, подаваемого в зону обработки. Его количество должно быть таким, чтобы на поверхности упрочняемого участка наблюдалась пленка жидкого азота.

поверхность режущий инструмент покрытие

Список литературы

1. Григорьев С.Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента: учебник для студентов вузов. Издательство "Машиностроение".

2. Никитин М.М. Технология и оборудование вакуумного напыления. Москва: Металлургия, 1992.

3. Бохман Р.Л., Житомерский В.И., Гримбегр И. и др. Структура и твердость многослойных нитридных покрытий Ti, Zr и Nb осажденных вакуумно-дуговым методом.// Поверхность и технология нанесения покрытий. 2000. № 125. - С. 257-262.

Размещено на Allbest.ru

...